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Abschlussveröffentlichung des Projekts LaDi-Print

Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts: IGF-Projekt 20202 N – LaDi-Print

„Schnelle und flexible Erzeugung von Leiterstrukturen zur Herstellung großflächiger mechatronischer Bauteile durch laserunterstützten Direkt-Druck“

Im Forschungsprojekt „Schnelle und flexible Erzeugung von Leiterstrukturen zur Herstellung großflächiger mechatronischer Bauteile durch laserunterstützten Direkt-Druck – LaDi wurden Silbernanopartikeltinten und Silbermikropartikelpasten mit den digitalen Druckverfahren Aerosol-Jet und Dispensersystem auf spritzgegossene Polymere gedruckt und der Einfluss der Laserbestrahlung als photonisches Sinterverfahren untersucht. Schwerpunkt lag hierbei auf der elektrischen Leitfähigkeit und der Haftfestigkeit als wesentliche Zielkriterien. Ziel war es, mittels Laserbestrahlung eine im Vergleich zum Ofenprozess vergleichbare oder bessere elektrische Leitfähigkeit bei guter Haftfestigkeit sowie deutlich reduzierter Sinterdauer für alle untersuchten Substratarten zu erreichen, wobei das Sintern auf thermisch empfindlichen Substraten wie ABS und PC-ABS von besonderem Interesse war.

Zusammen mit dem Projektbegleitenden Ausschuss wurde die Verwendung von drei unterschiedlichen Substratmaterialien und drei verschiedenen Pasten- und Tintenwerkstoffen beschlossen. Für die Versuche wurde Glas als Referenzsubstratmaterial betrachtet, Hauptaugenmerkt lag jedoch auf den temperaturempfindlichen Polymeren Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und einem Gemisch aus Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS). Für die Druckversuche mit dem Dispensersystem wurden eine Silbermikropartikelpaste der Firma Henkel (WIK20487-36A) und eine Core-Shell-Paste (VP 71529/G) der Firma Eckart verwendet.
Mit dem Aerosol-Jet Verfahren wurde die Silbernanopartikeltinte PARU PG-007 der Firma Paru benutzt. Mittels Laserbestrahlung konnte auf Glas mit der Silbermikropartikelpaste eine elektrische Leitfähigkeit von 9 MS/m erzielt werden. Auf ABS wurden 11 MS/m und auf PC-ABS 15 MS/m erreicht. Dies entspricht ca. 14 – 25 % der spezifischen Leitfähigkeit von Bulk-Silber. Damit konnten die Ergebnisse der Ofensinterung, welche zwischen 2 und 3 MS/m betragen (3 – 5 % von Bulk-Silber), deutlich übertroffen werden. Vergleichbare Ergebnisse wurden mit der Silbernanopartikeltinte und Laserbestrahlung erzielt. Hier wurden auf Glas eine elektrische Leitfähigkeit von 14 MS/m erzielt sowie 21 MS/m auf ABS und 23 MS/m auf PC-ABS. Dies entspricht wiederum etwa zwischen 23 – 38 % der spezifischen Leitfähigkeit von Bulk-Silber. Auch bei diesen Versuchen wurde die Leitfähigkeit, welche mit dem konventionellen Sinterprozess erreicht wurde und zwischen 7 – 15 MS/m lag (11 – 25 % von Bulk-Silber), erreicht bzw. übertroffen. Die Sinterdauer, die für die Sinterung einer Leiterfläche mit einer Größe von 100 x 100 mm benötigt wird, wurde hierbei von einer Stunde auf wenige Sekunden reduziert. Eine Laserbestrahlung der Core-Shell-Paste führte aufgrund der Oxidation des Kupferwerkstoffs zu keinen aussagekräftigen Ergebnissen.

Anhand von Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (REM-Aufnahmen) photonisch gesinterter Proben konnte zudem der Einfluss der Laserbearbeitungsparameter auf den Sintergrad der Leiterstrukturen ermittelt werden. Die durchgeführten Haftfestigkeitsuntersuchungen mittels Gitterschnitt und Stirnabzugsversuche zeigen Haftfestigkeiten zwischen 0 – 2 nach DIN EN ISO 2409 für die Silbermikropartikelpaste und zwischen 1 – 3 für die Silbernanopartikeltinte. Die schlechtesten Ergebnisse wurden hierbei auf Glas aufgrund der ideal glatten Oberfläche erzielt. Die im Ofen gesinterten Referenzproben bewegen sich zwischen 1 – 2 für die Henkel-Paste und 2 – 5 für die Paru-Tinte. Durch eine Plasmavorbehandlung konnte die Haftfestigkeit gesteigert werden. Anhand von Zuverlässigkeitsuntersuchungen im Temperaturschockschrank bei -40°C und +100°C wurde ein Anstieg des elektrischen Widerstandes bis 500 Zyklen um 54 % ermittelt, was auf entstehende Mikrorisse zurückzuführen ist.

Zur Analyse und Beurteilung der Energieeinbringung mittels Laserstrahlung wurde das Sintern der Leiterbahnen mittels Thermografie prozessbegleitend analysiert. Somit konnten Prozessbedingungen gefunden werden, bei denen keine Schädigung der temperaturempfindlichen Substrate auftrat. Anhand der thermischen Prozessanalyse konnten die Bestrahlungsparameter gezielt den thermischen Eigenschaften der Substratwerkstoffe angepasst werden. Die höchste elektrische Leitfähigkeit konnte mit der Henkel-Paste auf ABS und PC-ABS bei einer Streckenenergie von 24 J/m und einer Überfahrt des Laserstrahls erzielt werden, ohne eine thermische Schädigung des Substrates zu bewirken. Durch eine Erhöhung der Anzahl der Überfahrten bis auf die thermische Belastungsgrenze der Substrate konnte der Sintergrad und dadurch die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich erhöht werden. Mit der Paru-Tinte wurde bei einer Streckenenergie von 24 J/m auf ABS und 16 J/m auf PC-ABS bei einer Überfahrt die höchste elektrische Leitfähigkeit ermittelt, ohne eine thermische Schädigung des Substrates zu bewirken. Auch hier konnte durch eine Erhöhung der Anzahl an Überfahrten der Wert der elektrischen Leitfähigkeit zusätzlich erhöht werden. Insgesamt ist die photonische Sinterung über Laserstrahlung sehr gut geeignet, um auf temperaturempfindlichen Substraten hohe Leitfähigkeiten bei gleichzeitig hohen Haftfestigkeiten erzielen zu können.

Abbildung: Schematische Darstellung des Aerosol-Jet Druckprozesses nach Franke, J. (2013)
Abbildung: 5-Achs System AJ15XE der Firma Neotech mit Aerosol-Jet Einheit der Firma Optomec; Quelle: FAPS, FAU; blz
Abbildung: Spektrometer-Messungen der Silbermikropartikelpaste WIK20487 (oben) und Silbernanopartikeltinte Paru PG-007 (unten) im ungesinterten (links) und gesinterten (rechts) Zustand; Quelle: FAPS, FAU; blz
Abbildung: Exemplarischer Querschnitt einer erzeugten Leiterbahn (unten); Draufsicht der erzeugten Struktur (links oben) und Vermessung mit dem konfokalen Lasermikroskop Keyence VK-X1000 (rechts oben); Quelle: FAPS, FAU; blz
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