Composants passifs sérigraphiés pour l'électronique de puissance flexible

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 15959 (2015) Citer cet article

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Les procédés d'impression additive et à basse température permettent l'intégration de divers dispositifs électroniques, à la fois fournissant et consommant de l'énergie, sur des substrats flexibles à faible coût. La production d'un système électronique complet à partir de ces appareils nécessite cependant souvent que l'électronique de puissance effectue une conversion entre les différentes tensions de fonctionnement des appareils. Les composants passifs (inductances, condensateurs et résistances) remplissent des fonctions telles que le filtrage, le stockage d'énergie à court terme et la mesure de tension, qui sont vitales dans l'électronique de puissance et dans de nombreuses autres applications. Dans cet article, nous présentons des inductances, des condensateurs, des résistances sérigraphiés et un circuit RLC sur des substrats en plastique flexibles et rendons compte du processus de conception permettant de minimiser la résistance en série des inductances qui permet leur utilisation en électronique de puissance. Les inductances et résistances imprimées sont ensuite incorporées dans un circuit régulateur de tension élévateur. Des diodes électroluminescentes organiques et une batterie lithium-ion flexible sont fabriquées et le régulateur de tension est utilisé pour alimenter les diodes à partir de la batterie, démontrant le potentiel des composants passifs imprimés pour remplacer les composants conventionnels montés en surface dans une application de convertisseur DC-DC.

Ces dernières années ont vu le développement d’une grande variété de dispositifs flexibles pour des applications dans le domaine de l’électronique portable et de grande surface et de l’Internet des objets1,2. Il s’agit notamment des dispositifs de récupération d’énergie tels que les systèmes photovoltaïques3, piézoélectriques4 et thermoélectriques5 ; les dispositifs de stockage d'énergie tels que les batteries6,7 ; et des dispositifs consommateurs d'énergie tels que des capteurs8,9,10,11,12 et des sources lumineuses13. Bien que de nombreux progrès aient été réalisés sur les sources d'énergie et les charges individuelles, la combinaison de ces composants dans un système électronique complet nécessite généralement également que l'électronique de puissance surmonte toute inadéquation entre le comportement de la source et les exigences des charges. Par exemple, les batteries produisent une tension variable en fonction de leur état de charge. Si une charge nécessite une tension constante ou une tension supérieure à celle que la batterie peut produire, alors l’électronique de puissance est nécessaire. L'électronique de puissance utilise des composants actifs, des transistors, pour remplir des fonctions de commutation et de contrôle, ainsi que des composants passifs : inductances, condensateurs et résistances. Dans un circuit régulateur de tension de commutation, par exemple, des inductances sont utilisées pour stocker l'énergie pendant chaque cycle de commutation, des condensateurs sont utilisés pour réduire l'ondulation de tension et la mesure de tension requise pour le contrôle par rétroaction est réalisée à l'aide d'un diviseur de résistance.

L'électronique de puissance adaptée aux exigences des appareils portables tels que l'oxymètre de pouls9, qui nécessite quelques volts et quelques milliampères, fonctionne généralement à des fréquences comprises entre des centaines de kHz et quelques MHz et nécessite une inductance et une capacité de plusieurs μH et plusieurs μF, respectivement14. L'approche conventionnelle pour fabriquer ces circuits consiste à souder des composants discrets sur une carte de circuit imprimé (PCB) rigide. Alors que les composants actifs d'un circuit électronique de puissance sont souvent combinés dans un seul circuit intégré (CI) en silicium, les composants passifs sont généralement externes, soit pour permettre la personnalisation du circuit, soit parce que les valeurs d'inductance et de capacité requises sont trop grandes pour être atteintes. en silicium.

La fabrication de dispositifs et de circuits électroniques par des procédés d'impression additive offre un certain nombre d'avantages en termes de simplicité et de coût par rapport aux techniques de fabrication conventionnelles à base de PCB. Premièrement, étant donné que de nombreux composants d’un circuit nécessitent les mêmes matériaux, comme le métal pour les contacts et les interconnexions, l’impression permet de fabriquer plusieurs composants simultanément, avec relativement peu d’étapes de traitement et peu de sources de matériaux15. Le remplacement des processus soustractifs tels que la photolithographie et la gravure par des processus additifs réduit encore davantage la complexité des processus ainsi que le gaspillage de matériaux16,17,18,19. De plus, les basses températures utilisées dans l'impression sont compatibles avec des substrats en plastique flexibles et peu coûteux, permettant de couvrir de grandes surfaces avec des composants électroniques à l'aide de processus de fabrication roll-to-roll à grande vitesse16,20. Pour les applications qui ne peuvent pas être entièrement réalisées à l'aide de composants imprimés, des approches hybrides ont été développées dans lesquelles les composants de technologie de montage en surface (SMT) sont fixés à basse température sur des substrats flexibles aux côtés des composants imprimés21,22,23. Dans de telles approches hybrides, il est toujours souhaitable de remplacer autant de composants SMT que possible par leurs homologues imprimés pour profiter des avantages des processus additifs et améliorer la flexibilité globale du circuit. Pour réaliser une électronique de puissance flexible, nous proposons une combinaison de composants actifs SMT et de composants passifs sérigraphiés, avec un accent particulier sur le remplacement des inductances SMT volumineuses par des inductances planaires en spirale. Parmi les différentes technologies de fabrication de composants électroniques imprimés, la sérigraphie est particulièrement adaptée aux composants passifs en raison de sa grande épaisseur de film (nécessaire pour minimiser la résistance en série des éléments métalliques) et de sa vitesse d'impression élevée, même lorsqu'elle couvre des zones centimétriques avec du papier. matériel24.