Novel patterning technology for the LTCC based packaging of an optical encoder

Powder blasting technology is proposed in this thesis as a new structuring tool for Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC). The process, consisting of mechanical abrasion through high speed particles, is mostly used on brittle material but was successfully adapted for the patterning of microstructures onto the fragile green tape substrate, through the manufacturing of novel stencil masks. These masks are based on high resolution patterned nickel sheet produced using UV-LIGA process or laser cutting coated with a thin layer of photopolymer which prevents efficiently the metal sheet deformations under particles bombardment. The magnetic properties of the metal allowed magnetic clamping to be used to maintain the mask down onto the substrate. The etching rate of the metal was shown to be low enough at a pressure of 50 psi (344kPa) at a distance nozzle-substrate (N-S) of 20mm and 50mm so that the mask could be re-used several times and ensured good pattern transfer quality from the mask to the substrate. The process was systematically characterised on DuPont 951 P2 (~165μm thick) green tapes. The erosion of the green tape ceramic was then characterised with the micro-patterned electroplated masks. It showed that the powder blasted structures had U shape walls and verticality of the walls closed to 90o can be obtained with increasing the number of passes. The structures have smooth edges and do not have any melting parts. Smoother structures were obtained with distance nozzle-substrate of 50mm favouring lower under etching of about 15-20μm at the expense of a three times increase in process duration. Vias as small as 62μm in entry diameter and 20μm exit diameter were produced along with beams 25μm top width and 54μm bottom width were produced. Following the green tape characterisation, a LTCC package for an optical encoder featuring 16 layers with the glass cavity was manufactured. 45x45mm nickel masks coated with LF55gn flexopolymer were produced featuring stacking pins, fiducials, cavities and circular apertures ranging from 100μm to 400μm diameters for interconnections. Each mask was powder blasted at 50 psi for a flow rate of about 0.1g/s, a distance N-S of 20mm and a speed of 5mm/s. The optical encoder was successfully attached on the package and tested

Deposition of Ultrafine Lines using Pattern Transfer Printing for Metallization of Silicon Solar Cells

In dieser Arbeit werden Kontaktstrukturen aus Silberpaste als vorderseitige Elektrode von kristallinen Silizium-Solarzellen hergestellt und untersucht. Ziel ist dabei eine deutliche Reduzierung des Silberverbrauchs unter Erhaltung guter elektrischer Eigenschaften der Solarzelle. Eine vielversprechende Alternative zum Standard-Siebdruckverfahren ist die Pattern Transfer Printing (PTP) Technologie. Die PTP-Technologie verwendet eine Polymer-Folie mit eingeprägten Gräben und Laserbestrahlung, um ultrafeine Linien aus Silberpaste auf eine Substratoberfläche zu deponieren. Schmaler gedruckte Linien können die Produktionskosten aufgrund eines reduzierten Silberverbrauches deutlich senken. Gleichzeitig können sie den Zellwirkungsgrad erhöhen, indem sie durch eine verringerte Abschattung der Zellvorderseite eine höhere Kurzschlussstromdichte ermöglichen. Eine Herausforderung besteht darin, einen durch höheren Serienwiderstand verursachten Füllfaktorverlust zu vermeiden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der PTP-Druckprozess untersucht, mit dem Ziel ein Verständnis für die steuernden Prinzipien des Laserdruckverfahrens zu erlangen und den Prozess im Hinblick auf die Herstellung von schmalen Silberelektroden mit einem hohen Aspektverhältnis zu optimieren. Der Druckvorgang beim PTP-Verfahren lässt sich in zwei Prozesse unterteilen: die Füllung der Gräben und die anschließende Übertragung der Silberpaste auf das Substrat. Es sind zwei Rakeln erforderlich, um die Silberpaste in die Gräben zu füllen und Reste der Silberpaste von der Oberfläche der Folie zu entfernen. Ein größerer Winkel zwischen dem zweiten Rakel und der Folienoberfläche vermeidet, dass die Paste in Teilen wieder aus den Gräben entfernt wird und führt somit zu Elektroden mit einer gleichmäßigeren Höhe. Die Laserleistung ist der bestimmende Parameter zur Regulierung des PTP-Übertragungsprozesses. Es wird eine starke Abhängigkeit des Aspektverhältnisses von Elektroden und der Menge ungewünschter Silber-Ablagerungen außerhalb der Linie von der Laserleistung festgestellt. Höhere Laserleistungen verändern die Linienform hin zu breiten Linien mit einem geringeren Aspektverhältnis und führen zu vermehrten Ablagerungen von Pastenspritzern um die Silberlinien herum. Daher ist eine genaue Optimierung der Laserleistung erforderlich, sodass schmale Elektroden mit hohem Aspektverhältnis und geringen Silber-Ablagerungen hergestellt werden. Es werden drei mögliche Szenarien hinsichtlich der Laserleistung betrachtet: keine Übertragung, optimale Übertragung und explosive Übertragung bei zu hoher Leistung. Des Weiteren werden Materialeigenschaften untersucht, die für den PTP Lasertransferprozess eine große Rolle spielen, nämlich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Silberpasten und der Folienmaterialien. Eine Erhöhung der Fließgrenze der Silberpaste minimiert die Linienverbreitung während des Übertragungsprozesses, was zu einer geringeren Linienbreite und einem höheren Aspektverhältnis führt. Die Verbreitung der Linien wird verursacht durch eine Verringerung der Fließgrenze aufgrund einer lokalen Erwärmung der Silberpaste und durch den Druck, der beim Verdampfen flüchtiger Pastenbestandteile entsteht. Eine geringere Laserleistung kann bei Silberpasten verwendet werden, die Lösungsmittel mit einer niedrigeren Siedetemperatur enthalten, und bei Pasten, welche die Polymerfolie schlecht benetzen. Für ein anderes, dünneres Folienmaterial wurde eine geringere Lichtdurchlässigkeit festgestellt. Trotzdem erfordert dieses Folienmaterial eine niedrigere Laserleistung, was auf eine geringere Benetzung des Folienmaterials durch die Silberpaste und eine bessere Ausrichtung hinsichtlich der Fokusebene der Laser zurückzuführen ist. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Evaluierung der PTP-Technologie für die Metallisierung der Vorderseiten von Solarzellen im Vergleich zur etablierten Siebdrucktechnologie als Referenz. Die Auswirkung von verschiedenen Grabengeometrien auf Linienform, Silberverbrauch und Menge der Ablagerung wird analysiert. Dafür werden auch die elektrischen Parameter entsprechender Solarzellen mit Referenzen verglichen, die mit Siebdruck hergestellt werden. Jede Grabengeometrie erfordert eine unterschiedliche Laserleistung. Es wird gezeigt, dass die erforderliche Laserleistung mit dem Verhältnis aus dem Umfang und der horizontalen Breite des Grabens korreliert. Mit der PTP-Technologie können schmalere Fingerlinien hergestellt werden, als mit dem Siebdruck als Referenz-Technologie. Die erzielten Fingerbreiten variieren zwischen 18 und 22 µm, abhängig von der verwendeten Grabengeometrie. Dies führt bei allen PTP-Gruppen zu einem deutlichen Gewinn des Kurzschlussstromes Jsc und zu einer geringen Steigerung der offenen Klemmenspannung Voc. Allerdings führen die schmaleren Silberfinger des PTP-Druckers wegen eines höheren Serienwiderstands zu einem moderaten Füllfaktor (FF)-Verlust. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass mit der PTP-Technologie eine Reduzierung der Silbermenge von 54 % im Vergleich zur mit Siebdruck hergestellten Referenz erreicht werden kann (bei einer durchschnittlichen Elektrodenbreite von 22 µm und einer durchschnittlichen Querschnittsfläche von nur 220 µm²). Zudem konnte für die besten mittels PTP gedruckten Zellen der Energiewandlungswirkungsgrad um 0,12 %abs gegenüber der Referenz verbessert werden. Die schmalsten mit der PTP-Technologie hergestellten Finger haben eine Linienbreite von 18 µm bei einem Aspektverhältnis von 0,51, was sogar eine Reduzierung des Silbereinsatzes um 74 % ermöglicht. Allerdings sind bei dieser PTP-Gruppe eine weitere Pastenmodifikation und eine Optimierung des Layouts zur Verbesserung des Serienwiderstands erforderlich, um den erheblichen FF-Verlust zu verringern. Eine Untersuchung des Schichtwiderstands des Emitters für kristalline Silizium-Solarzellen zeigt, dass schmalere Silberlinien helfen können, Widerstandverluste durch verringerte Querleitung im Emitter ohne zusätzlicher Abschattung aufgrund der höheren Fingeranzahl zu reduzieren. Eine Anpassung der Silberpastenformulierung ist für beide Technologien jedoch erforderlich, um zusätzliche Kontaktwiderstandsverluste bei verringerter Fingerbreite zu vermeiden. Diese Arbeit liefert Richtlinien für das Design von Pasten- und Filmmaterialien, die auf schmalere Silber-Elektroden mittels PTP-Technologie abzielen. Die Bewertung der PTP-Technologie für photovoltaische Anwendungen in dieser Arbeit zeigt, dass die mittels PTP gedruckten ultrafeinen Silber-Elektroden für die Vorderseitenmetallisierung von Silizium-Solarzellen geeignet sind, was den Silberverbrauch erheblich reduziert und gleichzeitig den Zellwirkungsgrad im Vergleich zur industriellen Siebdrucktechnologie erhöht

Advanced Manufacture by Screen Printing

Screen-printing is the most widely used process in printed electronics, due to its ability to transfer materials with a wide range of functional properties at high thickness and solid loading. However, the science of screen printing is still rooted in the graphics era, with limited understanding of the fundamental science behind the ink transfer process. A multifaceted approach encompassing all aspects of the production of printed electronics from ink formulation, through screen-printing and post processing was therefore undertaken. With a focus on carbon inks due to their electrical conductivity, low cost, inertness and ability to be modified or functionalised. Parametric studies found that with blade squeegees, lower angles and softer blades led to increases in ink deposition, irrespective of ink rheology. However, the effects of print speed and snap distance were related to the rheology of the inks. Existing computational models were inaccurate and based on two contrasting theories. Extensional CaBER testing provided qualitative indications of the effect of separation speed and distance on deposition. However, this could only assess the effect of vertical, 2-dimensional forces and could not evaluate the influence of shear forces due to separation angle or the effects of the screen mesh. For this purpose, a screen-printing visualisation rig was specifically constructed, allowing the ink transfer mechanism to be captured for the first time. This identified similarities with one of the two theories, although existing models had oversimplified the process and did not account for variations in lengths of the separation regions or the contact angle between the mesh and substrate. It was also found that changes in the ink rheology and parameter settings changes the lengths of these regions, as well as the shape and presence of filaments formed during separation. The parameters of print speed, snap distance, solid loading and ink rheology were assessed and found to affect the mesh/substrate contact time and filamentation behaviour. This had a quantifiable effect on ink deposition, in terms of the amount of ink transfer, roughness and therefore conductivity. Finally, photonic annealing and subsequent compression rolling were found to enhance the conductivity of carbon inks by removing binder between particles and consolidating the ink film, leading to 8 times reduction in resistivity for a graphite-based ink and halving in resistivity for an ink containing a combination of carbon black and graphite, where there was less potential for improvement due to the conductive bridges between the graphite flakes

Properties and behaviour of Pb-free solders in flip-chip scale solder interconnections

Due to pending legislations and market pressure, lead-free solders will replace Sn–Pb solders in 2006. Among the lead-free solders being studied, eutectic Sn–Ag, Sn–Cu and Sn–Ag–Cu are promising candidates and Sn–3.8Ag–0.7Cu could be the most appropriate replacement due to its overall balance of properties. In order to garner more understanding of lead-free solders and their application in flip-chip scale packages, the properties of lead free solders, including the wettability, intermetallic compound (IMC) growth and distribution, mechanical properties, reliability and corrosion resistance, were studied and are presented in this thesis. [Continues.

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten