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Quality control of printed electronics using terahertz radiation

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Zhuldybina, Mariia (2021). Quality control of printed electronics using terahertz radiation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Graphic printing and electronics production are two high volume manufacturing technologies. Their combination brings a new fabrication technique and unique form of electronic applications. Printable electronics (PE) is a new advanced manufacturing technology that enables lower-cost fabrication for large-volume production of electronic devices. PE is a promising, environmentally friendly alternative route to produce display or energy products at a low cost and with new possibilities like flexible devices. One of the main challenges of this new technology is to scale it up to the industrial level. For the successful industrialization of this technology, reliability, and repeatability in both equipment and processes should be provided using efficient quality control. Currently, quality control is assessed manually or using well-developed laboratory techniques, which could be destructive or more time-consuming. To apply these methods in a production line, the specific conditions such as an appropriate illumination, a particular direction, a specific speed production, or even a cleanroom environment must be considered. These severely restrict the value of PE as an industrial manufacturing technique and requires developing an efficient in-line characterization technique to control the quality of fabrication process.

This work focuses on studying and developing terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) as a characterization tool for the quality control of printed process. During the last decade, THz-TDS has received a lot of attention due to its contactless, non-destructive, high-resolution, non-invasive abilities for quality control. In non-destructive testing of materials, quality control is often based on sampling the condition of a production line. To ensure THz light interacts with the printed conductive materials, we introduced a simple strategy using THz metamaterials as a printing quality control bar (QCB).

To prove our idea, we printed QCBs using two types of printing techniques, which demonstrates the potential of using continuous roll to roll printing to manufacture functional printed devices. Our work employs QCBs in the same way that a test pattern is indispensable for quality control using offset color printing. In offset printing, the printed area of the control structure is around a 1 cm2. Our concept is quite similar.

In the framework of this thesis, two types of metamaterials have been designed and studied for the tracking of printing quality : geometrical variation and conductivity.

Implementation of metamaterials as a quality control structure is one of the possible solutions for an in-line and in-situ process monitoring in industrial production environments and a route to closed-loop control the quality.

Titre traduit

Contrôle de la qualité des produits électroniques imprimés utilisant le rayonnement térahertz

Résumé traduit

L’impression graphique et la production électronique sont deux technologies de fabrication à grand volume. Leur combinaison apporte une nouvelle technique de fabrication et une forme unique d’applications dans le domaine de l’électronique. L’électronique imprimable (EI) est une nouvelle technologie de fabrication avancée qui permet une fabrication à moindre coût pour la production en grand volume de dispositifs électroniques. L’EI est une façon alternative, prometteuse et respectueuse de l’environnement pour produire des produits électroniques, des affichages ou aider à produire de l’énergie verte à faible coût ainsi que de nouvelles solutions pour des dispositifs flexibles. L’un des principaux défis de cette nouvelle technologie est de l’implanter dans un environnement industriel. Pour réussir l’industrialisation de cette technologie, la fiabilité et la répétabilité de la qualité des dispositifs et des processus de fabrication doivent être vérifiés et assurés grâce à un contrôle de qualité efficace. Actuellement, le contrôle de la qualité est évalué manuellement ou à l’aide de techniques de laboratoire bien développées, qui ont les désavantages d’être destructeurs et longs. Pour appliquer ces méthodes dans une chaîne de production, il faut tenir compte des conditions spécifiques telles que : (i) un éclairage approprié, (ii) une direction particulière, (iii) une vitesse de production spécifique et (iv) un environnement contrôlé nécessitant une salle blanche. Ces conditions limitent fortement la nécessité de l’EI en tant que technique de fabrication industrielle. C’est pourquoi, il est primordial de développer la mise au point d’une technique de caractérisation en ligne efficace pour contrôler les propriétés des produits imprimés.

Ce travail s’est concentré sur l’étude, le développement et l’utilisation de la spectroscopie térahertz dans le domaine temporel (THz-TDS) comme outil de caractérisation pour le contrôle de la qualité des dispositifs d’EI. Au cours de la dernière décennie, la THz-TDS à été étudié de façon intensive et il a été démontré que la THz-TDS peut être utilisée comme un outil de contrôle de qualité sans contact, non destructif, à haute résolution et non invasif. Dans les essais non destructifs des matériaux, le contrôle de la qualité est souvent basé sur l’échantillonnage de l’état d’une chaîne de production. Pour garantir l’interaction de la lumière THz avec les matériaux conducteurs imprimés, nous avons introduit une stratégie simple utilisant les métamatériaux THz comme barre de contrôle de la qualité d’impression (QCB).

Pour démontrer notre idée, nous avons imprimé des QCB en utilisant deux types de techniques d’impression. Cette technique pourrait être utiliser avec la technique de l’impression continue de rouleau à rouleau pour fabriquer des dispositifs imprimés fonctionnels de façon industrielle. Notre travail utilise les QCB de la même manière qu’il est indispensable d’utiliser une mire dans l’impression offset pour réaliser le contrôle de qualité. Dans l’impression offset, la surface imprimée de la structure de contrôle est d’environ 1 cm2. Ici, notre concept développé est assez similaire.

Dans le cadre de cette thèse, deux types de métamatériaux ont été conçus et étudiés pour le suivi de la qualité d’impression selon deux critères: la variation géométrique et la conductivité.

La mise en oeuvre des métamatériaux comme structure de contrôle de la qualité est l’une des solutions possibles en tant que suivi de processus en ligne et in situ dans des environnements de production industrielle et une voie vers le contrôle de la qualité en boucle fermée.

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 161-180).
Mots-clés libres: électronique imprimée, contrôle de qualité, spectroscopie térahertz, tests non destructifs
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Blanchard, François
Codirecteur:
Codirecteur
Zednik, Ricardo
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 nov. 2021 19:40
Dernière modification: 25 nov. 2021 19:40
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2786

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