IGF-Projekt 21894 N: Digital-Druck leitfähiger Tinten mittels Inkjet zur Miniaturisierung elektronischer Baugruppen [DigiTIMe]
Auf Grund der anhaltenden Tendenz zur Miniaturisierung, Funktionsintegration und Erhöhung der Komponentendichte kommt hochminiaturisierten Bauelementen immer größere Bedeutung zu. Bei der Verarbeitung der zunehmend kleineren Bauteile treten jedoch häufig Probleme beim Lotpastendruck auf. Durch verschmutzte oder verstopfte Schablonen sowie schlechtes Auslöseverhalten der Lotpaste auf Grund der ungünstigeren Wand-Flächen-Verhältnisse, entstehen unzureichende Lötverbindungen.
Im Projekt „Digital-Druck leitfähiger Tinten mittels Inkjet zur Miniaturisierung elektronischer Baugruppen“ DigiTIMe wird ein Inkjet-Drucksystem (Digital-Druck) auf einer hochpräzisen Zweiachs-Kinematik mit höhenjustierbarem Druckkopf für planare Baugruppen entwickelt, welches mittels modularer Druckköpfe alternativ niedrigviskose Leitkleber oder leitfähige Tinten verdrucken kann, um kleinste SMD-Komponenten mit klassischen Leiterplatten zu kontaktieren.
Der Lösungsansatz sieht dabei einerseits die Entwicklung des SMT-Linienintegrierbaren Drucksystems und andererseits die Evaluation geeigneter Druckmedien vor. In Betracht gezogen werden hierzu Materialien,
welche möglichst gesundheitlich sowohl unbedenklich, als auch einfach zu handhaben sind und bei Temperaturen unter 300 °C eine leitfähige Verbindung herstellen können.
Als potentielle Verbindungmedien eigenen sich dafür verschiedene SilberNano- und Mikropartikel haltige Tinten und Klebstoffe. Ausgewählt wurden hierfür Medien auf wässriger und organischer Basis. Diese stellen jeweils mittels Sintern thermischer oder UV-ausgelöster Abbindung eine mechanische Verbindung zwischen den Fügepartnern her und sind für den Druck mit Piezo- oder Inkjetsystemen kompatibel.
Die elektrische Verbindung kann dabei entweder durch eine gesinterte Struktur oder anisotrop bzw. isotrop leitendenden Klebeverbindungen realisiert werden. Die hierzu notwendige Schichtdicke und Partikelgröße wurde durch eine Betrachtung der Oberflächen beider Fügepartner ermittelt, wie in Abbildung 1 und Abbildung 2 für einen 0402m Widerstand dargestellt. Die resultierende Zielgröße der mittleren Schichtdicke entspricht 4,9 µm zur Kontaktierung von etwa 80 % der Pad- und Bauteilkontaktflächen.
Abbildung 1: Bedeckung der Kontaktfläche in Abhängigkeit der Schichtdicke; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
Abbildung 2: Beispielhafte Darstellung von 80 % Padabdeckung an einem 0204m Widerstand; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
Da sowohl isotrop als auch anisotrop leitende Klebeverbindungen berücksichtigt werden sollen, werden einerseits Mikropartikel- als auch Nanopartikelsuspensionen untersucht.
Die Medien werden auf einer speziell entworfenen Leiterplatte getestet, welche in Abbildung 3 zu sehen ist. Diese enthält Pads für Bauelemente der Typen 008004, 01005, 0603 sowie einen QFN zur Evaluierung von abgeschatteten Kontaktflächen. Das weitere Design der Leiterplatte entspricht gängigen Industriestandards.
Die Bearbeitung des Projektes erfolgt durch den Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Seitens der Industrie wird das Vorhaben von den Firmen APAG Cosyst, ATN Automatisierungstechnik Niemeier GmbH, Robert Bosch GmbH, Fritsch SMT GmbH, InnoCoat GmbH, MSWtech, SEHO Systems GmbH, Neotech AMT GmbH, Sentinum GmbH, Siemens AG, Vierling GmbH und Zollner Elektronik AG unterstützt.
Das IGF-Vorhaben 21894 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.
Abbildung 3: Testleiterplatte für den Bauelementkontaktierung mittels Silber Nano- und Mikrosuspensionen; Quelle: Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) der FAU Erlangen-Nürnberg
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