Gedruckte Elektronik: „Der Weg in die 3. Dimension war vorgezeichnet"

| Autor / Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Das 2. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik fand am 26. September 2018 im Vogel Convention Center in Würzburg statt.
Das 2. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik fand am 26. September 2018 im Vogel Convention Center in Würzburg statt. (Bild: Stefan Bausewein)

Das 2. Praxisforum 3D-gedruckter Elektronik präsentiert einen Rundumschlag zu gedruckter Elektronik, additiver Fertigung sowie hybriden Ansätzen – vom Stand der Forschung über verschiedener Prozesse bis zu industriellen Anwendungen - und regte zur Diskussion an.

In seiner Keynote gab Wolfgang Mildner, MSWTech, einen Überblick über den Wandel von der gedruckten Elektronik zur 3D-Strukturelektronik, welche sich nach seiner Aussage zurzeit noch in einer jungen Technologiephase befinde. Für Wolfgang Mildner war der Weg von der gedruckten Elektronik in die 3. Dimension vorgezeichnet, denn mithilfe dieser Technologie ist es möglich, kompakte und höchstintegrierte Elektronik herzustellen und somit neue Märkte zu erschließen.

Gedruckte Elektronik – egal, ob in zwei oder drei Dimensionen – kann jedoch (noch) nicht mit der Leistung konventioneller Elektronik mithalten. Da der Fokus der (3D)gedruckten Elektronik jedoch ein anderer ist, nämlich die Herstellung großflächiger, günstiger Strukturen, sei dies jedoch nicht zwingend ein Nachteil.

Potenziale sieht Wolfgang Mildner viele, beispielsweise bei OLED Displays. Noch werden diese nicht gedruckt, aber schon alleine die verwendeten Materialien würden dies ermöglichen. Die Displays, und natürlich auch andere Bauteile, Bauelemente usw., wären dann nicht mehr nur auf eine feste Ebene beschränkt. Mit gedruckter Elektronik lassen sich gebogene, dehnbare, flexible und natürlich auch 3D-Elektronik herstellen. Herausforderungen gibt es dabei noch viele. Ein Punkt ist dabei die Auswahl des richtigen Verfahren für die gewünschte Anwendung. Um neue Märkte zu erschließen, sei zudem die Kombination verschiedener Verfahren nötig – was jedoch die Komplexität des Prozesses maßgeblich erhöht. Ein weiterer Weg seien hybride Ansätze, bei denen beispielsweise Standard-Silizium-Elektronik in gedruckte Strukturen integriert werden.

Auch der Yield müsse noch verbessert werden, wie Mildner anhand von Beispielen aus dem Automotive-Bereich aufzeigt. Ein weiteres prädestiniertes Einsatzbereich für die 3D-gedruckte Elektronik sei die Luftfahrt – hier geht es vor allem um die Einsparung von Gewicht und somit auch von Kosten. In einem kleineren Maßstab (hier ist die Abmessung gemeint) hat die gedruckte Elektronik in er 3. Dimension schon Einzug in die Serienfertigung gefunden: In jedem Smartphone befindet sich 3D-gedruckte Elektronik in Form Antennen die direkt auf das Gehäuse aufgebraucht sind.

Sinter- und Trocknungsprozesse ausschlaggebend für die Produktqualität

Kann das Dilemma „niedrige Produktionsumsetzung gedruckter Elektronik wegen zu hoher Kosten und zu hohe Kosten wegen zu geringer Stückzahl“ beseitigt werden? Dieser Frage geht . Dr. Kai O. Bär, Adphos digital Printing, in seinem Vortrag nach.

Ein entscheidender Punkt für die Qualität bei der Herstellung 3D-gedruckter Elektronik ist das Trocken- bzw. Sinterverfahren der leitfähigen Strukturen. Weitere Herausforderungen ergeben sich aus der Prozessgeschwindigkeit – die funktionalen Schichten werden in Sekunden aufgebracht, also muss auch der Sinter-/Trocknungsprozess in diesem Zeitrahmen stattfinden – sowie den verwendeten, meist temperaturempfindlichen Substraten. Im Vergleich der Verfahren Hot Air, UV sowie NIR, zeigten sich jeweils verschiedene Vor- sowie Nachteile, was Kosten, Materialien sowie Prozesszeit anbelangt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass aufgrund der niedrigen resultierenden Substrattemperaturen bei der Trocknung/Sinterung mit NIR, kostengünstigere, niedrigtemperatur-beständige Substratmaterialien verwendet werden können. Zudem führen die möglichen erreichbaren Temperaturgradienten (Schicht/Substrat) zu hohen Leitfähigkeiten (> 50 % Bulkleitfähigkeit), was eine Reduzierung der Schichtstärke ermöglicht. Die extrem kurze Prozesszeit ermöglichen einen kompakten Inline-Prozess, selbst bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten und das auch in drei Dimensionen.

Tobias Ulrich, TU Dresden, hat ein ambitioniertes Ziel: Er will die gedruckte Low-Cost-Elektronik in additiv gefertigte Leistungselektronik überführen. Anwendungen sieht er vor allem in der Substitution von Kabelbäumen im Automobil oder Flugzeug – gerade in letzterem ist die somit erzielbare Gewichtsreduktion gleichzeitig eine Kostenreduktion. Dabei gilt es Herausforderungen zu meistern. Um beispielsweise die nötigen Leistungsquerschnitte abzubilden sind hohe Schichtdicken der verdruckten Strukturen nötig welche jedoch eine Nachbehandlung erfordern. Anhand eines Testvehikels wurden verschiedene Materialien/Materialsysteme (Hochtemperatur-Sinterpasten, Niedertemperatur-Polymerpasten) sowie Druckverfahren (Sieb-, Aerosol-, Dispensdruck) und Druckstrategien geprüft. Prinzipiell können mit Hochtemperatur-Sinterpasten 3D-Strukturen reproduzierbar gedruckt werden, jedoch ist dafür eine komplexe und zeitaufwendige Druckstrategie mit zwischengelagerten Sinterschritten nötig. In künftigen Arbeiten müssen somit das Zusammenspiel zwischen Substrat, Prozess und Material genauer untersucht werden.

Vom Design bis hin zu gedruckten Batterien

Dirk Müller von FlowCAD setzt weiter vorne im Prozess an. In seinem Vortrag geht es um das Design von 3D-Schaltkreisen sowie deren Integration in vorhandene Workflows. Zum einen besteht hier die Notwendigkeit den eCAD- mit dem mCAD-Workflow sinnvoll zu verbinden, um auch komplexe Schaltungen in drei Dimensionen zu erstellen. Zum anderen muss beim 3D-Designt beachtet werden, dass sich die elektrischen Eigenschaften beim Übergang von zwei in drei Dimensionen ändern. Für komplexe Teile werden multiphysikalisch Simulationen nötig.

Ein weiterer wichtiger Punkt den Müller anspricht, ist der Gegensatz zwischen Forschung und Produktion, was Freigabeprozesse, Normen, Bauteilverfügbarkeit usw. angeht. Mit seiner Aussage „Was immer Sie machen, es muss in die Fertigungsstraße integrierbar sein“ löst er eine angeregte Diskussion an über die Lücke zwischen Forschung und Produktion an.

Den Schritt vom Labor in die Fertigung will Florian Fuchs, Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT, gehen. In seinem Vortrag stellt er die Entwicklung eines Demonstrators für die industrielle Produktion von Fertigbauteilen, genauer gesagt von fertigen Kontaktblumen, vor. Mithilfe von Druck- und Laser-basierten Prozessen werden die 2,5D-Kontaktpads der Steckverbinder selektiv, schnell und vor allem materialsparend hergestellt – im Vergleich zur standardmäßig verwendeten Vollbeschichtung werden bis zu 84 % Gold eingespart. Zudem widerstehen die Kontakte Abrieb- und Kesternich-Tests. Der Demonstrator ist bei Phoenix Feinbau in Betrieb und produziert circa 300 Goldkontakte pro Minute. Neben Langzeittest stehen die Bewertung der Reproduzierbarkeit und Ausbeute des Herstellungsprozesses an. Zudem soll der Prozess auf andere Komponenten und Materialkombinationen sowie in die dritte Dimension überführt werden.

Mit IoT und Wearables werden höhere Frequenzen für die Datenübertragung nötig, um die Bandbreite zu erhöhen. Da konventionelle lithographische Verfahren nur zweidimensionalen Ansatz erlauben, verwendet Dr. Luis Pedrero, Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, eine alternative Methode zur Herstellung von 3D-Monopolantennen im Submillimetermaßstab für Anwendungen in THz-Technologien: Die Antennen werden in einem Standard-Aerosol-Jet-Verfahren direkt auf die Chip-Pads gedruckt. Dazu verwendet Pedrero hochleitfähige Silber-Nanopartikeltinten sowie Silber-PEDOT:PSS-Mischungen. Die entstehenden Antennen besitzen Durchmesser zwischen 45 und 75 mm bei einer Höhe von 200 bis 300 mm. Auf dem Weg zur Serienfertigung der On-Chip-3D-Antennen sind jedoch noch einige Hürden zu nehmen, beispielsweise muss die mechanische Stabilität der filigranen Strukturen erhöht werden.

Auch Batterien lassen sich drucken, können preislich jedoch nicht mit dem Wettbewerb, der Knopfbatterie, mithalten. Somit benötigt man laut Prof. Gunter Hübner, Hochschule der Medien, einen guten Grund, warum man gedruckte Batterien verwenden will. Als ausschlaggebende Vorteile nennt Prof. Hübner in seinem Vortrag Design-Freiheit und Verformbarkeit. Mittels Siebdruckverfahren werden bereits im industriellen Rolle-zu-Rolle Verfahren Batterien produziert. Als erste industrielle Anwendung seiner Forschungsgruppe nennt er Eingweg-Temperaturlogger. Forschungsprojekte laufen zurzeit noch im Bereich der Wiederaufladbarkeit sowie der 3D-gedruckter Batterien.

Hybride Ansätze für Industrie 4.0, IoT und AI

Pasi Puukoo vom VTT Research Center Finnland präsentierte einen hybriden Ansatz. Der von ihm und seinem Forschungsteam entwickelte „Smart Shaft“ ist eine Proof-of-Konzept-Studie für Anwendungen im Bereich IoT, Industrie 4.0. Genauer gesagt geht es darum, die Leistung und den Zustand von Maschinen oder Geräten zu verfolgen. Neu ist hier die gesamte Prozessmanagementkette: 3D-Druck, Sensorik, drahtlose Datenübertragung und Zustandsüberwachung in einem Paket. Eingesetzt wird dabei das Direct Write Thermal Spray-Verfahren, welches die maskenlose, additive Fertigung von Multimaterial-Strukturen in 3D erlaubt, eine Nachbehandlung ist nicht nötig. Elektronische Strukturen, Sensoren, Leiter oder Antennen können so in 3D-Komponenten eingebettet werden. Leiter, Isolatoren oder Dielektrika können aus Metallen, Polymeren, Keramiken oder Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Dazu wird während des 3D-Druckprozesses des Metallshafts ein Beschleunigungssensor sowie die notwendige Verkabelung – noch konventionell – eingebettet. Zudem wurde auf dem Lager zur Zustandsüberwachung eine Elektronik installiert. Puukoo ist klar, dass die gezeigte Anwendung noch keine „Killer-Anwendung“ ist, diese gilt es noch zu finden. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich jedoch zahlreiche, vor allem in rauen Umgebungen, da der Sensor ja im Bauteil geschützt ist. Es zeigt jedoch die Möglichkeiten auf, die durch die Kombination von additiver Fertigung mit (gedruckter) Elektronik entstehen.

Insgesamt zeigten sich Referenten und Zuhörer sehr zufrieden mit dem 2. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik. Sie bekamen ein Update über Stand der Technik, konnten sich zu aktuellen Anwendungen und künftigen Anwendungen sowie neuen Technologien austauschen und auch neue Kontakte knüpfen.

Auch nächstes Jahr wird wieder in Würzburg über die Zukunft der Elektronikfertigung diskutiert. Dann allerdings schon im Sommer: Merken Sie sich jetzt schon den 10. Juli 2019 für das 3. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik vor.

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