Microstructuring inkjet-printed deposits from silver nanoparticules coalescence to the fabrication of interconnections for electronic devices.

par Romain Cauchois

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Karim Inal.

Soutenue le 07-02-2012

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 , en partenariat avec Gemalto (entreprise) .

Le président du jury était Frédéric Bernard.

Le jury était composé de Karim Inal, Frédéric Bernard, Didier Bouvard, Fred Roozeboom, Andras Borbely, Béatrice Dubois-Bonvalot, Mohamed Saadaoui, Heikki Seppä.

Les rapporteurs étaient Didier Bouvard, Fred Roozeboom.

  • Titre traduit

    Microstructuration des dépôts imprimés par jet d'encre de la coalescence des nanoparticules d'argent vers la réalisation d'interconnexions de composants électroniques.


  • Résumé

    Plusieurs défis subsistent pour la migration de l’électronique imprimée vers l’industrie, malgré des avancées récentes. Dans ces travaux de thèse, l’optimisation du procédé d’impression d’encres à base de nanoparticules d’argent (<Ø>=25 nm) en fonction de sa rhéologie et des interactions fluide/substrat a permis de réaliser des interconnexions électriques d’une épaisseur de 500 nm. Ces lignes imprimées sur des substrats silicium ou flexibles sont ensuite recuites par des méthodes conventionnelles (étuve ou infrarouge) ou sélectives (micro-onde) à des températures comprises entre 100 et 300°C.Une meilleure compréhension de la relation procédé/microstructure des couches minces imprimées, via plusieurs caractérisations cristallographiques (DRX, EBSD et EDX), a permis d’optimiser la croissance des domaines nanocristallins, activée pour des énergies de l’ordre de 3 à 5 kJ•mol-1. Outre les faibles contraintes résiduelles (70 MPa), cette optimisation permet d’atteindre de faibles résistivités électriques (3.4 µOhm•cm) associées à un accroissement de la cohérence des réseaux cristallins aux joints de grains. La probabilité de réflexion des électrons à ces interfaces peut être davantage réduite, grâce à une approche innovante de croissance orientée des cristallites par interdiffusion atomique à partir du substrat.La faible rigidité mécanique (E<50 GPa) de ces lignes initialement poreuses nécessite une étape de renforcement par texturation ou par croissance electroless pour résister aux étapes de micro-assemblage et de soudure filaire. La réalisation d’un démonstrateur fonctionnel a ainsi permis de valider la technologie d’impression pour la fabrication de composants électroniques.


  • Résumé

    Several challenges are still holding back the technological transfer of printed electronics to industry in spite of recent progresses. In this thesis work, the printing method of inks based on silver nanoparticles (<Ø>=25 nm) was optimized according to its rheology and to the fluid/substrate interactions for the fabrication of electrical interconnections with a thickness of 500 nm. These lines were printed on silicon or flexible substrates and annealed either by conventional (oven or infrared) or selective methods (microwave) at temperatures comprised between 100 and 300 °C.A better understanding of the relationship between process and microstructure of these printed thin films, based on several crystallographic equipments (XRD, EBSD and EDX), led to the optimization of nanocrystallites growth with an activation energy of about 3 to 5 kJ•mol-1. In addition to the low residual stress (70 MPa), this optimization is used to achieve low electrical resistivity (3.4 μOhm•cm) associated with a greater coherence of the crystal lattices at grain boundaries. The probability of electron scattering at such interfaces can be further reduced using an innovative approach of oriented crystallite growth by atomic interdiffusion from the substrate.The low mechanical stiffness (E<50 GPa) of these porous lines requires a reinforcement step either by crystalline texturation or by electroless growth to withstand the assembly and wire-bonding steps. The fabrication of a functional demonstrator thus validated the printing technology for the manufacture of electronic components.


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