Inkjet printing of silver conductive inks for the development of printed planar inductors

In recent years, the development and improvement of conductive inks based on inorganic materials such as silver nanoparticles contributed to increase interest in the possible applications of printed electronics. The term printed electronics refers to the set of printing methods used to create electronic devices on various types of substrates, by depositing inks according to a predetermined pattern. Inks can be composed of different materials, depending on the desired properties and on the application. The rapid evolution of printing technology promises to allow for faster and cheaper production of electronic devices compared with traditional processes. The printing process has in fact an additive nature and it has the advantage of limiting material waste and usage of corrosive chemical products, as well as optimizing the number of overall process steps. Most electronic components can be produced by means of printing techniques, including passive elements such as inductors. Inks based on silver nanoparticles are among the most used conductive inks in printed electronics, thanks to the excellent conductivity of silver and to the advanced state of research on ink formulations suitable for inkjet printing. The goal of this thesis is the production and optimization of conductive metal lines using silver nanoparticle inks. This can be the basis for the fabrication of complex devices by means of inkjet printing. The principle of operation of an inkjet printer, which has been used for the thesis project, will be studied and analysed. The analysis of the printing process concerns the choice of materials that make up the ink, the equipment necessary for the process and the treatments that the ink undergoes before and after the printing. The choice of the ink formulation was a fundamental aspect of the work, since it must allow a good compromise between the electrical characteristics of the ink and its printability. The printing parameters must be chosen and optimized in order to obtain conductive layers with the best characteristics of conductivity. The first objective of the thesis is optimizing the printing conditions for a single layer. Initially, simple geometries will be printed to perform resistance and morphology measurements, and to develop optimization strategies for the printing process and the performances of the device. Multiple layers will be printed to reduce the resistance of the conductive metal lines, which is one of the most critical parameters for their performances. Future development will lead to the production by means of inkjet printing of very high frequency transformers, by printing the metal windings that make up the planar inductors on a silicon oxide substrate. In general terms, printed electronics presents a series of unique challenges from a technological and scientific point of view since it represents a complete change in the production process of electronic devices. The optimization of inkjet technology depends on the study of the interactions between the materials that make up the inks and the substrate and the post-process treatments. Recent research is focusing particularly on new materials and process technologies. Some of these aspects will be presented, and they will be implemented in the future to obtain inductors with better electrical performance and characteristics.

Lo sviluppo e il perfezionamento di inchiostri conduttivi basati su materiali inorganici come le nanoparticelle di argento hanno contribuito negli ultimi anni ad accrescere l’interesse per le possibili applicazioni dell’elettronica stampata. Essa consiste nell’insieme dei metodi di stampa utilizzati per creare dispositivi elettronici su vari tipi di substrati, tramite la deposizione di inchiostri secondo un pattern predeterminato. Gli inchiostri possono essere composti da materiali diversi a seconda delle proprietà desiderate e dell’applicazione. La rapida evoluzione della tecnologia di stampa promette di rendere possibile la realizzazione di dispositivi elettronici in modo più rapido ed economico rispetto ai processi produttivi tradizionali. Il processo di stampa è infatti di natura additiva e ha il vantaggio di limitare lo spreco di materiale e l’utilizzo di prodotti chimici corrosivi, oltre che di ottimizzare il numero di passaggi di processo complessivi. Per mezzo delle tecniche di stampa possono essere realizzate la maggior parte dei componenti elettronici, tra cui elementi passivi come gli induttori. Gli inchiostri basati su nanoparticelle di argento sono tra gli inchiostri conduttivi più utilizzati nell’elettronica stampata, grazie alle ottime proprietà di conducibilità dell’argento e allo stadio avanzato della ricerca delle formulazioni più adatte alla stampa a getto di inchiostro. In questa tesi l’obiettivo è la produzione e l’ottimizzazione di linee conduttive metalliche realizzate con inchiostri di nanoparticelle di argento, che possono essere alla base della fabbricazione tramite stampa inkjet di dispositivi complessi. Sarà studiato e analizzato il principio di funzionamento di una stampante a getto di inchiostro, usata per il lavoro di tesi. L’analisi del processo di stampa riguarda la scelta dei materiali che compongono l’inchiostro, le attrezzature necessarie per il processo e i trattamenti a cui è sottoposto l’inchiostro prima e dopo la stampa. La scelta della formulazione dell’inchiostro si è rivelata un aspetto fondamentale del lavoro, poiché essa deve consentire un adeguato compromesso tra le caratteristiche elettriche dell’inchiostro e la sua attitudine a essere stampato. I parametri di stampa devono essere scelti e ottimizzati per ottenere degli strati conduttivi dotati delle migliori caratteristiche di conducibilità. Il primo obiettivo della tesi è l’ottimizzazione delle condizioni di stampa per un singolo strato. Inizialmente verranno stampate semplici geometrie per eseguire le misure di resistenza e morfologia, elaborando delle strategie per ottimizzare il processo di stampa e le performance dei dispositivi. Strati multipli devono essere stampati per ridurre la resistenza delle linee conduttive metalliche, che rappresenta uno dei parametri più critici per le performance. Lo sviluppo successivo porterà alla realizzazione per mezzo della stampa a getto di inchiostro di trasformatori very high frequency, stampando su un substrato di ossido di silicio le spire metalliche che costituiscono gli induttori planari. In termini generali, l’elettronica stampata presenta una serie di sfide uniche dal punto di vista tecnologico e della ricerca scientifica, poiché essa costituisce un completo cambiamento dei processi produttivi dei dispositivi elettronici. L’ottimizzazione della tecnologia inkjet dipende dallo studio delle interazioni tra i materiali che compongono inchiostri e substrato e i trattamenti di post-processo. Saranno inoltre presentati alcuni aspetti su cui la ricerca si sta concentrando nell’ambito dei materiali e delle tecnologie di processo e che saranno applicati in futuro al fine di ottenere induttori dotati di performance elettriche e caratteristiche sempre migliori.