Yuan Gu und Ayan Maity -
Leitende Wissenschaftler, Electroninks
Da sich die Welt der Elektronik im wahrsten Sinne des Wortes immer weiter verändert und Produkte tragbar, flexibel, faltbar und gleichzeitig in der Lage sind, Daten zu verarbeiten, ist die Nachfrage nach den winzigen Schaltkreisen, die all dies möglich machen, an einem Wendepunkt angelangt, so dass innovative Lösungen gefragt sind.
Die Fortschritte in der additiven Fertigung diktieren die Form, die Größe und sogar den Zweck neuer Produkte, die noch von Verbraucher- und Industrieunternehmen entwickelt werden müssen. Die partikelfreien Tinten von Electroninks - zusammen mit der nächsten Generation von NanoJet, die durch das Integrated Deposition Solution (IDS) System bereitgestellt wird - ermöglichen die Herstellung von Sensoren und Schaltkreisen. Die Kombination aus den partikelfreien Tinten von Electroninks und dem IDS NanoJet ermöglicht einen höheren Massenausstoß, eine bessere Druckqualität und niedrigere Kosten für die Herstellung von Elektronik im Vergleich zu anderen traditionellen digitalen Drucktechnologien.
Die partikelfreien Cu-, Ni-, Ag-, Au- und Pt-Leitfähigkeitstinten von Electroninks, Inc. (mit Sitz in Austin, TX) sind Tinten auf metallorganischer Basis, die im Vergleich zu Tinten auf Nanopartikelbasis eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit bieten. Partikelfreie Tinten, die aus metallorganischen Vorläufern bestehen, sind in der Regel leistungsfähiger, da sie Metallschichten sauberer und oft bei niedrigeren Temperaturen reduzieren. Die fertigen Filme enthalten keine organischen Komponenten und überstehen in der Regel Belastungs-/Haftungstests, was ihre Zuverlässigkeit in Bezug auf die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) und die Normen der Luft- und Raumfahrt erhöht.
Partikelfreie Tinten, die aus metallorganischen Vorläufern bestehen, zersetzen sich sauberer und oft bei niedrigeren Temperaturen. Partikelfreie Druckfarben sind auch während des Drucks stabiler als Druckfarben auf Nanopartikelbasis, so dass die Gleichmäßigkeit und Langlebigkeit des Drucks besser ist. Die Haltbarkeit von Tinten auf metallorganischer Basis ist in der Regel länger als die von Tinten auf Nanopartikelbasis.
Tabelle 1: Vergleich von Ag-, Au- und Pt-Tinten auf Basis von NPs mit partikelfreien Ag-, Au- und Pt-Tinten von Electroninks
Die Tinten können mit Hilfe des Aerosol-Jet-Drucks aufgebracht werden, einem berührungslosen Aufbringungsverfahren. Bei diesem Druckverfahren wird ein durch Ultraschall- oder Luftzerstäubung erzeugter Tintenstrahl ausgestoßen. Die Ag-, Au- und Pt-Tinten von Electroninks wurden speziell für die Ultraschallzerstäubung entwickelt, so dass sie eine höhere Druckauflösung erreichen als das herkömmliche pneumatische Zerstäubungsverfahren. Dieses neue fortschrittliche Verfahren zum Drucken von Schaltungen, Sensoren oder Verbindungen mit einem Aerosol-Jet-Drucker (OPTOMEC-System oder IDS NanoJet-System) unter Verwendung der partikelfreien Ag-, Au- oder Pt-Tinte von Electroninks ist äußerst flexibel, hoch leitfähig und zuverlässig. Dieses System bietet den Kunden auch eine vollständige Kontrolle und einen enormen Spielraum bei der Anpassung ihrer Anwendung und der Wahl der Substrate.
IDS hat die nächste Generation der Aerosol-Jetting-Druckkopftechnologie entwickelt. Dieses Jetting-Verfahren, das unter dem Markennamen NanoJet bekannt ist, basiert sowohl auf hydrodynamischer als auch auf aerodynamischer Fokussierung. Es ermöglicht eine kollimierte und fokussierte breite Aerosol-Tröpfchengrößenverteilung, die zu gedruckten Linien mit außergewöhnlicher Druckkantenqualität führt. Im Vergleich dazu haben herkömmliche alternative Ansätze in der Vergangenheit zu Overspray an den gedruckten Linienrändern geführt.
Die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks hat einen Feststoffanteil von 4-10 Gew.-% mit einem Massenausstoß, der mit NP-basierten Tinten konkurrenzfähig ist. Die partikelfreie Tinte wird bei der Zerstäubung konzentriert, da die Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck während der Zerstäubung entfernt werden. Dadurch wird ein angemessener Massenausstoß gewährleistet. Dank dieser neuartigen Tintenformulierung kann die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks bei Raumtemperatur mit einem hohen Massenausstoß gedruckt werden, was beim Druck auf konforme Oberflächen entscheidend ist. Die gedruckte Struktur wird bei 300 °C für 1 Stunde thermisch gehärtet, um die beste elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.
Abbildung 2: Au-Tintendruck auf Glas (a) vor der thermischen Aushärtung; (b) nach der Aushärtung bei 300 °C für 1 Stunde
Overspray und Satellitenflecken sind beim Aerosol-Jet-Druck unvermeidlich. Overspray und Satellitenflecken werden durch Tröpfchen mit geringem Gewicht verursacht, deren Trägheit nicht ausreicht, um durch das zentrale Hüllgas fokussiert zu werden und sich entlang der Kante der entworfenen Linien abzusetzen. Im Gegensatz dazu hat die partikelfreie Au-Tinte eine hervorragende Zerstäubung. Sie weist in feinen Strukturen, die mit dem IDS-System gedruckt werden, nur wenig Overspray und Satellitenflecken auf, was zu einer Linienbreite von etwa 60μm führt. Aufgrund dieser verbesserten Definition der Linienkanten und der allgemeinen Linienqualität eignet sich die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks für den Druck von dichten Verbindungen in kompakter Elektronik.
Die partikelfreie Silbertinte von Electroninks hat eine 14%ige Silberbeladung und den gleichen Tintenrezepturmechanismus wie die Goldtinte von Electroninks, um einen hohen Massenausstoß zu gewährleisten. Die meisten der vorhandenen alternativen Silbertinten müssen bei einer erhöhten Temperatur gedruckt werden, um ein Ausbreiten zu verhindern. Dies schränkt den Druck auf konforme Oberflächen oder auf 3D-Substrate ein. Eine der einzigartigen Eigenschaften der Silbertinte von Electroninks besteht darin, dass sie für den Druck auf Strukturen mit hohem Aspektverhältnis ohne beheizte Platten verwendet werden kann. Die gedruckten Merkmale weisen ein minimales Overspray auf, und die Spot- und Linienbreite der Satelliten wird mit 15μm bei einer Dicke von ca. 2μm gemessen.
Die Ag- und Au-Tinten von Electroninks können bei Raumtemperatur verarbeitet werden und sind daher ideal für den Druck auf komplexen Oberflächen. Die Ag-Tinte bietet einen Widerstand von 5-7 μΩ-cm und die Au-Tinte einen Widerstand von 6 μΩ-cm; dieser niedrige Widerstand erfordert weniger Druckvorgänge und spart im Vergleich zu anderen Tinten Zeit. Pilotversuche haben gezeigt, dass die IDS-Aerosol-Jetting-Technologie der nächsten Generation - die partikelfreie Tinten von Electroninks verwendet - Merkmale von 20μm Breite und 2μm Höhe bis 20μm Höhe auf ebenen, konformen Oberflächen mit verbesserter Kantenqualität, weniger Satellitenflecken und minimalem Overspray drucken kann.
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