GFB - Green Factory BAVARIA

Ressourcenschonung und reduzierte Umweltbelastung durch digitale, additive Drucktechnologien in der Schaltungsträgerfertigung

Zielsetzung

Ziel des Projektes ist die direkte Kontaktierung von elektronischen Bauelementen durch maskenlosen Ink-Jet-Druck. Dadurch sollen die zur Zeit bei der Herstellung von Schaltkreisen gängigen Technologieschritte, die aus mehreren Ätz- und Galvanisierschritten bestehen, deutlich verringert werden und eine Reduzierung der anfallenden, zum Teil sehr problematischen, Abfallprodukte und eine höhere Flexibilität in der Produktion erzielt werden.





Lösungsansätze

Die Substratmaterialien wurden hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit ausgewählt. Zum einen müssen sie in einem Spritzgussverfahren verarbeitbar sein und darüber hinaus auch noch eine thermische Beständigkeit, die für die Verdichtung der Silbertinten, welche teilweise 200-300°C benötigen, gebraucht wird, besitzen. Die thermische Stabilität wird im Hinblick auf Gewichtsverlust und Erweichungsverhalten überprüft um den Sinterschritt unbeschädigt zu überstehen. Es werden verschiedene Tinten mit verschiedenen Lösemitteln verwendet, um eine möglichst optimale Substrat / Tinte –Kombination zu erhalten. Von den thermisch beständigen Substraten wird die Oberflächenbeschaffenheit hinsichtlich ihrer Bedruckbarkeit untersucht. Dabei ist insbesondere die Oberflächenrauheit für die Konturtreue gedruckter Strukturen entscheidend. Von den geeigneten Tinte-Substratkombinationen sollen anhand von Teststrukturen das Druckverhalten und die elektrische Leitfähigkeit nach der Sinterung ermittelt werden. Die vielversprechendsten Kombinationen werden noch hinsichtlich der Druckparameter optimiert um möglichst fein aufgelöste Strukturen und eine hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich elektrischer Eigenschaften zu erreichen. Ist eine ausreichende Druckqualität auf den Substraten erreicht, muss noch der Kontakt zu den elektronischen Bauelementen hergestellt werden. Bei eingegossenen Elementen muss ein eventuell entstehender Spalt mit Material gefüllt werden.



Ergebnisse

Die thermische Belastbarkeit für den Sinterprozess ist bei fast allen untersuchten Substraten gegeben. Durch die meist Faserverstärkten Materialien ist auch bei den Substraten eine bis in hohe Temperaturen hohe Formstabilität gegeben. Die ersten Druckversuche zeigen auf den Substraten vielversprechende Ergebnisse. Die dpi-Zahl musste je nach Tinte angepasst werden, um geschlossene Strukturen zu erreichen. Bei der lösemittebasierten Tinte muss eine dpi-Zahl von 900 und bei der wasserbasierten Tinte eine von 1100 verwendet werden. Berechnung der Rauheit wird aus Oberflächenscans (mittels konfokalem optischen Sensor) nach Abzug der Welligkeit mittels





durchgeführt. Die Berechnung wird jeweils auf 0,7mm x 0,7mm Abschnitten ausgeführt. Dadurch können Inhomogenitäten in der Oberflächenrauheit lokal aufgelöst dargestellt werden (Abb.1). Anhand der Ergebnisse aus der Rauheitsberechnung und der Druckqualität kann die Eignung des Substrates ermittelt werden. Stellt man die Rauheit mit einer „Pixelqualität“, wobei diese das Verhältnis des Umfangs eines Kreises mit dem Umfang eines Pixels ins Verhältnis setzt, gegenüber, kann man erkennen, dass die „Pixelqualität“ tendenziell mit der Rauheit abnimmt (Abb.2). Gedruckte van der Pauw-Strukturen (mit gleichen Druckparametern) zeigen ähnliche Widerstände wie auf PI-Folie gedruckte (Abb.3). Auf homogenen und glatten Substraten sind bereits gute Druckergebnisse erzielt worden (Abb.4).



Publikationen

  • Kravchuk et al. „Production of Miniaturized Sensor Structures on Polymer Substrates using Inkjet Printing”, akzeptiert 16.07.2014, Advanced Materials
  • Bahr et al. „Spreading of conductive inks on injection molded substrates for functional ink jet printing”, Green Factory Bavaria Colloquium 2014 ISBN-13: 978-3-03835-283-9 Applied Mechanics and Materials Vol. 655, TTP-Verlag
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