3D printing and wet metallization for MEMS production

As a new manufacturing technology, 3D printing has gradually attracted interest in both the academic community and the business world. It has already been accepted by and used in many industry fields, including MEMS manufacturing. In MEMS technology, demand for fabricating complex microstructures from wide range of materials such as ceramics, metals, polymers, and semiconductors is constantly observed. 3D printing, with its many advantages (such as customizability, low cost, flexibility, short fabrication cycle times), may, in a future not too far, satisfy this demand and replace traditional MEMS fabrication methods based mainly on subtractive manufacturing of silicon wafers. Obviously, when treating insulating materials (e.g. polymers), there’s the need to give them properties necessary for their application in MEMS (such as electrical conductivity or magnetic properties). One simple and effective solution for this problem is to combine 3D printing with an electrochemical process (e.g. electroless plating) in order to create a metallic, and thus conductive, coating on printed polymer structures. In the presented thesis work, this approach is investigated with the purpose to produce functioning MEMS accelerometers exploiting the high customizability typical of 3D printing. The work is focused on the metallization part of this fabrication process. In particular, electroless Cu deposition and treatments of the polymeric substrate prior to metallization have been studied through the characterization of solution baths and etching solutions. Deposition products have, then, been studied through several microscopy and surface investigation techniques. Finally, once the best electroless deposition conditions have been found, electroless plating has been coupled with electrolytic deposition in order to confer conductive properties to MEMS devices 3D printed using stereolithography. By doing this, the first prototypes of single- and multi-axial 3D printed accelerometers have been developed and successfully tested.

Come nuova tecnologia produttiva, la stampa 3D ha gradualmente attirato l’interesse sia della comunità accademica che in ambito commerciale. Questa tecnologia è già stata accettata ed usata in svariati campi industriali, incluso quello inerente la produzione di MEMS. Nel campo dei MEMS vi è una costante richiesta di microstrutture dalla forma sempre più complessa e derivanti da un ampio range di materiali come ceramici, metalli, polimeri e semiconduttori. La stampa 3D, con i suoi numerosi vantaggi (personalizzazione, flessibilità di processo, basso costo e tempi di produzione brevi), potrebbe, in un futuro non troppo lontano, soddisfare questa richiesta e rimpiazzare i tradizionali metodi di produzione di MEMS basati principalmente sulla lavorazione di wafer di silicio. Ovviamente, quando si trattano materiali isolanti (per esempio polimeri), vi è la necessità di conferire loro proprietà tipiche dei conduttori indispensabili per una loro applicazione nei MEMS (per esempio conduttività elettrica o proprietà magnetiche). Una soluzione semplice ed efficace per ovviare a questa limitazione è la combinazione della stampa 3D con un processo elettrochimico (deposizione electroless) che sia in grado di creare sulla superficie dello stampato polimerico un rivestimento metallico, e quindi conduttivo. Nel presente lavoro di tesi, questo approccio è stato usato per la produzione di accelerometri MEMS funzionanti, sfruttando l’alta personalizzazione di processo tipica della stampa 3D. Il lavoro si è focalizzato sulla parte della fabbricazione relativa alla metallizzazione dei dispositivi. In particolare, la deposizione electroless di rame e i trattamenti a cui il substrato polimerico è sottoposto prima della metallizzazione sono stati studiati attraverso la caratterizzazione delle soluzioni di deposizione e di etching. Successivamente, i prodotti derivanti la deposizione sono stati analizzati tramite l’utilizzo di diverse tecniche di microscopia e di indagine delle proprietà superficiali. Infine, una volta trovati i migliori parametri per la deposizione electroless, è stata effettuata deposizione elettrolitica di rame in modo da conferire proprietà conduttive ai dispositivi MEMS stampati tramite stereolitografia. Facendo ciò, i primi prototipi di accelerometri mono- e multi-assiali stampati in 3D sono stati prodotti e testati con successo.