Schema des elektronenstrahlbasierten Sinterprozesses mit Strahlablenkung entlang der gedruckten Struktur.
Fraunhofer FEP
Die Elektronik der Zukunft wird gedruckt. Weil bisherige Verfahren noch zu teuer sind, wollen Forscher mit einem lokal selektiven Elektronenstrahl-Sinterverfahren günstig leitfähige Strukturen auf Polymersubstraten herstellen.
Flexible Schaltkreise, flexible OLED sowie RFID-Antennen. Mehr Zutaten benötigt es nicht, um etwa biegsame Elektronik für fortschrittliche Anwendungen zu fertigen. Damit aber lässt sich ein Multimilliarden-Markt bedienen, wie die Springer-Autoren der acatech-Ausgabe „Organische Elektronik in Deutschland“ wissen. So schreiben sie: „Die Organische Elektronik ist eine Zukunftstechnologie, die ein globales Marktvolumen von mehreren hundert Milliarden Euro verspricht. Beleuchtung, Displays, Photovoltaik, gedruckte Elektronik, Sensoren und Batterien sind tatsächliche bzw. geplante Anwendungsfelder“.
Doch die schnelle und preiswerte Herstellung leitfähiger Bahnen auf temperatursensiblen Substraten bereitet noch große Probleme. In der Regel werden nämlich teure Silbertinten verdruckt, die Partikelgrößen im Nanometerbereich besitzen. Mit Nanopartikeln ist es möglich, beim nachfolgenden Sintervorgang bereits mit niedrigen Temperaturen von circa 200 °C eine ausreichend gute elektrische Leitfähigkeit der gedruckten Struktur zu erreichen. Dies erlaubt die Benutzung üblicher Polymerträgermaterialien. Die hohen Kosten der Silbertinte aber, stehen einer breiten Nutzung für Massenanwendungen im Wege.
Leitfähige Bahnen mit preiswerter Kupfertinte drucken
Nun aber gelang einem Forscherteam am Fraunhofer FEP die Herstellung von leitfähigen Bahnen mit einer preiswerteren, kupferbasierten Tinte mit Partikelgrößen bis in den Mikrometerbereich. Die Tinte wurde mit Aerosoldruck auf Polymersubstraten gedruckt und mit dem speziell dafür entwickelten, selektiv auf die gedruckte Struktur wirkenden Elektronenstrahlverfahren gesintert. Dabei wurde sowohl die Reduzierung des Leitbahnwiderstandes durch die Elektronenstrahlbehandlung von etwa 100 kΩ auf ≈ 1 Ω (entspricht bei gegebener Leitbahngeometrie ≈ 1•10-4 Ω cm) erreicht, als auch die Sinterwirkung durch Bildung von Sinterbrücken nachgewiesen.
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Björn Meyer, der das Projekt betreut, hebt folgende Vorteile des Verfahrens hervor: „Die Eindringtiefe und die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahlprozesses kann angepasst werden. Auch Temperaturprofile können gezielt eingestellt werden.“ Es handelt sich also um ein flexibles Verfahren. Die spezielle Verknüpfung aus einer preiswerten Tinte und einem Sinterverfahren, das für temperatursensible Substrate geeignet ist, eröffnet eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der gedruckten Elektronik (etwa die Massenfertigung von RFID-Antennen), im Rapid Prototyping sowie in der Kleinserienproduktion oder Reparatur von Leiterplatten.