An overview on aerosol-jet printing of benzocyclobutene-based inks for microelectronics applications

Additive manufacturing techniques are reshaping the production industry, enabling the fabrication of products that would not be manufacturable otherwise and drastically simplifying the prototyping process. Additive manufacturing techniques for microelectronics shall provide high resolution and support very different materials. Many techniques have been developed, each one characterized by different material compatibility, resolution and throughput. Among those, Aerosol Jet Printing (AJP) is a novel direct-write technique that allows printing of viscous, heat-sensitive materials with high resolution and speed. For this reason, AJP has started to be used for microelectronic applications for both conductive and dielectric materials. A common procedure in microelectronics fabrication is the deposition of a pattern of nonconductive material, for insulation and wafer bonding purposes. Commercial materials, such as the BCB-based Cyclotene™ series by Dow Chemical Company, have been specifically developed with this aim. They are used with spin-coating followed by one or more photolithographic steps. In this thesis the possibility of direct writing the pattern is investigated, exploring the state of the art of AJP, the characteristics of BCB-based inks and the challenges that need to be faced. The aim is to establish a fast, high-quality process able to supersede the photolithography process chain, particularly in prototyping and small-scale production environments.

Le tecnologie di manifattura additiva stanno cambiando radicalmente l’industria produttiva, permettendo la fabbricazione di oggetti altrimenti impossibili da produrre e semplificando drasticamente i processi di prototipazione. Per l’uso in microelettronica le tecnologie di manifattura additiva devono offrire alta risoluzione e supportare numerosi materiali molto diversi tra loro. Sono state sviluppate numerose tecnologie, distinte per materiali supportati, risoluzione e produttività. Tra le molte tecniche, la stampa a getto di aerosol (AJP, dall’inglese Aerosol Jet Printing) è una tecnologia di stampa diretta che permette la deposizione di inchiostri viscosi e termosensibili con grande risoluzione e rapidità. Per questa ragione si è iniziato ad utilizzare la stampa a getto di aerosol per applicazioni microelettroniche, sia per materiali conduttivi che isolanti. Un processo comune nell’ambito della microelettronica è la deposizione di un materiale isolante secondo un disegno preciso, per scopi di isolamento o di giunzione di wafer. Materiali commerciali, come la serie di resine a base di BCB Cyclotene™ prodotta dalla Dow Chemical Company, sono stati appositamente sviluppati per questo scopo. Sono utilizzati per spin-coating seguito da una o più fasi di fotolitografia. In questa tesi si esplora la possibilità di stampare il disegno desiderato direttamente sul substrato, con la tecnica AJP. Verrà approfondito lo stato dell’arte della tecnologia AJP, le caratteristiche degli inchiostri a base di BCB e gli ostacoli che rendono difficile l’utilizzo di questo metodo produttivo. Lo scopo è stabilire un processo rapido e di elevata qualità che possa sostituire la sequenza produttiva della litografia, soprattutto nella prototipazione e nelle produzioni in piccola scala.