Alternative Verdichtungsverfahren für nanopartikelhaltige Tinten gedruckt mit digitalen Druckverfahren für planare MID

Quelle: Jewgeni Roudenko

Das Gemeinschaftsforschungsprojekt „AVerdi“ untersucht alternative Trocknungs- und Verdichtungsverfahren für gedruckte Leiterbahnen. Das Trocknen und das Verdichten sind zwei essentielle Prozessschritte um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit, sowie eine gute Haftfestigkeit gedruckter Leiterbahnen auf polymeren Substraten zu ermöglichen. Im Projekt „AVerdi“ werden, zusammen mit mehreren Partnern aus Industrie und Universität, alternative Verdichtungstechnologien für gedruckte Leiterbahnen (Inkjet und Aerosol-Jet) auf polymeren Substraten erforscht. Durch neue Trocknungs- bzw. Verdichtungsverfahren soll zukünftig eine kostengünstige Fertigung gedruckter Elektronik ermöglicht werden. Das Projekt der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wird über die AiF im Rahmen der  Industriellen  Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

Digitale Druckverfahren wie Inkjet- oder Aerosol-Jet-Druck haben hohes Anwendungspotential zur Metallisierung und zur elektrischen Funktionalisierung von Foliensubstraten, sowie von Kunststoff Bauteilen (z.B. spritzgegossene Schaltungsträger (MID)). Die Leiterbahnen werden nach unterschiedlichen Methoden mittels eines Druckkopfes auf das Substrat gebracht. Als Tinten kommen meist Dispersionen aus nanoskaligen Metallpartikeln (Silber oder Kupfer) zum Einsatz, die mit organischen Verbindungen in einem Lösemittel stabilisiert sind. Nach dem Druck, wird durch das Trocknen und Verdichten (Sintern) der Leiterbahnen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erreicht und die Leiterbahnen mechanisch fixiert.

Derzeit erfolgt das Trocknen und Sintern thermisch mittels freier Konvektion. Dieses Verfahren ist durch einen hohen Energieeinsatz, eine hohe thermische Belastung und eine lange Prozessdauer unwirtschaftlich und damit für viele polymere Substrate ungeeignet. Daher ist es für einen wirtschaftlichen Einsatz des Inkjet- und Aerosol-Jet-Drucks notwendig, Alternativen für die Verdichtung durch Temperatur über Konvektion zu entwickeln.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „AVerdi“ sollen zunächst das Trocknungs- und Sinterverhalten bzw. die relevanten Zusammenhänge für nano-partikuläre Tinten systematisch und umfassend untersucht werden. Basierend auf den neu gewonnenen Erkenntnissen, sollen alternative photonische bzw. elektromagnetische Verdichtungstechnologien (energiereiche UV-, NIR oder längerwellige  IR-Strahlung,  Hochfrequenzfelder) im Vergleich zum Energieeintrag mittels Konvektion bei Tinten für den Inkjet-Druck, sowie den Aerosol-Jet-Druck untersucht und weiter entwickelt werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es eine kostengünstige Fertigung (Reduktion der Prozesszeit) durch neue Trocknungs- bzw. Verdichtungsverfahren und zielführende Verfahrenskombinationen zu erreichen. Zusätzlich soll das Materialspektrum (thermoplastische Basismaterialien) erweitert werden. Damit sollen neue Fertigungstechnologien für die MID- und Chipkartenfertigung geschaffen werden. Am Ende des Projekts soll für den Anwender ein Leitfaden zur Verfahrensauswahl in Abhängigkeit von den erzielbaren Eigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Haftfestigkeit), Zielsubstraten sowie Zeiten und Kosten erstellt werden, um eine schnelle und passende Auswahl geeigneter Verdichtungsverfahren zu ermöglichen.