Cluster Mechatronik & Automation

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15.03.2019

Gedruckte Elektronik – die Herausforderung des Sinterns

Der unterschätzte Prozessschritt

Gedruckte Elektronik bietet die Möglichkeit, neue Materialien mit kostengünstigen Produktionsprozessen zu kombinieren. Digitale Druckverfahren, wie der Aerosol-Jet oder InkJet-Druck, stellen heute einen alternativen Weg zur Metallisierung und elektrischen Funktionalisierung von sämtlichen dielektrischen Schaltungsträgern, wie z.B. Kunststoffe, Glas oder Foliensubstrate mit einem breiten Anwendungsspektrum dar. Dünne, leichte, flexible, langlebige und umweltfreundliche Produkte öffnen die Tür zu neuen und innovativen Anwendungen, die mit herkömmlicher Elektronik nicht möglich wären. Gedruckte OLEDs, RFIDs, Sensoren und Antennen haben bereits ihren Weg in die großen Industriebereiche gefunden.

Sinterprozess als Herausforderung

Damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Strukturen und Leiterbahnen erreicht werden kann, sind Dispersionen auf Basis von Silber- und Kupfernanopartikeln im industriellen Einsatz. Die Nanopartikel sind hierbei meist mit organischen Verbindungen ummantelt, welche die Partikel in einem Lösungsmittel stabilisieren und so eine ungewollte Oxidation und vorzeitige Agglomeration verhindern.

Erst durch einen Verdichtungsprozess, auch bekannt als Sinterprozess, wird eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erreicht und die mechanische Fixierung der Schichten auf dem Substrat sichergestellt. Diese Verdichtung findet nach dem derzeitigen Stand der Technik üblicherweise thermisch mittels Konvektion statt. Aufgrund der Limitationen dieses Prozesses, wie der hohen thermischen Belastung für viele polymere Substrate und einer langen Prozessdauer von oft mehr als 60 Minuten, ist eine wirtschaftliche Etablierung moderner Druckprozesse kaum möglich.

Projekt AVerdi

Im Forschungsvorhaben AVerdi sollen diese Nachteile durch die Untersuchung alternativer Verdichtungsverfahren aufgehoben werden und somit einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz ermöglichen. Zusammen mit dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, dem Institut für Chemie, Material- und Produktentwicklung (OHM-CMP) der Technischen Hochschule Nürnberg und mehr als zehn Firmen werden die dazugehörigen Wirkzusammenhänge untersucht um die Prozesstemperatur zu minimieren, die Prozessdauer deutlich zu reduzieren und das Trocknungs- und Verdichtungsergebnis zu verbessern.

Physikalische und chemische Prozesse beim Verdichten

Die Prozesskette gedruckter Elektronik lässt sich in drei Teilschritte gliedern. In einem ersten Schritt findet das Auftragen der gewünschten Strukturen mittels verschiedener Druckverfahren statt. In einem zweiten Schritt wird durch Trocknung das enthaltene Lösemittel ausgetrieben, Stabilisatoren entfernt und die Agglomeration der Nanopartikel erreicht. In einem letzten Schritt findet die Inaktivierung verbleibender Stabilisatoren und das finale Verdichten der Partikel statt. Erst durch ein vertieftes Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse beim Trocknen und Sintern ist es möglich die alternativen Verdichtungsmethoden weiterzuentwickeln. Für das Grundverständnis und die vereinfachte Darstellung der Vorgänge während des Sinterprozesses dient das Zwei-Teilchenmodell. Nach dem Kontaktstadium beginnt infolge unterschiedlicher Diffusionsprozesse eine Annäherung der Teilchen. Unterschieden wird hierbei zwischen der Oberflächendiffusion, der Volumen- und Korngrenzendiffusion.

Das Sintern von nanopartikelhaltigen Dispersionen kann aufgrund der sehr großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen und der damit erhöhten Oberflächenenergie bei deutlich niedrigeren Temperaturen stattfinden.
 


Zur Ermittlung der maximalen Verdampfungsraten, welche wichtig sind, um die Temperaturprofile zur Herstellung der Proben festzulegen, wurden zwei Verfahren als besonders geeignet identifiziert. Die Thermogravimetrie ermittelt die Verdampfung der Organik als Funktion der Temperatur und Zeit während die dynamische Differenzkalorimetrie zur Messung endothermer Vorgänge, wie dem Verdampfen und Schmelzen bzw. zur Messung exothermer Vorgänge, wie dem Zersetzen und Sintern verwendet wird. Je nach Tinte lagen diese im Bereich zwischen 136°C und 191°C.

Alternative Trocknungs- und Verdichtungstechnologien

Für das photonische Sintern mit UV- bzw. NIR-Strahlung als Alternativen zur thermischen Behandlung ist die Kenntnis der Transmissionsspektren der verwendeten Materialien sehr wichtig, um deren Eignung für diese alternativen Verdichtungsmethoden beurteilen zu können. Zunächst wurden deshalb die verwendeten Substrate mittels optischer Spektroskopie im UV-IR-Bereich (190 nm – 3300 nm) charakterisiert. Mithilfe dieser Untersuchungen und dem bekannten maximalen Absorptionsspektrum von Silbernanopartikel bei 420 nm konnten die geeigneten Wellenlängen der UV-LEDs und NIR-Emitter festgelegt werden und Verdichtungsversuche gestartet werden. Die ersten Ergebnisse zeigen eine ebenso gute Leitfähigkeit wie beim konventionellen Ofenprozess bei deutlich kürzeren Prozesszeiten von weniger als 5 Minuten.

Mechanische Eigenschaften und Zuverlässigkeit

Neben der in der Industrie und Forschung hauptsächlich beachteten elektrischen Leitfähigkeit spielen jedoch auch die mechanischen Eigenschaften wie eine gute Haftfestigkeit, die sich erst nach dem Erreichen einer sehr guten Leitfähigkeit einstellt, und die Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Durch eine gezielte Plasmavorbehandlung der Substrate konnte bereits eine deutlich bessere Haftfestigkeit der Strukturen erreicht werden. Weiterhin soll untersucht werden, wie genau sich die alternativen Sinterverfahren auf die Zuverlässigkeit auswirken, weshalb Umweltsimulationsprüfungen notwendig sind.

Immer auf dem neuesten Stand bleiben

Weitere Forschungsergebnisse aus dem Bereich der gedruckten Elektronik und der additiven Fertigung werden auch im Seminar „Mechatronische Funktionalisierung durch 3D-Druckverfahren“ am 3. – 4. April am Lehrstuhl FAPS vorgestellt sowie auf dem 3-D MID Summit am 21. Mai in Halle 15 auf dem AEG Gelände in Nürnberg.

Autorin
Simone Neermann, M.Sc.

Kontakt
Simone Neermann
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
Tel.: +49 911 5302 9088
Simone.Neermann@faps.fau.de
www.faps.fau.de


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