Devices and structures utilizing aerosol jet printing : UV photodetectors, transmission lines and ring resonators

Gupta, Anubha A (2019). Devices and structures utilizing aerosol jet printing : UV photodetectors, transmission lines and ring resonators. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The market for printed electronics is growing continuously. Its low-cost fabrication process, large-area scalability and short processing time makes it interesting for researchers, even though the performance is lower as compared to conventional electronics. Popular printing technologies such as screen printing and inkjet printing are well established, but the upcoming maskless meso-scaled aerosol printing technique promises unique advantages. It allows the direct printing of finer 2D-3D structures, using a wide range of materials with viscosity between 1-1000 cP, while resolving the exhaustive problem of nozzle clogging. However, the implementation of printed electronics in consumer electronics remains a challenge, as device performance has to be improved. New techniques such as aerosol jet printing require additional research to fulfill their promise. This thesis investigates the implementation of fully printed structures using aerosol jet printing, focusing on devices in the fields of optoelectronics and semiconductor packaging.

The system components and operation mechanism of the aerosol jet printing system are described and a methodology for process optimization is proposed. Four distinctive regions for process optimization are identified: ink selection, surface treatment, process control and postprocessing. In the preliminary work, the possibilities of the aerosol jet printing process control is explored, such as achievable line width, film thickness, material compatibility and sintering possibilities. Test structures are produced in order to test the fabrication workflow, and to observe the interaction and compatibility of multiple printed layers. The challenges associated with aerosol jet printing are identified, including wetting, alignment, overspray and satellite deposition.

A fully printed ultraviolet photodetector with a nanoporous morphology is investigated. Presynthesized Zinc Oxide crystals are printed to reduce the post-annealing temperature. At a temperature of < 150 ◦C, the solvent is evaporated, resulting in a porous structure having high surface area-to-volume ratio. A fully printed photodetector that has comparable performance to the state-of-the-art is demonstrated, while the low-temperature fabrication process maintains compatibility with large area flexible plastic substrates.

Next, a fully printed microstrip transmission line with SU-8 as dielectric and silver as conductor is proposed, which can provide high-bandwidth interconnections in packaged semiconductor dies. The metal and dielectric materials are characterized at microwave frequencies upto 18 GHz. It is shown that a good correspondence is reached between the simulated design parameters and the printed structure, which results in good characteristic impedance matching and low transmission losses. The transition of the printed transmission line to a microwave integrated circuit is demonstrated, thereby validating the concept of aerosol jet printed transmission lines inside the package.

Lastly, the SU-8 based printed transmission lines are extended into microwave ring resonators, with applications in high frequency sensing. It is envisioned to directly print these structures inside the package, directly connected to a microwave integrated amplifier for high-Q sensing. Therefore, these ring resonator are designed for microwave center frequencies ranging from 15.5 to 21.5 GHz for reduced size which can be integrated inside a package. The material characterization of metal and dielectric materials are carried out up to 26 GHz. The simulated results showed good correspondence with the measured results in terms of center-frequency, insertion loss and Q-factor.

Titre traduit

Dispositifs et structures utilisant l'impression par jet d'aérosol : photodétecteurs UV, lignes de transmission et résonateurs à anneau

Résumé traduit

Le marché de l’électronique imprimable est en croissance constante. Grace au procédé de fabrication peu coûteux, la faisabilité sur de grandes surfaces et le temps de traitement court, l’électronique imprimable reste très prometteuse pour les chercheurs, même si ses performances sont inférieures à celles de l’électronique conventionnelle. Certaines technologies d’impression telles que la sérigraphie et l’impression à jet d’encre sont déjà bien établies. Cependant, la technique d’impression en aérosol à méso-échelle sans masque promet des avantages uniques. En effet, cette technique permet l’impression directe de structures 2D-3D plus fines, et ce en utilisant une large gamme de matériaux de viscosité comprise entre 1 et 1000 cP. De plus, elle permet de résoudre le problème récurrent de l’obturation des buses. Cependant, l’utilisation de l’électronique imprimable pour la fabrication de composantes électroniques grand public reste un défi et les performances des dispositifs ainsi fabriqués doivent encore être améliorées. De nouvelles techniques telles que l’impression par jet d’aérosol nécessitent des recherches supplémentaires afin de remplir leurs promesses. Cette thèse aborde la problématique de la fabrication de composantes entièrement par impression et ce en utilisant la technique de jet par aérosol. Ceci a été réalisé en se concentrant sur des dispositifs pour les domaines de l’optoélectronique et de l’empaquetage pour les semi-conducteurs.

Les composants et le mécanisme de fonctionnement du système d’impression par jet d’aérosol sont décrits et une méthodologie pour l’optimisation du processus est proposée. Quatre régions distinctes pour l’optimisation des processus sont identifiées soit: L’identification de l’encre, le traitement de surface, le contrôle du processus et le post-traitement. Dans les travaux préliminaires, les possibilités du contrôle du processus d’impression par jet d’aérosol sont explorées, telles que la largeur de trait réalisable, l’épaisseur du film, la compatibilité des matériaux et les possibilités de frittage. Des structures de test sont produites afin de tester le flux de fabrication et d’observer l’interaction et la compatibilité des matériaux des multiples couches imprimées. Les défis associés à l’impression par jet d’aérosol sont identifiés, notamment le mouillage, l’alignement, la surpulvérisation et le dépôt de structures satellites.

Un photodétecteur ultraviolet entièrement imprimé avec une architecture nanoporeuse est étudié, lequel profite de la rugosité de surface du film semi-conducteur imprimé par jet d’aérosol. Les cristaux d’oxyde de zinc pré-synthétisés sont imprimés pour réduire la température de post-recuit. À une température < 150 ◦C, le solvant est évaporé, ce qui donne une structure poreuse présentant un rapport surface / volume élevé. Un photodétecteur entièrement imprimé présentant des performances comparables à celles de l’état de l’art est démontré, alors que le processus de fabrication à basse température maintient la compatibilité avec les substrats plastiques flexibles de grande surface.

Par la suite, une ligne de transmission microruban entièrement imprimée en utilisant le SU-8 comme diélectrique et argent comme conducteur est proposée. Cette approche peut fournir des interconnexions à large bande passante à l’intérieur des boitiers des matrices semi-conductrices. Les matériaux métalliques et diélectriques sont caractérisés à des fréquences micro-ondes allant jusqu’à 18 GHz. Il est montré qu’une bonne correspondance est atteinte entre les paramètres simulés et la structure imprimée, ce qui indique une bonne adaptation d’impédance caractéristique et à de faibles pertes de transmission. La transition de la ligne de transmission imprimée vers un circuit intégré à micro-ondes est démontrée, validant ainsi le concept de lignes de transmission imprimées par jet d’aérosol à l’intérieur du boitier.

Enfin, les lignes de transmission imprimées à base de SU-8 sont développées dans des résonateurs en anneau à micro-ondes qui ont des applications dans la détection à haute fréquence. Il est envisagé d’imprimer directement ces structures à l’intérieur du boitier, directement connectées à un amplificateur intégré à micro-ondes pour une détection à Q élevé. Par conséquent, ces résonateurs en anneau sont conçus pour des fréquences centrales hyperfréquences allant de 15,5 à 21,5 GHz pour des tailles réduites pouvant être intégrées à l’intérieur d’un boîtier. La caractérisation des matériaux métalliques et diélectriques s’effectue jusqu’à 26 GHz. Les résultats simulés ont montré une bonne correspondance avec les résultats mesurés en termes de fréquence centrale, de perte d’insertion, de facteur Q et de rejet hors bande.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 111-126).
Mots-clés libres:	électronique imprimée, entièrement imprimée, optoélectronique, emballage, jet d’aérosol, photodétecteur UV, lignes de transmission, résonateurs en anneau
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Izquierdo, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Cloutier, Sylvain G.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 nov. 2019 21:24
Dernière modification:	11 nov. 2019 21:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2392

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