Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sintern gedruckter leitfähiger Strukturen durch Energieeintrag mittels Mikrowellenbestrahlung

Bauteile aus unterschiedlichen Materialien können durch den Auftrag leitfähiger Tinten mittels verschiedener Druckverfahren funktionalisiert werden, indem diese als Leiterbahnen zur Ansteuerung elektronischer Bauteile oder als Heizelemente verwendet werden. Für die abschließende Einstellung der Leitfähigkeit ist ein nachgelagerter Sinterprozess der Tinten erforderlich, der üblicherweise in konventionellen Öfen durch den direkten Wärmeeintrag in die Bauteile vorgenommen wird. Das Forschungsziel besteht daher darin, den Energieeintrag in die Halbzeuge mittels der Bestrahlung mit Mikrowellen vorzunehmen. Indem in den leitfähigen Strukturen durch ein äußeres elektromagnetisches Feld Wirbelströme induziert werden, können diese selektiv erwärmt und in der Folge gesintert werden. Somit kann der Bereich funktionalisierbarer Materialien um temperaturempfindliche und zugleich mikrowellentransparente Substrate erweitert werden. Diese sollten von den Mikrowellen weitgehend unbeeinflusst bleiben und erfahren eine Erwärmung höchstens lokal in unmittelbarer Nachbarschaft zu den zu sinternden Leiterbahnen. Um den experimentellen Aufwand im Projekt sinnvoll zu begrenzen, sollen die Arbeiten begleitet werden durch die Simulation der elektro-magnetischen Felder für ausgewählte Proben in den Mikrowellenöfen, um etwa durch die Probengeometrie bzw. die dielektrischen Eigenschaften der Proben hervorgerufene hot spots vorab identifizieren zu können. Durch vorhersehbar kürzere Lieferzeiten, Verwendung kostengünstigerer Materialien, damit einhergehende Einsparpotenziale und die direkte Anbindung der Simulation an die Produktion bleiben KMUs in der Kleinserienfertigung wettbewerbsfähig. Die Erweiterung der Materialbasis um temperaturempfindliche und zugleich mikrowellentransparente Substratmaterialien stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar, der den Industriepartnern die Möglichkeit der Entwicklung neuartiger Produkte eröffnet.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt „Sintern gedruckter leitfähiger Strukturen durch Energieeintrag mittels Mikrowellenbestrahlung – MikSin“ wurden vorrangig leitfähige Silbermikropartikelpasten mittels des digitalen Piezojet-Druckverfahrens auf verschiedene Substratmaterialien aufgebracht und die Praktikabilität des Sinterns der gedruckten Strukturen mittels Mikrowellenbestrahlung als eine Alternative zum herkömmlichen Sintern als Ofenprozess untersucht. Da sich das Sintern per Mikrowellenbestrahlung gegenüber anderen Sinterverfahren dadurch auszeichnet, dass die sich während des Sinterns entwickelnde elektrische Leitfähigkeit direkt die Dissipation der einfallenden elektromagnetischen Strahlung beeinflusst und somit eine Rückkopplung der jeweils aktuellen Leitfähigkeit auf die Sintertemperatur besteht, wurde ein Hauptaugenmerk auf das tiefere Prozess-Verständnis des Mikrowellensinterns gelegt. Hierzu kamen vor allem Messungen mittels breitbandiger dielektrischer Spektroskopie in Kombination mit elektromagnetischen Simulationen zum Einsatz. Es zeigte sich, dass mit Erreichen eines kritischen Wertes der elektrischen Leitfähigkeit während des Sinterns sich diese schlagartig erhöht und sich in der Folge die mikrowelleninduzierte Erwärmung des gedruckten Layouts ebenfalls sehr plötzlich deutlich verstärkt. Diese grundlegenden Arbeiten wurden kombiniert mit Versuchen zum Mikrowellensintern mittels großer Mikrowellenöfen, wie sie in industriellen Prozessen für die Behandlung großer Bauteile oder in der Serienfertigung zum Einsatz kommen können. Für die Bewertung dieser Versuche wurde die mittels Mikrowellensintern erzielte Leitfähigkeit und die Sinterdauer jeweils im Vergleich zum Ofenprozess als Referenz herangezogen. Insgesamt zeigte sich, dass das Mikrowellen-Sintern unter diesen Umständen zu wenig reproduzierbar gelingt, als dass zum gegenwärtigen Stand an eine unmittelbare Einführung eines großtechnisch nutzbaren Mikrowellen-Sinternprozesses zu denken wäre.