Caractérisation des encres imprimées par jet d’encre

La conductivité est une propriété importante à connaitre sur les matériaux conducteurs dans le domaine de l’électronique RF. Ce paramètre est exprimé en Siemens par mètre (ou Siemens par micromètre). Cette valeur nous sera utile pour la conception de nos structures à l’aide d’un logiciel de simulation électromagnétique.

1. Encre d’argent JSB-25HV

Durant la fabrication, nous utilisons l’encre métallique Novacentrix JSB-25HV. Nous avons cherché, dans un premier temps à déterminer la valeur de la conductivité des films déposés. Pour calculer la valeur de la conductivité en continu (DC), nous devons déterminer les valeurs de la résistance surfacique ainsi que l’épaisseur d’encre imprimée. Une fois que nous avons calculé ces paramètres et en utilisant l’équation mathématique (5) mentionnée

dispositifs RF - Caractérisation de matériaux

plusieurs motifs d’un carré d'un centimètre par un centimètre ont été imprimés avec l'encre métallique en une et deux couches sur un substrat de papier. Ensuite, nous avons mesuré la résistance surfacique (en ohm/carré) pour les différentes structures.



Pour mesurer la résistance surfacique, un système quatre pointes avec un dispositif de mesure et une source Keithley 2612A ont été utilisés.

Figure II-19 – Dispositif de mesure 4 pointes

Cette méthode consiste à utiliser les 4 pointes et permettent de mesurer le courant injecté sur la surface de l’échantillon et les deux autres pointes permettent de déterminer la valeur de la tension. La Figure II-19 représente les 4 pointes positionnées sur une couche mince d’épaisseur « e » et de résistivité « ρ ». Si l’épaisseur de la couche est négligeable par rapport aux autres dimensions du motif, on peut construire un modèle bidimensionnel de la conduction tel que :

V

I

K*

e ⁽⁴⁾

Où

K

K 4.532 ) étant un coefficient sans dimension caractéristique de la géométrie 2D (forme des contours, position des contacts). Le rapport ρ/e caractérise la résistance par carré de la couche, on le note R□ et il s’exprime en ohms.

Après avoir effectué les mesures, les valeurs moyennes obtenues sont reportées dans le tableau ci-dessous.

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Tableau II-4 -Valeurs moyennes de R□ pour des échantillons avec une et deux couches d’argent imprimées

Nombre de couches R□ (Ω / □)

1 0.11

2 0.04

 Mesure de l’épaisseur

L'épaisseur de la surface imprimée est le deuxième paramètre à déterminer pour pouvoir calculer la valeur de la conductivité.

Figure II-20 - Dispositif de mesure d’épaisseur : profilomètre

La mesure de l'épaisseur a été réalisée en utilisant un profilomètre DEKTAK XT (Figure II-20). En suivant le profil avec la pointe du profilomètre, nous avons déterminé la différence de hauteurs entre le substrat et le motif imprimé, en mesurant les marches montante et descendante. Après plusieurs mesures nous obtenons les valeurs moyennes indiquées dans le Tableau II-5. Nous remarquons que l’épaisseur augmente logiquement lorsque le nombre de couches imprimées augmente et qu’une couche d’argent correspond à 800 nm (environ).

Tableau II-5- Mesure d'épaisseur pour une et deux couches d’argent imprimées

Nombre de couches Epaisseur (μm)

1 0.786

2 1.567

 Calcul de la conductivité

Maintenant, nous pouvons calculer la valeur de la conductivité (ζ) pour différentes couches imprimées après avoir déterminé les valeurs de la résistance surfacique ainsi que l'épaisseur de nos échantillons, et ceci grâce à l’équation :

dispositifs RF - Caractérisation de matériaux

ζ

R□ *A ⁽⁵⁾

où L est la longueur de l'échantillon et A sa surface.

Toutes les valeurs moyennes mesurées précédemment ainsi que les valeurs de conductivité calculées (exprimés en Siemens par mètre) pour une et deux couches d’argent imprimées sur papier sont récapitulées dans le tableau ci-dessous.

Tableau II-6 -Tableau récapitulatif avec calcul de la conductivité

Nombre de couches R□ (Ω/ □) Epaisseur (μm) ρ (Ω*μm) σ (S/m)

1 0.11 0.786 0.086 1.162*10⁷

2 0.04 1.567 0.062 1.612*10⁷

Pour conclure, nous constatons qu’à travers la détermination de l’épaisseur ainsi que la valeur de la résistivité nous pouvons calculer la valeur de la conductivité avec la méthode des 4 pointes pour les différents nombres de couches et que l’épaisseur d’une couche argent est de 800 nm.

Par expérience, nous avons choisi de travailler avec deux couches d’encre imprimée car nous estimons que c’est un bon compromis entre la conductivité, le temps d’impression et la consommation de l’encre versus les performances électriques des structures à réaliser lors de nos travaux. En effet, avec un nombre de couches plus important, la valeur de la conductivité est environ la même.

Nous avons également cherché à caractériser la conductivité de l’encre imprimée aux fréquences auxquelles nous travaillons, soit autour de 10 GHz. Pour cela, une ligne de transmission a été imprimée sur papier avec deux couches d’encre et ses paramètres S ont été mesurés. Grâce à une retro simulation effectuée via le logiciel de simulation électromagnétique HFSS, nous avons estimé la valeur de la conductivité de l’impression pour deux couches. La valeur estimée est de 3.5*10⁶ S/m. Cette valeur est différente de la valeur en DC alors que nous savons que la conductivité n’est pas dispersive. Ceci peut être justifié par l’état de surface du motif imprimé ou de la rugosité quand la mesure a été faite.

2. Encre polymère PEDOT : PSS-MWCNTs

La caractérisation en DC du PEDOT : PSS-MWCNTs a été effectuée par la même méthode 4 pointes décrite précédemment en déterminant l’épaisseur et la résistivité ainsi que la valeur de la conductivité. Cette étude a été faite par Carlos Alberto PARAGUA MACURI

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durant son travail de thèse [122]. Nous constatons que 10 couches de PEDOT : PSS-MWCNTs correspondent à une épaisseur d’environ 2 µm et que plus le nombre de couches augmente plus la valeur de la conductivité augmente pour une étude effectuée jusqu’à 70 couches.

Concernant l’étude en RF, nous avons procédé aux mêmes étapes effectuées précédemment suivie par une rétro simulation via le logiciel de simulation HFSS, nous avons obtenu les valeurs de conductivité présentées dans le tableau II-7.

Tableau II-7- Détermination de la valeur conductivité pour différents nombre de couches du PEDOT:PSS-MWCNTs

Nombre de couches Conductivité (S/m)

5 50.10³

10 66.10³

50 10⁵