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

Résumé

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.

Date	8 juil. 2019
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ricardo Izquierdo (Directeur(-trice)) & Sylvain G. Cloutier (Codirecteur(-trice))