Impresión en Si PV, sustratos estirables, impresión autónoma, tintas de baja temperatura
En este artículo se repasan diversas tecnologías del mundo de la electrónica aditiva, como la nanolitografía por laminación, el sinterizado/reflujo de soldadura con luz intensa, las tendencias y la hoja de ruta de la metalización de la cara frontal en Si PV, los susbtratos estirables compatibles con SMT de alta temperatura, el recubrimiento y la impresión autónomos, las tintas NP de plata de baja temperatura, etc.
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Nanolitografía por laminación: Proceso industrial R2R para crear características de tamaño micrométrico y submicrométrico
La nanolitografía con rodillo puede llevar la resolución de líneas de la lighografía R2R incluso por debajo de 1um. Esta tecnología, de Meta Inc (Meta Materials Inc), incluye un rodillo alrededor del cual se envuelve una máscara y dentro de la cual se sitúa una luz UV. La propia máscara envolvente se fabrica mediante litografía por haz de electrones, lo que le confiere unas características muy finas. Por tanto, la máscara puede admitir, al igual que la tecnología de nanoimpresión, características a escala nanométrica. Sin embargo, la propia exposición UV puede limitar el tamaño de las características a 500 nm o 1um.
El tamaño actual de la banda es de 300 mm, aunque Meta está desarrollando una tecnología para ampliarla a anchos de banda de 1.200 mm. En este caso, se puede utilizar un proceso de paso y repetición para crear máscaras de laminación de mayor tamaño (nota: puede haber algunas discontinuidades de 100um de ancho y, por tanto, no ser totalmente sin fisuras, aunque hay soluciones para ello).
Para conseguir una línea metálica ultrafina de una sola capa, primero se deposita un fotorresistente y luego se crea un patrón utilizando la máscara UV rodante. A continuación, se evapora una fina capa de metal R2R (AI o Ag, por ejemplo) antes de crear el patrón final en un proceso R2R lift-off. Se pueden conseguir características ultrafinas con una excelente relación de aspecto (300 nm/100 nm).
Se trata de un proceso R2R o R2S industrial de banda ancha que puede imprimir características de pocas micras o incluso submicras en bandas de 1,2 m de ancho con longitudes de 6 km y a velocidades de impresión de entre 2 y 10 m/min.
Las diapositivas incrustadas muestran ejemplos de productos. En la diapositiva 2, se pueden ver ejemplos de tamaños de rasgos finos conseguidos, lo que sitúa la tecnología en el mismo rango de tamaños de rasgos que los nanocables de plata. En la diapositiva 3, se puede ver la demostración de mallas metálicas de Al y Ag con L/S de 500 nm/30um que consiguen 3,5-5 ohm/sqr con una transparencia del 96%. El gráfico de bechmarking muestra que esta tecnología de nanohilos puede superar a todas las demás opciones en cuanto a su baja resistencia de lámina y su alta transparencia.
Metalización fotovoltaica: Estado de la práctica, estado del arte y hoja de ruta de la industria
Los sistemas fotovoltaicos de silicio (PV) son uno de los mercados más importantes a nivel mundial para la electrónica impresa. Esto se debe a que cada oblea lleva una pequeña cantidad de pasta de plata serigrafiada. De hecho, este podría ser el mayor mercado mundial.
El siguiente gráfico, extraído de la hoja de ruta del registro ITRPV 2022, muestra la cantidad de metalización de Ag utilizada por oblea (tanto la metalización frontal como la posterior) por vatio en función del tipo de silicio fotovoltaico (monofacial tipo p, TOPCon tipo n, HJT tipo n, etc.). El estudio muestra que hoy en día se utilizan unas 25-30 toneladas por GW de energía solar para la fotovoltaica HJT tipo n y unas 12-14 toneladas para los tipos monofacial y bifacial. Teniendo en cuenta el tamaño del mercado fotovoltaico, esto se traduce en un mercado de más de 100 toneladas por año.
Como se muestra en los gráficos siguientes, la serigrafía sigue siendo la tecnología predominante para la metalización, a pesar de los intentos a largo plazo de otras tecnologías para hacer incluso una pequeña mella en este espacio. En un futuro a largo plazo, se espera que otras tecnologías, como la metalización sobre capa de semillas o la impresión de plantillas, obtengan un pequeño punto de apoyo, aunque ya hemos escuchado esta historia demasiadas veces.
Existen varias técnicas de serigrafía. La impresión simple y la impresión doble (el dedo y la barra de bus se imprimen por separado en dos pasos distintos) son las técnicas más comunes. La impresión doble (imprimir una segunda capa sobre una pantalla ya impresa para mejorar la relación de aspecto) también es popular. La ventaja de la impresión doble es que se pueden utilizar diferentes tipos de pasta para los dedos y las barras colectoras, lo que da resultados óptimos.
Por supuesto, siempre se tiende a reducir el ancho de las líneas serigrafiadas, pero manteniendo una alta relación de aspecto, un excelente contacto óhmico y una alta conductividad. Esta ha sido la dirección del desarrollo durante años. En la actualidad, el estado de la práctica en la producción es un ancho de línea serigrafiado de alrededor de 34-35um. La industria espera que esto evolucione hasta un ancho de línea de 20um, que es muy estrecho para la serigrafía y representaría un verdadero avance del arte.
En la siguiente diapositiva, se puede ver un ejemplo de Fraunhofer ISE (2019) que demuestra un dedo serigrafiado con un ancho de línea y una altura de 19um y 18um, respectivamente. Esto es, en mi opinión, el estado del arte, y requiere una estrecha colaboración de todos los implicados, desde los fabricantes de mallas inoxidables, hasta los fabricantes de pastas y partículas, pasando por los fabricantes de emulsiones, etc.
Se trata de un mercado increíblemente importante para la industria de la electrónica impresa. Fuera de China, los principales fabricantes de partículas siguen siendo Dowa, Ames Goldsmith, Metalor y Technic. Hay muchos fabricantes de pasta, como Heraeus, DuPont, etc. Por supuesto, dado que el mercado está en China, la cadena de suministro también se ha desplazado hacia allí, con proveedores chinos que han aumentado su cuota de mercado y su capacidad tecnológica. De hecho, sus polvos y pastas ya no son significativamente inferiores al estado del arte.
Para proteger su cuota de mercado, los demás deben hacer evolucionar su tecnología de partículas/polvos y pastas de manera que pueda sostener la hoja de ruta hacia anchos de línea de impresión cada vez más estrechos sin una pérdida de eficiencia. Este es uno de los principios que guían el desarrollo de la tecnología.
Por último, el Fraunhofer ISE publica un excelente y muy detallado informe anual sobre el estado de la industria fotovoltaica mundial. Como se ve a continuación, la producción mundial es ya de la asombrosa cifra de más de 140 GW/año, y el 82% se produce en Asia.
Para soportar la escala de esta industria, cualquier tecnología de metalización requiere tener un excelente rendimiento. La hoja de ruta de ITRPV 2022 también describe el paso de rendimiento para los pasos del backend. Muestra que las máquinas de serigrafía actuales manejan algo así como 7000 obleas por hora (180 x 182 mm2). Se espera que esta cifra aumente a más de 9.000 obleas por hora en una década. Este dato se incluye aquí para mostrar la magnitud del reto al que se enfrentan los procesos alternativos, incluidas las tecnologías sin contacto, como la inyección de tinta.
Luz pulsada intensa: Soldadura rápida y de baja energía en PET y FR4
La soldadura en sustratos flexibles ha sido un reto porque incluso las soldaduras estándar a base de bismuto para bajas temperaturas no son compatibles con sustratos como el PET o incluso el PET estabilizado al calor, que no puede tolerar altas temperaturas.
Para superar este reto, muchos utilizan adhesivos conductores. Se trata de una buena solución, pero tiene varios inconvenientes: (1) se pierde la función de autoalineación automática de la soldadura, que es una característica esencial en los procesos SMT; (2) los adhesivos conductores pueden contribuir a la resistividad general, lo que hace que la electrónica híbrida flexible vaya más allá de las técnicas FPCB estándar basadas en PI (menor conductividad de la tinta impresa frente al cobre a granel más menor conductividad de las interconexiones adhesivas conductoras frente a la soldadura estándar); y (3) los tamaños de paso estrechos serán difíciles de soportar.
El procesamiento térmico digital desarrollado por Pulse Forge Inc. (escindido de NovaCentrix) ofrece una solución. Como se muestra a continuación, un pulso rápido de luz eleva la temperatura de la superficie del sustrato muy rápidamente, mientras que el propio sustrato permanece relativamente frío, lo que permite sinterizar tintas en temperaturas bajas, como el PET y el papel.
Esta característica se ha utilizado ampliamente en relación con las tintas impresas. Increíblemente, recientemente se ha demostrado que también funciona con la soldadura. La segunda diapositiva muestra cómo la tecnología PulseForge puede, en menos de un segundo, refluir la soldadura estándar SAC305, creando buenas uniones y beneficiándose también de la función de realineación automática de la soldadura.
La siguiente diapositiva muestra cómo la tecnología PulseForge puede emplearse para soldar sobre Al en PET, lo que permite, por ejemplo, la producción R2R de láminas de LED en sustrato de PET metalizado con Al.
Curiosamente, esta tecnología también puede aplicarse en sustratos FR4. En este caso, hay dos ventajas cruciales: (1) reflujo rápido en pocos segundos (1-3s), ahorrando tiempo (el proceso de reflujo estándar puede ser de 235C durante 120s, por ejemplo), y (2) reflujo de bajo consumo, con un 10% de la energía requerida por los hornos de reflujo estándar, lo que hace que el proceso sea "más ecológico".
La siguiente diapositiva muestra que la resistencia al cizallamiento de las uniones de soldadura realizadas con la tecnología de luz pulsada intensa y la tecnología de horno de reflujo estándar son comparables. La siguiente diapositiva muestra que las uniones son de gran calidad, con un contenido de huecos muy bajo, y que se suelda una buena capa intermetálica fina tras el reflujo de luz pulsada.
¿Se pueden soldar juntas donde no existe una línea de visión directa? Los resultados en QFN y otros paquetes en los que las uniones no son directamente visibles demuestran que es posible, aunque, en nuestra opinión, requerirá una notable optimización.
De hecho, creemos que es necesario que el operario sepa optimizar los parámetros de exposición en función de la soldadura, el sustrato y los paquetes de una placa para permitir la soldadura por luz pulsada intensa, ya que sigue siendo una tecnología de reflujo SMT no estándar con una nueva curva de aprendizaje.
Hay que tener en cuenta que las versiones en línea de las máquinas PulseForge pueden manejar sustratos de 300 m de ancho. Estos resultados son fantásticos. La herramienta resuelve un problema importante en la electrónica híbrida flexible. Sin duda, también puede tener un impacto significativo en el negocio general de SMT en sustratos estándar como el FR4, dada su rapidez y su naturaleza de baja energía. Sin embargo, el impacto en el mundo SMT no se producirá de la noche a la mañana, ya que la tecnología todavía tiene que probarse y desarrollarse más para convertirse en un proceso estándar, especialmente si quiere sustituir al ya establecido proceso de reflujo, que puede realizar todas las soldaduras en placas complejas de gran tamaño que contienen una gran variedad de CI y tipos de juntas.
Sustrato flexible y estirable compatible con los procesos SMT y que permite el curado de la tinta a alta temperatura
Las actuales tecnologías de sustrato imponen severos límites al potencial de la electrónica híbrida estirable o flexible. Esto se debe a que (a) suelen limitar la temperatura de curado de las tintas conductoras, lo que limita los niveles de conductividad muy por debajo del metal en bruto, y (b) descartan la compatibilidad con los procesos y materiales SMT estándar, como el reflujo de soldadura.
La siguiente tabla es una comparación de los sustratos flexibles y estirables más comunes. El sustrato "flexible" más común es el PET, que es de bajo coste, resistente a los productos químicos y ofrece una buena energía superficial para la impresión de tintas. Sin embargo, tiene una escasa resistencia al calor, lo que generalmente lo hace incompatible con los procesos SMT e impone restricciones de temperatura en el curado de la tinta, lo que puede limitar los niveles de conductividad alcanzados.
El sustrato "estirable" más común es el TPU, que ofrece una excelente capacidad de estiramiento y una buena superficie para la impresión, pero es muy intolerante al calor y la humedad, e impone restricciones aún más severas a las temperaturas de procesamiento de la tinta y la soldadura/el adhesivo conductor que el PET.
Por lo tanto, se necesita un sustrato que sea flexible y estirable y que ofrezca compatibilidad con los procesos de SMD y de mayor temperatura. Panasonic está desarrollando un producto de este tipo basado en un novedoso sistema patentado de polímeros termoestables totalmente reticulados.
A continuación se puede comparar el estiramiento de la película, mostrando cómo el nuevo sustrato termoestable sobrevive al 100% del ciclo de estiramiento sin deformarse, a diferencia incluso del TPU. En la siguiente diapositiva, se puede ver cómo este sustrato sobrevive a una operación de flotación de soldadura (1m@260C) mientras que el PET y el TPU están totalmente dañados. Esto demuestra claramente que es más compatible con los procesos SMT estándar. A continuación se puede ver la estabilidad térmica de la película: mantiene sus propiedades de elongación y tracción incluso después de 1000 ciclos térmicos (de -55 C a 125C).
Para demostrar algunas aplicaciones, sinterizaron tintas de Cu a 230C para formar tintas de cobre altamente conductoras. También demostraron una lámina de LED estirable junto con tintas de Ag estirables.
Por supuesto, se trata de una fase relativamente temprana. Habrá que abordar cuestiones de coste y volumen, los fabricantes de pasta tendrán que ajustar las fórmulas de la pasta para imprimir bien en este sustrato, y los impresores tendrán que aprender a procesar en este sustrato.
No obstante, este sustrato es prometedor porque puede permitir más pastas conductoras y procesos SMT. No es una solución que busque un problema, y responde claramente a una necesidad del mercado
¿Hacia las máquinas de recubrimiento e impresión autónomas?
Coatema Coating Machinery GmbH ha mostrado desarrollos emocionantes, mostrando un camino en última instancia hacia máquinas autónomas de recubrimiento e impresión auto-optimizadas dentro de la próxima década aproximadamente.
Como puede verse a continuación, Coatema desarrolla sistemas de impresión y recubrimiento de varias estaciones, integrando en línea el recubrimiento de ranuras R2R, la impresión por inyección de tinta, el secado, el procesamiento por láser, la sinterización por luz intensa, el bobinado/desbobinado, etc. El ejemplo siguiente es una máquina instalada en la empresa OET - Organic Electronic Technologies P.C. en Grecia.
Por supuesto, la impresión y el recubrimiento son tecnologías complejas con un gran ritmo de multiparámetros. A continuación se muestran sólo algunos de los parámetros. Por lo tanto, el desarrollo de productos y la transición del laboratorio a la fábrica pueden llevar mucho tiempo y suponer un reto, ya que encontrar y mantener las condiciones óptimas de impresión, recubrimiento, secado y sinterización en un sistema tan complejo de múltiples pasos puede ser un reto importante, especialmente para la impresión de dispositivos o estructuras multicapa y para la transición del laboratorio a la fábrica.
Coatema integra ahora múltiples puntos de medición en línea dentro de su maquinaria (véase más abajo). El resultado son millones de puntos de datos por minuto, que proporcionan información en cada etapa del proceso.
Para dar sentido a todos estos puntos de datos, Coatema, junto con sus socios Panda, está desarrollando algoritmos de IA que, por ejemplo, permiten identificar automáticamente la ubicación de las anomalías en las superficies recubiertas o impresas. Esta detección automática de anomalías basada en la IA puede realizarse también en las series temporales, lo que permite identificar la ubicación así como la marca de tiempo del paso anómalo de recubrimiento o impresión. Para identificar estas anomalías, como se ve a continuación, el algoritmo analiza constantemente los datos procedentes de las máquinas de impresión y revestimiento totalmente integradas en varias estaciones.
Estos desarrollos de Coatema demuestran la evolución futura de la maquinaria de impresión y revestimiento. Este nivel de conocimiento permitirá acelerar el desarrollo de productos, la optimización y la transición del laboratorio a la fábrica, así como un excelente mantenimiento de la calidad uniforme en grandes tiradas de producción.
Desde una perspectiva a largo plazo, se empiezan a sentar las bases de las máquinas de impresión autónomas y auto-optimizadas que encuentran y mantienen las condiciones óptimas de impresión con poca intervención humana.
Tintas con nanopartículas de Ag: Conseguir una conductividad cada vez mayor con un tiempo de curado y una temperatura menores
Las tintas con nanopartículas de plata mejoran cada año. Estas mejoras suelen ser graduales, pero muy importantes. Una dirección de desarrollo siempre presente es la de las tintas que ofrecen niveles de conductividad cada vez más altos a una temperatura de curado baja y un tiempo de curado corto. Se trata de un mérito fundamental porque abre más opciones de sustrato, ahorra tiempo y reduce los costes de consumo de energía.
Aquí destacamos los avances de Agfa, que ofrece tintas de nanopartículas de Ag (NP), tanto con base de disolvente como de agua, así como de serigrafía e impresión por chorro de tinta (IJ). La primera diapositiva muestra el progreso en el tiempo y la temperatura de curado de las tintas de Ag NP imprimibles con base de disolvente. La imagen de la izquierda es la versión ampliada de la imagen de la derecha. En ella se comparan las propiedades de dos tintas IJ Ag NP con base de disolvente diferentes: SPS201 y SPS210 sinterizadas a diferentes temperaturas (110C, 130C y 150C).
Para una temperatura de sinterización determinada, podemos ver que SPS210 alcanza un nivel de resistividad más bajo en un tiempo más corto en comparación con SPS201, lo que demuestra claramente este avance incremental pero importante de la tecnología de tintas Ag NP. Como se ve en la siguiente diapositiva, la tinta SP2010 Ag NP IJ puede alcanzar 3mOhm/sqr/mill cuando se sinteriza a sólo 130C durante 10min. Estos resultados son excelentes.
Las tintas IJP Ag NP están empezando a encontrar aplicaciones adecuadas. En la última diapositiva, se pueden ver líneas de Ag NP impresas como línea de metalización estrecha (70um) en una tecnología fotovoltaica de película fina (nota: las líneas serigrafiadas en Si PV son ahora de 34um). Al lado, se puede ver una aplicación de calentador transparente.
En este caso, la aplicación es un laminado fotocromático para visores de deportes de motor. La visera puede cambiar la transmisión óptica para mantener una buena visibilidad en diferentes niveles de luz exterior. Una limitación del laminado fotocromático es que sólo puede cambiar su estado de transparencia lentamente. Esto puede suponer un reto cuando el conductor entra, por ejemplo, en un túnel, pasando rápidamente de la intensa luz del sol a la oscuridad. Para superar esta limitación, el laminado puede calentarse para acelerar la transición. Para ello, se utiliza una solución de CNT o ITO. Los resultados son buenos, pero el calentamiento homogéneo puede tardar demasiado (40 segundos o más).
Para superar esta limitación, se imprime por chorro de tinta una malla metálica con un ancho de línea de 70um y un paso de 2mm utilizando tintas Ag NP (SPS211). Como se ve en la siguiente diapositiva, se reduce la resistencia a 11 ohmios y se consigue un calentamiento uniforme en sólo 20 segundos, lo que cumple los requisitos. [This is automatically translated from English]