Contribution à la réalisation par technologies additives hybrides de composants microondes 3D multi-matériaux

Contribution to the development of 3D multi-material microwave components using hybrid additive manufacturing technologies

• Auteur / Autrice : Roua Djebbi
• Direction : Serge Verdeyme, Nicolas Delhote
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Denis Barataud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elodie Brousse-Pereira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Laur, Pascal Xavier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction électrique

Impression 3D

Composants électroniques

Dispositifs à micro-ondes

Mots clés libres

Fabrication additive

Multi-matériaux

Substrats polymères

Recuit laser

Composants microonde

Recuit ohmique

Caractérisation HF

Rugosité de surface

Additive manuafcturing

Multi-Material

Polymer substrates

Laser sintering

Microwave components

Ohmic sintering

HF characterization

Surface roughness

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur l’amélioration des performances de composants microondes 3D multi-matériaux réalisés par des technologies additives hybrides, en s'appuyant sur des techniques de recuit pour optimiser la conductivité électrique de pistes métalliques imprimées, et l’étude de différentes méthodes de caractérisation haute fréquence (HF) pour caractériser ces conducteurs. L'étude bibliographique réalisée a conduit à la sélection de technologies d’impression directe, telles que le jet d’aérosol (AJP) et la micro-extrusion de matière (nScrypt) pour les couches métalliques, ainsi que l’impression 3D de polymère PEKK. L’un des principaux apports de ces travaux réside dans l’intégration de techniques de recuit in situ, comme le recuit laser, directement intégré dans la machine nScrypt, permettant de fritter les dépôts métalliques immédiatement après impression, afin de maximiser leurs propriétés conductrices. Le recuit ohmique a également été exploré comme méthode complémentaire, notamment pour les lignes métalliques imprimées par micro-extrusion, avec des résultats prometteurs pour l'amélioration significative de la conductivité. En parallèle, des méthodes innovantes de caractérisation HF de la conductivité ont été développées. Ces approches reposent sur des sondes spécifiques permettant des caractérisations à la fois sans contact et en contact direct, afin de mesurer la conductivité HF sur des zones réduites et de cartographier la conductivité des surfaces métalliques imprimées en tenant compte de la rugosité de surface. Cette démarche s’inscrit dans un objectif global d'intégration de ces innovations dans un équipement de fabrication additive hybride, optimisant ainsi la performance de composants microondes 3D (lignes de transmission, résonateurs, ...).

This thesis focuses on improving the performance of 3D multi-material microwave components produced through hybrid additive manufacturing technologies, utilizing sintering techniques to optimize the electrical conductivity of printed metallic tracks, and the study of various high-frequency (HF) characterization methods to assess these conductors. The bibliographic study led to the selection of direct printing technologies such as aerosol jet printing (AJP) and material micro-extrusion (nScrypt) for metallic layers, as well as 3D printing of PEKK polymer. One of the main contributions of this work lies in the integration of in situ sintering techniques, such as laser sintering, directly integrated into the nScrypt machine, allowing for the sintering of metallic deposits immediately after printing to maximize their conductive properties. Ohmic sintering was also explored as a complementary method, particularly for metal lines printed via micro-extrusion, with promising results for significantly improving conductivity. In parallel, innovative methods for HF conductivity characterization were developed. These approaches rely on specific probes enabling both contactless and direct contact characterizations, allowing for the measurement of HF conductivity over small areas and the mapping of the conductivity of printed metallic surfaces while accounting for surface roughness. This work is part of a broader goal to integrate these innovations into a hybrid additive manufacturing system, thereby optimizing the performance of 3D microwave components (transmission lines, resonators, etc.).