Forschungsprojekt Charakterisierungsverfahren zur Bestimmung der Sintereigenschaften gedruckter mikro- und nanopartikelhaltiger Tinten und ihr Einfluss auf die Homogenität der Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit – SIMONE (IGF-Projekt 20928 N)
Getrieben durch die Digitalisierung beschleunigt sich die Nachfrage nach Schaltungsträgern, wie etwa im Automobilbereich (Steuerung, autonomes Fahren oder Infotainment) oder bei Antennen für IoT- bzw. Mobilfunkanwendungen zunehmend. Parallel dazu steigt und diversifiziert sich ebenso das Anforderungsprofil in den jeweiligen Anwendungsfeldern, wobei insbesondere die herkömmliche, photolithographische Herstellung durch technische Einschränkungen sowie den vielen sequentiellen Fertigungsschritten diesen Trend ausbremst. Folglich sind gerade für mittelständische Unternehmen additive Fertigungsverfahren interessant, da sie ein hohes Maß an technischer Flexibilität besitzen und damit die Entwicklung und Herstellung innovativer Produkte auch für kleinere Unternehmen erleichtern. Darüber hinaus ergeben sich eine Reihe wirtschaftlicher Vorteile, wie zum Beispiel verkürzte Lieferzeiten oder geringere Produktionskosten – vor allem bei Kleinserien.
Für die Fertigung additiv hergestellter, leitfähiger Strukturen auf Schaltungsträgern werden mittels Aerosol-, Piezo- oder Dispensierprozesse mikro- und nanopartikelhaltige Tinten oder Pasten aufgetragen. Um Wasser- oder Lösemittelbestandteile zu entfernen sowie die enthaltenen Partikel zu verdichten, erfolgt in einem nachgelagerten Schritt die Sinterung zu einer durchgehend leitfähigen Struktur. Ein bisher kaum diskutierter und insbesondere wenig erforschter Effekt ist in diesem Zusammenhang die inhomogene Sinterung über dem Leitungsquerschnitt, wie sie in Abbildung 1 zu sehen ist. Die naheliegendste Hypothese zur Erklärung der unterschiedlichen Sinterung ist ein suboptimaler respektive zu hoher oder zu niedriger Energieeintrag pro Zeit, wodurch es lediglich zu einer Sinterung der obersten Schicht kommt und damit zu einer Art Verschluss des restlichen Materials. Veröffentlichungen bezeichnen diesen Effekt als Skinning, der zu unterschiedlichen Leitfähigkeiten innerhalb derselben Struktur führt.
Die Analyse des Stands der Forschung und Entwicklung lässt die Schlussfolgerung zu, dass eine korrekte elektrische Charakterisierung dieses Effekts mit den bisher zur Verfügung stehenden Messmethoden nicht oder in nur begrenztem Umfang möglich ist. Das zu entwickelnde Messverfahren nimmt eine Schlüsselrolle zur Verbesserung bestehender Produkte und Verfahren ein und behebt zugleich erkannte technische und wirtschaftliche Probleme auf Seiten der Industrie, indem es die Grundlage für eine vereinheitlichte Charakterisierung gesinterter Strukturen schafft.
Abbildung 1: FIB-Schnitt und REM-Aufnahme einer inhomogene Sinterung einer Aerosol-Jet gedruckten Struktur nach Konvektion; Quelle: LHFT (FAU), FAPS (FAU)
Neuartiger Lösungsansatz
Grundlage des Verfahrens ist der in der Hochfrequenztechnik bekannte Skineffekt, der die mit der Frequenz abnehmende Eindringtiefe elektromagnetischer Wechselfelder in Metallen beschreibt und sich so ein Zusammenhang zwischen elektrischen Übertragungseigenschaften und dem Leitfähigkeitsprofil gesinterter Leitungen herstellen lässt. In Abbildung 2 ist die schematische Darstellung des Skineffekts in gedruckten Strukturen gezeigt.
Abbildung 2: Schematische Darstellung des Skineffekts bei 10 MHz und 1 GHz an gedruckten und gesinterten Strukturen; Quelle: LHFT (FAU), FAPS (FAU)
Dadurch wird es möglich, mittels entsprechender Messtechnik, unterschiedliche Tinten und die Auswirkungen von verschiedenen Parametern während des Sinterprozesses zu charakterisieren. Die zu erwartenden Messfrequenzen liegen dabei je nach Gleichstromleitfähigkeit im dreistelligen MHz-Bereich. Werden zusätzlich Messungen bei höheren Frequenzen hinzugenommen, ist die Eindringtiefe so gering, dass Rückschlüsse auf die Oberflächenrauheit der gesinterten Struktur gezogen werden können. In diesem Zusammenhang ist die teilweise mangelhafte Zuverlässigkeit eine der größten Herausforderungen gedruckter Elektronikprodukte, die sich beispielsweise in unzureichender Haftfestigkeit, Riss- oder Blasenbildung äußert. Eine Messmethode, die die Charakterisierung der Sintereigenschaften gerade in diesem Bereich ermöglicht, stellt das Rüstzeug für eine Optimierung der mechanischen Eigenschaften gesinterter Strukturen bei bestehenden Produkten dar.
Die Bearbeitung des Projektes wird durch die Forschungsstellen Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik (LHFT) und dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) durchgeführt. Seitens der Industrie wird das Vorhaben von den Firmen Adphos digital printing GmbH, Contag AG, Diener elektronic GmbH + Co. KG, Dr. Hönle AG, KSG-Leiterplatten GmbH, LPKF Laser & Electronics AG, merconics GmbH & Co. KG, Neotech AMT, SEHO Systems GmbH und Zollner Elektronik AG unterstützt.
Das IGF-Vorhaben 20928 N der Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e. V. wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
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