Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts: Alternative Verdichtungsverfahren für nanopartikelhaltige Tinten gedruckt mit digitalen Druckverfahren für planare MID
Im Forschungsprojekt „Alternative Verdichtungsverfahren für nanopartikelhaltige Tinten gedruckt mit digitalen Druckverfahren für planare MID – (AVerdi)“ wurden Silbernanopartikeltinten mit den digitalen Druckverfahren Inkjet sowie Aerosoljet auf dünne Polymerfolien sowie auf spritzgegossene Polymere gedruckt und der Einfluss photonischer Sinterverfahren in Form von Nahinfrarot (NIR)- bzw. Ultraviolett (UV)-Strahlung auf die elektrische Leitfähigkeit sowie Haftfestigkeit der gedruckten Strukturen im Vergleich zum konvektiven Sintern untersucht.
Hierfür kamen NIR-Strahler der Firma adphos Digital Printing GmbH und UV-Strahler der Firma Dr. Hönle AG UV-Technologie zum Einsatz. Ziel war es, mit den photonischen Sinterverfahren eine im Vergleich zum Ofenprozess vergleichbare oder bessere elektrische Leitfähigkeit bei guter Haftfestigkeit sowie deutlich reduzierter Sinterdauer für alle Substratarten zu erreichen, wobei das Sintern auf thermisch empfindlichen Substraten wie Polyethylenterephthalat (PET) von besonderem Interesse war.
Die im Rahmen des Forschungsprojekts erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass photonische Sinterverfahren im Vergleich zu den etablierten Konvektionsprozessen deutlich besser geeignet sind, um auf thermisch beständigen Substraten digital gedruckte Strukturen zu sintern, da hierbei eine meist höhere elektrische Leitfähigkeit bei einer deutlich reduzierten Sinterdauer realisiert werden konnte. Es wurde mit verschiedenen Tinten sowie einer Vielzahl an Substratmaterialien gearbeitet. Dabei hat sich das Materialportfolio im Projektverlauf reduziert.
In abschließenden Untersuchungen wurden für den Aerosoljet-Druck die Tinten Clariant TPS 50 und PARU PG-007 sowie spritzgegossene Substrate aus Flüssigkristallpolymer (LCP) und aus Polyamid 6 (PA 6) verwendet. Für das Inkjet-Verfahren kamen die Tinten ANP DGP 40TE-20C, Clariant TPS 35 sowie GSB-Wahl LAB 2423 und die Substratfolien aus PET sowie aus Polyimid (PI) zum Einsatz.
Bei Untersuchungen zu den Eigenschaften der im Inkjet-Prozess verarbeitbaren Tinte Clariant TPS 35 konnte durch photonisches Sintern eine elektrische Leitfähigkeit relativ zu Bulk-Silber im Bereich von ca. 17 % bis ca. 24 % auf PI bei einer Sinterdauer von 2 s bis 5 s erzielt werden, wobei im Ofenprozess eine Leitfähigkeit von ca. 12 % bis ca. 14 % nach einer Stunde bei 200 °C erreicht wurde. Rasterelektronenmikroskopaufnahmen photonisch gesinterter Proben zeigten im Vergleich zum Ofenprozess einen deutlich besseren Sintergrad. Die Haftfestigkeit nach photonischem Sintern ist vergleichbar mit ofengesinterten Proben. Auf PET konnte mit der Tinte ANP DGP 40TE-20C eine Leitfähigkeit von ca. 6 % bis ca. 7 % durch NIR-Strahlung nach einer Sekunde erzielt werden, wobei im Ofenprozess eine Leitfähigkeit von ca. 3 % bis ca. 4 % relativ zu Bulk-Silber nach 5 min bei 150 °C erreicht wurde. REM-Aufnahmen zeigten, dass hier noch keine Sinterhalsbildung stattgefunden hatte, sodass die Leitfähigkeit sehr wahrscheinlich über erste Kontakte zwischen den Silbernanopartikeln zustande kam. Mit beiden Sinterverfahren konnten sehr gute Haftfestigkeitswerte erzielt werden.
Bei Untersuchungen zu den Eigenschaften der im Aerosoljet-Prozess verarbeitbaren Tinte PARU PG-007 konnte durch photonisches Sintern eine Leitfähigkeit relativ zu Bulk-Silber im Bereich von ca. 13 % bis ca. 35 % auf LCP bei einer Sinterdauer von 2 s bis 60 s erzielt werden, wobei im Ofenprozess eine Leitfähigkeit von ca. 25 % nach einer Stunde bei 150 °C erreicht wurde. Für diese Materialkombination wurde die Haftfestigkeit nach allen Sinterverfahren als schlecht eingestuft. Auf PA 6 konnte mit der gleichen Tinte durch photonisches Sintern eine Leitfähigkeit von ca. 17 % bis ca. 19 % relativ zu Bulk-Silber bei guter Haftfestigkeit erreicht werden, wobei im Ofenprozess nach einer Stunde bei 150 °C ca. 16 % Leitfähigkeit mit einer schlechten Haftfestigkeit erreicht wurden.
Insgesamt wurde für beide Druckverfahren festgestellt, dass die Sinterdauer durch photonisches Sintern deutlich reduziert werden konnte. Dabei konnten meist bessere elektrische Leitfähigkeitswerte erzielt werden als im Ofenprozess. Damit sind die im Forschungsprojekt untersuchten Sinterverfahren gut geeignet, um auf thermisch beständigen Substraten hohe Leitfähigkeiten bei guten Haftfestigkeiten erzielen zu können. Auf thermisch empfindlichen Substraten konnten dagegen geringe Leitfähigkeiten mit sehr guter Haftfestigkeit erreicht werden, was beispielsweise für Sensoranwendungen interessant sein könnte.
Das IGF-Vorhaben 19605 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.
Kontakt
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Abbildung 1: Clariant TPS 35 auf PI: Rasterelektronenmikroskopaufnahmen: nach Vortrocknen bei 80 °C – 5 min, nach Ofensintern 200 °C – 60 min, nach NIR-Sintern – 2 s sowie nach UV-Sintern – 5 s.
