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Vorstellung des Forschungsprojekt „Laserdirektstrukturierte Schaltungen auf Silikon“

Autoren

Byungseok Yoo,† David Bowen,‡ * Nathan Lazarus,∫ and Darryll Pines†

 

Forschungsinstitute

Department of Aerospace Engineering, University of Maryland, College Park, MD 20742
Laboratory for Physical Sciences, University of Maryland, College Park, MD 20740
US Army Research Laboratory, Adelphi, MD 20783, USA

Forschungsziele

Mit dieser Forschung wurden folgende Ziele verfolgt.

  1. Nachweis, dass das Verfahren der Laserdirektstrukturierung (LDS) unter Verwendung von superflexiblem, biokompatiblem (weicher als Haut), mit Kupferchromit dotiertem additiv gehärtetem Silikon erfolgreich war.
  2. Ermittlung von Prozessgrenzen wie Mindestlaserleistung und Dotierungsgrad sowie Untersuchung der Prozessrobustheit.
  3. Durchführung vorläufiger mechanischer Bewertungen von LDS-auf-Silikon-Schaltkreisen, wie z. B. Flexibilität, Adhäsion, Bruchlast und Langlebigkeit bei Belastungszyklen.
  4. Demonstration/Evaluierung von LDS-auf-Silikon-Induktoren und halbkugelförmigen 3D-Spiralen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des LDS-Verfahrens auf Silikon. 1. Mischen und Gießen. 2. Laser-Strukturierung. 3. Stromlose Verkupferung. 4. Der daraus resultierende robuste Elastomerkreislauf; Quelle: [4]

Beschreibung

Elastomere Substrate für die Elektronik sind vielversprechende Materialien für mechanisch abstimmbare oder Dehnungssensoren, biokompatible Sensoren und tragbare Elektronik. Eine Herausforderung bei den meisten Elastomermaterialien sind ihre niederenergetischen Oberflächen, die eine schlechte Haftung beim direkten Schreiben mit leitender Tinte verursachen [1]. Leitfähiges Flüssigmetall kann auch in Hohlkanäle eingespritzt werden, die in ein elastomeres Material gegossen oder gedruckt wurden [2, 3], aber beide Methoden haben eine geringere Leitfähigkeit und eine begrenzte Komplexität der Schaltkreise.

 

Mit den hier vorgestellten Forschungsarbeiten wollten wir den LDS-Materialkatalog um superweiches, biokompatibles Silikon erweitern und erste Bewertungen von Freiform-Silikonteilen mit integrierten LDS-Schaltungen durchführen. Wir gingen davon aus, dass die LDS-Laseraufrauhung und das stromlose Wachstum von Kupfer anstelle des Ablagerungs-, Aushärtungs- und Klebeprozesses des direkten Tintenschreibens den LDS-Leiterbahnen eine außergewöhnliche Haftung verleihen würde; dies erwies sich als richtig.  Außerdem würden mit LDS lötbare, niederohmige Kupferspuren von höchster Qualität entstehen, die auf einem Elastomer erreichbar sind.

 

Die Proben wurden aus Smooth-On Ecoflex 00-30 (30 Shore 00) additiv härtendem Silikon hergestellt, das mit Kupferchromit-Pulver dotiert war.  Der Schwellenwert für die Dotierung mit Kupferchromit lag bei 2 – 4 Gew.-% für eine erfolgreiche LDS bei 2,5 W Laserleistung. Der Elastizitätsmodul des Silikons stieg mit dem Dotierungsgrad von etwa 80 kPa bei 10 % G/G bis zu etwa 130 kPa bei 50 % G/G. Innerhalb des nachgewiesenen Bereichs erfolgreicher LDS kann der Dotierungsgrad also zur Steuerung der Materialsteifigkeit verwendet werden. Auch die Laserleistung wurde mit dem LPKF ProtoLaser 3D IR-Laserstrukturierungssystem und 30 Gew.-% dotiertem Silikon untersucht, wobei eine erfolgreiche praktische Strukturierung oberhalb eines Minimums zwischen 0,5 W und 0,75 W durchschnittlicher Laserleistung erreicht wurde.

 

Für erste mechanische Tests wurden LDS-Hufeisenleiterbahnmuster hergestellt. Die hufeisenförmigen Leiterbahnen wurden bis zu einer Dicke von etwa 32 µm galvanisiert und dann mit undotiertem Silikon überspritzt, wobei Bruchdehnungen zwischen 83 % und 173 % gemessen wurden. Die Proben wurden auch zyklisch bis zu 60 % gedehnt, um ihre Langlebigkeit zu testen, wobei ein Versagen bei etwa 78 Zyklen auftrat. An anderen Proben mit unterschiedlichen Dotierungsgraden wurden 3 mm breite Kupferstreifen hergestellt, um die Adhäsion zu bewerten; die Abziehfestigkeit des Klebstoffs nahm mit der Steifigkeit des Silikons zu, von 1 kN/m bei einer Dotierung von 10 % auf 5 kN/m bei einer Dotierung von 50 % des Gewichts. Es wurde festgestellt, dass die Ablösung des Kupferstreifens vom Silikon auf das Abreißen der Silikonoberfläche und nicht auf das Ablösen des Kupfers vom Silikon zurückzuführen ist.

 

Funktionelle planare Mäander- und Hilbert-Induktoren wurden hergestellt und ihre Induktivität vor und nach einer 100%igen Dehnung gemessen. Die vor der Dehnung gemessenen und vorhergesagten Induktivitäten stimmten überein, wobei die Messungen nach der Dehnung einen Anstieg von bis zu 20 % gegenüber den Ausgangswerten ergaben. Eine weitere halbkugelförmige 3D-Spiralspirale wurde erfolgreich auf einer Silikonschale hergestellt, die nach einem Bruch eine Spur der Selbstheilung zeigte und elektrisch durchgängig wurde, sobald sie in den unbelasteten Zustand zurückkehrte.

 

Vielversprechender als frei geformte Silikonobjekte mit integrierten LDS-Schaltungen ist vielleicht die Möglichkeit, dieses Silikonmaterial als Beschichtung für Textilien zu verwenden. Vorläufige Tests von spiralförmigen Leiterbahnen auf Jeansstoff, der mit LDS-Silikon imprägniert ist, waren erfolgreich; Textilbeschichtungen aus Silikon schaffen robuste Schaltkreise und lassen den Stoff weich und flexibel. Dies ist ein Gebiet für zukünftige Forschung.

Literaturverzeichnis

[1] Valentine, A. D.; Busbee, T. A.; Boley, J. W.; Raney, J. R.; Chortos, A.; Kotikian, A.; Berrigan, J. D.; Durstock, M. F.; Lewis, J. A. Hybrid 3D Printing of Soft Electronics. Adv. Mater. 2017, 29, 1703817.

[2] Majidi, C.; Kramer, R.; Wood, R. J. A Non-differential Elastomer Curvature Sensor for Softer-than-skin Electronics. Smart Mater. Struct. 2011, 20, 105017.

[3] Truby, R. L.; Wehner, M.; Grosskopf, A. K.; Vogt, D. M.; Uzel, S. G. M.; Wood, R. J.; Lewis, J. A. Soft Somatosensitive Actuators via Embedded 3D Printing. Adv. Mater. 2018, 30, 1706383.

[4] Yoo, B., Bowen, D., Lazarus, N., Pines, D., Laser Direct Structured 3D Circuits on Silicone. ACS Applied Materials & Interfaces 2022 14 (16), 18854-18865, DOI: 10.1021/acsami.2c01029

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