Der digitale Feinliniendruck ist eine der wichtigsten Entwicklungen in der additiven Elektronik. Der Tintenstrahldruck selbst ist schon sehr weit fortgeschritten und hat sogar die R2R-Industrialisierung erreicht. Allerdings hat der Tintenstrahldruck als Technologie zwei Einschränkungen: (1) begrenzte Auflösung, (2) begrenzter Viskositätsbereich der Tinte und (3) begrenzter Durchsatz pro Druckkopf. Hier stellen wir verschiedene digitale und hybride Technologien vor, die diese Grenzen überwinden können.
XTPL- Mikrodosierung mit innovativen nicht-newtonschen, hochbeladenen NP-Pasten
Das erste ist die von XTPL entwickelte Mikrodosiertechnologie mit Düsendurchmessern im Bereich von 0,5-12 um. Sie demonstriert eine einzigartige Kombination aus ultrafeinem (wenige Mikrometer) "digitalem" Druck auf flachen und nicht flachen Oberflächen UND hochleitenden (40% Ag bulk?) hochviskosen Nanopartikelpasten (Ag, Cu, Au). Somit bringt diese Technologie die Technik nicht nur dadurch voran, dass sie die Auflösung des Digitaldrucks über die Möglichkeiten des Tintenstrahldrucks hinaus erweitert, sondern auch dadurch, dass sie weitaus leitfähigere und hoch belastete leitfähige Pasten ermöglicht.
Die Innovation liegt hier nicht nur in der Mikrodosiermaschine, sondern auch in den einzigartigen, nicht-newotonischen, hochbeladenen Nanopartikelpasten. Die AgNP-Pasten haben eine hohe Beladung (>85 Gew.-% in einigen Fällen), kleine Partikel (45 nm) und befinden sich in Ethylenglykol-Lösungsmitteln. Die Pasten erfordern relativ hohe Sintertemperaturen (250-300 °C), bieten aber eine hohe Leitfähigkeit, z. B. 4,2 uOhm.cm für die Tinte mit 80 Gew.-% Beladung.
Auf der ersten Folie unten erfahren Sie mehr über die Mikrodosiermaschine selbst. Sie hat derzeit eine Substratgröße von etwa 50 mm x 50 mm. Die maximale Druckgeschwindigkeit beträgt etwa 10 mm/s. Die Steuerungen des XY-Motors und des Z-Motors haben eine Genauigkeit von 2 um bzw. 0,5 um.
Auf der nächsten Folie sehen wir die Arten von Strukturen, die gedruckt werden können. In der Benchmarking-Tabelle wird gezeigt, dass sie Linienbreiten von 2 um mit >40% Ag-Leitfähigkeit erreichen können, was andere Berichte in der Literatur übertrifft. Auf der rechten Seite sind die gedruckten Strukturtypen zu sehen, wobei die gedruckten Strukturen ein hohes Aspektverhältnis aufweisen.
Angesichts der hohen Belastung der Pasten und der engen Düse ist ein ständiges Verstopfen zu befürchten. Auf der nächsten Folie wird gezeigt, dass die nicht-newtonschen Pasten über lange Zeiträume durch eine 2,5um-Düse gedruckt werden können, was die Stabilität des Prozesses beweist. Auf der letzten Folie werden die Strukturen gezeigt, die gedruckt werden können.
Elektrohydrodynamisches Drucken: Die Grenzen des Inkjetdrucks überwinden
EHD ist eine der aufregendsten Entwicklungen im Bereich der additiven Elektronik. Es bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Tintenstrahldruck: (1) es kann niedrigere Auflösungen erreichen, die über die derzeitigen Möglichkeiten des Tintenstrahldrucks hinausgehen, (2) es kann ein breiteres Spektrum an Tintenviskositäten verarbeiten und (3) es kann nicht flache Topografien abdecken.
EHD kann Tropfen mit Durchmessern von <500nm drucken. Es kann eine Auflösung von 1-10 um erreichen, was mit dem herkömmlichen Tintenstrahldruck nur schwer möglich ist. Außerdem kann es Pasten mit einer Viskosität von etwa 1000 Cp verarbeiten. Da das Prinzip darauf beruht, dass die Partikel durch elektrostatische Kraft herausgezogen und nicht wie beim Tintenstrahldruck durch mechanische Kraft herausgedrückt werden, kann die Flugbahn der Partikel gesteuert werden, so dass 3D-Drucke oder nicht flache Topographien möglich sind. Dies sind alles wichtige technologische Schritte nach vorn.
Auf der zweiten Folie sehen Sie Beispiele für den Druck von Linien, Tröpfchen und anderen Mustern, die von Enjet demonstriert werden. Bei den Linien kann man L/S von 2/2um bis 80/80um sehen, was sowohl die Vielseitigkeit als auch die Fähigkeit dieser Technologie zum Drucken von ultrafeinen Linien zeigt. In der Abbildung ist der Digitaldruck auf einer nicht ebenen Fläche zu sehen, der eine gute Stufenabdeckung zeigt.
Eine Herausforderung für diese Technologie ist, dass sie langsam ist. Die meisten Systeme sind F&E-Systeme mit einem einzigen Druckkopf. Allerdings entwickeln Unternehmen jetzt den industriellen Druck mit mehreren Druckköpfen. Das eingebettete Video zeigt den Druck von 0,5-1um Ag-NP-Linien mit einem Multi-Düsen-Array von Scrona. Dies ist ein fantastisches Ergebnis, da es einen Weg zum industriellen Druck von ultrafeinen Linien aufzeigt, der über das hinausgeht, was der Tintenstrahldruck erreichen kann.
Die letzten Folien zeigen einige Anwendungen. Der Anwendungsbereich ist in der Tat breit gefächert und expandiert. Das EHD kann für den Digitaldruck von Mikropads für die Platzierung von immer kleiner werdenden Mikro-LEDs verwendet werden (wird auf den Die eine partikelfreie Ag-Tinte aufgebracht??); es kann verwendet werden, um Quantenpunkte (QDs) auf immer kleiner werdende Mikro-LED-Dies zu drucken und so Farbkonversation zu ermöglichen; es kann verwendet werden, um gedruckte Metallisierungen und umlaufende Randelektroden für Mikro-LEDs zu reparieren oder TFTs nach der Produktion zu reparieren; es kann in Halbleitergehäusen für den Digitaldruck von Zwischenverbindungen oder Abschirmungen verwendet werden; usw. usw.
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LIFT Processs: Digitalisierung von Sieb- und Schablonendruck
LIFT oder laserinduzierter Vorwärtstransfer ist ein Verfahren, mit dem sich hochviskose leitfähige Pasten und sogar Klebstoffe und Lötmittel berührungslos digital auftragen lassen. Dies steht im Gegensatz zum Tintenstrahldruck, bei dem Tinten mit geringer Viskosität digital gedruckt werden.
Das Funktionsprinzip wird auf dem ersten Dia demonstriert. Eine transparente Folie wird gleichmäßig mit einer dünnen Schicht Paste beschichtet. Wenn Laserpulse auf eine Stelle der Folie treffen, löst sich die Paste, wenn sie richtig formuliert ist, ab und landet auf dem Substrat. Diese Technik ermöglicht es, ohne Maske oder Düsen Muster aus verschiedenen viskosen Materialien auf beliebige Substrate zu drucken.
Die zweite Folie zeigt die verschiedenen Materialien, die gedruckt werden können. Die Tabelle stammt von IO Tech und deutet darauf hin, dass eine breite Palette handelsüblicher Materialien mit LIFT gedruckt werden kann. Es ist natürlich nicht so einfach, da viele Parameter optimiert werden müssen, z. B. Laserfluenz, Pulsrate, Abstand der Folie zum Substrat, Druckgeschwindigkeit, Dicke der beschichteten Folie, Scherverdünnungseigenschaften der Paste, Zielsubstrat usw. usw.
Ich füge einige gedruckte Muster aus der Literatur bei. Es handelt sich um gedruckte Geraden mit PV-Metallisierungspasten, die zeigen, dass sowohl schmale Linienbreiten als auch sehr hohe Aspektverhältnisse erreicht werden können. In einem Beispiel wird eine Linienbreite von 65 um erreicht. Dies ist breiter als der Stand der Produktion im Siebdruck von PV-Pasten (34 um).
Auf den folgenden Folien sehen Sie verschiedene Demonstrationen. In diesen Beispielen wird Lötpaste im LIFT-Verfahren gedruckt, Klebstoffe werden aufgetragen oder Verpackungsverbindungen hergestellt (in diesem Beispiel wird eine Linienbreite von 20 um angegeben, obwohl wir noch keine Verifizierung gesehen haben). Schließlich können Sie sehen, dass auch Ag- und Cu-Nanopartikelfarben so formuliert werden können, dass sie mit LIFT kompatibel sind. Generell zeigen diese Beispiele, dass LIFT auch dort eingesetzt werden kann, wo Inkjet nicht möglich ist.
Im Allgemeinen ist LIFT eine interessante Technologie. Die Produktion ist noch nicht vollständig kommerzialisiert, obwohl das Prinzip von LIFT seit einigen Jahren gut etabliert ist. Die jüngsten Bemühungen zielen darauf ab, eine R2R-Maschine im industriellen Maßstab zu entwickeln, die mehrere Materialien drucken kann. Es wird interessant sein, die Entwicklung zu beobachten, insbesondere wenn es gelingt, feine Linienstärken mit viskosen Pasten digital (ohne Maske oder Düse) bei hohen Geschwindigkeiten zu drucken.
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R2R: Strahlselektive Metallisierung für die industrielle Produktion
JetMetal Technologies hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, das in der Lage ist, Oberflächen mit gezielter Flächensteuerung durch Sprühstrahlen zu metallisieren. Bei dieser Technik werden zwei Komponenten auf Wasserbasis auf eine Oberfläche gesprüht, und durch einen Redoxprozess unter atmosphärischen Temperatur- und Druckbedingungen wird eine dünne Schicht aus reinem Metall (in diesem Fall hauptsächlich Ag) gebildet. Die Schichtdicke kann zwischen 10nm und 5um liegen, beträgt aber in der Regel einige hundert Nanometer.
Dieses Verfahren stellt somit eine Brücke zwischen dem Hochdurchsatz-Lackierverfahren und der dünnen und kontrollierten Abscheidung von Schichten dar. Die gebildeten Linien sind nahe an reinem Ag und bieten daher eine hohe Leitfähigkeit. JetMetal Technologies gibt an, dass sie 85-90% der Ag-Leitfähigkeit auf einem glatten PET-Substrat erreichen können, wenn die aufgesprühte Schicht 500nm dick ist.
Sowohl die geringe Dicke als auch die hohe Leitfähigkeit unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen Pasten und Tinten auf Partikelbasis, da solche herkömmlichen Tinten typischerweise eine Ag-Leitfähigkeit von 20-30% aufweisen, wenn sie auf PET-Substrate mit niedrigem T-Gehalt aufgetragen werden. Mit Ausnahme von Tintenstrahl- oder partikelfreien Tinten liegen die Druckdicken in der Regel im Bereich weniger Mikrometer. Wie bei gedruckten Tinten und Pasten muss auch bei der Strahlmetallisierung die Haftung auf verschiedenen Substraten nachgewiesen werden.
Eine Herausforderung für jedes Sprüh- oder Strahlverfahren ist die Fähigkeit, eine selektive Flächenmetallisierung zu erreichen. JetMetal hat ein hybrides Verfahren entwickelt, bei dem zuerst eine dielektrische Tinte gedruckt wird (Siebdruck, Tintenstrahl, Tiefdruck, usw.), die als Maske dient. Die Jet-Metallisierung trägt dann das Ag auf, metallisiert die belichteten Teile und (das ist entscheidend) entfernt gleichzeitig die Maskierungstinte. Daher ist kein Lift-off oder ein ähnliches Verfahren erforderlich. Wir können uns vorstellen, dass der Prozess sorgfältig kontrolliert werden muss, damit die richtige Metallisierungsdicke erreicht wird und die Maskierungstinte zum richtigen Zeitpunkt vollständig aufgelöst wird, damit keine Tintenreste versprüht werden.
Wie in den Dias unten gezeigt, hat JetMetal eine S2S-Siebdruckmaschine im Haus (400x400mm mit >50um Auflösung) sowie eine R2R-Pilotstrahl-Metallisierungslinie (400m Breite, <3m/min Bahngeschwindigkeit).
Auf den Folien werden mehrere Anwendungen vorgestellt.
RF-Antenne: eine dünne und sehr glatte (Sa<20nm) Schicht wird abgeschieden, die 90% Ag-Volumenleitfähigkeit mit einer Auflösung von >50um erreicht. Die Eigenschaften sind auf der Folie dargestellt
PI-basierter Heizer mit einer homogenen Ag-Schicht von 50nm
ein Metallgitter mit 150 nm Linienbreite und >90 % Apertur, das als halbtransparenter Dünnschichtheizer dient
ein thermogeformter 3D-Schaltkreis mit einer Dehnung von <1000%. Dies ist interessant, weil in diesem Fall zuerst die Maskierungstinte gedehnt und dann die 3D-Form im Spritzgussverfahren metallisiert wird. Somit ist die Dehnung von partikelgefüllten leitfähigen Tinten nicht der begrenzende Faktor.
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