Optical coherence tomography as a characterization method in printed electronics

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>This Thesis proposes and describes the use of optical coherence tomography (OCT) as a non-contact and non-destructive characterization technique for printed electronics. It is based on and includes the first published results of such an application of the OCT technique.</p><p>Several different types of structures were studied to evaluate the feasibility of the application. The measurement data was used to define the surface topography, physical dimensions of the specimen features, and to evaluate the ability to characterize multi-layered and multi-material structures.</p><p>Presented OCT measurements were done for: screen-printed conductive and insulating structures, microfluidic channels, microscopy glass and organic field effect transistors (OFET), both coated with polymer, and inkjet-printed colour filters.</p><p>A novel approach to encapsulation inspection was presented. The results show that OCT could be used for full volumetric and non-destructive characterization of the 1-to-2-µm-thin protective layers used in organic and printed electronics.</p><p>The measurements presented in the Thesis were done using OCT devices in time and in spectral domains. Despite the focus on studying the application of the technique, as a result of observations and limitations of the existing equipment, a new type of OCT device has been developed. A high data acquisition rate of the spectrometer-based systems (SD-OCT) was combined with a broadband supercontinuum light source, used so far mainly in the time-domain (TD-OCT), to enable the sub-micron-resolution spectral domain optical coherence tomography (SMR SD-OCT). The supercontinuum generation effects with virtually white probing light and enables not only superior resolution, but also, e.g., true-colour OCT imaging. The measurements performed on the inkjet-printed colour filters confirm that despite the absorptive properties of the materials, characterization of the few-microns-thin ink layers is possible using visible range of the electromagnetic spectrum and spectral domain OCT.</p><p>The study shows the potential and versatility of OCT in the printed electronics characterization. In addition, the Thesis discusses further development of the technique, needed to fully match the challenging requirements of the on-line quality inspection.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Väitöstyössä sovelletaan optista koherenssitomografiaa (OCT) painetun elektroniikan kontaktittomaan ja kohdetta rikkomattomaan karakterisointiin. Väitöstyö pohjautuu tuloksiin, joissa OCT-tekniikkaa on hyödynnetty ensimmäistä kertaa painettavan elektroniikan rakenteen karakterisoinnissa.</p><p>Tekniikan soveltuvuutta tutkittiin mittaamalla useita erilaisia näytteitä. Mitattua dataa käytettiin pinnan topografian ja näytteen dimensioiden määritykseen. Lisäksi tutkittiin tekniikan soveltuvuutta monikerrosrakenteiden ja useista eri materiaaleista koostuvien näytteiden mittaukseen. OCT-mittaukset tehtiin seuraaville näytteille; silkkipainetuille johteille ja eristeille, mikrokanaville, polymeerillä päällystetyille mikroskooppilaseille ja orgaanisista aineista valmistettu kanavatransistoreille (OFET) sekä mustesuihkutulostimella valmistetuille värisuodattimille.</p><p>Orgaaniset materiaalit ja painettava elektroniikka suojataan yleensä koteloinnilla. Tässä väitöstyössä esitellään uusi menetelmä koteloinnin tarkastukseen. Tulokset osoittavat, että OCT-tekniikkaa voidaan hyödyntää 1–2 mikrometrin paksuisen eristekerroksen volumetrisen rakenteen karakterisointiin kohdetta rikkomatta.</p><p>Tässä väitöstyössä tehdyt mittaukset tehtiin aika- ja spektritason OCT-laitteilla. Huolimatta siitä, että väitöskirjatutkimus keskittyi tekniikan uusiin sovelluksiin, väitöstyössä havaittiin käytettävissä olevien laitteiden puutteellisuudet, jonka vuoksi myös uusi OCT-laite kehitettiin. Spektrometriin pohjautuvan OCT-systeemin (SD-OCT) nopeus yhdistettiin laajakaistaisen supercontinuum valonlähteen kanssa, jota on käytetty aikaisemmin käytännössä vain aikatason OCT-laitteissa (TD-OCT). Laajakaistainen valonlähde mahdollistaa jopa alle mikrometrin syvyyssuuntaisen resoluution. Supercontinuum valonlähde tuottaa käytännöllisesti katsoen valkoista valoa, joka mahdollistaa sekä erinomaisen tarkkuuden, että objektin luonnollisen värin mittaamisen. Mittaustulokset värisuodattimilla osoittavat, että vaikka suodattimissa käytetyt materiaalit absorpoivat spektritason OCT:ssa hyödynnettyä näkyvän aallonpituusalueen spektriä, tekniikalla on mahdollista mitata muutamien mikrojen paksuisia värisuodatinkalvoja.</p><p>Väitöstutkimus osoittaa OCT-tekniikan monipuolisuuden ja mahdollisuudet painettavan elektroniikan karakterisoinnissa. Lisäksi väitöstyö käsittelee tekniikan jatkokehitystä, jotta se voisi vastata mahdollisimman hyvin reaaliaikaisen laadunvalvonnan tarpeisiin.</p></div>