Im Rahmen der vorliegenden Dissertation zum Thema „Through-Silicon Vias in SiGe BiCMOS and Interposer Technologies for Sub-THz Applications“ wurde auf Basis einer 130 nm SiGe BiCMOS Technologie ein Through-Silicon Via (TSV) Technologiemodul zur Herstellung elektrischer Durchkontaktierungen für die Anwendung im Millimeterwellen und Sub-THz Frequenzbereich entwickelt. TSVs wurden mittels elektromagnetischer Simulationen modelliert und in Bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften bis in den sub-THz Bereich bis zu 300 GHz optimiert. Es wurden die Wechselwirkungen zwischen Modellierung, Fertigungstechnologie und den elektrischen Eigenschaften untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf die technologischen Einflussfaktoren gelegt. Daraus schlussfolgernd wurde das TSV Technologiemodul entwickelt und in eine SiGe BiCMOS Technologie integriert. Hierzu wurde eine Via-Middle Integration gewählt, welche eine Freilegung der TSVs von der Wafer Rückseite erfordert. Durch die geringe Waferdicke von ca. 75 μm wird einen Carrier Wafer Handling Prozess verwendet. Dieser Prozess wurde unter der Randbedingung entwickelt, dass eine nachfolgende Bearbeitung der Wafer innerhalb der BiCMOS Pilotlinie erfolgen kann. Die Rückseitenbearbeitung zielt darauf ab, einen Redistribution Layer auf der Rückseite der BiCMOS Wafer zu realisieren. Hierzu wurde ein Prozess entwickelt, um gleichzeitig verschiedene TSV Strukturen mit variablen Geometrien zu realisieren und damit eine hohe TSV Design Flexibilität zu gewährleisten. Die TSV Strukturen wurden von DC bis über 300 GHz charakterisiert und die elektrischen Eigenschaften extrahiert. Dabei wurde gezeigt, dass TSV Verbindungen mit sehr geringer Dämpfung <1 dB bis 300 GHz realisierbar sind und somit ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften aufweisen. Zuletzt wurden vielfältige Anwendungen wie das Grounding von Hochfrequenzschaltkreisen, Interposer mit Waveguides und 300 GHz Antennen dargestellt. Das Potential für Millimeterwellen Packaging und 3D Integration wurde evaluiert. TSV Technologien sind heutzutage in vielen Anwendungen z.B. im Bereich der Systemintegration von Digitalschaltkreisen und der Spannungsversorgung von integrierten Schaltkreisen etabliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einsatz von TSVs für Millimeterwellen und dem sub-THz Frequenzbereich untersucht und die Anwendung für den sub-THz Bereich bis 300 GHz demonstriert. Dadurch werden neue Möglichkeiten der Systemintegration und des Packaging von Höchstfrequenzsystemen geschaffen.:Bibliographische Beschreibung List of symbols and abbreviations Acknowledgement 1. Introduction 2. FEM Modeling of BiCMOS & Interposer Through-Silicon Vias 3. Fabrication of BiCMOS & Silicon Interposer with TSVs 4. Characterization of BiCMOS Embedded Through-Silicon Vias 5. Applications 6. Conclusion and Future Work 7. Appendix 8. Publications & Patents 9. Bibliography 10. List of Figures and Tables

This thesis has an approved one-year embargo applied to it. Please, refer to the corresponding forms, and please, so not publish immediately until the embargo has been sorted out. The thesis contains two unpublish papers and patents pending. Thank you! / Conventional single-use plastic packaging has contributed significantly to the health and well-being of our society but also negatively impacted our environment due to its persistence after use. Since recycling is not a complete solution, rapidly biodegradable materials like thermoplastic starch (TPS) blends offer a more sustainable alternative. Additionally, to stave off the premature breakdown of starch-containing materials as well as extend the shelf life of enclosed foods, microbial control strategies need to be developed. To overcome the inherent brittleness of TPS, this work explores the potential of xylitol and erythritol as melt plasticizers for waxy corn starch (̴100% amylose). Characterizations revealed that both xylitol and erythritol can gelatinize and plasticize starch under 25% wt. Particularly, xylitol demonstrated superior plasticizing and compatibilizing effects, leading to a ductile TPS packaging film with uncharacteristically high elongation at break (EB, 422% ± 48%). The ductile TPS was blended with up to 70% Ecovio bioplastic without requiring compatibilizers and retaining much of its EB value (298 ± 24%). Using xylitol as a melt plasticizer also enhanced the mechanical and hydrophobic qualities of the TPS/Ecovio film as well as its oxygen permeability and puncture extension. Furthermore, polymerized curcumin copolymer (PCEG) was investigated as a grafted coating onto the developed TPS/Ecovio® blend. The antimicrobial activity of PCEG and PCEG coating film was evaluated against foodborne bacteria. The polymerized curcumin by itself demonstrated antimicrobial activity against the gram-negative bacteria Escherichia coli BL21 and Pseudomonas aeruginosa PA01, as well as the gram-positive bacterium Staphylococcus aureus. Additionally, the PCEG-coated films showed surface inhibition of Glutamicibacter soli (IAI-3), a gram-positive bacterium making polymerized curcumin copolymer coatings a suitable approach to add antimicrobial features in thermoplastic starch composites for biodegradable food packaging. / Thesis / Master of Applied Science (MASc) / Canada's Zero Plastics initiative represents a commitment to the environment while upholding the advancements in food safety and public health that come with single-use food packaging. Achieving this balance demands the creation of novel materials. These materials should mimic the qualities of synthetic polymers but have the added ability to decompose naturally in the environment upon reaching the end of their utility. A significant challenge in this effort is preventing the premature degradation of starch-containing packaging materials. Moreover, extending the shelf life of the food they enclose is equally crucial. To solve this paradox, the development of microbial control strategies becomes imperative. This study highlights the antimicrobial potential of a polymerized curcumin copolymer (PCEG) as a coating on a blend of thermoplastic starch (TPS)/xylitol/Ecovio®, creating an innovative packaging film. The curcumin copolymer coating exhibited antimicrobial properties, suggesting its potential use in thermoplastic starch composites for biodegradable food packaging.

The Norwegian Food Research Institute (Nofima) and the University of Borås worked together to develop this project. The commonly used packaging materials pose a serious threat to the environment, as they are produced from nonrenewable crude oil and cannot decompose naturally. Despite some manufacturers' claims of their products being eco-friendly or sustainable, they are not entirely made from renewable resources and are not biodegradable. Nevertheless, some bio-based materials have emerged as a viable alternative that can naturally break down and safely decompose in the environment. Despite many studies, biopolymers possess limited mechanical and barrier properties, which restricts their potential for use in products. To overcome this limitation, polymer blending can be employed to enhance their final properties and make them more suitable for various applications. The objective of this project was to design sustainable food packaging using biopolymers. PHBV, one of the PHA’s bio-based polymers, was blended with other polymers to enhance its properties as a sustainable food packaging material. Through blending, PHAs'physical, chemical, and thermal properties can be enhanced to obtain exceptional films for food packaging purposes. Finally, in this work, a bio-based polymer, polyhydroxyalkanoate, was used to producea biodegradable packaging system for potential food packaging applications. The effect of the physical modification of PHBV on mechanical and barrier properties was studied by blending it with biodegradable polymers such as PLA and PBAT. Thermal properties were analyzed using differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), and FourierIItransform infrared spectroscopy (FTIR) while the mechanical properties were evaluated by tensile test. Barrier properties were characterized using water vapor transmission rate (WVTR). The mechanical performance of PHBV 50%: PBAT 50% blend has been significantly improved, leading to better tensile properties. The high crystallinity of the PHBV 50%: PBAT 50% blend than other blends have been found to enhance the barrier properties of the polymer film, according to DSC analysis. FTIR investigations have suggested no difference in absorption peaks between the blends and the neat material. Furthermore, WVTR investigations have shown that PHBV50%: PBAT50% exhibits excellent barrier properties against water vapor, making it a highly promising material.

Sustainable development has become preeminent for government and corporations as the awareness of environmental impact of human activities increases. Integration of sustainability in supply chains requires companies to look at all three pillars of sustainability. Yet, environmental sustainability remains the most prominent and it has popularized terms like carbon footprint and carbon emissions between academics and professionals. Under supply chain, logistics remain a key strategic factor for companies to gain competitive advantage. Packaging fulfills the functional requirements of logistics, marketing, and the environment. This case study, based on active research is conducted using field notes, interviews, participant observation and corporate documents, aims to contribute to the academic field of packaging and sustainability in packaging process, by revealing the relationship between the secondary packaging and transportation emissions, as well as criteria for assessing secondary packaging material for sustainability. This topic is hence relevant and adds on to the current research conducted on packaging logistics and sustainability in secondary packaging. The research is based on existing literature and is supplemented with an empirical case study of a global life science company. The empirical setup enables to explore the relationship between secondary packaging and transportation emissions with a real-life example and enables to create a framework for sustainable assessment of secondary packaging process that focusses on volume optimization and a circular approach.

<p dir="ltr">Electronics have contributed to the advancement of healthcare, wellness, security, and mobility, resulting in a higher standard of living. However, these ever-accelerating advancements and widespread application come at the cost of a shortened product life cycle and increase in produced E-waste which poses a significant environmental challenge. Recycling E-waste is challenging due to the complexity of electronics and packaging, hindering component retrieval for reuse. While sustainable materials for electronics have been researched, sustainable integrated circuit (IC) packaging for conventional electronics remains unexplored. This study introduces a method involving dissolvable additively manufactured packaging materials to recover commercial-off-the-shelf (COTS) chips from used electronics, which would alleviate supply-chain stress, reduce the need for manufacturing similar chips, and minimize environmental impact. In this work, Polyvinyl alcohol (PVA) and Acrylonitrile butadiene styrene (ABS), are explored as potential dissolvable semiconductor packaging materials. Optimal dissolving conditions allow chip recovery in less than 11 minutes for PVA and 2 minutes for ABS. This approach offers a sustainable packaging method for commercial electronic chips that matches conventional packaging performance with the added functionality of recoverable and recyclable components, contributing to the gap in sustainability and recycling for conventional electronics.</p>

Radio-frequency microelectromechanical systems (RF~MEMS) are highly miniaturized devices intended to switch, modulate, filter or tune electrical signals from DC to microwave frequencies. The micromachining techniques used to fabricate these components are based on the standard clean-room manufacturing processes for high-volume integrated semiconductor circuits. RF~MEMS switches are characterized by their high isolation, low insertion loss, large bandwidth and by their unparalleled signal linearity. They are relatively simple to control, are very small and have almost zero power consumption. Despite these benefits, RF~MEMS switches are not yet seen in commercial products because of reliability issues, limits in signal power handling and questions in packaging and integration. Also, the actuation voltages are typically too high for electronics applications and require additional drive circuitry. This thesis presents a novel MEMS switch concept based on an S-shaped film actuator, which consists of a thin and flexible membrane rolling between a top and a bottom electrode. The special design makes it possible to have high RF isolation due to the large contact distance in the off-state, while maintaining low operation voltages due to the zipper-like movement of the electrostatic dual-actuator. The switch comprises two separately fabricated parts which allows simple integration even with RF circuits incompatible with certain MEMS fabrication processes. The two parts are assembled by chip or wafer bonding which results in an encapsulated, ready-to-dice package. The thesis discusses the concept of the switch and reports on the successful fabrication and evaluation of prototype devices. Furthermore, this thesis presents research results in wafer-level packaging of (RF) MEMS devices by full-wafer bonding with an adhesive intermediate layer, which is structured before bonding to create defined cavities for housing MEMS devices. This technique has the advantage of simple, robust and low temperature fabrication, and is highly tolerant to surface non-uniformities and particles in the bonding interface. It allows cavities with a height of up to many tens of micrometers to be created directly in the bonding interface. In contrast to conventional wafer-level packaging methods with individual chip-capping, the encapsulation is done using a single wafer-bonding step. The thesis investigates the process parameters for patterned adhesive wafer bonding with benzocyclobutene, describes the fabrication of glass lid packages based on this technique, and introduces a method to create through-wafer electrical interconnections in glass substrates by a two-step etch technique, involving powder-blasting and chemical etching. Also, it discusses a technique of improving the hermetic properties of adhesive bonded structures by additional passivation layers. Finally, it presents a method to substantially improve the bond strength of patterned adhesive bonding by using the solid/liquid phase combination of a patterned polymer layer with a contact-printed thin adhesive film. / QC 20100617

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Das Recycling von post-consumer-Leichtverpackungs(LVP)-Abfällen ist ein in Deutschland flächendeckendes und komplexes System, welches die Abfallwirtschaft vor eine Vielzahl von Herausforderungen stellt. Beispiele sind zum einen das deutsche Verpackungsgesetz und die damit verbundene Erhöhung der Recyclingquoten für Kunststoffverpackungen von zuvor 58,5 Gew.-% auf aktuell 63,0 Gew.-%. Zum anderen die Änderung der Berechnungsregeln der Recyclingquoten für Kunststoffverpackungen, welche in Deutschland zu einem Rückgang der Recyclingquote von Kunststoffverpackungsabfällen von derzeit 60,4 Gew.-% (alte Berechnungsmethode) auf 48,1 Gew-% (neue Berechnungsmethode) führt. Diese gilt es zu über-kommen, um das übergeordnete Ziel einer Kreislaufwirtschaft zu erreichen. Technologische Innovationen stellen eine vielversprechende Option bei der Erreichung dieser Ziele dar. Grundsätzlich sind diese jedoch auf große und präzise Datenmengen des LVP-Abfallstroms angewiesen. Öffentliche Daten zum Entsorgungsverhalten der Verbraucher und Analysen von LVP-Abfällen aus deutschen Haushalten, die über reine Masseanteile z. B. der Polymer-arten (z. B. PE, PP, PET) im LVP-Strom hinausgehen, sind nur begrenzt vorhanden. Relevante Daten zu Verpackungs- und Verschlussart, Verpackungsgeometrien oder -farben bis hin zu Füllgütern spielen jedoch eine wesentliche Rolle, um die Leistungsfähigkeit der Kreislaufwirtschaft zu verbessern. Diese Dissertation zielt daher darauf ab, eine Tiefencharakterisierung von LVP-Abfällen aus deutschen Haushalten durchzuführen. Zur Erfassung einer möglichst repräsentativen LVP-Probe wurde im Zeitraum von Juni bis November 2019 in insgesamt 249 ausgewählten deutschen Haushalten eine zweiwöchige Sammlung aller in diesen Haushalten anfallenden LVP durchgeführt. Zudem beantworteten die Studienteilnehmer Fragen zu sozio-demografischen Daten (z. B. Alter, Geschlecht, Haushaltsgröße), deren Reduktions- und Vermeidungsverhalten von Verkaufsverpackungen und dem lokal vorliegenden Sammelsystem (z. B. gelbe Tonne, gelber Sack). Insgesamt wurde eine Gesamtmasse von 254 kg gesammelt. Aus diesem Ausgangsmaterial wurden 207 kg bzw. 21.380 LVP einer eingehenden Charakterisierung z. B. hinsichtlich der Kategorien Ver-packungstyp (z. B. Schale, Flasche), Etikettentyp (z. B. direktbedruckt, Banderole), Ver-schlusstyp (z. B. Hotmelt, Schraubverschluss), Transluzenz (z. B. Transparent, Opak), Masse und Maße mit einer Identifikationsquote von 100 % unterzogen. Der Füllguttyp (z. B. Lebensmittel, Hygieneprodukte) konnte von 87 % der Verpackungen identifiziert werden. Die verwendeten Werkstoffe (z. B. PP, PET) der Verpackungen konnten unter Berücksichtigung der auf den Verpackungen befindlichen Recyclingcodes und der Durchführung von FTIR-ATR-Messungen der Außen- und Innenseite von ca. 97 % der Verpackungen identifiziert werden. Aus abfallwirtschaftlicher Perspektive wurde mit der hier vorgelegten Arbeit eine 'Inputanalyse' im Sinne des in die abfallwirtschaftlichen Prozesse eintretenden LVP-Stromes aus Privathaushaltungen durchgeführt. Ein Vergleich der Werkstoff-Massenanteile dieser Sortierstudie (Inputanalyse) mit Studien zur Kunststoffproduktion und zum Sortieranlagen-Output zeigt eine gute Übereinstimmung. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit konnte ein Anteil an Multilayer-Verpackungen von 33 Gew.-% im LVP-Strom, mithilfe von FTIR-ATR-Messungen der Außen- und Innenseite der Verpackungen und des Recyclingcodes auf den Verpackungen, identifiziert werden. Der Multilayer-Anteil stellt durch seine Materialmischung aus Sicht der Kreislaufwirtschaft eine besondere Herausforderung dar. Infolgedessen wurden 296 ausgewählte Multilayer-Verpackungen hinsichtlich Werkstoffanteil (Kunststoffe, Metalle, Papier/Kartonagen), Ver-packungstyp, Lagerbedingungen (z. B. Kühlschrank, Raumtemperatur) und Verpackungsinhalt analysiert. Zusätzlich führten mikroskopische Analysen des Aufbaus der Multilayer-Verpackungen zur Ermittlung der Schichtdicke und -anzahl. Innerhalb der 296 Multilayer-Verpackungen konnten 13 polymere Verbundtypen festgestellt werden. Teils wurde für die Erfüllung gleicher Verpackungsaufgaben unterschiedliche Verpackungslösung verwendet, da die Verpackungshersteller bei der Verpackungsgestaltung und Materialauswahl frei entscheiden können. Innerhalb der 296 untersuchten Multilayer-Verpackungen wurde mit einem Anteil von 36 % am häufigsten die Materialkombination PET (Außenschicht)-LDPE (Innenschicht) verwendet, gefolgt von PA-LDPE mit 18 % und PP-PP mit 14 %. Zudem wurde in 19 % der Multilayer-Verpackungen ein Aluminiumanteil festgestellt. Weiter wurden die tiefencharakterisierten LVP-Abfälle auf Haushaltsebene (gesammelte LVP-Abfälle je Haushalt) mit den von den Haushalten beantworteten Fragen zusammengeführt. Dies ermöglichte die Quantifizierung der Einflüsse der Verbraucher auf das Pro-Kopf-Abfallaufkommen, welches mit der Haushaltsgröße, der Siedlungsstruktur, dem Sammelsystem und dem Reduktions- und Vermeidungsverhalten der Teilnehmer signifikant korreliert. Darüber hinaus konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen den Fehlwurfanteilen und dem verwendeten Sammelsystem festgestellt werden. Zusätzlich wurde in den LVP-Abfällen (207 kg) der verbliebene Restfüllgehalt in den Verpackungen (7,7 %) und Fehlwurfanteile in der Sammelmenge (8,8 %) ermittelt. Die Restfüllgehalte und Fehlwurfanteile sowie die ermittelten Verpackungswerkstoffe der vorliegenden Sortierstudie wurden für die Ermittlung des in Deutschland theoretisch zur Verfügung stehenden LVP-Wertstoffpotentials herangezogen. Als Referenzwert diente die in Deutschland im Jahr 2019 angefallene Menge von 2,6 Mio. Mg an LVP-Abfällen aus Kunststoffen, Metallen und Verbundmaterialien. Bezogen auf die Verwertbarkeit mittels mechanischem Recycling ergibt sich für Deutschland ein Anteil an 1.285.847 Mg (49,5 %) an gut verwertbaren Fraktionen (Verpackungen aus Monomaterialien), ein Anteil von 419.813 Mg (16,2 %) an bedingt verwertbaren Fraktionen (Flüssigkeitskartons) und ein Anteil von 355.333 Mg (13,7 %) an schlecht verwertbaren Fraktionen (z. B. Multilayer-Verpackungen). Ebenfalls wurde die Erweiterungen der Bepfandung auf LVP, die durch das Verpackungsgesetz im Jahr 2022 und 2024 in Kraft treten, berücksichtigt. Hieraus ergibt sich für das Jahr 2022 ein Anteil von 79.779 Mg (3,1 %) und für das Jahr 2024 ein Anteil von 29.968 Mg (1,2 %) an Verpackungsabfällen, die den LVP-Abfallstrom in die Pfandroute „verlassen“. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen den Nutzen der tiefencharakterisierten LVP, welcher deutlich über denen üblicherweise abfallwirtschaftlicher Datenerfassung liegt und verbindet abfallwirtschaftliche und verpackungstechnische Informationen, auf deren Basis eine wertstoff- und designgerechte Verpackungsabfallwirtschaft begründet werden kann. Dar-über hinaus motivieren insbesondere die Anteile an mittels mechanischen Recyclings bedingt und schlecht zu verwertenden Verpackungen eine erneute Durchführung der Sortierstudie. Hierdurch können Änderungen beim Verpackungsdesign, z. B. durch das im Verpackungsgesetz verankerte recyclinggerechte Design von Verpackungen und weitere Änderungen den LVP-Abfallstrom betreffend berücksichtigt werden.

L'utilisation du diamant comme composant d'électronique de puissance est une perspective intéressante tant en ce qui concerne les applications hautes température que forte puissance. La problématique principale de ces travaux réalisés dans le cadre du programme Diamonix, réside dans l'étude et l'élaboration d'un packaging permettant la mise en oeuvre d'une puce diamant devant fonctionner à des températures variant entre -50°C et 300°C. Nous nous sommes intéressés au choix des matériaux de connexion de la puce avec son environnement. Suite à l'étude bibliographique, nous proposons différentes solutions de matériaux envisageables pour le substrat métallisé, les brasures et les métallisations. Dans un second temps, les différents éléments ont été réalisés puis caractérisés à partir d'essais de nanoindentation et de nanorayage. Des essais mécaniques ont permis de caractériser le comportement élastoviscoplastique et l'endommagement des brasures. Ces derniers essais ont servi de base expérimentale à l'identification des paramètres d'un modèle de comportement viscoplastique couplé avec l'endommagement et qui a été spécialement élaboré pour cette étude. Le modèle de comportement a été implémenté dans un code de calcul par éléments finis via une sous-routine. Il permet notamment de simuler le processus de dégradation d'un assemblage. Enfin, ce modèle de comportement a été mis en oeuvre dans des modélisations thermomécaniques de différentes configurations de véhicules test. / Use of diamond as constitutive component in power electronics devices is an interesting prospect for the high temperature and high power applications. The main challenge of this research work included in the Diamonix program is the study and the elaboration of a single-crystal diamond substrate with electronic quality and its associated packaging. The designed packaging has to resist to temperatures varying between -50°C and 300°C. We contributed to the choice of the connection materials intended to be used in the final test vehicle and which can handle such temperature gaps. In the first part, we present a state-of-the-art of the various materials solutions for extreme temperatures. Following this study, we propose a set of materials which considered as potential candidates for high temperature packaging. Special focus is given for the most critical elements in power electronic assemblies which are metallizations and solders. Once the materials choice carried out, thin substrate metallizations, solders and DBC coatings are studied using nanoindentation and nanoscratch tests. Mechanical tests were also carried out on solders to study their elastoviscoplastic and damage behavior. The experimental results are used as database for the identification of the parameters of the viscoplastic model coupled with a porous damage law, worked out for the case of solders. The behavior model is implemented as a user subroutine UMAT in a FE code to predict the degradation of a 2D power electronic assembly and various materials configuration for a 3D test vehicle.

Accidents cause economic losses to the company as well as suffering and general discontent among the employees. With an increased global responsibility, companies are not only answerable for what goes on inside their own gates but also for retailers and customers. When the packaging becomes a danger, how will we know what to replace it with? At IMI Hydronic Engineering, employees hurt themselves on the metal staples that seal the cartons, but is replacing metal staples with plastic tape an economical and safely viable option? This thesis dives into the workplace environment and collects data from semi-structural interviews with the employees and an evaluation of internal accident records. The main focuses are safety and economics, although the economy aspect has had to stand back due to the lack of empirical data. The results show that the tools and systems in place to protect the employees, where applied, are working and the workers believe that their job could be executed with a lower risk, perhaps even without a loss of production. The suggestion to the company is that to fully understand the costs, a collection of data regarding the current costs is needed and that usage of gloves by the employees might help lower the number of accidents per year. Suggestions for further studies include ecological aspects, profit versus costs and product returns due to inadequate packaging.