Für gedruckte Elektronik mit digitalem Additivdruck
Fortschrittliche Metallisierung mit hochleitfähigen Ag-, Au- und Pt-Metallkomplex-Tinten
Problem:
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 und erfordert neue Lösungen. Darüber hinaus ist das Streben nach Innovation und einer sicheren Lieferkette für Halbleitergehäuse und biomedizinische Geräte heute von zentraler Bedeutung. Eine der grundlegendsten Komponenten und ein aufkommender Hebel für Innovationen in der additiven Fertigung sind leitfähige Druckfarben. Derzeit werden Metalltinten wie Silber (Ag), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Platin (Pt) und Gold (Au) aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, katalytischen Aktivität und hohen Korrosionsbeständigkeit häufig für Schaltkreise, Gas-, Wärme- und biologische Sensoren verwendet. Herkömmliche Metalltinten basieren jedoch auf Metallnanopartikeln (NPs): Diese Tinten enthalten kolloidale NPs in Suspension, die durch Liganden festgehalten werden, um eine Agglomeration zu verhindern. Die Leistung dieser Tinten wird durch ihren hohen elektrischen Widerstand und ihre kurze Haltbarkeit beeinträchtigt. Außerdem ist die Herstellung von Ag-, Pt- und Au-Tinten auf Basis von NPs teuer und nicht umweltfreundlich.
Lösung:
Partikelfreie leitfähige Tinten auf Cu-, Ni-, Ag-, Au- und Pt-Basis von Electroninks, Inc (Austin TX). Electroninks hat partikelfreie Tinten auf metallorganischer Basis entwickelt, die gegenüber Tinten auf Nanopartikelbasis mehrere Vorteile in Bezug auf 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. Da die fertigen Filme keine organischen Tenside usw. enthalten, überstehen sie in der Regel Belastungs-/Haftungstests und erfüllen die Standards für MSL und die Luft- und Raumfahrt.
II. HINTERGRUND
Noch nie war der Druck größer, mehr Elektronik - in allen Formen, Größen und Leistungsstufen - in ein breiteres Spektrum von Verbraucher- und Industrieprodukten zu packen als heute. Von faltbaren Displays in neuen 5G-Flip-Telefonen über medizinische Sensoren in Sportbekleidung bis hin zu RFID-Etiketten an jedem Gegenstand in jedem Container, der in einem Hafen auf der ganzen Welt einläuft - leistungsstarke winzige Schaltkreise machen es möglich.
Das Mooresche Gesetz ist ein wichtiger Faktor, der diesen Trend vorantreibt, aber ebenso entscheidend sind die Fortschritte in der additiven Fertigung. Diese Fortschritte schaffen eine Fülle von Möglichkeiten für kostengünstige und hochfunktionale Mikroelektronik. Eine der grundlegendsten Komponenten und ein aufkommender Hebel für Innovationen in der additiven Fertigung sind leitfähige Tinten.
In diesem Whitepaper werden neue Formulierungen für fortschrittliche, hochleistungsfähige leitfähige Metalltinten beschrieben, die Electroninks entwickelt, um seine eigene Produktlinie partikelfreier leitfähiger Tinten zu erweitern.
Derzeit werden Silberdruckfarben effektiv zur Herstellung von Elektroden verwendet. Aufgrund der Elektromigration bei relativ hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit können Silbertinten jedoch nicht für alle Anwendungen eingesetzt werden. Andere Edelmetalltinten, z. B. auf der Basis von Platin (Pt) und Gold (Au), werden aufgrund ihrer katalytischen Aktivität und hohen Korrosionsbeständigkeit häufig für Schutzschaltungen, Gas-, Wärme- und biologische Sensoren verwendet.
Aber die eher konventionellen Ansätze zur Metallisierung – Technik der Metallbeschichtung auf der Oberfläche von Objekten - haben ihre Grenzen. Diese traditionellen Verfahren, die seit Jahren eingesetzt werden, funktionieren bei bestimmten Temperaturen nicht mehr so gut, können hochgiftig sein, haben eine niedrige Viskosität und andere Probleme bei der Herstellung von Werkzeugen, die sie für die Großserienfertigung unpraktisch machen.
Herkömmliche Gold- und Platintinten beispielsweise basieren auf Metall-Nanopartikeln (NP): Diese Tinten enthalten kolloidale NP, die durch Liganden suspendiert sind, um eine Agglomeration zu verhindern. Die Leistung dieser Tinten wird durch ihren hohen elektrischen Widerstand und ihre kurze Haltbarkeit beeinträchtigt. Außerdem ist die Herstellung von Pt- und Au-Tinten auf der Grundlage von NPs teuer und nicht umweltfreundlich.
Vorteile für den Kunden:
● Mehrstündiger Druck mit feinen Merkmalen kann mit partikelfreien Tinten erreicht werden
● Höhere Leistung mit weniger Edelmetallen ermöglicht nachhaltigere, kostengünstigere Produkte
Neue partikelfreie Gold (Au)-Tinten von Electroninks: Jetzt gibt es einen anderen Weg: metallorganische Vorstufen. Dieses nützliche Material gewinnt an Aufmerksamkeit für die Herstellung partikelfreier, leitfähiger Tintenformulierungen. Aber was sind sie? Metallorganische Grundstoffe sind eine chemische Verbindung mit einem Metallatom und einem oder mehreren organischen Liganden, die über verschiedene funktionelle Gruppen mit dem Metallatom verbunden sind.
Metallorganische Verbindungen können so gestaltet werden, dass sie sich in verschiedenen Temperaturbereichen zersetzen, indem die Stärke des Komplexes aus Metall und organischer Verbindung verändert wird. Dennoch wurden Goldtinten für den Druck leitfähiger Merkmale verwendet. Die meisten von ihnen verwenden herkömmliche Formulierungen auf Nanopartikelbasis. Electroninks hat partikelfreie metallorganische Grundstoffe entwickelt, die gegenüber Tinten auf Nanopartikelbasis mehrere Vorteile bieten. Partikelfreie Tinten, die aus metallorganischen Grundstoffen bestehen, zersetzen sich sauberer und oft bei niedrigeren Temperaturen. Mit partikelfreien Tinten können mehrstündige Drucke mit feinen Merkmalen erzielt werden.
Metallorganische Tinten haben außerdem eine längere Haltbarkeit als Tinten auf Nanopartikelbasis. In diesem White Paper beschreiben wir, wie partikelfreie Tintenformulierungen auf Gold(I)aminbasis zur Herstellung hochleitfähiger feiner Goldlinien im Aerosol-Jet-Druckverfahren verwendet werden.
Neue partikelfreie Platin (Pt)-Tinten von Electroninks: Auch die Abscheidung von metallischen Platin-Dünnschichten gewinnt an Aufmerksamkeit. Es wird in einer Vielzahl von Anwendungen in der Elektronik eingesetzt, u. a. als Kontaktmaterial in mikroelektronischen Geräten, in der Hochtemperatur-Elektrochemie und für katalytische Anwendungen. Im Vergleich zu gebräuchlicheren Edelmetallen wie Gold und Silber ist die Anwendung von Platin eine Herausforderung, und es gibt nur wenige Berichte darüber. Zu den gängigen Verfahren zur Abscheidung von Platin gehören die Gasphasenabscheidung, elektrochemische und stromlose Abscheidungsmethoden. Diese konventionellen Verfahren sind oft unpraktisch und schwierig für die Produktion in großem Maßstab.
Tabelle 1: Vergleich von Ag-, Au- und Pt-Tinten auf Basis von NPs mit partikelfreien Ag-, Au- und Pt-Tinten von Electroninks
III. AEROSOLSTRAHL-DRUCKVERFAHREN
Der Aerosoldruck gehört zu den berührungslosen Beschichtungsmethoden. Das Schema dieses Druckverfahrens sieht vor, dass ein durch Ultraschall- oder pneumatische Zerstäubung erzeugter Tintennebel ausgestoßen wird. Die Au- und Pt-Tinten von Electroninks wurden speziell für die Ultraschallzerstäubung entwickelt, mit der eine höhere Druckauflösung als mit der pneumatischen Zerstäubung erreicht werden kann. Das Verfahren zum Drucken von Schaltkreisen, Sensoren oder Verbindungen mit einem Aerosol-Jet-Drucker (OPTOMEC-System oder IDS-Nanojet-System) unter Verwendung von partikelfreier Au- oder Pt-Tinte von Electroninks hängt größtenteils von den Kunden und Substraten ab. Im Folgenden wird jedoch ein typischer Prozess beschrieben:
Vorbereitung - Die Vorbereitung und Reinigung des Substrats sind ausschlaggebend für weniger Defekte und eine gute Haftung der gedruckten Muster auf der Substratoberfläche. Nehmen wir als Beispiel eine flache Oberfläche ohne oberflächenmontierte Substrate: Die Substrate werden mit einem üblichen Lösungsmittel gereinigt, um alle Rückstände oder Staub von der Oberfläche zu entfernen. Anschließend wird das Substrat durch einen Trocknungsschritt geführt, um das Lösungsmittel zu verdampfen. In diesem Schritt können auch andere Reinigungs- oder Präparationsverfahren wie UV-Ozon und Plasma eingesetzt werden.
Mapping Out und Größenkorrektur - das Substrat wird auf die Druckplatte gelegt. Die Ausrichtungskamera des Druckers misst präzise die Oberflächenabmessungen, die dann für das Mapping der Oberfläche in AutoCAD® verwendet werden. Der Kunde verfügt in der Regel über den CAD-Entwurf der Substrate, aber dieser Schritt ist dennoch notwendig, um den CAD-Entwurf mit der tatsächlichen Substratgröße abzugleichen. Eine Größenänderung/-korrektur ist erforderlich, wenn ein Versatz zwischen der CAD-Datei und der realen Messung festgestellt wird.
Design - Die Muster werden auf der Grundlage der in AutoCAD gemappten/geänderten Oberfläche entworfen. Die Pads können sowohl serpentinenförmig als auch perimeterfüllend gedruckt werden.
Druck - Die partikelfreien Au/Pt-Tinten von Electroninks werden durch den Ultraschallzerstäuber als Aerosol versprüht. Aufgrund der neuartigen Tintenformulierung verdampft das flüchtige Lösungsmittel auf dem Weg vom Zerstäuber zu den Druckköpfen und die chemische Reaktion erzeugt einen dünnen Au/Pt-Vorläuferfilm auf der Substratoberfläche. Der Au/Pt-Precursor-Film ist klebrig und gelartig, so dass der Druck auch bei einer RT-Walze eine gute Druckqualität erzielt werden kann. Die Breite des Tintenstrahls kann durch eine Kombination aus Druckspitze, Mantelgas, Trägergas und Druckgeschwindigkeit gesteuert werden. Es werden mehrere Schichten aufgetragen, um die gewünschte Schichtdicke/OPS ohne Wartezeit zwischen den Schichten zu erreichen.
Electroninks Pt-Tinte kann mit UV-Licht gehärtet werden und erzielt vergleichbare oder bessere elektrische Eigenschaften.
IV. IDS AEROSOL JET SYSTEM
Integrated Deposition Solution (IDS) hat die nächste Generation der Aerosol-Jetting-Druckkopftechnologie entwickelt. Abbildung 1 zeigt ein Bild des Desktop-Druckers und des NanoJet-Druckkopfes. Dieses Jetting-Verfahren, das unter dem Markennamen NanoJet bekannt ist, beruht sowohl auf hydrodynamischer als auch auf aerodynamischer Fokussierung, um eine breite Größenverteilung der Aerosoltröpfchen zu bündeln und zu fokussieren, was zu gedruckten Linien mit außergewöhnlicher Druckqualität führt. Die NanoJet-Technologie basiert auf dem Einsatz mehrerer aerodynamischer Linsen, um die feineren Aerosoltröpfchen in einem Aerosolstrom zu fokussieren, die in der Vergangenheit zu Overspray an den Kanten der gedruckten Linie geführt hätten. Einige Beispiele für mit NanoJet-Aerosol gedruckte Linien unter Verwendung der Electroninks-Tinten werden in Teil V vorgestellt.
Abbildung 1: Das Foto zeigt (a) den NanoJet-Desktopdrucker und (b) den Nanojet-Aerosol-Druckkopf der nächsten Generation, der am IOS entwickelt wurde.
V. AEROSOLSTRAHLGEDRUCKTE GOLD- UND SILBERSTRUKTUREN
Golddruck durch ein IDS-Aerosolstrahlsystem: Die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks hat einen Feststoffanteil von etwa 4-10 Gew.-%, aber der Massenausstoß ist wettbewerbsfähig mit Tinten auf NP-Basis. Die Tinte wird bei der Zerstäubung konzentriert und Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck werden auf dem Weg vom Ultraschallzerstäuber zum Druckkopf entfernt, um einen angemessenen Massenausstoß zu gewährleisten. Die aufgebrachte Tinte ist auf dem Substrat durchscheinend und klebrig, wie in Abbildung 2(a) dargestellt. Dank dieser neuartigen Tintenformulierung kann die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks bei Raumtemperatur mit einem relativ hohen Massenausstoß gedruckt werden. Diese Eigenschaft ist beim Druck auf konforme Oberflächen von entscheidender Bedeutung. Abbildung 2(b) zeigt eine 4-Punkt-Widerstandsstruktur, die mit partikelfreier Au-Tinte von Electroninks durch das Aerosol-Jet-System gedruckt wurde. Die gedruckte Struktur wurde 1 Stunde lang bei 300° C thermisch gehärtet, um die beste elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.
Die REM-Aufnahmen der oben genannten Goldproben sind in Abbildung 3 dargestellt. Obwohl die Bildung von Einschnürungen und das Verschmelzen von Goldclustern auf der Oberseite des REM in Abbildung 3(a) zu sehen ist, wird die durchschnittliche Partikelgröße auf 100 nm geschätzt. Der ausgehärtete Goldfilm ist im REM-Querschnitt in Abbildung 3(b) dicht gepackt, die endgültige Dicke wird mit 900 nm gemessen.
Abbildung 2: Druck mit Au-Tinte auf Glas (a) vor der thermischen Aushärtung; (b) nach der Aushärtung bei 300 °C für 1 Stunde
Abbildung 3: (a) Oberseite; (b) SEM-Querschnittsbilder der Au-Probe unter den in der Tabelle angegebenen Bedingungen
Overspray und Satellitenflecken sind beim Aerosol-Jet-Druck unvermeidlich. Overspray und Satellitenflecken werden durch Tröpfchen mit geringem Gewicht und unzureichender Trägheit verursacht, die durch das Zentrumsgas fokussiert werden und sich entlang der Kanten der entworfenen Linien absetzen. Die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks hat eine ausgezeichnete Zerstäubung und weist beim Druck feiner Strukturen mit dem IDS-System nur begrenzte Overspray- und Satellitenflecken auf. Abbildung 4 zeigt ein optisches Bild einer mit einem IDS-NanoJet-System gedruckten feinen Linie mit einer Linienbreite von etwa 60 μm. Dank dieser verbesserten Definition der Linienkanten und der allgemeinen Linienqualität eignet sich die partikelfreie Au-Tinte von Electroninks für den Druck von dichten Verbindungen in der Kompaktelektronik.
Abbildung 4: Feines Merkmal gedruckt mit Electroninks Au-Tinte durch ein IDS-System, gehärtet gemäß den Bedingungen in der Tabelle
Silberdruck durch ein IDS-Aerosolstrahlsystem:
Die partikelfreie Silbertinte von Electroninks hat einen Silbergehalt von 14 % und verfügt über denselben Tintenrezepturmechanismus wie die Goldtinte von Electroninks, um einen massereichen Druck zu gewährleisten. Die meisten der auf dem Markt befindlichen Silbertinten müssen bei erhöhter Temperatur gedruckt werden, um eine Ausbreitung während des Drucks zu verhindern. Dies schränkt den Druck auf konforme Oberflächen oder auf 3D-Substrate ein. Einer der Höhepunkte von Electroninks Silbertinte ist die Möglichkeit, Strukturen mit hohem Aspektverhältnis ohne beheizte Druckplatte zu drucken. Abbildung 5(a) zeigt den Druck feiner Strukturen mit Electroninks-Silbertinte bei einer Druckplatte mit Raumtemperatur. Die gedruckten Strukturen weisen ein minimales Overspray und Satellitenflecken auf, die Linienbreite beträgt 15μm bei einer Dicke von ca. 2μm (siehe Abbildung 5(b)).
Abbildung 5: (a) Mit Electroninks Ag-Tinte gedruckte feine Merkmale; (b) Profil der gedruckten feinen Merkmale
Die frühen Bemühungen bei der Entwicklung der Aerosol-Jetting-Technologien konzentrierten sich auf das Drucken sehr feiner Linien mit einer Linienbreite von nur 10 μm, wie in Abbildung 5 dargestellt. Während diese Fähigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen sehr nützlich ist, konzentrierten sich einige neuere Bemühungen auf die Erhöhung der Materialausstoßrate von IDS NanoJet, um die Anforderungen von Produktionsanwendungen mit höherem Durchsatz zu erfüllen. Ein Beispiel für eine gedruckte Struktur für HF-Anwendungen ist in Abbildung 6(a) dargestellt. Diese Strukturen wurden mit der Silber-Tinte von Electroninks bei einer Betttemperatur von 120°C gedruckt. Profilometrische Messungen für diese gedruckten Strukturen sind in Abbildung 6(b) dargestellt. Für diese speziellen Strukturen wurden mehrere Druckdurchgänge verwendet, um die gedruckte Schichtdicke zu erreichen. Wie die Profilometriedaten zeigen, variiert die gedruckte Schichtdicke etwas, und es sind weitere Optimierungen erforderlich, um die Gleichmäßigkeit der Merkmale zu verbessern; diese Merkmale sind jedoch für den geforderten Machbarkeitsnachweis nützlich. Die durchschnittliche Höhe der gedruckten Struktur beträgt 20μm und die maximale Höhe 40μm. Diese Art von gedruckten Strukturen erweist sich als nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen. Ein in der Entwicklung befindliches Gerät ist ein flexibler, implantierbarer Stimulator, bei dem dickere gedruckte Spulen in einem Abstand von bis zu 5 cm von der Stromquelle eine hohe Stromkopplungseffizienz zum implantierten Gerät bieten.
Abbildung 6: (a) Mit NanoJet gedruckte Strukturen für die Bewertung der RF-Leistung, (b) Profilometrie mit gemessener Höhe der mit NanoJet gedruckten Strukturen
Ein weiterer wichtiger Vorteil des Aerosol-Jet-Drucks ist der größere Arbeitsabstand zwischen der Austrittsfläche der Druckdüse und der Oberfläche des Drucksubstrats. Da der IDS NanoJet-Aerosolstrahl kollimiert ist, können saubere Drucke mit einem Abstand zwischen der Düsenfläche und dem Drucksubstrat von 1 - 5 mm oder mehr erstellt werden. Diese Fähigkeit kann besonders nützlich sein, um Merkmale auf nicht-traditionelle Substrate zu drucken.
Ein Beispiel für einen solchen Druck ist in Abbildung 7 dargestellt. Bei dem Substrat handelt es sich um eine 3D-gedruckte Kunststoffkuppel, auf die mit Hilfe eines IDS-Systems mit Electroninks-Silbertinte eine Vollbrückenschaltung mit Dehnungsmessstreifen gedruckt wurde. Diese Demonstration diente dazu, die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik zu zeigen. Durch die Kombination der Aerosol-Drucktechnologie der nächsten Generation von IDS NanoJet mit den partikelfreien Tinten von Electroninks konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, einen elektronischen Schaltkreis auf eine komplex geformte Oberfläche kontinuierlich zu drucken, wobei eine Tinte verwendet wurde, die während des Drucks auf ein Substrat mit niedriger Schmelztemperatur in-situ gehärtet werden konnte. Dieser Demonstrationsschaltkreis war Teil eines größeren Proof-of-Concept-Projekts, mit dem gezeigt werden sollte, dass es möglich ist, Sensoren in eine Struktur einzubetten, wobei die Sensoren so lange inaktiv sind, bis sie mit Hilfe von Ferntelemetrie abgefragt werden, um den Sensor mit Strom zu versorgen und mit ihm zu kommunizieren, um intermittierend Änderungen in der Reaktion des Sensors zu messen.
Abbildung 7: Mit Aerosol gedruckte Dehnungsmessstreifen-Vollbrückenschaltung auf einem 3D-gedruckten thermoplastischen Substrat mit niedriger Temperatur
VI. CONCLUSION
Die Fortschritte in der additiven Fertigung wirken sich buchstäblich auf die Form, die Größe und sogar den Zweck neuer Produkte aus, die von Verbraucher- und Industrieunternehmen noch entwickelt werden. In diesem Beitrag wird eine neuartige Herstellung von Sensoren und Schaltkreisen auf einer Vielzahl von Oberflächen durch die Verwendung von partikelfreien Metalltinten von Electroninks in Verbindung mit der nächsten Generation des NanoJet von IDS System vorgestellt. Die Kombination aus partikelfreien Tinten von Electroninks und dem IDS NanoJet ermöglicht einen höheren Output, eine bessere Druckqualität und niedrigere Kosten für die Herstellung von Elektronik im Vergleich zu anderen traditionellen digitalen Drucktechnologien. Electroninks Ag- und Au-Tinten können bei Raumtemperatur verarbeitet werden und eignen sich hervorragend für den Druck auf komplexen Oberflächen. Die Ag-Tinte von Electroninks bietet einen spezifischen Widerstand von 5-7 uohm-cm, während die Au-Tinte einen spezifischen Widerstand von 6 uohm-cm bietet. Der niedrige spezifische Widerstand erfordert weniger Druckvorgänge und spart im Vergleich zu anderen Tinten auf dem Markt Zeit und Aufwand. Pilotversuche haben gezeigt, dass die IDS-Aerosol-Jetting-Technologie der nächsten Generation, die partikelfreie Electroninks-Tinten verwendet, Merkmale mit einer Breite von 20μm und einer Höhe von 2μm bis hin zu einer Breite von mm und einer Höhe von 20μm auf ebenen, konformen Oberflächen drucken kann; die gedruckten Merkmale weisen eine verbesserte Kantenqualität mit weniger Satellitenflecken und Overspray auf.
AUTOREN
Yuan Gu, leitender Wissenschaftler, Electroninks Ayan Maity, leitender Wissenschaftler, Electroninks Steven Brett Walker, CEO, Electroninks Dr. Marcelino Essien, Präsident, IDS
Dr. Yun Li, IDS
Jacob Chavez, IDS
David Keicher, Vizepräsident, IDS
AUTOR DER MITTEILUNG:
Melbs LeMieux, Präsident, Electroninks [This is automatically translated from English]