Mikrostrukturen mit Nanopasten

Neuer Siebdruckprozess druckt feinste Strukturen mit hoher Schichtdicke
 Optimiert für den neuen, weggesteuerten Druckprozess: Druckerlinie SP900-S von Essemtec. (PresseBox) (Landshut, ) Linien mit 50 µm Breite können heute im Siebdruckprozess hergestellt werden, dies dank Nanopasten und einem neuen Druckprozess. Damit übertrifft der Siebdrucker SP900-S von Essemtec die Möglichkeiten von teuren Offset- oder Flexo-Druckern, denn Siebdruck ist günstig, flexibel und erlaubt den Aufbau sehr hoher Schichtdicken.

OLEDs, Organische FETs, organische Batterien, Plasma-Displays oder Brennstoffzellen: Diese Produkte benötigen für die Herstellung mehrschichtige Hochpräzisions-Druckprozesse. Bisher waren die Anwendungen durch jedoch durch die Druckverfahren begrenzt, mit denen nur dünne Schichten herstellbar waren. Dies ändert sich nun: Mit Nanopasten und einem neuartigen Druckprozess sind Mikrostrukturen nun auch im günstigen Siebdruck herstellbar, die sich in mehreren Lagen zu hohe Dicken aufbauen lassen.

„Der Siebdruck dringt in ganz neue Bereiche vor“, sagt Joachim Biegel, der verantwortliche Produktmanager bei Essemtec AG. Er hat Prozess und Maschine im letzten Jahr entwickelt, in enger Zusammenarbeit mit dem PV-Lab der EPFL Neuchâtel. Das PV-Lab (Photovoltaics and thin film electronics laboratory) erforscht und entwickelt Heterojunction-Solarzellen, die mit dem neuen Druckverfahren nun mehrere Prozent wirkungsvoller sind als andere. Diese Entwicklung aus der Solartechnik bringt nun auch neuen Wind in die Dickschicht-Technologie.

50-µm-Strukturen mit 40 µm Schichtdicke

Industriestandard beim Sieb- und Schablonendruck waren bisher Leiterbahnen mit einer Breite von 100 bis 150 µm und einer Höhe von etwa 12 µm. Mit den Drucker SP900-S von Essemtec können nun Strukturen gedruckt werden , die eine Breite von 50 µm und eine Höhe von 40 µm oder mehr haben. Dank dieser Maschine gehören die Heterojunction-Solarzellen des PV-Lab Neuchâtel heute zu den Besten weltweit und zu den viel versprechendsten Zukunftstechnologien.

Der Wirkungsgrad und die Funktionalität vieler Produkte hängt von optimalen Gestaltung der Leiterbahnen ab, so auch bei der Solarzelle. Dort heissen sie Busbars und Fingers, und sie sollen so schmal wie möglich sein, um möglichst wenig Zellenfläche zu bedecken. Sie sollen aber auch einen grossen Querschnitt haben, damit der Innenwiderstand der Zelle gering bleibt.

Mit dem Drucker SP900-S können die Solarzellenbauer das Verhältnis von Leiterbahn-Höhe zur Breite auf die Spitze treiben. Mit keiner anderen Druckmaschine lassen sich so hohe Schichtdicken erzeugen und so grosse Leitungsquerschnitte erzeugen. Doch nicht nur in der Solarindustrie bringt diese Technik Vorteile. Auch andere Produkte benötigen dünne Leiterbahnen mit hohem Leitungsquerschnitt.

Mehrschichtiger Siebdruck

Schmale, hohe Leiterbahnen werden in einzelnen Schichten übereinander gedruckt, bis die gewünschte Höhe erreicht ist. Die Idee ist nicht neu, aber niemand konnte bisher so feine Strukturen so präzise übereinander positionieren. Nur mit dem SP900-S von Essemtec ist dies heute möglich. Dafür gingen die Entwickler neue Wege beim Druckprozess und sie entwickelten neue Vision-, Antriebs- und Dämpfungssysteme, die den Anforderungen gewachsen waren.

„Es ähnlich wie beim Zeitungsdruck“, sagt Joachim Biegel. Beim Vierfarbendruck müssen die einzelnen Farben auch exakt zueinander liegen, sonst verursacht eine Titelstory nur Kopfschmerzen. Eine Druckmaschine nutzt sogenannte Passermarken, um die Farben auszurichten. Doch genau da liegt Unterschied: Auf vielen Elektronik-Produkten ist kein Platz für solche Marken.

Deshalb muss sich der SP900-S an Strukturen auf dem Substrat selbst orientieren. Beim Ersten Druck sind dies vor allem die Kanten und Ecken. Beim Drucken einer weiteren Lage muss das Sieb auf die bereits gedruckten Strukturen ausgerichtet werden. Das Vision-System des SP900-S kann beides. Sieb und Substrat werden mit einer Genauigkeit von ±8 µm zueinander positioniert. Ein hervorragender Wert.

Von der Kraftsteuerung zur Wegregelung

Hohe Leiterbahnen werden wie oben beschrieben in mehreren Lagen gedruckt. Früher versuchte man dies mit der Technik der „reduzierten Blende“. Man verwendete für die obere Lage ein Sieb mit kleineren Blenden, die beim Druck auf den bereits bestehenden Strukturen auflagen. Lokal kam es dabei aber immer wieder zu Ausquetschungen, die seitlich an der bestehenden Struktur herunter liefen. Zudem war die Herstellung von zwei verschiedenen Sieben teuer.

Der neue Prozess von Essemtec nutzt das gleich Sieb für die erste und die zweite Schicht. Für den zweiten Druck wird das Sieb um einige Mikrometer nach oben verschoben (oder das Substrat nach unten, je nachdem). Der Druckkopf regelt nicht mehr wie früher auf einen vorgegebenen Rakeldruck rsp. eine Aufpresskraft, sondern auf eine genau definierte Wegstrecke in der Vertikale.

Auf diese Weise ist der Abstand zwischen Sieb und Substrat mikrometergenau regelbar. Es gibt keine seitlichen Ausquetschungen mehr und die Schichtdicke ist kontrollierbar. Natürlich erfordert dieser Prozess eine perfekte Planparallelität von Rakel, Sieb und Substrat, und er stellt auch besondere Anforderungen an den Vertikalantrieb des Druckkopfes. Normale Drucker sind dafür nicht geeignet, der SP900-S jedoch wurde dahingehend optimiert.

Rakel brauchen Stütze

Die Vertikalachse des SP900-Druckkopfes ist mit einem kraftvollen aber hoch auflösenden Schrittmotorantrieb ausgerüstet mit dem sich die Rakelhöhe auf auf wenige Mikrometer genau regeln lässt. Ebenso kann auch der Drucktisch, auf dem das Substrat fixiert ist, exakt auf Höhe gefahren werden. Das einzig Ungenaue sind die Rakel, aber auch dieses Problem haben die Ingenieure lösen können.

Normalerweise haben Siebdruck-Rakel grosse Toleranzen was die Verformung unter Druck angeht. Diese Toleranzen machen selbst die genauste Regelung zunichte. Deshalb wurden die sogenannte Backbone-Rakel entwickelt. Sie funktionieren so: Eine massive Stütze schränkt die Rakel-Verformung so ein, dass nur die vorderste Rakelkante noch die Elastizität behält, die für den Siebdruck benötigt wird.

Präzision ist Alles

Der SP900-S ist besonders robust konstruiert und verfügt über auch über ein spezielles Dämpfungssystem, welches den Drucktisch vom Äusseren Rahmen schwingungstechnisch entkoppelt. Die Druckgenauigkeit von wenigen Mikrometern erforderte auch hier aussergewöhnliche Lösungen von den Maschinenkonstrukteuren.

Zusammen mit dem PV-Lab wurden auch verschiedenste Materialien auf Ihre Prozessfähigkeit hin untersucht, so auch die Drucksiebe. Zum Druck von 50-µm-Strukturen braucht es Gewebe, die sehr feinmaschig sind und die sich unter Druck nicht verformen. Aktuell hat man mit dem Vecry-Gewebe die besten Erfolge. Dieses Spezialgewebe vereint Vorteile von Edelstahl und synthetischen Fasern.

Ausblick

Die einzigartig schmalen und hohen Leiterbahnen auf den Solarzellen haben nicht nur die Forscher am PV-Lab einen grossen Schritt weiter gebracht. Mit dem SP900-S steht der Industrie jetzt eine Maschine zur Verfügung, die in der Praxis entwickelt worden ist. Sie zeichnet sich durch die kompakte Bauweise mit kleiner Standfläche aus, die einfache Bedienung, die hohe Flexibilität und die niedrigen Wartungskosten. Sie eignet sich hervorragend für den Einsatz in Pilotlinien, Labors und Kleinserien-Produktionen.

Bereits arbeitet man am nächsten Schritt und zielt auf eine weitere Halbierung der Strukturbreite auf 25 µm. Damit werden Produkte möglich, die bisher nur mit Offset- oder Gravur-Druck hergestellt werden konnten. Im Unterschied zu diesen Techniken sind mit dem Siebdruck aber grössere Schichtdicken möglich. Der Siebdruck ist flexibler und ist auch bei kleinen Serien kostengünstig.

Kontakt

Cluster Mikrosystemtechnik
Am Lurzenhof 1
D-84036 Landshut
Florian Schildein
Essemtec AG
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