Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierungsverfahren zur Bestimmung der Sintereigenschaften gedruckter mikro- und nanopartikelhaltiger Tinten und ihr Einfluss auf die Homogenität der Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit

Für die Fertigung additiv hergestellter, leitfähiger Strukturen auf Schaltungsträgern werden mittels Aerosol-, Piezo- oder Dispensierprozessen mikro- und nanopartikelhaltige Tinten oder Pasten aufgetragen. Um Wasser- oder Lösemittelbestandteile zu entfernen sowie die enthaltenen Partikel zu verdichten, erfolgt in einem nachgelagerten Schritt die Sinterung zu einer durchgehend leitfähigen Struktur. Ein bisher kaum diskutierter und insbesondere erforschter Effekt ist in diesem Zusammenhang die inhomogene Sinterung über dem Leitungsquerschnitt. Die naheliegendste Hypothese zur Erklärung der unterschiedlichen Sinterung ist ein suboptimaler respektive zu hoher Energieeintrag pro Zeit, wodurch es lediglich zu einer Sinterung der obersten Schicht kommt und damit zu einer Art Verschluss des restlichen Materials in den darunterliegenden Schichten. Da es kein optisches oder elektrisches Messverfahren gibt, mit dem dieser Effekt - auch Skinning genannt - aussagekräftig beschrieben werden kann, lautet das Forschungsziel daher ein neuartiges elektrisches Charakterisierungsverfahren zu entwickeln, zu erproben und auf bereits bestehende Verfahren anzuwenden. Basis der Messmethode wird der aus der Hochfrequenztechnik bekannte Skineffekt sein, um anhand einer Modellierung auf das Leitfähigkeitsprofil der inhomogen gesinterten Strukturen zu schließen. Darüberhinaus ist anzunehmen, dass der Skinning-Effekt erheblichen Einfluss auf die Leitfähigkeit, Zuverlässigkeit und die Oberflächeneigenschaften gedruckter leitfähiger Strukturen hat. Der entscheidende Schritt jedoch hin zu einer wirtschaftlichen Verwertung vielfach erzielter, erfolgsversprechender Laborergebnisse liegt im Vertrauen der Kunden in die Zuverlässig- und Leistungsfähigkeit der Endprodukte additiver Fertigungsverfahren. Gelingt dies, können gerade KMUs von den technischen und wirtschaftlichen Vorteilen des 3D-Drucks, wie etwa den geometrischen Freiheitsgraden oder verkürzten Durchlaufzeiten, profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Generell bietet die additive Fertigung für mittelständische Unternehmen den Vorteil, dass sich diese Technologie sehr flexibel einsetzen lässt und es ermöglicht, die Entwicklung und Herstellung innovativer Produkte zu erleichtern. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Sinterung von Silbertinten, vor allem im Hinblick auf deren Homogenität untersucht und bewertet. Dafür wurde ein neues Messverfahren entwickelt. Das Transmissionsmessverfahren ist empfindlich genug und ermöglicht im jetzigen Entwicklungsstadium, die Sinterparameter von Silbertinten hinsichtlich der Homogenität anhand der Leitfähigkeit zu untersuchen.

Für die Messung wird ein Netzwerkanalysator benötigt, der mitunter sehr teuer sein kann. Dennoch ist es vorstellbar, einen deutlich kostengünstigeren Netzwerkanalysator zu nutzen der nur einen eingeschränkten Messbereich von 0,5 GHz bis 3 GHz besitzt. Dies kann im Vergleich zur 4-Punkt-Messung mit einem entsprechenden Mikroohmmeter deutlich preiswerter sein.

Zusätzlich bietet das Messverfahren die Möglichkeit, die Schichtdicke der gesinterten Silbertintenstrukturen zu bestimmen. Dies kann Aufschluss über eine mögliche inhomogene innere Metallstruktur geben.

Die erzielten Ergebnisse sind ein Anhaltspunkt für die bestmöglichen Sinterparameter bezüglich Leitfähigkeit und mechanischer sowie umwelttechnischer Stabilität. Zusätzlich wurde ein Prozess aufgezeigt, der es ermöglicht, zuvor nur getrocknete Silbertintenstrukturen zum wiederholten Mal zu sintern, was zu einer deutlichen Verbesserung der Leitfähigkeit führt. Dieses Verfahren würde sich vor allem für Trägermaterialien eignen, die nicht widerstandsfähig genug sind, um in einem Konvektionsofen bei hoher Temperatur entsprechend lange intakt zu bleiben.