Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts SIMONE (IGF-Projekt 20928 N)
„Charakterisierungsverfahren zur Bestimmung der Sintereigenschaften gedruckter mikro- und nanopartikelhaltiger Tinten und ihr Einfluss auf die Homogenität der Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit“
Durch das zunehmend diversifizierte Anforderungsprofil an Schaltungsträgern in einer Vielzahl von Anwendungen (Automobil, Antennen, IoT, etc.) und der herkömmlichen, mitunter einschränkenden, photolithographischen Herstellung, sind gerade für mittelständische Unternehmen die additive Fertigungsverfahren durch ihr hohes Maß an Flexibilität und Innovationsmöglichkeit von Interesse. Dabei sind die leitfähigen Strukturen auf Schaltungsträgern von besonderer Bedeutung. Diese werden mittels Aerosol-, Piezo- oder Dispensierprozesse von mikro- und nanopartikelhaltigen Pasten oder Tinten erzeugt. Nach dem Auftragen muss ein weiterer Prozessschritt nachgelagert werden, die Sinterung. Dieser Vorgang soll dafür Sorge tragen, dass Wasser- oder Lösungsmittelbestandteile entfernt und die enthaltenen Partikel verdichtet werden, damit daraus eine durchgehend leitfähige Struktur entsteht. Es besteht allerdings ein bis jetzt wenig erforschter Effekt, das sog. Skinning. Dies führt wegen eines zu hohen Energieeintrages nur zur Sinterung der Oberfläche was eine inhomogene innere Struktur hervorruft und damit zu unterschiedlichen Leitfähigkeiten innerhalb derselben führt. Die grundlegende Herausforderung besteht darin diese inhomogene Struktur aussagekräftig zu charakterisieren. Das zu entwickelnde Charakterisierungsverfahren soll dabei die Schlüsselrolle bei der Untersuchung spielen und so die technische und wirtschaftliche Optimierung der Sinterverfahren vorantreiben. Dadurch soll ein wichtiger Beitrag geleistet werden zur Verbesserung der Konkurrenzfähigkeit gedruckter Elektronik, zur Nutzung der geometrischen Freiheitsgrade der additive Fertigungsverfahren und somit zur Entwicklung neuer Produkte.
Das Projekt wurde in folgenden Arbeitsschritten bearbeitet:
- Herstellung geeigneter Teststrukturen mit unterschiedlichen Materialien- und Sinterparametern.
- Entwicklung eines neuen elektrischen Testverfahrens.
- Erprobung der neu entwickelten Charakterisierungsmethode:
- Untersuchung der Wirkzusammenhänge zwischen Leitfähigkeitsprofil und mechanischer Eigenschaften.
Als Proben wurden Mikrostreifenleitungen auf Substratmaterial TSM-30 von Taconic, mit der zuvor ermittelten exakten Geometrie für einen Leitungswellenwiderstand von 50 Ω gedruckt. Die Leitfähigkeitsanalyse fand mittels Vier-Punkt-Messung statt.
Im Anschluss wurde ein Messaufbau für Hochfrequenzmessungen konstruiert, um über die gemessenen Verluste auf die Leitfähigkeit zurück schließen zu können und so die bei Tinten-herstellern übliche Vier-Punkt-Messung der Leitfähigkeit mittels beschichteten Glasobjektträger um eine weiteres Verfahren zu ergänzen.
Das bedruckte Leiterplattenmaterial wurde vor und nach einer Wärmebehandlung (60 min bei 200°C) in einem Konvektionsofen mit einem Netzwerkanalysator vermessen. Der Versuchsaufbau wurde nach den ersten Ergebnissen angepasst, um einen Leitfähigkeitssprung hervorzurufen der in der Messung sichtbar werden soll. Außerdem wurden die Leiterbahnlängen angepasst auf 15 mm und 200 mm. Die Masseflächen (Unterseite) der Mikrostreifenleitung wurden mit Silberpaste bedruckt und für 10 min bei 150°C gesintert. So soll bei niedrigen Frequenzen das EM-Feld den gesamten Querschnitt durchdringen, also die hoch leitfähige Kupferschicht der Leiterplatte und die deutlich geringer leitfähige gesinterte Silberschicht, wohingegen die Eindringtiefe bei hohen Frequenzen so gering ist, dass nur noch die Kupferschicht entscheidend ist. Aus den Messungen wurde ein Modell entwickelt, welches in eine Simulation übertragen wurde. Die anfänglich großen Unterschiede konnten konsekutiv mit einem vertieften Verständnis angepasst werden.
Für die finalen Testproben wurde nur die Tinte PG-007 von PARU auf Polyimidfolie durch ein Aerosol-Jet-Verfahren gedruckt und hauptsächlich mit Hilfe eines Konvektionsofens gesintert. Als nachträgliche Sinterung einer zuvor schon gesinterten Probe wurde das Xenonblitzlicht PulseForge 1300 verwendet.
Die Versuche mit dem Xenonblitzlicht PulseForge ergaben eine deutliche Verbesserung der Leitfähigkeit der zuvor nur für 10 min bei 80°C getrockneten Proben, sogar so stark, dass diese eine bessere Leitfähigkeit erreichten als die nur einmal bei 200°C gesinterten Proben.
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