Sintern mit Elektronenstrahl für gedruckte Elektronik
Herstellung leitfähiger Strukturen auf temperaturempfindlichen Materialien.
In der letzten Woche präsentierten die Fraunhofer-Institute FEP und IKTS auf der Fachmesse „Werkstoffe für die Zukunft“ in Dresden ein neues, lokal selektives Elektronenstrahl-Sinterverfahren zur Herstellung leitfähiger Strukturen auf Polymersubstraten.
Abb.: Mit leitfähigen Kupferpartikeln versetzte Tinten werden mittels Elektronenstrahl haftfest mit dem Substrat verbunden, ohne dieses durch Wärmeeintrag zu beschädigen. (Bild: FEP)
Das neue Verfahren löst eine aktuelle Herausforderung in der gedruckten Elektronik, nämlich die schnelle und preiswerte Herstellung leitfähiger Bahnen auf temperatursensiblen Substraten. Diese werden zum Beispiel für flexible Schaltkreise und flexible OLED sowie RFID-Antennen benötigt.
Typischerweise werden dazu Silbertinten verdruckt, die Partikelgrößen im Nanometerbereich besitzen. Mit Nanopartikeln ist es möglich, beim nachfolgenden Sintervorgang bereits mit niedrigen Temperaturen von ca. 200 °C eine ausreichend gute elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Struktur zu erreichen. Dies erlaubt die Benutzung üblicher Polymerträgermaterialien, jedoch stehen die hohen Kosten der Silbertinte einer breiten Nutzung für Massenanwendungen bislang im Wege.
Das Fraunhofer-Team hat für die Herstellung von leitfähigen Bahnen preiswertere, kupferbasierte Tinten mit Partikelgrößen bis in den Mikrometerbereich benutzt. Die Tinte wurde mit Aerosoldruck auf Polymersubstraten gedruckt und mit dem speziell dafür entwickelten, selektiv auf die gedruckte Struktur wirkenden Elektronenstrahlverfahren gesintert. Dabei wurde sowohl die Reduzierung des Leitbahnwiderstandes durch die Elektronenstrahlbehandlung von etwa 100 kΩ auf ≈ 1 Ω – das entspricht bei gegebener Leitbahngeometrie ≈ 1·10-4 Ωcm – erreicht, als auch die Sinterwirkung durch Bildung von Sinterbrücken nachgewiesen.
Björn Meyer, der das Projekt am Fraunhofer FEP betreut, hebt folgende Vorteile des Verfahrens hervor: „Die Eindringtiefe und die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlprozesses kann angepasst werden. Auch Temperaturprofile können gezielt eingestellt werden.“ Es handelt sich also um ein flexibles Verfahren.
Die spezielle Verknüpfung aus einer preiswerten Tinte und einem Sinterverfahren, das für temperatursensible Substrate geeignet ist, eröffnet eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der gedruckten Elektronik (z. B. die Massenfertigung von RFID-Antennen), im Rapid Prototyping sowie in der Kleinserienproduktion oder Reparatur von Leiterplatten. Das Projektteam steht nun bereit, den Prozess für mögliche Anwendungen mit Interessenten aus der Industrie zu testen. Dabei ist auch der Einsatz anderer metallhaltiger Tinten sowie weiterer Substratmaterialien möglich.
FEP / LK
