Composants passifs sérigraphiés pour l'électronique de puissance flexible

Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 15959 (2015) Citer cet article

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Les procédés d'impression additifs et à basse température permettent l'intégration de divers dispositifs électroniques, à la fois fournisseurs d'énergie et consommateurs d'énergie, sur des substrats flexibles à faible coût. Cependant, la production d'un système électronique complet à partir de ces dispositifs nécessite souvent une électronique de puissance pour effectuer la conversion entre les différentes tensions de fonctionnement des dispositifs. 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 essentielles dans l'électronique de puissance et de nombreuses autres applications. Dans cet article, nous présentons des inductances, des condensateurs, des résistances et un circuit RLC sérigraphiés sur des substrats en plastique flexibles et rendons compte du processus de conception pour la minimisation de la résistance série de l'inductance qui permet leur utilisation dans l'électronique de puissance. Des inductances et des 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 à montage en surface dans une application de convertisseur CC-CC.

Ces dernières années ont vu le développement d'une grande variété de dispositifs flexibles pour des applications dans l'électronique portable et à grande surface et l'Internet des objets1,2. Il s'agit notamment des dispositifs de récupération d'énergie tels que le photovoltaïque3, le piézoélectrique4 et le thermoélectrique5 ; les dispositifs de stockage d'énergie tels que les batteries6,7 ; et les dispositifs consommateurs d'énergie tels que les capteurs8,9,10,11,12 et les 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 une électronique de puissance pour surmonter 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, une électronique de puissance est alors nécessaire. L'électronique de puissance utilise des composants actifs, des transistors, pour effectuer des fonctions de commutation et de contrôle, ainsi que des composants passifs - inductances, condensateurs et résistances. Dans un circuit régulateur de tension à découpage, par exemple, des inductances sont utilisées pour stocker de 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 de 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 de l'ordre de centaines de kHz à 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 rigide (PCB). Alors que les composants actifs d'un circuit électronique de puissance sont souvent combinés en 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 importantes 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, tels que 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 la complexité du processus ainsi que les déchets 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 recouvrir de grandes surfaces d'électronique à l'aide de processus de fabrication rouleau à rouleau 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 la 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, le remplacement d'autant de composants SMT que possible par leurs homologues imprimés est toujours souhaitable pour récolter les bénéfices 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 encombrantes par des inductances planaires en spirale. Parmi les différentes technologies de fabrication de l'électronique imprimée, la sérigraphie est particulièrement bien adaptée aux composants passifs en raison de sa grande épaisseur de film (nécessaire pour minimiser la résistance série des éléments métalliques) et de sa vitesse d'impression élevée, même lorsqu'elle couvre des zones à l'échelle centimétrique avec matériel24.

Il est essentiel de minimiser les pertes dans les composants passifs pour l'électronique de puissance, car l'efficacité du circuit affecte directement la taille de la source d'énergie nécessaire pour alimenter un système. Ceci est particulièrement difficile pour les inductances imprimées, qui se composent de longues bobines et sont donc sensibles à une résistance série élevée. En conséquence, bien qu'il y ait eu des efforts pour minimiser la résistance des bobines imprimées25,26,27,28, il reste un manque de composants passifs imprimés efficaces pour l'électronique de puissance. À ce jour, de nombreux composants passifs imprimés signalés sur des substrats flexibles sont conçus pour fonctionner dans des circuits résonnants à des fins d'identification par radiofréquence (RFID) ou de récupération d'énergie10,12,25,27,28,29,30,31. D'autres se concentrent sur le développement de matériaux ou de processus de fabrication et démontrent des composants à usage général qui ne sont pas optimisés pour une application particulière26,32,33,34. Les circuits électroniques de puissance tels que les régulateurs de tension, en revanche, ont tendance à utiliser des composants plus grands que les démonstrations typiques de passifs imprimés et ne nécessitent pas de résonance, exigeant ainsi différentes conceptions de composants.

Nous présentons ici la conception et l'optimisation d'inductances sérigraphiées dans la gamme μH pour obtenir une résistance série minimale et des performances élevées à des fréquences pertinentes pour l'électronique de puissance. Des inducteurs, des condensateurs et des résistances sérigraphiés avec différentes valeurs de composants sont fabriqués sur des substrats en plastique flexibles. L'adéquation de ces composants à l'électronique flexible est d'abord démontrée dans un simple circuit RLC. Des inductances et des résistances imprimées sont ensuite intégrées à un circuit intégré pour former un régulateur de tension élévateur. Enfin, des diodes électroluminescentes organiques (OLED) et une batterie lithium-ion flexible sont fabriquées et le régulateur de tension est utilisé pour alimenter les OLED à partir de la batterie.

Pour concevoir des inducteurs imprimés pour l'électronique de puissance, nous avons d'abord prédit l'inductance et la résistance CC d'une gamme de géométries d'inducteurs basées sur le modèle de feuille actuel présenté dans Mohan et al.35 et avons fabriqué des inducteurs de différentes géométries pour confirmer la précision du modèle. Une forme circulaire a été sélectionnée pour les inducteurs dans ce travail car une inductance plus élevée peut être obtenue avec une résistance plus faible par rapport aux géométries polygonales36. L'effet du type d'encre et du nombre de cycles d'impression sur la résistance a été déterminé. Ces résultats ont ensuite été utilisés avec le modèle de feuille actuel pour concevoir des inducteurs de 4,7 μH et 7,8 μH optimisés pour une résistance CC minimale.

L'inductance et la résistance CC d'un inducteur en spirale peuvent être décrites par quelques paramètres : le diamètre extérieur do, la largeur de spire w et l'espacement s, le nombre de spires n et la résistance de feuille Rfeuille du conducteur. La figure 1a montre une photographie d'une inductance circulaire sérigraphiée avec n = 12, indiquant les paramètres géométriques qui déterminent son inductance. L'inductance a été calculée pour une gamme de géométries d'inducteur selon le modèle de feuille actuel de Mohan et al.35, dans lequel

(a) Photographie d'un inducteur sérigraphié, indiquant les paramètres géométriques. Le diamètre est de 3 cm. Inductance (b) et résistance CC (c) pour une variété de géométries d'inductance. Les lignes et les marqueurs correspondent respectivement aux valeurs calculées et mesurées. ( d, e ) Résistance CC des inducteurs L1 et L2, respectivement, sérigraphiées à partir d'encres argent Dupont 5028 et 5064H. (f, g) Micrographies SEM de films sérigraphiés à partir de Dupont 5028 et 5064H, respectivement.

où μ est la perméabilité du noyau (dans ce cas, l'air); davg est le diamètre moyen :

ρ est le taux de remplissage :

et din est le diamètre intérieur :

La résistance continue est donnée par

en utilisant la longueur l de la spirale :

Aux hautes fréquences, l'effet de peau et la capacité parasite modifient la résistance et l'inductance d'un inducteur à partir de leurs valeurs CC. Il est souhaitable de faire fonctionner l'inductance à des fréquences suffisamment basses pour que ces effets soient négligeables et que le dispositif se comporte comme une inductance constante avec une résistance constante en série. Ainsi, dans ce travail, nous analysons les relations entre les paramètres géométriques, l'inductance et la résistance CC et utilisons les résultats pour obtenir une inductance donnée avec une résistance CC minimale.

L'inductance et la résistance ont été calculées pour une gamme de paramètres géométriques réalisables avec la sérigraphie et censées donner des inductances dans la gamme μH. Des diamètres extérieurs de 3 et 5 cm, des largeurs de trait de 500 et 1000 μm et différents nombres de spires ont été comparés. Les calculs ont été effectués en supposant une résistance de feuille de 47 mΩ / □, correspondant à une seule couche de 7 μm d'épaisseur de conducteur microflake Dupont 5028 en argent imprimé à l'aide d'un écran de 400 mesh et en définissant w = s. Les valeurs d'inductance et de résistance calculées sont indiquées sur les figures 1b, c, respectivement. Le modèle prédit que l'inductance et la résistance augmentent à mesure que le diamètre extérieur et le nombre de tours augmentent ou que la largeur de la ligne diminue.

Des inducteurs couvrant une gamme de géométries et d'inductances ont été fabriqués sur des substrats de polyéthylène téréphtalate (PET) afin d'évaluer la précision des prédictions du modèle. Les valeurs d'inductance et de résistance mesurées sont indiquées sur les figures 1b, c. Alors que les résistances montrent quelques écarts par rapport aux valeurs attendues, principalement en raison des variations d'épaisseur et d'uniformité de l'encre déposée, l'inductance montre un excellent accord avec le modèle.

Ces résultats peuvent être utilisés pour concevoir des inducteurs ayant une inductance souhaitée avec une résistance CC minimale. Par exemple, supposons qu'une inductance de 2 μH soit souhaitée. La figure 1b montre que cette inductance peut être obtenue en utilisant un diamètre extérieur de 3 cm, une largeur de ligne de 500 μm et 10 spires. La même inductance peut également être produite en utilisant un diamètre extérieur de 5 cm, avec une largeur de ligne de 500 μm et 5 tours ou une largeur de ligne de 1000 μm et 7 tours (également illustré sur la figure). La comparaison de la résistance de ces trois géométries possibles sur la figure 1c révèle que l'inductance de 5 cm avec une largeur de ligne de 1000 μm a la résistance la plus faible de 34 Ω, environ 40% inférieure aux deux autres. Le processus de conception généralisé pour obtenir une inductance donnée avec une résistance minimale est résumé comme suit : premièrement, le plus grand diamètre extérieur admissible est sélectionné en fonction des contraintes spatiales imposées par l'application. Ensuite, la largeur de ligne doit être rendue aussi grande que possible tout en permettant d'atteindre l'inductance souhaitée, ce qui se traduit par un taux de remplissage élevé (équation (3)).

La réduction de la résistance carrée des films métalliques, soit en augmentant l'épaisseur, soit en utilisant un matériau à conductivité plus élevée, peut réduire davantage la résistance CC sans affecter l'inductance. Deux inducteurs, avec des paramètres géométriques donnés dans le tableau 1, appelés L1 et L2, ont été fabriqués avec un nombre variable de couches pour évaluer le changement de résistance. Au fur et à mesure que le nombre de couches d'encre augmentait, la résistance diminuait proportionnellement comme prévu, comme le montrent les figures 1d, e pour les inducteurs L1 et L2 respectivement. Les figures 1d,e montrent qu'il est possible d'obtenir jusqu'à 6 fois une réduction de la résistance en appliquant 6 couches, tandis que la plus grande réduction de la résistance (50 à 65 %) se produit entre 1 et 2 couches. Un écran avec une taille de maille relativement petite (400 fils par pouce) a été utilisé pour imprimer ces inducteurs car chaque couche d'encre est relativement mince, ce qui nous permet d'étudier l'effet de l'épaisseur du conducteur sur la résistance. Une épaisseur (et une résistance) similaire pourrait être obtenue plus rapidement en imprimant un plus petit nombre de couches avec une taille de maille plus grande, tant que les caractéristiques à motifs restent plus grandes que la résolution minimale de la maille. Cette approche pourrait être utilisée pour obtenir la même résistance CC que les inducteurs à 6 couches discutés ici, mais avec une vitesse de production plus élevée.

Les figures 1d, e montrent également qu'une double réduction de la résistance est obtenue en utilisant une encre en flocons d'argent à conductivité plus élevée, Dupont 5064H. Comme on le voit sur les micrographies SEM des films imprimés à partir des deux encres, Fig. 1f, g, la conductivité inférieure de l'encre 5028 provient de sa plus petite taille de particules et de la présence de nombreux vides entre les particules dans le film imprimé. Le 5064H, d'autre part, a des flocons plus gros et plus serrés, donnant un comportement plus proche de celui de l'argent en vrac. Alors que cette encre produisait des films plus minces que l'encre 5028, 4 μm pour une seule couche et 22 μm pour 6 couches, l'amélioration de la conductivité était suffisamment importante pour que la résistance soit globalement réduite.

Enfin, alors que l'inductance (équation (1)) dépend de la période des spires (w + s), la résistance (équation (5)) ne dépend que de la largeur de raie w. Par conséquent, en augmentant w par rapport à s, la résistance peut être encore réduite. Deux inducteurs supplémentaires, L3 et L4, ont été conçus avec w = 2s et un grand diamètre extérieur, comme indiqué dans le tableau 1. Ces inducteurs ont été fabriqués en utilisant 6 couches de Dupont 5064H, montré précédemment pour donner les performances les plus élevées. L3 avait une inductance de 4,720 ± 0,002 μH avec une résistance de 4,9 ± 0,1 Ω, tandis que L4 avait 7,839 ± 0,005 μH et 6,9 ± 0,1 Ω, en bon accord avec les prédictions du modèle. Cela représente une amélioration du rapport L/R de plus d'un ordre de grandeur par rapport aux valeurs de la figure 1, en raison des améliorations d'épaisseur, de conductivité et de w/s.

Bien qu'une faible résistance DC soit prometteuse, l'évaluation de l'adéquation des inductances pour l'électronique de puissance fonctionnant dans la gamme kHz-MHz nécessite une caractérisation aux fréquences AC. La figure 2a montre la dépendance de la résistance et de la réactance de L3 et L4 à la fréquence. Pour les fréquences inférieures à 10 MHz, la résistance reste à peu près constante à sa valeur continue et la réactance augmente linéairement avec la fréquence, ce qui implique une inductance constante comme prévu. La fréquence de résonance propre, définie comme la fréquence à laquelle l'impédance passe d'inductive à capacitive, se produit à 35,6 ± 0,3 MHz pour L3 et 24,3 ± 0,6 MHz pour L4. La dépendance du facteur de qualité Q, égal à ωL/R, à la fréquence est représentée sur la figure 2b. L3 et L4 atteignent leurs facteurs de qualité maximum de 35 ± 1 et 33 ± 1 aux fréquences de 11 et 16 MHz respectivement. L'inductance de plusieurs μH et un Q relativement élevé dans les fréquences MHz font de ces inductances des remplacements adéquats pour les inductances conventionnelles à montage en surface dans les convertisseurs CC-CC de faible puissance.

Résistance mesurée R et réactance X (a) et facteur de qualité Q (b) en fonction de la fréquence pour les inductances L3 et L4.

Pour minimiser l'encombrement requis pour une capacité donnée, il est souhaitable d'utiliser une technologie de condensateur à capacité spécifique importante, égale à la permittivité diélectrique ε divisée par l'épaisseur du diélectrique. Dans ce travail, nous avons choisi un composite de titanate de baryum pour le diélectrique, car il présente un ε plus élevé que les autres diélectriques organiques traités en solution. La couche diélectrique a été sérigraphiée entre deux couches du conducteur en argent pour former une structure métal-diélectrique-métal. Des condensateurs de différentes dimensions à l'échelle centimétrique, comme le montre la figure 3a, ont été fabriqués en utilisant deux ou trois couches d'encre diélectrique, pour maintenir un bon rendement. La figure 3b montre des micrographies SEM en coupe d'un condensateur représentatif fabriqué avec deux couches de diélectrique, pour une épaisseur diélectrique totale de 21 μm. Les électrodes supérieure et inférieure comportent respectivement une et six couches de 5064H. Les particules de titanate de baryum à l'échelle du micron sont visibles sur l'image SEM sous forme de zones plus claires entourées par le liant organique plus sombre. L'encre diélectrique mouille bien l'électrode inférieure en formant une interface claire avec le film métallique imprimé, comme le montre la figure en médaillon à plus fort grossissement.

(a) Photographies des condensateurs avec cinq zones différentes. ( b ) Micrographies SEM en coupe d'un condensateur à deux couches de diélectrique, montrant le diélectrique en titanate de baryum et les électrodes en argent. ( c ) Capacité des condensateurs à 2 et 3 couches de diélectrique au titanate de baryum et à surface variable, mesurée à 1 MHz. (d) Capacité, ESR et facteur de dissipation d'un condensateur de 2,25 cm2 avec 2 couches de diélectrique, en fonction de la fréquence.

La capacité évolue proportionnellement à la surface comme le montre la figure 3c, avec une capacité spécifique de 0,53 nF/cm2 pour deux couches de diélectrique et de 0,33 nF/cm2 pour trois couches. Ces valeurs correspondent à une permittivité de 13. La capacité et le facteur de dissipation (DF) ont également été mesurés à une fréquence variable, comme le montre la figure 3d pour un condensateur de 2,25 cm2 avec deux couches de diélectrique. Nous avons constaté que la capacité est relativement plate sur la plage de fréquences d'intérêt, augmentant de 20 % de 1 à 10 MHz, tandis que le DF augmente de 0,013 à 0,023 sur cette même plage. Comme le facteur de dissipation est un rapport entre l'énergie perdue et l'énergie stockée par cycle AC, un DF de 0,02 signifie que 2 % de la puissance gérée par le condensateur est dissipée. Cette perte est également souvent exprimée sous la forme d'une résistance série équivalente (ESR) dépendant de la fréquence, égale à DF/ωC, en série avec le condensateur. Comme le montre la figure 3d, l'ESR est inférieure à 1,5 Ω pour les fréquences supérieures à 1 MHz et inférieure à 0,5 Ω pour les fréquences supérieures à 4 MHz. Alors que les capacités à l'échelle μF nécessaires pour les convertisseurs DC-DC nécessiteraient des surfaces prohibitives utilisant cette technologie de condensateur, la plage de capacité de 100 pF - nF et la faible perte de ces condensateurs les rendent adaptés à d'autres applications, telles que les filtres et les circuits résonnants. Un certain nombre d'approches pourraient être utilisées pour augmenter la capacité. Une constante diélectrique plus élevée augmenterait la capacité spécifique37 ; cela peut être réalisé en augmentant la concentration de particules de titanate de baryum dans l'encre, par exemple. Une épaisseur diélectrique plus petite pourrait être utilisée, bien que cela nécessiterait une électrode inférieure avec une rugosité inférieure à celle des flocons d'argent sérigraphiés. Des couches plus minces et moins rugueuses pour les condensateurs peuvent être déposées par impression à jet d'encre31 ou impression par gravure10, qui pourrait être intégrée au procédé de sérigraphie. Enfin, plusieurs couches alternées de métal et de diélectrique pourraient être imprimées dans une pile et connectées en parallèle, augmentant la capacité par unité de surface34.

Les diviseurs de tension, constitués d'une paire de résistances, sont généralement utilisés pour effectuer la mesure de tension nécessaire au contrôle de rétroaction d'un régulateur de tension. Pour ce type d'application, les résistances imprimées doivent présenter des résistances dans la plage de kΩ-MΩ et une faible variation d'un appareil à l'autre. Ici, une seule couche d'encre au carbone sérigraphiée s'est avérée avoir une résistance de feuille de 900 Ω/□. Ces informations ont été utilisées pour concevoir deux résistances linéaires (R1 et R2) et une résistance serpentine (R3) avec des résistances nominales de 10 kΩ, 100 kΩ et 1,5 MΩ, respectivement. Les résistances entre les valeurs nominales ont été obtenues en imprimant deux ou trois couches d'encre, comme le montre la figure 4 à côté des photographies des trois résistances. 8 à 12 échantillons de chaque type ont été fabriqués ; dans tous les cas, l'écart type des résistances était de 10 % ou moins. Les échantillons avec deux ou trois couches avaient tendance à avoir un peu moins de variation de résistance que ceux avec une seule couche. La faible variation de la résistance mesurée et l'accord étroit avec les valeurs nominales suggèrent que d'autres résistances dans cette plage peuvent être obtenues directement en modifiant la géométrie de la résistance.

Résistance de trois géométries de résistance différentes avec un nombre variable de couches d'encre résistive au carbone. Des photographies des trois résistances sont présentées à droite.

Un circuit RLC, un exemple classique de la combinaison d'une résistance, d'une inductance et d'un condensateur, a été fabriqué pour démontrer et vérifier le comportement des composants passifs intégrés dans un véritable circuit imprimé. Dans ce circuit, une inductance de 8 μH et un condensateur de 0,8 nF ont été connectés en série et une résistance de 25 kΩ a été placée en parallèle avec eux. Une photographie du circuit flexible est représentée sur la figure 5a. Cette combinaison série-parallèle particulière a été sélectionnée car son comportement est dominé par chacun des trois composants à des fréquences différentes, ce qui permet de mettre en évidence et d'évaluer les performances de chacun. La réponse en fréquence attendue du circuit a été calculée en tenant compte de la résistance série de 7 Ω de l'inductance et de l'ESR de 1,3 Ω du condensateur. Le schéma de circuit est illustré à la Fig. 5b et l'amplitude et la phase d'impédance calculées sont illustrées aux Fig. 5c et d avec les valeurs mesurées. A basse fréquence, l'impédance élevée du condensateur signifie que le comportement du circuit est dominé par la résistance de 25 kΩ. Lorsque la fréquence augmente, l'impédance du chemin LC diminue; le comportement global du circuit est capacitif jusqu'à la fréquence de résonance de 2,0 MHz. Au-dessus de la fréquence de résonance, l'impédance de l'inductance domine. La figure 5 montre clairement l'excellent accord entre les valeurs calculées et mesurées sur toute la gamme de fréquences. Cela signifie que le modèle utilisé ici, où les inductances et les condensateurs sont des composants idéaux avec des résistances en série, est précis pour prédire le comportement du circuit à ces fréquences.

(a) Photographie d'un circuit RLC sérigraphié utilisant une combinaison en série d'une inductance de 8 μH et d'un condensateur de 0,8 nF, en parallèle avec une résistance de 25 kΩ. (b) Modèle du circuit comprenant les résistances série des inductances et des condensateurs. (c,d) Amplitude d'impédance (c) et phase (d) du circuit.

Enfin, les inductances et résistances imprimées ont été implémentées dans un régulateur de tension élévateur. Le circuit intégré utilisé dans cette démonstration était le Microchip MCP1640B14, un régulateur de suralimentation synchrone basé sur PWM fonctionnant à 500 kHz. Le schéma de circuit est représenté sur la figure 6a. Une inductance de 4,7 μH et deux condensateurs (4,7 μF et 10 μF) sont utilisés comme éléments de stockage d'énergie et une paire de résistances est utilisée pour mesurer la tension de sortie pour le contrôle de rétroaction. Les valeurs de résistance ont été choisies pour réguler la tension de sortie à 5 V. Le circuit a été fabriqué sur un circuit imprimé et ses performances ont été mesurées sur une plage de résistances de charge et de tensions d'entrée comprises entre 3 et 4 V, simulant les tensions d'une batterie lithium-ion à divers états de charge. L'efficacité avec des inductances et des résistances imprimées a été comparée à celle avec une inductance et des résistances SMT. Des condensateurs SMT ont été utilisés dans tous les cas, car les capacités requises pour cette application étaient trop importantes pour être réalisées avec les condensateurs imprimés.

(a) Schéma du circuit régulateur de tension. (b – d) Formes d'onde de (b) Vout, (c) Vsw et (d) courant dans l'inductance, avec une tension d'entrée de 4,0 V et une résistance de charge de 1 kΩ, mesurées à l'aide d'une inductance imprimée. Des résistances et des condensateurs montés en surface ont été utilisés pour cette mesure. (e) Efficacité d'un circuit régulateur de tension utilisant tous les composants montés en surface par rapport à un circuit avec inductance et résistances imprimées, pour diverses résistances de charge et tensions d'entrée. (f) Rapport des rendements des circuits montés en surface et imprimés indiqués en (e).

Les formes d'onde mesurées à l'aide d'un inducteur imprimé sont illustrées à la Fig. 6b – d, pour une tension d'entrée de 4,0 V et une résistance de charge de 1 000 Ω. la figure 6c montre la tension à la borne Vsw du CI; la tension de l'inductance est Vin-Vsw. La figure 6d montre le courant dans l'inductance. L'efficacité des circuits avec SMT et des composants imprimés est représentée en fonction de la tension d'entrée et de la résistance de charge sur la Fig. 6e, la Fig. 6f montre le rapport d'efficacité avec des composants imprimés à celui avec des composants SMT. Les rendements mesurés avec les composants SMT sont similaires aux valeurs attendues indiquées dans la fiche technique du fabricant14. À des courants d'entrée élevés (faible résistance de charge et faible tension d'entrée), le rendement est nettement inférieur avec l'inductance imprimée par rapport à l'inductance SMT en raison de la résistance série plus élevée. Cependant, avec une tension d'entrée plus élevée et un courant de sortie plus élevé, les pertes résistives deviennent moins importantes et les performances avec l'inductance imprimée commencent à se rapprocher de celles de l'inductance SMT. Pour les résistances de charge > 500 Ω avec Vin = 4,0 V, ou > 750 Ω avec Vin = 3,5 V, le rendement avec l'inductance imprimée est > 85 % de l'inductance SMT.

La comparaison de la forme d'onde de courant sur la figure 6d avec la perte de puissance mesurée montre que les pertes résistives dans l'inductance sont principalement responsables de la différence d'efficacité entre les circuits imprimés et SMT, comme prévu. Les puissances d'entrée et de sortie mesurées pour une tension d'entrée de 4,0 V et une résistance de charge de 1000 Ω étaient respectivement de 30,4 mW et 25,8 mW pour le circuit avec composants SMT et de 33,1 mW et 25,2 mW pour le circuit avec composants imprimés. La perte dans le circuit imprimé est donc de 7,9 mW, soit 3,4 mW de plus que le circuit avec des composants SMT. Le courant d'inductance RMS calculé à partir de la forme d'onde de la Fig. 6d est de 25,6 mA, ce qui donne une perte de puissance attendue de 3,2 mW en raison de sa résistance série de 4,9 Ω. Cela représente 96 % de la différence mesurée de 3,4 mW en courant continu. De plus, des circuits ont été fabriqués avec une inductance imprimée et des résistances imprimées ainsi qu'une inductance imprimée et des résistances SMT et aucune différence significative d'efficacité n'a été observée entre eux.

Un régulateur de tension a ensuite été fabriqué sur un circuit imprimé flexible (les performances de ce circuit avec des composants imprimés par rapport aux composants SMT sont données dans la Fig. S1 supplémentaire) et connecté entre une batterie lithium-ion flexible comme source et un réseau d'OLED comme charge. . Les OLED ont été fabriqués selon Lochner et al.9 et chaque pixel OLED a attiré 0,6 mA à 5 V. La batterie utilisait de l'oxyde de lithium-cobalt et du graphite respectivement comme cathode et anode et a été fabriquée par revêtement à la lame, la méthode d'impression de batterie la plus courante. 7 La capacité de la batterie était de 16 mAh et sa tension était de 4,0 V au moment du test. La figure 7 montre une photographie du circuit sur un flex-PCB, alimentant trois pixels OLED connectés en parallèle. Cette démonstration montre le potentiel des composants de puissance imprimés à être intégrés à d'autres dispositifs flexibles et organiques pour former des systèmes électroniques plus complexes.

Photographie d'un circuit régulateur de tension sur flex-PCB utilisant une inductance et des résistances imprimées, utilisant une batterie lithium-ion flexible pour alimenter trois LED organiques.

Nous avons démontré des inductances, des condensateurs et des résistances sérigraphiés avec une gamme de valeurs sur des substrats flexibles en PET, dans le but de remplacer les composants montés en surface dans l'électronique de puissance. Nous avons montré que la résistance des inducteurs, qui est très préoccupante pour l'électronique de puissance, peut être réduite de plus d'un ordre de grandeur en concevant la spirale avec un grand diamètre, un taux de remplissage et un rapport largeur de ligne-largeur d'espace et en utilisant un épaisse couche d'encre à faible résistivité. Les composants ont été intégrés dans un circuit RLC entièrement imprimé et flexible et présentent un comportement électrique prévisible dans la gamme de fréquences kHz-MHz qui est la plus intéressante pour l'électronique de puissance.

Un cas d'utilisation typique pour l'électronique de puissance imprimée serait dans un système électronique flexible portable ou intégré au produit alimenté par une batterie rechargeable flexible, telle que le lithium-ion, qui produit une tension variable en fonction de son état de charge. Si les charges, qui comprendraient des appareils électroniques imprimés et organiques, nécessitent une tension constante ou supérieure à la sortie de la batterie, un régulateur de tension est nécessaire. Pour cette raison, l'inductance et les résistances imprimées ont été intégrées dans un régulateur de tension élévateur aux côtés d'un circuit intégré en silicium conventionnel, qui a été utilisé pour alimenter les OLED à une tension constante de 5 V à partir d'une source de batterie à tension variable. L'efficacité du circuit a dépassé 85 % de celle d'un circuit de commande utilisant une inductance et des résistances montées en surface sur une plage de courants de charge et de tensions d'entrée. Malgré l'optimisation du matériau et de la géométrie, les pertes résistives dans l'inductance sont restées le facteur limitant des performances du circuit à des niveaux de courant élevés (courant d'entrée supérieur à environ 10 mA). À des courants plus faibles, cependant, les pertes dans l'inducteur ont été réduites et les performances globales sont devenues limitées par l'efficacité du circuit intégré. Étant donné que de nombreux appareils imprimés et organiques nécessitent des courants relativement faibles, tels que les petits OLED utilisés dans notre démonstration, l'inducteur de puissance imprimé peut être jugé approprié pour ce type d'application. Un rendement global supérieur du convertisseur peut être obtenu en utilisant un circuit intégré conçu pour avoir le rendement le plus élevé à des niveaux de courant inférieurs.

Dans ce travail, des régulateurs de tension ont été construits sur des PCB conventionnels, des PCB flexibles et des techniques de soudure pour les composants montés en surface et les composants imprimés ont été fabriqués sur des substrats séparés. Cependant, les basses températures et les encres à haute viscosité utilisées pour produire des films sérigraphiés devraient permettre aux composants passifs, ainsi qu'aux interconnexions entre les dispositifs et les plots de contact pour les composants à montage en surface, d'être imprimés sur des substrats arbitraires. Ceci, combiné à l'utilisation d'adhésifs conducteurs à basse température existants pour les composants à montage en surface, permettrait de construire l'ensemble du circuit, sans processus soustractifs tels que la gravure de PCB, sur un substrat peu coûteux tel que le PET. Les composants passifs sérigraphiés développés dans ce travail contribuent donc à ouvrir la voie à des systèmes électroniques flexibles intégrant des sources d'énergie et des charges avec une électronique de puissance performante, utilisant des substrats peu coûteux, principalement des procédés additifs et un nombre minimum de composants montés en surface.

Toutes les couches des composants passifs ont été sérigraphiées sur des substrats en PET flexibles, de 76 μm d'épaisseur, à l'aide d'une imprimante sérigraphique Asys ASP01M et d'écrans en acier inoxydable fournis par Dynamesh Inc. La taille des mailles était de 400 fils par pouce pour les couches métalliques et de 250 fils par pouce. pour les couches diélectrique et résistive. La sérigraphie a été réalisée à l'aide d'une force de raclette de 55 N, d'une vitesse d'impression de 60 mm/s, d'une distance de rupture de 1,5 mm et de raclettes Serilor d'une dureté de 65 duromètre (pour les couches de métal et de résistance) ou 75 duromètre (pour la couche diélectrique) .

Les couches conductrices - les inductances et les contacts avec les condensateurs et les résistances - ont été imprimées à partir d'encre à micro-flocons d'argent Dupont 5082 ou Dupont 5064H. Les résistances ont été imprimées à partir d'un conducteur en carbone Dupont 7082. Pour le diélectrique du condensateur, le diélectrique de titanate de baryum Conductive Compounds BT-101 a été utilisé. Chaque couche de diélectrique a été produite en utilisant un cycle d'impression à double passage (humide-humide) pour améliorer l'uniformité du film. Pour chaque composant, l'effet de plusieurs cycles d'impression sur les performances et la variabilité des composants a été examiné. Les échantillons fabriqués avec plusieurs couches du même matériau ont été laissés sécher pendant 2 minutes à 70 ° C entre les couches. Après la couche finale de chaque matériau, les échantillons ont été cuits à 140 °C pendant 10 minutes pour assurer un séchage complet. La fonction d'alignement automatique de la sérigraphie a été utilisée pour aligner les couches suivantes. Les contacts avec le centre de l'inducteur ont été réalisés en découpant un via dans le tampon central et en imprimant au pochoir une trace sur la face arrière du substrat avec de l'encre Dupont 5064H. Les interconnexions entre les appareils imprimés ont également été imprimées au pochoir à partir de Dupont 5064H. Pour la démonstration des composants imprimés et des composants SMT ensemble sur un circuit imprimé flexible illustré à la Fig. 7, les composants imprimés ont été fixés à l'aide d'un époxy conducteur Circuit Works CW2400 et les composants SMT ont été fixés à l'aide d'une soudure conventionnelle.

Des électrodes à base d'oxyde de lithium-cobalt (LCO) et de graphite servaient respectivement de cathode et d'anode pour la batterie. La bouillie pour la cathode était un mélange de 80 % en poids de LCO (MTI Corp.), 7,5 % en poids de graphite (KS6, Timcal), 2,5 % en poids de noir de carbone (Super P, Timcal) et 10 % en poids de fluorure de polyvinylidène (PVDF, Kureha Corp. .) et pour l'anode était un mélange de 84 % en poids de graphite, 4 % en poids de noir de carbone et 13 % en poids de PVDF. La N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) a été utilisée pour dissoudre le liant PVDF et disperser la bouillie. Les bouillies ont été homogénéisées par agitation pendant une nuit avec un mélangeur vortex. Une feuille d'acier inoxydable de 0,0005" d'épaisseur et une feuille de nickel de 10 μm ont servi de collecteurs de courant pour la cathode et l'anode, respectivement. Les encres ont été imprimées sur le collecteur de courant avec une racle à une vitesse d'impression de 20 mm/s. Les électrodes ont été chauffée dans un four à 80 ° C pendant 2 heures pour éliminer le solvant La hauteur de l'électrode après séchage était d'environ 60 μm résultant en une capacité théorique de 1,65 mAh / cm2 basée sur le poids de la matière active Les électrodes ont été coupées à une dimension de 1,3 × 1,3 cm2 et chauffée pendant une nuit dans une étuve à vide à 140 ° C avant de les sceller avec une poche en aluminium laminé dans une boîte à gants remplie d'azote Membrane à base de polypropylène séparée avec anode et cathode et une solution de LiPF6 1M dans EC / DEC (1:1) a servi d'électrolyte pour la batterie.

Les OLED vertes ont été fabriquées à partir d'un mélange de poly(9,9-dioctylfluorène-co-n-(4-butylphényl)-diphénylamine) (TFB) et de poly((9,9-dioctylfluorène-2,7-diyl)-alt- (2,1,3-benzothiadiazole-4,8-diyl)) (F8BT), selon la procédure décrite dans Lochner et al.9.

L'épaisseur du film a été mesurée avec un profilomètre à stylet Dektak. Les films ont été découpés pour préparer des échantillons en coupe transversale pour une étude au microscope électronique à balayage (MEB). Un pistolet à émission de champ FEI Quanta 3D (FEG) SEM a été utilisé pour caractériser la structure des films imprimés et confirmer les mesures d'épaisseur. L'étude SEM a été réalisée sous une tension d'accélération de 20 keV et une distance de travail typique de 10 mm.

Les résistances DC, les tensions et les courants ont été mesurés avec un multimètre numérique. L'impédance CA des inductances, des condensateurs et des circuits a été mesurée avec un compteur LCR Agilent E4980 pour les fréquences inférieures à 1 MHz et un analyseur de réseau Agilent E5061A pour les fréquences supérieures à 500 kHz. Les formes d'onde du régulateur de tension ont été mesurées avec un oscilloscope Tektronix TDS 5034.

Comment citer cet article : Ostfeld, AE et al. Composants passifs sérigraphiés pour l'électronique de puissance flexible. Sci. Rep. 5, 15959; doi : 10.1038/srep15959 (2015).

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Ce travail a été financé en partie par la National Science Foundation en vertu de l'accord de coopération n° ECCS-1202189. AEO et CML ont été soutenus par le NSF Graduate Research Fellowship Program sous le numéro de subvention 1106400. Nous remercions Cambridge Display Technology Limited (CDT) pour la fourniture de matériaux OLED et le Dr Anita Flynn, le Dr Balthazar Lechêne, Joseph Corea et Yasser Khan pour leur aide technique discussions.

Département de génie électrique et d'informatique, Université de Californie, Berkeley, Californie, 94720, États-Unis

Aminy E. Ostfeld, Igal Deckman, Abhinav M. Gaikwad, Claire M. Lochner et Ana C. Arias

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AEO a conçu et fabriqué les composants et circuits passifs et effectué la caractérisation électrique. ID a effectué l'imagerie SEM. AMG a fabriqué les batteries. CML a fabriqué les OLED. AEO a rédigé le manuscrit, tandis qu'ACA, ID et AMG ont contribué à la conception expérimentale et à la rédaction. Tous les auteurs ont discuté des résultats et commenté le manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Ostfeld, A., Deckman, I., Gaikwad, A. et al. Composants passifs sérigraphiés pour l'électronique de puissance flexible. Sci Rep 5, 15959 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15959

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Reçu : 20 août 2015

Accepté : 05 octobre 2015

Publié: 30 octobre 2015

DOI : https://doi.org/10.1038/srep15959

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