Verbesserte Prozesse und neue Möglichkeiten mit NIR-Technologie

| Autor / Redakteur: Dr. Kai K. O. Bär * / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Bild 1: Roboter geführte NIR-Trocknungs-/Sinterkonfiguration für gedruckte Leiterbahnen auf Smartphoneschalen.
Bild 1: Roboter geführte NIR-Trocknungs-/Sinterkonfiguration für gedruckte Leiterbahnen auf Smartphoneschalen. (Bild: adphos)

Kann das Dilemma „niedrige Produktionsumsetzung gedruckter Elektronik wegen zu hoher Kosten und zu hohe Kosten wegen zu geringer Stückzahl“ beseitigt werden?

Produkte gedruckter Elektronik sind bereits heute vielfältig machbar, aber die Herausforderungen bestehen insbesondere in den derzeit noch vorhandenen (zu) hohen Kosten, vornehmlich bei den leitfähigen Schichtmaterialien, den erforderlichen Substratwerkstoffen, den aufwendigen Herstellungsprozessen und den erreichbaren Produktivitäten.

Heutige etablierte gedruckte Elektronik-Produktionen sind im Wesentlichen stark anwendungsbeschränkt, wegen den auftretenden aber erforderlichen hohen thermischen Prozessbelastungen und der langen Prozesszeit und des damit verbundenen enormen Platzbedarfes. Zusätzlich besteht häufig das Problem, die im Labormaßstab entwickelten Prozesse auf mögliche Produktionsmaßstäbe zu übertragen.

Der Erfolg für gedruckte Elektronikprodukte ist maßgeblich vom möglichen Einsatz kostengünstiger Dünnschichtlösungen (z.B. Nanotinten, Cu-basiert), niedrigtemperaturbeständiger Substratmaterialien (Papier, PET-Folien, Textilien) und Herstellungsverfahren, durch inline Prozessschritte, vereinfachte und kompakte Prozessausrüstung und qualitätskontrollierte und zuverlässige Prozessabläufe abhängig.

Für die jeweiligen Beschichtungstechnologien (Siebdruck, Flexodruck, InkJet, AtomJet, …) wird nachfolgend meist thermische bzw. photonische Behandlung erforderlich, um die gedruckte Schicht wie im konventionellen graphischen Druck auf dem Substrat zu trocknen und fixieren. Hierbei steht ein physikalischer Trocknungsvorgang der wasser- oder lösemittelbasierten Druckschichten jeweils am Anfang. Je nach Schichtsystem und Anwendung können anschließende, zusätzliche Verdichtungs- (sintern) oder Vernetzungsprozesse erforderlich sein, die ebenfalls thermisch oder photonisch (Strahler) umgesetzt werden.

Heutige Trocknungs- und Sinterverfahren

Derzeit bestehen die häufigsten thermischen Trocknungs- und Sintersysteme aus Heißluft bzw. bei temperaturempfindlichen Substraten aus Warmluftöfen. Daneben gibt es auch konventionelle Infrarot-basierte Anlagen (kurzwelliges IR, meist mittelwelliges IR). In der jüngeren Vergangenheit wurden auch photonische Trocknungs- und Sintertechnologien für den kommerziellen Einsatz von gedruckter Elektronik entwickelt. Man unterscheidet hier gepulste UV-Strahlungssysteme (Xe-Flash) und NIR (nah Infrarot)-Systeme mit integrierter Warmluftventi­lation.

Die thermischen Trocknungs- und Vernetzungssysteme erreichen über eine homogene Aufheizung der beschichteten Substratmaterialien die Verdunstung der ursprünglich nassen Schichtsysteme. Durch die anschließende weitere Beheizung des getrockneten, beschichteten Substrates erfolgt eine mögliche Sinterung mit Erhöhung der Leitfähigkeit der gedruckten, elektrischen Funktionsschicht. Die maximal erlaubte Prozesstemperatur ist hierbei auf die gegebene Temperaturbeständigkeit des Substrates beschränkt.

Bei den photonischen Verfahren wird der Trocknungs- und Sinterprozess durch die unterschiedlichsten Absorptionseigenschaften der Substrate und der gedruckten Schichten bestimmt. Zusätzlich kann, infolge der möglichen extrem hohen emittierten Leistung und der daraus resultierenden kurzen Prozesszeit (Subsekunden bis Mikrosekunden), ein Temperaturgradient zwischen dem bedruckten Bereich und dem unbedruckten Substrat erzeugt werden. Hierdurch kann die physikalische Trocknung bei sehr niedrigen Substrattemperaturen erfolgen. Durch die wesentliche höhere Wärmekapazität des Substrates im Vergleich zu den wenigen Mikrometer dicken Bedruckungen, kann ein Sinterprozess der Funktionsschichten erfolgen, der über der Schädigungstemperatur der Substrate liegt, ohne eine thermische Substratzerstörung hervorzurufen. 

Hieraus ergeben sich nun besondere neue Möglichkeiten für die photonischen Systeme bei der Herstellung von gedruckter Elektronik:

  • Infolge der niedrigeren resultierenden Substrattemperaturen bei der Trocknung/Sinterung, können kostengünstigere, niedrigtemperaturbeständige Substratwerkstoffe verwendet werden.
  • Durch die möglichen erreichbaren Temperaturgradienten zwischen Beschichtung und Substrat, führt die Sinterung der leitfähigen Schichten zu wesentlich höheren Leitfähigkeitswerten (NIR ermöglicht Leitfähigkeiten bis > 50 % der Bulkleitfähigkeit), wodurch die erforderlichen Beschichtungsdicken entsprechend reduziert werden können (30 % bis zu 70 %).
  • Durch die mögliche extrem kurze Prozesszeit, sind kompakte Inline-Prozessanlagen umsetzbar, die selbst bei Produktionsgeschwindigkeiten von 150 m/min Trocknungslängen von weniger als 0,5 m für die NIR-Trocknung erfordern. Komplette NIR-Trocknungs-/Sinteranlagen sind hier je nach Anwendungsfall max. 2 – 3 m lang.

Anpassbare Designmöglichkeiten der NIR-Technologie

In Tabelle 1 sind die technologischen Unterschiede und besonderen jeweiligen Einsatzmöglichkeiten vergleichend dargestellt. Wie aus der Tabelle hervorgeht, kann die NIR-Technologie durch die mögliche lokale Fokussierbarkeit sogar für 3D-beschichtete Oberflächen eingesetzt werden, was ebenfalls Inline-Lösungen erlaubt. Zusätzlich ermöglicht die Kombination der NIR-Technologie mit Xenon-Flash-Sintermodulen herausragende Trocknungs-/Sinter-Prozesslösungen. Als Booster vor konventionellen Heißluftöfen kann selbst bei installierten Anlagen wegen des geringen notwendigen Platzbedarfes der NIR-Systeme eine signifikante Produktionssteigerung erzielt werden (teilweise eine Geschwindigkeitssteigerung von mehr als Faktor 2 möglich). Aus diesen besonderen, flexibel an die jeweiligen Anwendungen anpassbaren Designmöglichkeiten der NIR-Technologie ergeben sich heute somit vielfältige, bisher nicht erreichbare Produktionsmöglichkeiten von gedruckter Elektronik.

Anwendungsbeispiele der NIR-Technologie

InkJet-bedruckte, leitfähige Schichten (Nanosilber) auf PET-Folien und Papierbahnen: In diesem Anwendungsfall erfolgte die komplette Trocknung und Sinterung der bedruckten Schichten innerhalb von 0,5 s. Dabei wurde eine Sinterung bei 250 °C erzielt, wobei die maximale Substrattemperatur bei < 120 °C lag. Im Vergleich hierzu benötigte man ≥ 2 – 10 s für die Xe-Flash-Behandlung (abhängig von der Schichtstärke der leitfähigen Bedruckung). Für die IR-Behandlung, die wegen der Temperaturbeständigkeit der verwendeten Substrate auf 150 °C beschränkt bleiben musste, waren 1 Min. Trocknungs-/Sinterzeit erforderlich. Im Heißluftofen behandelte Proben, erforderten 10 Min. bei 70 °C für die Trocknung (höhere Temperaturen führten zu Blasen in der Beschichtung) und anschließend 20 Min. bei 150 °C, um die gleichen Leitfähigkeitswerte zu erhalten, wie bei der NIR-Trocknungs- und Sinterbehandlung.

Für die IR-Trocknung und Sinterung einer Bedruckung mit einer leitfähigen Silbertinte in einer Siebdruckanlage, musste die Geschwindigkeit auf 7 – 8 m/min gedrosselt werden, um die ausreichende Leitfähigkeit der Schicht (erforderliche Dicke von 25 µm) ohne Produktschädigung zu gewährleisten. Durch das Ersetzen des IR-Systems durch ein NIR-Modul (1/3 der Größe, halbe Trocknungsleistung), konnte die Produktionsgeschwindigkeit auf die max. Anlagengeschwindigkeit von 20 m/min gesteigert werden. Zudem konnte, wegen der hohen erzielbaren Leitfähigkeit (infolge höherer Sintertemperaturen), die Auftragsstärke auf 15 µm reduziert werden (- 40 % Silbertintenverbrauch).

In Bild 1 ist eine NIR-Trocknungs-/Sinterkonfiguration für gedruckte Leiterbahnen auf Smartphoneschalen dargestellt. Durch die Umsetzung lokal fokusierbarer NIR-Module konnte eine sekundenschnelle Trocknung/Sinterung der dreidimensionalen elektrisch leitfähigen Bahnen erreicht werden, ohne dass die schwarzpigmentierten, stark absorbierenden Polykarbonat-Schalen thermisch geschädigt wurden. In Kombination mit einer AtomJet-basierten Leiterbahnbedruckung und Inline-NIR-Processing, wurde ein vorher 45 minütiger Offline-Heißluft Trocknungs- und Sinterprozess ersetzt.

Was macht die NIR-Technologie so speziell?

Die spezielle Wellenlängen (im nahen Infrarotbereich), die mögliche extrem hohe Leistungsdichte (großflächig > 1 MW/m² bis zu lokal 100 MW/m²) sowie die geometrisch fokussierbare photonische Energieemission ermöglichen die Trocknung und falls erforderlich die Sinterung von gedruckten Elektronikschichten im Bereich von ≤ 0,1 s bis max. 1 s. Hiermit können selbst niedrigtemperaturbeständige PE-Substratmaterialien wärmeschonend behandelt werden. Darüber hinaus können Leitfähigkeiten der Bedruckungen von ≥ 50 % der Bulkleitfähigkeit erzielt werden.

Selbst die Anwendung bei polymeren Cu-Schichtsystemen ist bereits erfolgreich im Einsatz. Die flexible Systemkonfiguration erlaubt eine breite, auf die Anwendung optimierte und den speziellen Produktionsrandbedingungen angepasste, NIR-Anlagenansteuerung. Die definierte, kontrollierte Prozessführung gewährleistet einen reproduzierbaren, zuverlässigen Produktionsbetrieb, der selbst höchste dynamische An-/Abfahrbedingungen erlaubt. Die NIR-Technologie ermöglicht nicht universell alle bisherigen Trocknungs- und Sinterprozesse zu ersetzen, allerdings lassen sich mit ihren besonderen Vorteilen viele bisherigen Einschränkungen überwinden.

Zudem ist die NIR-Technologie bereits 1.000-fach als Hochleistungstrockner erfolgreich in der Druck- und industriellen Oberflächenbehandlungen einsatzbewährt. Zusätzlich ist die NIR-Technologie bezüglich der Langzeitzuverlässigkeit, insbesondere der Investitions- und Operationskosten, den angebotenen Xenon-Flash photonischen Systemen nachweislich weit überlegen.

Event-Tipp 2018 Am 26. September 2018 spricht Dr. Kai K. O. Bär zu diesem Thema auf dem 2. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik. Seien Sie dabei, wenn Entwickler und Experten der industriellen Elektronikfertigung über die Möglichkeiten 3D-gedruckter Elektronik diskutieren. Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten, Herausforderungen und Potenziale, wenn gedruckte Elektronik, additive Fertigung und die intelligenten Produktion Symbiosen eingehen.
"2. Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik"

* Dr. Kai K. O. Bärist geschäftsführender Gesellschafter der adphos Gruppe

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