Printing of dielectric and conductive polymers for electronic applications

This thesis delves into the investigation of substituting conventional polymeric material deposition methods, such as spin-coating, with Additive Manufacturing (AM) techniques. The inherent advantages of AM over traditional methods, including reduced material wastage, the ability to fabricate intricate patterns in a single step, and the flexibility to adjust process parameters for tailored geometrical features, are meticulously elucidated and demonstrated. Two primary applications are meticulously explored: the Inkjet (IJP) and Aerosol Jet (AJP) printing of Benzocyclobutene (BCB), and the development, printing, and characterization of conductive polymer-based materials incorporating Carbon Nanotubes (CNTs). In the case of BCB, both IJP and AJP techniques are successfully employed, with AJP showcasing superior versatility and printing speed despite encountering certain defects such as poor edge definition and overspray. However, despite these limitations, AJP demonstrates promise, particularly in the deposition of adhesive material for wafer bonding applications. This is evidenced by successful wafer bonding with silicon wafers and subsequent adhesion characterization yielding shear strength values comparable to those found in the literature. Furthermore, comparative analysis with spin-coated samples underscores the potential of AJP as a viable alternative to conventional deposition methods in wafer bonding applications. The investigation further extends to the development and printing of conductive polymer-based materials containing CNTs, with Stereolithography (SL) technology being employed due to the material’s relatively high viscosity and UV-curable behavior. Notably, successful printing necessitated a careful balance, with a CNT loading of 0.25 wt.% relative to the resin being optimal to ensure successful printing while maintaining desired electrical conductivity and mechanical stability. Despite exhibiting slightly lower conductivity compared to spin-coated samples, SL-printed specimens demonstrate promising electrical properties and mechanical stability, underscoring the versatility and potential of AM in fabricating complex structures unattainable through conventional methods. However, while the feasibility and potential of employing AM in polymeric electronic applications are evident, numerous challenges and limitations persist. Scaling up to industrial levels necessitates advancements in hardware infrastructure, including the development of multiple printhead systems to rival current industrial machines. Moreover, stringent material restrictions inherent in certain AM technologies constrain material options, posing challenges in adapting to specific applications. Additionally, the scarcity of literature on AM of dielectric polymers for electronic applications presents hurdles in ink development, with limited information necessitating a trial-and-error approach, which can be both time-consuming and inefficient. Addressing these challenges requires a concerted effort to expand the body of literature on AM techniques and materials, facilitating faster and more effective material and application development. By fostering a deeper understanding of the intricacies of AM processes and materials, researchers can unlock the full potential of AM in polymeric electronic applications, paving the way for transformative advancements in the field.

Questa tesi investiga la possibilità di depositare materiali polimerici tramite tecniche di manifattura additiva (AM) come alternativa rispetto alle tecnologie già convenzionalmente utilizzate, come lo spin-coating. La possibilità di utilizzare le tecnologie AM è rilevante considerati i vantaggi che posseggono rispetto alle tecnologie tradizionali: la riduzione degli sprechi di materiale, la capacità di fabbricare costrutti complessi in un unico processo e la possibilità di ottenere geometrie su misura modificando i parametri di processo. In questo lavoro sono esplorate due applicazioni principali per la fabbricazione tramite AM di materiali polimerici. La prima riguarda la stampa tramite Inkjet printing (IJP) e aerosol jet printing (AJP) del Benzociclobutene (BCB); mentre la seconda lo sviluppo, la stampa tramite stereolitografia (SL) e la caratterizzazione di materiali polimerici conduttivi contenenti nanotubi di carbonio (CNT). Nel caso della stampa del BCB, sia la tecnologia IJP che AJP vengono utilizzate con successo. Tra le due, la tecnologia AJP mostra una maggiore versatilità e velocità di stampa, nonostante siano presenti alcune limitazioni, come una scarsa definizione dei bordi dei costrutti stampati e la presenza del fenomeno dell’overspray. Tuttavia, nonostante queste limitazioni, la tecnologia AJP è stata utilizzata con successo per la deposizione di materiale polimerico adesivo per applicazioni di incollaggio di wafer di silicio. I wafer su cui è depositato il BCB tramite la tecnologia AJP mostrano un incollaggio ben riuscito. La caratterizzazione della qualità dell’incollaggio è dimostrata tramite la caratterizzazione delle proprietà adesive, che forniscono valori di resistenza al taglio confrontabili con quelli presenti in letteratura. Inoltre, l’analisi comparativa effettuata con dei campioni preparati tramite spin-coating sottolinea il potenziale dell’AJP come alternativa valida ai metodi di deposizione convenzionali nelle applicazioni di incollaggio di wafer. Per la stampa di materiali polimerici conduttivi contenenti CNT viene impiegata la tecnologia SL considerati la viscosità relativamente elevata del materiale e il suo comportamento fotoreticolabile ai raggi UV. La quantità di CNT è un parametro fondamentale in quanto influenza la qualità di stampa e le proprietà elettriche del materiale. Una concentrazione di CNT dello 0,25% in peso rispetto alla resina garantisce un’ottima stampabilità mantenendo allo stesso tempo la conducibilità elettrica e le proprietà meccanica desiderate. Nonostante la conducibilità sia leggermente inferiore rispetto ai campioni ottenuti tramite spin-coating, i campioni stampati in SL dimostrano proprietà elettriche promettenti e stabilità meccanica, evidenziando la versatilità e il potenziale della AM nella fabbricazione di strutture complesse che non sono realizzabili con metodi convenzionali. Tuttavia, nonostante la possibilità di impiegare le tecnologie AM nelle applicazioni elettroniche sia dimostrata, numerose sfide e limitazioni d’uso devono essere affrontante. La scalabilità ai livelli industriali richiede degli sviluppi nella progettazione delle stampanti, inclusa la progettazione di sistemi a più teste di stampa per competere con le attuali macchine industriali. Inoltre, le restrizioni sui materiali che si possono impiegare per alcune tecnologie AM limitano la scelta dei materiali, ponendo problematiche nell’adattamento delle tecnologie AM per nuove applicazioni. In aggiunta, la scarsità di letteratura scientifica sulla fabbricazione tramite AM di polimeri dielettrici per applicazioni elettroniche crea difficoltà nello sviluppo di nuovi materiali a causa della limitatezza d’informazioni, richiedendo di usare un approccio per tentativi ed errori, che può essere sia dispendioso in termini di tempo che inefficace. Affrontare queste sfide richiede uno sforzo per ampliare le informazioni presenti in letteratura sulle tecnologie AM e lo studio di nuovi materiali, facilitando uno sviluppo più rapido ed efficace di nuove applicazioni. Inoltre, una comprensione più approfondita dei processi e dei materiali per l’AM può agevolare l’utilizzo delle tecnologie AM nelle applicazioni elettroniche polimeriche, aprendo la strada a progressi trasformativi in questo settore industriale.