Das Projekt AVerdi wurde für zwei Jahre vom BMWi gefördert und lieferte wertvolle Erkenntnisse, die zu einem besseren Verständnis des Druck- und Sinterprozesses beitragen. Die Vielzahl an untersuchten Tinten, Substraten und Druckprozessen bieten den Nutzer_innen nun zudem einen breiten Anwenderkatalog, der für die eigene Entwicklung und Produktion zur Verfügung steht.
Digitale Druckverfahren wie Inkjet- oder Aerosoljet-Druck haben hohes Anwendungspotential zur Metallisierung und zur elektrischen Funktionalisierung von Foliensubstraten und Kunststoff-Bauteilen (z.B. spritzgegossene Schaltungsträger (MID)). Als Tinten kommen dabei meist Dispersionen aus nanoskaligen Metallpartikeln (Silber oder Kupfer) zum Einsatz, die jedoch mit organischen Verbindungen in einem Lösemittel stabilisiert werden müssen. Damit die gedruckten Strukturen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit sowie eine gute Haftfestigkeit auf dem Substrat aufweisen, müssen die Tinten nach dem Druck getrocknet und verdichtet (gesintert) werden.
Diese zwei essentiellen Prozessschritte standen im Fokus des Projekts „AVerdi“. Zusammen mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft wurden Silbernanopartikeltinten mit digitalen Druckverfahren auf dünne Polymerfolien sowie auf spritzgegossene Polymere gedruckt, um anschließend den Einfluss verschiedener Sinterverfahren (photonisch und konvektiv) auf die elektrische Leitfähigkeit sowie die Haftfestigkeit der gedruckten Strukturen zu untersuchen.
Der photonische Sinterprozess basiert auf dem Prinzip der lokalen Strahlungs-Absorption und der damit verbundenen lokalen Erwärmung. Bei optimierten Prozessbedingungen wird nur die Tinte erwärmt, wohingegen das Substrat (je nach Beschaffenheit) keine oder kaum Strahlung absorbiert und somit nicht direkt erwärmt wird. Dies ermöglicht das Drucken und Sintern leitfähiger Strukturen auch auf thermisch empfindlichen Substraten. Auf thermisch beständigeren Substraten hingegen können die Prozessbedingungen auch so eingestellt werden, dass sowohl Tinten- als auch Substrat erwärmt werden. Dadurch werdem bessere Leitfähigkeiten bei deutlich reduzierter Sinterzeit erreicht (bspw. für PI oder LCP). Als photonische Sinterverfahren wurden im Projekt AVerdi Nahinfrarot (NIR) und Ultraviolett (UV) Strahler der Firmen adphos Digital Printing GmbH und Dr. Hönle AG UV-Technologie eingesetzt.
Untersucht wurde einerseits der Aerosljet-Druck (mit den Tinten Clariant TPS 50 und PARU PG-007 sowie den spritzgegossenen Substraten aus Flüssigkristallpolymer und aus Polyamid 6 und andererseits das Inkjet-Verfahren (mit den Tinten ANP DGP 40TE-20C, Clariant TPS 35 und GSB-Wahl LAB 2423 sowie den Substratfolien aus PET und Polyimid). Die Vielzahl an untersuchten Tinten, Substraten und Druckprozessen bieten den Nutzer_innen nun einen breiten Anwenderkatalog, der für die eigene Entwicklung und Produktion genutzt werden kann.
Darin wird bspw. die Tinte Clariant TPS 35 empfohlen, wenn eine höhere elektrische Leitfähigkeit auf thermisch stabilen Substraten wie PI-Kapton benötigt wird und gleichzeitig die mechanische Zuverlässigkeit nicht im Vordergrund steht bzw. eine zusätzliche Schutzschicht möglich ist. Für Anwendungen, die eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf thermisch empfindlichen Substraten wie PET-Melinex zulassen, wird hingegen die Tinte ANP DGP 40TE-20C empfohlen.
Obwohl sich die Tinte GSB-Wahl LAB 2423 zum Untersuchungszeitpunkt noch im Entwicklungsstadium befand, lieferte diese bereits eine mittlere elektrische Leitfähigkeit bei gleichzeitig sehr guter Haftfestigkeit sowie sehr guter elektrischer und mechanischer Zuverlässigkeit auf thermisch stabilen Substraten wie PI-Kapton. Der Entwicklungsstand der Tinte erforderte zum damaligen Zeitpunkt noch eine Zwischenreinigung der Düsen. Diese Reinigung ist für die optimierte Tinte, welche inzwischen als SI-001/002 verfügbar ist, nicht mehr nötig.
Anwendungsbeispiele:
- Beispiel 1: Die im Inkjet-Verfahren hergestellten Strukturen mit der Tinte Clariant TPS 35 auf Polyimid erreichten durch photonisches Sintern eine elektrische Leitfähigkeit relativ zu Bulk-Silber im Bereich von ca. 17-24 % bei einer Sinterdauer von 2 s bis 5 s. Im Vergleich dazu erreichten die, im Ofenprozess bei 200 °C und einer Stunde gesinterten Strukturen, eine Leitfähigkeit von ca. 12-14 %. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen für die photonisch gesinterter Proben einen deutlich besseren Sintergrad im Vergleich zum herkömmlichen Ofenprozess. Die Haftfestigkeit nach photonischem Sintern ist vergleichbar mit ofengesinterten Proben.
- Beispiel 2: Die auf PET gedruckten Strukturen lieferten mit der Tinte ANP DGP 40TE-20C und anschließender NIR-Strahlung (eine Sekunde) eine Leitfähigkeit von ca. 6-7 %. Die im Ofenprozess erreichte Leitfähigkeit (5 min) betrug ca. 3-4 % relativ zu Bulk-Silber. Allerdings zeigen die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen auch, dass der Sinterprozess noch nicht abgeschlossen ist (keine Sinterhalsbildung). Die gemessene elektrische Leitfähigkeit wird vermutlich über erste Kontakte zwischen den Silbernanopartikeln erreicht. Beide Sinterverfahren lieferten sehr gute Haftfestigkeitswerte.
- Beispiel 3: Im Aerosoljet-Prozess hergestellte Strukturen auf LCP mit der Tinte PARU PG-007 lieferten durch photonisches Sintern (2 s bis 60 s) eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 13-35 % (Ofenprozess: ca. 25 % nach einer Stunde bei 150 °C). Für das photonische und das konvektive Sintern wurden jedoch gleichermaßen schlechte Haftfestigkeiten beobachtet. Beim Substratwechsel auf Polyamid 6 wurde im gleichen Setup je eine Leitfähigkeit von 16-19 % erreicht. Anders als beim konvektive Sintern lieferte der photonische Sinterprozess aber deutlich bessere Haftfestigkeiten.
Die im Rahmen des Forschungsprojekts erzielten Ergebnisse haben gezeigt, dass photonische Sinterverfahren im Vergleich zu den etablierten Konvektionsprozessen deutlich besser geeignet sind, um auf thermisch beständigen Substraten digital gedruckte Strukturen zu sintern, da hierbei eine meist höhere elektrische Leitfähigkeit bei einer deutlich reduzierten Sinterdauer realisiert werden konnte. Auf thermisch empfindlichen Substraten konnten dagegen geringe Leitfähigkeiten mit sehr guter Haftfestigkeit erreicht werden, was beispielsweise für Sensoranwendungen interessant ist.
