Gedruckte Elektronik akkurat herstellen

Der funktionelle Druck elektrisch leitfähiger Pasten eröffnet neue Produktionsmethoden für die Elektronikindustrie. Jedoch ist die Leitfähigkeit der ultradünnen, oftmals nur einzelne µm dicken Schichten begrenzt. Größere Strommengen lassen sich über winzig gedruckte Stege nur mit erheblichen elektrischen Verlusten transportieren. Kombiniert mit einer hohen Auflösung stellt dies eine Herausforderung dar. Druckmaschinenhersteller, Prozesstechnologen und Pastenentwickler sind hier gefragt, um die technischen Voraussetzungen für einen positionsgenauen Multilagendruck zu schaffen.

Der Sieb- und Schablonendrucker X5 Professional wartet mit hoher Performance und Flexibilität auf und beherbergt das optische Eva-Positioniersystem.

Nachfolgend wird die Erzeugung von Drucken mit elektrisch leitfähigen Pasten und einem guten Verhältnis zwischen Druckpunkthöhe und Druckpunktdurchmesser (Aspect Ratio) gezeigt. Die gedruckten Punkte besitzen einen Durchmesser von circa 70 µm und benötigen für ihre Funktion als elastische Kontaktpads eine Höhe von ebenso 70 µm. Der Abstand zu benachbarten Kontaktpads beträgt dank einer versetzten Struktur der Kontaktpunkte ebenso etwa 70 µm. Das ergibt bei einer aktiven Fläche von 180 mm x 255 mm ungefähr 2,3 Mio. zu druckende Kontaktpads. Als Methode wurde hierfür der Schablonendruck gewählt, wobei bis zu vier Schichten übereinander gedruckt wurden, um das angestrebte Aspect Ratio von nahezu 1 zu erreichen (Bild 1). Zum Einsatz kommen verschiedene Systeme aus Unternehmen der Asys-Gruppe. So bietet Ekra im Hycon-Produktbereich Sonderlösungen für den Dickschichtbereich an. Botest ist wie Ekra ein Mitglied der Asys-Gruppe und spezialisiert auf die Entwicklung von neuartigen Pasten und Druckprozessen oder diese entsprechend zu optimieren. Im Botest-Forschungslabor am Standort Linz werden weitere Komponenten des Druckprozesses, wie etwa das Sieb, die Schablone oder das Druckmedium, für die jeweilige kundenspezifische Applikation angepasst.

Facetten des Druckprozesses

Gedruckt wurde mit einem Inline-Drucksystem von Ekra auf ein flexibles PET-Foliensubstrat. Als Drucknest stand ein Alu-Drucknest mit eingeklebtem Poroplast und Vakuumansaugung zur Verfügung. Damit war es möglich, eine möglichst homogene Auflagefläche für das Substrat zu schaffen. Die Druckpaste wurde eigens von Botest entwickelt, um die geforderten Parameter bezüglich Leitfähigkeit und Elastizität der zu druckenden Pads zu erzielen. Somit ließen sich die rheologischen Eigenschaften der Druckpaste entsprechend gut an die verwendeten Druckparameter und die Beschichtung der Schablone anpassen.

Beim Druck der elektrisch leitfähigen Paste wurde die Schablone vorgeflutet. Dies ist im Schablonendruck zwar unüblich, hier jedoch unverzichtbar. Nach dem Drucken wurde das bedruckte Substrat entnommen und im Ofen getrocknet. Damit sich die Folie bei Temperatur oder Luftfeuchteeinfluss nicht verziehen kann, wurde diese nach der Trocknung wieder an die Umgebungsparameter angepasst. Vor dem nächsten Druckschritt musste das Substrat wieder exakt auf dem Drucktisch positioniert werden. Dies erfolgte mit dem optischen Positioniersystem Eva, das im Ekra-Drucker integriert ist. Zudem war notwendig, den Absprung zwischen Substrat und Schablone sowie den Downstopp am Rakelkopf anzupassen, um ein Unterlaufen der Schablone mit der Druckpaste zu vermeiden. Dieser Ablauf wurde bis zu viermal wiederholt, damit die Höhe der Kontaktpads erreichbar war.

Die Optimierung des Druckresultats gelang dank der Abstimmung dreier Parameter: Schablone, Prozessparameter und Druckpaste. In Bild 2 sind Mikroskopaufnahmen von Drucken mit zu steilen beziehungsweise zu flachen Rakelwinkeln dargestellt. Beim zu steilen Rakelwinkel verschmiert die Druckpaste unterhalb der Schablone und ein unreines Druckbild entsteht. Dies wiederum hätte einen Kurzschluss zwischen den einzelnen Kontaktpunkten zur Folge. Ein zu steiler Rakelwinkel führt zu einer ungleichmäßigen „Füllung“ der Schablonenöffnungen.

Demnach führt ein zu hoher Rakeldruck (Bild 3) wie ein zu flacher Rakelwinkel zu „Verschmierungen“ der Druckpaste unterhalb der Schablone und zu einem unreinen, verformten Druckbild. Diese Verformung der Pads erschwert zudem die exakte Positionierung der nächsten Drucklage beim Multilayerdruck. Zudem verbreitern sich die Druckpunkte wegen einem zu hohen Rakeldruck, was ebenfalls die Gefahr von Kurzschlüssen erhöht. Eine permanente Rakeldruckkontrolle und eine Regelung des Druckers ermöglicht die homogene Verteilung des Rakeldrucks über den gesamten Rakelweg. Ein wesentlicher Faktor im hochauflösenden Multilayerdruck ist die Druckrichtung. Mit dem ausgeübten Rakeldruck wird die Schablone leicht „verzogen“. Ändert sich die Druckrichtung, während der Multilagendruck aufgebaut wird, so beeinflusst dies das Druckergebnis negativ. Die darunterliegenden Punkte können trotz exakter Positionierung mittels Alignment-System nicht mehr getroffen werden. In diesem Fall kann es zu Abweichungen von mehr als 20 µm bis hin zu 30 µm pro Lage kommen (Bild 4). Dieser Versatz kann ermittelt und richtungsbezogen als Offsetwert in der Software des Druckers eingegeben und somit kompensiert werden.

Herausforderung Positioniergenauigkeit

Um eine bestmögliche Positioniergenauigkeit zu erzielen ist es wichtig, die zu druckende Lage ausschließlich an den Basis-Fiducials auszurichten. Erfolgt die Ausrichtung an anderen Marken, zum Beispiel später gedruckten Fiducials, addieren sich die Abweichungen. Beim realisierten Multilayerdruck, bestehend aus vier Lagen, war es möglich, die Differenz bezüglich Wiederholgenauigkeit zu optimieren und eine Gesamtabweichung für vier Lagen von ± 12,5 µm zu erzielen. Mittels des optischen Eva-Positioniersystems und unter Beachtung dessen, dass immer nur an den Basis-Fiducials ausgerichtet wird, ließ sich dieses Ergebnis umsetzen.

Durch Evaluierung der optimalen Parameter war es möglich, gute Druckergebnisse zu erzielen (Bild 5). Dank dem Mehrfachdruck verbreitet sich der Sockel des Kontaktpads von zwischen 65 µm und 70 µm (Monolagendruck) auf circa 85 µm bis 93 µm (Bild 6). Auf den darunterliegenden im Verhältnis 70:30 (70 µm Breite zu 30 µm Abstand zur nächsten Elektrode) strukturierten Basiselektroden werden die benachbarten Elektroden nicht kontaktiert. Dadurch entsteht eine einwandfreie elektrische Funktion der elastischen Kontaktpads. Bild 7 zeigt das Höhenprofil der einzelnen Kontaktpads. Dank des Multilagendrucks ließ sich eine Höhe von 55 µm bis 65 µm für die einzelnen Kontaktpads erzielen, was einem Aspect Ratio von ca. 0,8 entspricht.

(mrc)