Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen 3-D MID e.V.
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Projektskizze: Messung der Haftfestigkeit gedruckter leitfähiger Schichten in der Elektronikfertigung [Adhesion4PE]

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Forschungsziel

In diesem Projekt ist angestrebt, bestehende Methoden zur Haftfestigkeitsmessung zunächst einer tiefgehenden Untersuchung der Schwachstellen, Einflussgrößen und möglichen Ergebniskorrelationen untereinander zu unterziehen. Zum einen werden bestehende Schwachstellen durch Optimierung reduziert. Zum anderen können Methoden hinsichtlich ihrer Anforderungen in Bezug auf die verschiedenen genannten Schichtkategorien abgestimmt werden und jeweils die geeignetste Prüfmethode identifiziert werden. Hierbei könnten sich bestimmte Prüfverfahren beispielsweise für einzelne Schichtstärkenbereiche als besonders geeignet herausstellen, wodurch weniger Aufwand bei der Probenpräparation betrieben werden kann und dennoch vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können. Zum Projektende soll dem Anwender eine einheitliche, ggf. kategoriespezifische Handlungsempfehlung für die anwendungsnahe Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Haftfestigkeitsmessungen gedruckter Schichten auf starren und flexiblen Substraten an die Hand gegeben werden.

Bild: Hot-Pin-Pulltest; Quelle: Kuhn, FAPS

Beschreibung

Für die verschiedenen in Zusammenhang mit gedruckter Elektronik eingesetzten Druckverfahren (bspw. Inkjet-, Aerosol- und Siebdruck) werden unterschiedliche Pasten und Tinten eingesetzt, welche sich grundsätzlich in Viskosität, Zusammensetzung, Aufbau und Dicke der gehärteten bzw. gesinterten, elektrisch funktionalen Schichten unterscheiden. So ist bei den polymergebundenen Pasten hauptsächlich zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen dem Matrixpolymer der Paste und dem Substrat für die Haftung verantwortlich, die Haftung ähnelt den Mechanismen bei Klebeverbindungen. Die bei polymergebundenen Pasten erzeugten Schichtenstärken liegen meist deutlich über 10 μm (appliziert beispielsweise mittels Siebdruck oder Jetten). Bei den niedrigviskosen Tinten werden je nach Druckverfahren Schichtstärken bis etwa 1 μm (z. B. Inkjetdruck) und 1 μm bis etwa 10 μm (z. B. Aerosoldruck) erzeugt, die Adhäsion tritt zwischen den Metallpartikeln, einer vorhandenen Restfunktionalisierung und dem Substratmaterial auf.

Auch vor dem Hintergrund der genannten unterschiedlichen Kategorien gedruckter Schichten in der gedruckten Elektronik herrscht bislang kein Konsens zur zuverlässigen und quantitativen Messung der Haftfestigkeit. Zwar existieren teilweise Normen zur Prüfung der Haftfestigkeit (z.B. Gitterschnitt- oder Stirnabzugstest), jedoch ist festzustellen, dass ein großer subjektiver Spielraum bei der Probenvorbereitung und Auswertung der Ergebnisse vorhanden ist. Prüfmethoden wie der Gitterschnitt- oder Tapetest zeichnen sich zudem zwar durch einfache Handhabung aus, jedoch werden (bisher) nur qualitative Ergebnisse erzielt. Beim Stirnabzugs- oder Hot-Pin-Pulltest dagegen werden nach aufwändiger Probenpräparation quantitative Ergebnisse erzielt, jedoch sind wichtige Einflussfaktoren (Eindringen von Klebstoff in die Schicht, Lötbarkeit der Schicht) bislang nicht systematisch untersucht.

Das Forschungsprojekt wird dazu beitragen, durch ein vereinheitlichtes und möglichst anwendungsnahes Vorgehen zur Haftfestigkeitsprüfung einschließlich der ggf. erforderlich Probenpräparation vor dem Hintergrund der oben genannten verschiedenen Kategorien gedruckter Schichten auf starren und flexiblen Substraten die Akzeptanz der gedruckten Elektronik am Markt zu steigern und damit die Wettbewerbsfähigkeit der entsprechenden KMU deutlich zu erhöhen.

Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU

Standardisierte Prüfverfahren stehen immer am Anfang einer allgemeingültigen Qualitätssicherung. Das Fehlen einheitlicher Vorgehensweisen und Methoden zur Haftfestigkeitsprüfung gedruckter, dünner Schichten ist deswegen eine bisher kaum zu überwindende Hürde für die breitere Akzeptanz der gedruckten Elektronik. Mit einer grundlegenden Analyse bestehender Methoden und der Entwicklung einer möglichst einfachen Methode zur quantitativen Messung der Haftfestigkeit, könnte das Anwendungspotential der gedruckten Elektronik deutlich erweitert werden. Für KMUs ist der Nutzen des Projektes gegeben durch:

  • Grundlegende Aussagen zur Vergleichbarkeit bestehender Messverfahren durch Kenntnis der Korrelation zwischen etablierten Verfahren
  • Vereinheitliche Prüfverfahren begleitend zum Produktentstehungsprozess (Anfangs einfache Verfahren für grundsätzliche Machbarkeit, später aufwändigere jedoch genauere Verfahren)
  • Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit, da ggf. einfachere und kostengünstige Prüfverfahren für kundenspezifische Anfragen genutzt werden können
  • Bereitstellung einer stabilen Wissensbasis für die Neu- und Weiterentwicklung von gedruckten mechatronischen Systemen und damit Möglichkeit zur Erschließung neuer Anwendungsfelder
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