Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kontaktierung gedruckter leitfähiger Strukturen (KonsDruckt)

Der Einsatz digitaler Drucktechniken wie Inkjet oder Aerosol Jet zur Herstellung von gedruckten Leiter- oder Sensorstrukturen stellt eine kostengünstige Alternative zu heutigen kommerziellen Fertigungsansätzen dar. Die genannten Druckverfahren sind volladditiv und maskenlos und damit auch ressourcenschonend und umweltfreundlich. Außerdem kann bereits bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich gearbeitet werden, was die Herstellung individualisierter Produkte ermöglicht, wovon insbesondere innovative KMU profitieren können.

Um die Einsatzmöglichkeiten für gedruckte Elektronik deutlich zu erhöhen, ist es notwendig diese mit kommerziellen Elektronikkomponenten wie SMDs oder Chips zu verbinden. Die Schnittstelle dafür ist die Kontaktierung der gedruckten Strukturen.

Ziel dieses Projektes ist es, verschiedene Kontaktierungsarten wie Löten, Leitkleben und Drahtbonden zu untersuchen und dafür zuverlässige Prozesse zu erarbeiten. Für die Herstellung der gedruckten Strukturen sollen sowohl Inkjet- als auch Aerosol Jet zum Einsatz kommen, bei denen die Prozessparameter variiert werden, um z. B. den Einfluss der Schichtdicke der gedruckten Strukturen zu untersuchen. Um die gedruckten Strukturen für eine Kontaktierung zu verstärken, wird auch die Auftragung einer zusätzlichen Komponente, etwa durch Karbonlack oder Metallisierung erwogen. Ebenso sollen die Einflussfaktoren der einzelnen Kontaktierungsverfahren untersucht werden, z. B. durch Verwendung verschiedener Lote, die sich sowohl in der Zusammensetzung als auch der Verarbeitungstemperatur unterscheiden, und verschiedene Lötverfahren wie Reflow- oder Dampfphasenlöten.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Zuverlässigkeit der Verbindungen. Daher ist eine umfangreiche Charakterisierung der Verbindungen geplant, angefangen von der Charakterisierung mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskop bis hin zur Untersuchung von Umwelteinflüssen auf die Lebensdauer der Kontaktierungen.

Durch die Ergebnisse des Projektes kann insbesondere für KMU die Attraktivität der digitalen Drucktechniken durch die Kombinationsmöglichkeiten mit herkömmlicher Elektronik gesteigert werden. Damit werden auch neue Produktentwicklungen und Geschäftsfelder für KMU ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Um den Einsatzbereich für digitale und ressourcenschonende Druckverfahren wie bspw. das Inkjet Verfahren zu erweitern, müssen prozesssichere und zuverlässige Technologien zur Kontaktierung von gedruckten Strukturen verfügbar sein. Bisher waren solche Technologien nur sehr eingeschränkt verfügbar. Im Forschungsvorhaben wurden daher Prozesse zur Kontaktierung gedruckter, leitfähiger Strukturen erarbeitet und charakterisiert.

Mit Löten, leitfähigem Kleben und Semi-Sintern wurden Prozesse erarbeitet, die zuverlässige anwendungsspezifische Kontaktierungen von gedruckten leitfähigen Strukturen mit beispielsweise Surface Mounted Devices (SMD) ermöglichen. Bei geeigneter Material- und Prozessauswahl konnte an Testaufbauten gezeigt werden, dass Temperatur-Schock-Tests (+ 125 °C / - 40 °C) bis zu über 3500 Zyklen sowie Feuchte-Wärme-Lagerung (1000 h bei 85 °C / 85 % r.F.) bestanden werden. Mit Drahtbonden konnte jedoch auf inkjet-gedruckten Strukturen trotz umfangreicher Substrat- und Parametervariationen kein zuverlässiger Prozess erarbeitet werden.

Mit einem Demonstrator wurden die Vorteile der Drucktechnik in Kombination mit geeigneten Kontaktierungstechnologien für verschiedene potentielle Anwendungsbereiche veranschaulicht. Somit werden durch die positiven Ergebnisse des Vorhabens neue Wege für den Einsatz der Technologie in unterschiedlichen Branchen ermöglicht.