Des circuits électroniques qui se plient sans perdre leur efficacité

Si un téléphone ou un autre appareil électronique était fabriqué à partir de matériaux souples, en quoi cela changerait-il son utilisation ? Serait-il plus durable ? Si les équipements de surveillance médicale des hôpitaux étaient fabriqués à partir de composants moins rigides, seraient-ils plus faciles à porter par les patients ?

Bien que ce type d’électronique soit encore loin dans le futur, des chercheurs de Virginia Tech ont mis au point une méthode innovante pour construire les composants électroniques souples qui les constituent. Un projet de l’équipe de Michael Bartlett, chercheur principal et professeur associé au département d’ingénierie mécanique, se concentre sur les circuits qui gèrent toutes les connexions électroniques à l’intérieur.

Publiée dans Nature Electronics, cette nouvelle technique utilise des microgouttelettes de métal liquide pour créer une structure en forme d’escalier qui forme de petits passages conducteurs appelés « vias ». Ces vias créent des connexions électriques à travers et entre les couches du circuit sans qu’il soit nécessaire de percer des trous dans le matériel, comme c’était le cas avec les techniques précédentes.

« Cela nous rapproche de possibilités passionnantes telles que la robotique souple avancée, les dispositifs portables et l’électronique qui peut s’étirer, se plier et se tordre tout en conservant une fonctionnalité élevée », a indiqué M. Bartlett.

Le premier auteur de la publication est Dong Hae Ho, chercheur postdoctoral travaillant avec Bartlett. L’équipe de Virginia Tech a été rejointe dans cette étude par ses collègues Ling Li, professeur associé à l’université de Pennsylvanie, et Chenhao Hu, doctorant dans l’équipe de Li.

Les travaux ont été financés par la bourse du programme des jeunes chercheurs de l’Office of Naval Research et la bourse CAREER (Early Faculty Career Development) de la National Science Foundation, ainsi que par le soutien de Virginia Tech.

Électronique molle, vias et interconnexions

Les recherches antérieures sur les circuits souples menées par l’équipe de Bartlett remplacent les matériaux rigides par des composites électroniques souples et de minuscules gouttelettes de métal liquide conductrices d’électricité. Ces circuits électroniques souples font partie d’un domaine technologique en plein essor qui confère aux gadgets un nouveau niveau de durabilité.

Dans ce projet, les chercheurs se sont attaqués au problème des circuits imprimés souples, en particulier le passage des courants électriques entre les couches qui s’empilent les unes sur les autres. Cela est important pour faire bon usage du courant électrique dans l’espace restreint qu’occupent les circuits imprimés.

Alors que l’électronique rigide conventionnelle utilise des techniques bien établies pour créer des vias, qui sont essentielles pour fabriquer l’électronique multicouche courante aujourd’hui, elles nécessitent souvent de percer des trous à travers un circuit imprimé, ce qui fonctionne lorsque des matériaux rigides sont utilisés pour relier ces couches. Dans un matériau souple, où un trou percé peut s’étirer, le contrôle du courant nécessite une approche différente.

La nouvelle technique de l’équipe ne fait pas de trous et utilise des microgouttelettes de métal liquide pour former des vias souples et des interconnexions planaires, créant des connexions électriques à travers et entre les couches du circuit, ce qui permet de surmonter ces difficultés. Le processus implique la stratification dirigée de gouttelettes de métal liquide à l’intérieur d’une photo-résine. En exploitant les irrégularités qui apparaissent lors de l’exposition aux ultraviolets, les chercheurs créent une structure en forme d’escalier qui permet aux gouttelettes de s’assembler de manière contrôlée en 3D.

Cette approche est très polyvalente, et ces vias et interconnexions en métal liquide peuvent être mis en œuvre dans plusieurs types de matériaux. Les chercheurs peuvent aller plus loin et réaliser l’approche de fabrication plusieurs fois et créer de plus en plus de couches.

Utilisation d’un bogue comme caractéristique

Dans les méthodes connues de création de composants électroniques et d’autres micro- et nanotechnologies, l’exposition aux ultraviolets provoque des imperfections connues sous le nom d’anomalies du bord du masque ou de contre-dépouilles, qui posent généralement des problèmes dans la fabrication standard. Toutefois, les chercheurs ont transformé ce problème en une caractéristique : les bords des zones exposées aux ultraviolets amènent les gouttelettes de métal liquide à se déposer et à se stratifier selon un schéma vertical en forme d’escalier. Cet assemblage dirigé permet aux gouttelettes de former un chemin continu à travers la photorésine, reliant les couches supérieure et inférieure, qui est ensuite complètement durcie pour verrouiller la configuration en place. Ce processus se déroule simultanément et la sédimentation des gouttelettes est rapide, de sorte que le processus de création de plusieurs trous prend moins d’une minute.

« En tirant parti de ces effets de bord autrement indésirables, nous pouvons créer des trous conducteurs souples qui relient différentes couches de circuit de manière rapide et parallèle », explique M. Ho. « Nous pouvons le faire tout en maintenant la flexibilité et l’intégrité mécanique du dispositif souple. »

« En intégrant des couches de circuit dans le plan et à travers le plan, il est possible de créer des circuits souples et flexibles avec des architectures multicouches complexes », a déclaré Bartlett. « Cela permet de nouvelles formes d’électronique souple, où de multiples vias et interconnexions souples sont créées de manière parallèle et contrôlée dans l’espace. C’est essentiel pour faire avancer le domaine. »

En synthèse

Cette avancée dans le domaine de l’électronique souple représente une innovation de rupture avec des implications considérables. La technique développée par l’équipe de Virginia Tech, utilisant des microgouttelettes de métal liquide, offre une solution élégante aux défis de l’électronique flexible. Si cette technologie présente des avantages indéniables en termes de flexibilité et d’adaptabilité, il convient néanmoins de noter que nous sommes encore aux prémices de son développement. Les applications potentielles, notamment dans le domaine médical et la robotique souple, sont prometteuses, mais nécessiteront encore des phases de test et d’optimisation avant une commercialisation à grande échelle.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qui rend cette innovation différente des circuits électroniques traditionnels ?

Contrairement aux circuits traditionnels qui nécessitent le perçage de trous, cette nouvelle technique utilise des microgouttelettes de métal liquide formant une structure en escalier, permettant une flexibilité tout en maintenant la conductivité électrique.

Comment les chercheurs ont-ils transformé un défaut en avantage ?

Les anomalies du bord du masque, traditionnellement considérées comme des défauts dans la fabrication standard, ont été exploitées pour créer un système de dépôt contrôlé des gouttelettes de métal liquide, formant ainsi des connexions électriques efficaces.

Quels sont les domaines d’application potentiels de cette technologie ?

Cette innovation pourrait révolutionner la robotique souple, les dispositifs médicaux portables, et l’électronique grand public avec des appareils capables de se plier, s’étirer et se tordre tout en maintenant leurs fonctionnalités.

Quels sont les avantages principaux de cette nouvelle approche ?

La technique permet une fabrication rapide, parallèle et contrôlée des connexions électriques, tout en maintenant la flexibilité et l’intégrité mécanique des dispositifs. Elle est également adaptable à différents types de matériaux.

Quels sont les défis restants avant une application commerciale ?

Bien que prometteuse, la technologie nécessite encore des développements pour garantir sa durabilité à long terme, sa production à grande échelle et son intégration dans les processus de fabrication industriels existants.

Source : Virginia TECH – Traduction Enerzine.com

Légende illustration : (De gauche à droite) Le chercheur postdoctoral Dong Hae Ho et le professeur associé Michael Bartlett examinent un circuit électronique souple fabriqué grâce à leur méthode de production de circuits souples. Crédit : Alex Parrish / Virginia Tech.