Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gedruckte leitfähige Strukturen aus Spezial-Legierungen

Im Wachstumsmarkt der “Gedruckten Elektronik” steigt der Bedarf an metallischen Tinten und Pasten kontinuierlich an. Neben Edelmetallen wie Silber (z. B. für Leiterbahnen), Gold (z. B. medizintechnische Anwendungen) und Platin (z. B. für Temperatursensoren) werden druckbare Metalllegierungen (z. B. CuNiMn) für Dehnungs- und Temperatursensoren, für Heizstrukturen oder für hochgenaue druckbare Widerstände benötigt.

Ziel dieses Vorhabens ist die Formulierung von Tinten aus Speziallegierungen, die mittels InkJet und Aerosol Jet verdruckbar sind. Dabei soll der VERL-Prozess (Vacuum Evaporation on Running Liquids) angewendet werden. Mittels Inkjet und Aerosol Jet sollen Teststrukturen auf Substrate aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen gedruckt werden, wobei auch substratspezifische Oberflächenvorbehandlungen in Betracht gezogen werden, um Benetzung und Haftfestigkeit zu optimieren. Weiterhin sollen die gedruckten Strukturen durch einen möglichst effizienten Sinterprozess leitfähig gemacht werden. Hierfür bieten sich photonische Sinterprozesse mit kurzen Lichtblitzen oder Lasersintern an.

Das Projekt soll dazu beitragen, das Materialportfolio an metallischen Tinten um spezielle Legierungen zu erweitern und damit neue Anwendungsbereiche für gedruckte Funktionsstrukturen auf multifunktionalen Leiterplatten oder ultradünnen folienbasierten flexiblen Mikrosystemen mit eingebetteten flachen Komponenten zu erschließen. Auch generativ gefertigte oder spritzgegossene Bauteile können mit zusätzlichen Funktionalitäten ausgestattet werden. Somit kann ein wichtiger Beitrag zum aktuell stark wachsenden Forschungsgebiet der „3D-Elektronik“ geleistet werden.

Die Ergebnisse ermöglichen insbesondere KMU aus verschiedensten Branchen eine Erweiterung bestehender und die Erschließung zusätzlicher Geschäftsfelder z. B. kostengünstige legierungsbasierte gedruckte Sensorik. Die gesamte Wertschöpfungskette ist im projektbegleitenden Ausschuss mit hohem Anteil an KMU abgebildet.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Formulierung von Tinten aus Speziallegierungen für den Wachstumsmarkt "Gedruckte Elektronik und Sensorik", die mit digitalen Drucktechnologien verdruckbar sind. Mittels VERL- und Nano-VERL-Verfahren konnten Tintensysteme aus Legierungen ISOTAN, MANGANIN, AgPd und AgPdCu hergestellt werden. Das Nano-VERL-Verfahren ermöglicht dabei das Abscheiden nanoskaliger Legierungspartikel von deutlich kleineren Targets in flüssige Dispersionsmedien in kleineren Mengen. Die mit dieser Anlage gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf weitere Legierungen übertragen, so dass weitere Anwendungen davon profitieren können.

Mit den druckbaren nanopartikulären Legierungstinten wurden mittels Aerosol Jet Strukturen gedruckt und mit diversen Sinterverfahren gesintert. Aufgrund möglicher Oxidation wurden auch photonisches Sintern, Lasersintern, Plasmasintern, NIR-Sintern und eine Ofensinterung unter H2-Atmosphäre untersucht. REM-Untersuchungen zeigten die Sinterung der Nanopartikel. Rissfreie, leitfähige Strukturen mit guter Haftfestigkeit konnten durch photonische Sinterung und Lasersinterung erzeugt werden. Diese Erkenntnisse erweitern die Anwendungsmöglichkeiten der untersuchten Druck- und Sinterverfahren.

Bei gedruckten ISOTAN-Strukturen wurden deren Eigenschaften unter Umwelteinflüssen untersucht. Im Vergleich zu gedruckten Silber-Strukturen zeigten sich deutlich geringere Widerstandsänderungen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich gedruckte AgPd-Strukturen grundsätzlich zur haftfesten Ankontaktierung von SMD-Widerständen mittels Löten eignen. Anhand eines Demonstrators konnte die Eignung von gedrucktem ISOTAN als Heiz- und Thermoelement gezeigt werden.

Die Projektergebnisse zeigen das Einsatzpotential von gedruckten Speziallegierungen auf und können zu einer Vergrößerung des Marktes von gedruckter Elektronik und Sensorik beitragen. KMU können von den erzielten Forschungsergebnissen entlang der gesamten Wertschöpfungskette profitieren.