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Elektronenstrahlsintern gedruckter Kupfertinten
auf temperatursensiblen Substraten
M. Fritsch2, B. Graffel1, R. Jurk2, B. Meyer1, S. Mosch2, W. Schwarz1, F. Winckler1
FEP/IKTS
1 Fraunhofer-Institut
für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP, Dresden, Deutschland
2 Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden, Deutschland
Einführung
Eine aktuelle Herausforderung in der gedruckten Elektronik ist die schnelle und preiswerte Herstellung
In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Herstellung leitfähiger Strukturen auf Polymersubstraten
leitfähiger Bahnen auf temperatursensiblen Substraten, wie sie zum Beispiel für flexible Schaltkreise
vorgestellt. Dabei werden preiswertere, kupfer-basierte Tinten mit Partikelgrößen bis in den
und flexible OLEDs sowie RFID-Antennen benötigt werden. Typischerweise werden dazu Silbertinten
Mikrometerbereich benutzt. Vorteilhaft bei Verwendung größerer Partikel sind der im Vergleich zu
verdruckt, die Partikelgrößen im Nanometerbereich besitzen. Mit Nanopartikeln ist es möglich, beim
Nanopartikeln geringere Anteil von Kupferoxid und das höhere pro Zeit erzielbare Druckvolumen. Nachteilig
nachfolgenden Sintervorgang bereits mit niedrigen Temperaturen von ca. 200 °C eine ausreichend gute
sind jedoch die hohen Sintertemperaturen von 700 – 900 °C, die zur Reduzierung des elektrischen
elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Struktur zu erreichen. Dies erlaubt die Benutzung üblicher
Widerstandes erforderlich sind. Zur Nutzung dieser Tinten auf Polymersubstraten wurde daher ein neues,
Polymerträgermaterialien, jedoch stehen die hohen Kosten der Silbertinte einer breiten Nutzung für
lokal selektives Elektronenstrahl-Sinterverfahren entwickelt, bei dem gezielt nur die gedruckte
Massenanwendungen bislang im Wege.
Struktur aufgeheizt wird und das unterliegende Substrat weitestgehend thermisch unbeeinflusst bleibt.
Einführung und Darstellung kupfer-basierter Tinten
Elektronenstrahl-basiertes Sintern
Bisher zur Herstellung leitfähiger Bahnen auf
Entwicklungsziele eines Elektronenstrahl-
Polymeren überwiegend Nutzung nanoskaliger
Sinterverfahrens:
Silbertinten:
• Kurzzeitiges Erhitzen der gedruckten Kupfer-
+ Sehr geringe Sintertemperaturen, da niedrigerer
tinten auf Sintertemperaturen von 700 – 900 °C
Schmelzpunkt von Nanopartikeln (ca. 130 °C bei
• Vermeidung der thermischen Zerstörung des
2 nm Durchmesser)
Polymersubstrates
+ Geringe Oxidationsneigung
– Hohe Materialkosten
Vorteile des Elektronenstrahl-Prozesses:
– Begrenztes Druckvolumen pro Zeit
+ Dichte-abhängige Absorption des
Neuer Ansatz: Verwendung kupfer-basierter
Tinten mit Partikelgrößen bis in den
Mikrometerbereich:
Elektronenstrahls im Material: starke Absorption
Schmelztemperatur in Abhängigkeit der Partikelgröße für
Silber- (blau) und Kupferpartikel (rot)
in Metallen, schwache in Polymeren
Simulierte Eindringtiefen des Elektronenstrahls für unterschiedliche
Beschleunigungsspannungen
+ Absorption im Volumen („volumetrisches
+ Geringe Cu-Kosten (ca. 1/90 des Silberpreises)
Heizen“), gezielte Anpassung der Eindringtiefe
+ Vergrößertes Druckvolumen pro Zeit und damit
über die Beschleunigungsspannung
gesteigerte Druckgeschwindigkeit bei größeren
entsprechend der Dicke der Leitbahn
Partikeln z.B. im Aerosoldruck

+ Trägheitslose Ablenkung eines gescannten
Starke Oxidationsneigung (ca. 5 nm dickes CuO
Strahls erlaubt sehr kurze Einwirkzeiten im
zur Selbstpassivierung), jedoch geringerer Anteil
Mikrosekundenbereich, gezielte Einstellung von
CuO im Vergleich zu Nanopartikeln
Temperaturprofilen
– Erhöhte Sintertemperaturen von 700 – 900 °C
+ Ablenkbarkeit des Strahls entlang der
bei großer Partikel, keine Nanoeffekte nutzbar
 Angepasstes Sinterverfahren erforderlich,
kompatibel mit empfindlichen Substraten
gedruckten Leitbahnen minimiert die Belastung
REM-Aufnahme einer in wässriger Synthese hergestellter
Kupferpartikel.
des umgebenden Substrates

Vakuumverfahren: keine direkte Verknüpfung
mit bestehenden Druckprozessen möglich,
Untersuchte Ansätze zur Synthese der Cu-Tinten:
• Herstellung von Cu-Nanometerpartikel über eine
• Überführung kommerzieller Kupferpulver mit
jedoch vorteilhaft beim Sintern
chemische Co-Fällung mit Silber, dabei Überzug
Partikelgrößen im Sub-Mikrometerbereich in
reaktionsfreudiger Materialien
der Partikel mit Silber zur Verminderung der
druckbare Tinten
Oxidationsneigung  Sinteraktivität ab 300 °C
Schema des elektronenstrahl-basierten Sinterprozesses mit Strahlablenkung entlang der gedruckten Struktur
• Optimierung bzgl. Viskosität und Benetzung
Versuchsdurchführung und Resultate
Die Sinterversuche wurden an der Clusteranlage
Prozessschritte:
Ergebnisse:
ERICA des FEP durchgeführt:
1. Substratreinigung
Die Bewertung des Sinterergebnisses erfolgte über
• Anlage für die Darstellung komplexer Prozess-
2. Aufbringen der Leitbahnen mittels Aerosoldruck
• den gemessenen Leitbahnwiderstand, da dieser,
ketten im Vakuum
• Flachsubstraten bis 200 mm Durchmesser
• Verkettung diverser Vor- und Nachbehandlungs-,
Beschichtungs- und Strukturierungsschritte
3. Überführung ins Vakuum
bei gleichen Abmessungen, hauptsächlich durch
4. Vorbehandlung zum Austreiben verbliebener
Packungsdichte und die Kontaktwiderstände der
Lösemittelreste durch Ausheizen
5. Elektronenstrahlsintern der Leitbahnen
einzelnen Partikel untereinander bestimmt wird
• die visuelle Beurteilung des Schliffbildes
Reduzierung des Leitbahnwiderstandes durch die
Elektronenstrahlbehandlung nachweisbar:
100 kΩ  ≈ 1 Ω (entspricht bei gegebener
Leitbahngeometrie ≈ 1*10-4 Ω cm)
Sinterwirkung
durch
Bildung
von
Sinterbrücken nachweisbar
Starke Abhängigkeit der Sinterwirkung vom
Energieeintrag. Beeinflussung durch:
• Leistung (Strahlstrom und Beschleunigungsspannung)
• Leistungsdichte (Variation der Strahlfokussierung
REM – Aufnahme einer auf FR4 gesinterten Probe
(rote Markierung: Sinterbrücken)
über Fokuslinse)
• Anzahl der Elektronenstrahlbearbeitungen
Schematische Darstellung der Clusteranlage ERICA
Erreichte Widerstandswerte über Variation des Fokusstroms
(oben) und Anzahl gleicher Behandlungszyklen (unten)
Zusammenfassung und Ausblick
Kupfertinten mit Partikelgrößen im Sub-Mikrometerbereich wurden erfolgreich synthetisiert. Die Tinte
eröffnet eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der gedruckten Elektronik (z.B. die
wurde mit Aerosoldruck auf Polymersubstraten gedruckt und mit dem speziell dafür entwickelten, selektiv
Massenfertigung von RFID-Antennen) oder im Rapid Prototyping sowie in der Kleinserienproduktion oder
auf die gedruckte Struktur wirkenden Elektronenstrahlverfahren gesintert. Die spezielle Verknüpfung aus
Reparatur von Leiterplatten. Detaillierte Untersuchungen speziell für diese Anwendungen sollen folgen.
einer preiswerten Tinte und einem Sinterverfahren, das für temperatursensible Substrate geeignet ist,
Hierbei ist auch der Einsatz anderer metallhaltiger Tinten sowie weiterer Substratmaterialien vorgesehen.
Kontakt
Gefördert aus Mitteln der
Fraunhofer-Gesellschaft
Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik,
Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP
Björn Meyer
Winterbergstraße 28
01277 Dresden, Germany
Tel.:
Fax:
+49 351 2586 133
+49 351 2586 55 133
[email protected]
www.fraunhofer.de
sowie der Europäischen Union und
des Freistaates Sachsen (Projekt-Nr. 100084883)

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