Moderne Elektronik hat in den letzten Jahren in nahezu alle Lebensbereiche des Menschen Einzug erhalten und ist eine wesentliche technologische Stütze unserer modernen Gesellschaft. Während dieses dynamischen Weiterentwicklungsprozesses der Anwendung von Elektronik blieben jedoch die Entwicklungen in deren Herstellung teilweise dahinter zurück. So ist im Bereich der gedruckten Elektronik heute noch immer das Siebdruckverfahren vorherrschend.
Diese Arbeit schlägt ein digitales Verfahren zum Druck von Elektronik, genauer von keramischen Mikrohybrid-Schaltungen, vor: Die Elektrofotografie, besser bekannt und weit verbreitet unter der Bezeichnung „Laserdruck“. Der Prozess basiert auf einem rotierenden Fotoleiter, der zunächst homogen geladen und mittels einer Lichtquelle (Laser oder LEDs) selektiv entladen wird. Dadurch entsteht ein latentes Bild, das anschließend mit Toner eingefärbt wird. Der so angeordnete Toner wird auf ein Substrat übertragen und dort anschließend fixiert.
Dabei steht jedoch der Druck leitfähiger Partikel im Konflikt zu den physikalischen Prinzipien des Prozesses, da die Tonerpartikel im elektrofotografischen Prozess isolierend sein müssen. Um dies zu erreichen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren zum Coating von Silberpartikeln mit einem Polymer entwickelt, dass im Vorfeld der eigentlichen Tonerproduktion angewandt wird. Dadurch werden diese zunächst isoliert und erlangen beim später erfolgenden Sinterprozess nach dem Verbrennen des Polymers ihre Leitfähigkeit zurück. Die so erzeugten Toner werden charakterisiert und bezüglich ihrer Eignung im elektrofotografischen Prozess evaluiert. Um diese im Druck testen zu können, werden aus dem Grafikdruck und der Mikrohybridtechnik bekannte Messmethoden bezüglich Ihrer Eignung zur Bewertung funktioneller elektrofotografisch gedruckter Strukturen untersucht.
Als Basis für elektronische Schaltungen werden Silberleiterbahnen auf Grüntape oder bereits gebrannter Keramik gedruckt, die anschließend gesintert werden. Unter Anwendung der gewonnen Erkenntnisse gelingt es, leitfähige Silberbahnen mit niedrigem Widerstand und hoher Qualität zu erzeugen.
Somit belegt diese Arbeit, dass mit der Elektrofotografie ein trockenes und lösungsmittelfreies Verfahren zum erfolgreichen Druck von Silberleiterbahnen zur Verfügung steht, das aufgrund der hohen Druckgeschwindigkeit und des hohen Potenzials bezüglich der erreichbaren Präzision eine Alternative zu den bestehenden Verfahren bietet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Thematische Hinführung
1.2 Zielsetzung und Struktur
2 Elektrofotografie und funktioneller Digitaldruck
2.1 Grundlagen der Elektrofotografie
2.1.1 Laden des Fotoleiters
2.1.2 Belichtung
2.1.3 Entwicklung
2.1.4 Transfer
2.1.5 Fixierung
2.2 Tonerdesign und -charakterisierung
2.2.1 Komponenten / Inhaltsstoffe
2.2.2 Tonerherstellung
2.2.3 Triboelektrische Aufladung
2.2.4 Charakterisierung des Toners
2.3 Anwendungsfelder des funktionalen Digitaldruckes
3 Herstellung und Charakterisierung von Silbertoner
3.1 Grundsätzliche Herausforderung und vorbereitende Studien
3.1.1 Anforderungsprofil und Problemstellung
3.1.2 Verwendete Silberpartikel
3.1.3 Tonerstudien
3.2 Modifizierter Herstellungsprozess
3.2.1 Dispergierung mit dem Dreiwalzenstuhl
3.2.2 Vertonerung
3.2.3 Beschreibung der Silbertoner
3.3 Prozessbegleitende Charakterisierung
3.3.1 Rasterelektronenmikroskop
3.3.2 Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Silberpasten
3.3.3 Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Silberpillen
3.4 Fazit
4 Evaluierung von Druckergebnissen
4.1 Bildanalyse
4.1.1 Visuelle Bewertung geometrischer Eigenschaften
4.1.2 Digitale Bildanalyse
4.2 Strukturanalyse mit dem Weißlichtinterferometer
4.3 Gravimetrische Messung
4.4 Flächenwiderstand
4.5 Fazit
5 Elektrofotografisch gedruckte Silberleiterbahnen
5.1 Beschreibung des Versuchsdruckers
5.1.1 Drucker in Konfiguration A
5.1.2 Drucker in Konfiguration B
5.2 Untersuchungen des Tonertransfers
5.2.1 Untersuchung des Transfers in Konfiguration A
5.2.2 Untersuchung transferrelevanter Eigenschaften von Grüntape
5.2.3 Untersuchung des Transfers in Konfiguration B
5.2.4 Einfluss der Druckparameter
5.2.5 Mehrfachdruck
5.2.6 Transferverbesserung durch Oberflächenbehandlung des Substrats
5.3 Verarbeitung/Sintern der Substrate
5.3.1 Postfiring
5.3.2 Cofiring
5.4 Druckergebnisse der entwickelten Silbertoner
5.4.1 Ergebnisse Toner C01
5.4.2 Ergebnisse Toner C02
5.4.3 Ergebnisse Toner C03
5.4.4 Ergebnisse Toner C04
5.4.5 Bewerteter Vergleich
5.5 Anwendungsbeispiele zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit
5.5.1 RFID-Antennen
5.5.2 Leistungsfähigkeit von Silberleiterbahnen
5.6 Fazit
6 Potenzialanalyse
6.1 Potenziale der industriellen Entwicklung
6.2 Technologische Potenziale
6.3 Anwendungspotenziale
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Literaturverzeichnis
9 Anhang
9.1 Sinterprofile
9.2 Veröffentlichungen des Verfassers
9.3 Studentische Arbeiten
9.4 Lebenslauf des Verfassers
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Machbarkeit des elektrofotografischen Drucks leitfähiger Silberstrukturen auf keramischen Substraten. Das primäre Ziel ist die Entwicklung eines Prozesses, der es ermöglicht, mit möglichst wenigen Druckvorgängen – idealerweise nur einem – vollständig leitfähige Bahnen zu drucken, die den Anforderungen der Dickschichttechnik entsprechen, wobei die Neutralisierung der elektrischen Leitfähigkeit des Silbers während des Druckvorgangs mittels Polymer-Umhüllung eine zentrale Herausforderung darstellt.
- Elektrofotografischer Druck von Silberleiterbahnen
- Entwicklung und Coating von Silbertonern
- Analyse von Tonertransfer und Sintern (Postfiring / Cofiring)
- Evaluierung der Druckqualität mittels Bildanalyse und Flächenwiderstand
- Anwendungsszenarien (z.B. RFID-Antennen)
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Anforderungsprofil und Problemstellung
Beim betrachteten Druck von Leiterbahnen als grundlegende Struktur für elektronische Schaltungen ist es essentiell, dass leitfähige Partikel (hier Silber) mittels des elektrofotografischen Prozesses auf ein Substrat aufgebracht werden. Folglich gilt es, leitfähige Partikel in einem Toner zu verarbeiten und diesen mit einem elektrofotografischen Drucker zu drucken. Diese grundlegende Bedingung stellt die größte Herausforderung dar, denn gleich zwei Umstände stehen dieser Methode entgegen.
Zum einen ist die Leitfähigkeit der Partikel kontraproduktiv beim Erzeugen der triboelektrischen Aufladung (Kapitel 2.2.3). Dabei handelt es sich um eine Oberflächenladung, deren Höhe und Polarität entscheidend für die Bewegung der Tonerpartikel durch den elektrofotografischen Prozess ist. Damit diese Ladung entsteht und auch bestehen bleibt, ist es notwendig, dass die verwendeten Oberflächen isolierend sind. Diese Bedingung ist bei den in der konventionellen EP üblichen Materialen gegeben (Kapitel 2.2.1), insbesondere bei Polymeren, aus denen ein farbpigmentierter Tonerpartikel hauptsächlich besteht. Werden nun leitfähige Silberpartikel anstelle von Farbpigmenten oder Polymer in den Toner eingearbeitet, fließt die Oberflächenladung der Partikel zumindest teilweise über das Silber ab, sobald sich leitfähige Ketten bilden. Es kommt entweder zu einer Erdung über das Druckergehäuse oder die Ladung fließt direkt auf die Oberfläche der gesamten Tonermasse im Entwickler. Das genaue Verhalten ist nicht erforscht, aber prinzipiell ist es nicht möglich, eine ausreichende, homogene und für den Prozess nutzbare Ladung der Tonerpartikel zu erzeugen [Büttner 11c].
Ein zweites Problemfeld ergibt sich aus den zwischen den einzelnen Elementen des Druckers anliegenden Spannungen (Kapitel 2.1). Insbesondere zwischen Entwicklerstation und OPC entstehen schnell Kurzschlüsse, sobald es zu einer Aneinanderreihung von leitfähigen Partikeln zwischen den Stationen kommt. Dies führt sowohl zu einer Zerstörung des Fotoleiters an der betroffenen Stelle, als auch zu einem Ausfall der Druckerelektronik. Letzeres bewirkt einen Zusammenbruch des Prozesses und ist unbedingt zu vermeiden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung thematisiert die Diskrepanz zwischen moderner Elektronik und veralteten Fertigungsmethoden und setzt das Ziel, mittels Elektrofotografie eine effiziente, digitale Alternative für den Druck leitfähiger Silberstrukturen zu etablieren.
2 Elektrofotografie und funktioneller Digitaldruck: In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen der Elektrofotografie sowie die Tonerherstellung erläutert und der Stand der Technik für den funktionellen Digitaldruck zusammengefasst.
3 Herstellung und Charakterisierung von Silbertoner: Es werden die Herausforderungen bei der Verarbeitung leitfähiger Silberpartikel im Toner beschrieben sowie eine Methode zur mechanischen Dispergierung und Polymer-Umhüllung (Coating) im Dreiwalzenstuhl vorgestellt.
4 Evaluierung von Druckergebnissen: Dieses Kapitel stellt verschiedene Messmethoden zur Untersuchung der gedruckten Strukturen vor, darunter optische Analysen und die Messung von Flächenwiderständen, und bewertet deren Eignung.
5 Elektrofotografisch gedruckte Silberleiterbahnen: Hier werden die Ergebnisse des Druckprozesses unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen, Toner und Sinterverfahren dargestellt, inklusive Analysen zum Tonertransfer und zu Anwendungsbeispielen wie RFID-Antennen.
6 Potenzialanalyse: Auf Basis der Forschungsergebnisse werden die Potenziale für die industrielle Weiterentwicklung analysiert und mögliche Anwendungsgebiete für den digitalen Druck leitfähiger Elemente außerhalb der klassischen Dickschichttechnik diskutiert.
7 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Zusammenfassung rekapituliert die erfolgreiche Machbarkeit des direkten Silberdrucks mittels modifizierter Toner-Coating-Verfahren und identifiziert den weiteren Forschungsbedarf für zukünftige industrielle Anwendungen.
Schlüsselwörter
Elektrofotografie, Digitaldruck, Silbertoner, Dickschichttechnik, Silberleiterbahnen, Toner-Coating, Dreiwalzenstuhl, Triboelektrische Aufladung, Postfiring, Cofiring, RFID-Antennen, Leiterbahnen, Funktioneller Druck, Mikrohybride
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Dissertation grundsätzlich?
Die Arbeit erforscht die Nutzung des elektrofotografischen Druckverfahrens („Laserdruck“) als technologische Alternative für die Herstellung von gedruckten elektronischen Schaltungen, insbesondere Silberleiterbahnen auf keramischen Trägern.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Felder sind die Modifikation elektrofotografischer Toner durch die Einarbeitung von Silberpartikeln, das Coating dieser Partikel zur elektrischen Isolierung sowie die Optimierung der Transfer- und Sinterprozesse auf keramischen Substraten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist der Nachweis der Machbarkeit, leitfähige Silberstrukturen mittels Elektrofotografie direkt zu drucken, wobei der Prozess durch eine Polymer-Umhüllung der Partikel so angepasst werden muss, dass er auch mit leitfähigen Stoffen funktioniert.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, bei denen verschiedene Toner-Formulierungen mittels eines Dreiwalzenstuhls hergestellt, elektrofotografisch gedruckt, mittels Sinterverfahren verarbeitet und anschließend durch optische sowie elektrische Messmethoden evaluiert werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Entwicklung spezieller Silbertoner, die Evaluierung von verschiedenen Druckkonfigurationen zur Verbesserung des Tonertransfers und die Untersuchung der Eigenschaften der gedruckten Leiterbahnen nach Sinterprozessen wie Postfiring und Cofiring.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Elektrofotografie, Silbertoner, Dickschichttechnik, Toner-Coating, RFID-Antennen und den Postfiring-/Cofiring-Prozess definiert.
Warum ist die Leitfähigkeit von Silber ein Problem für den Elektrofotografie-Prozess?
Der elektrofotografische Prozess basiert auf elektrischen Feldern und erfordert isolierende Tonerpartikel, um eine definierte triboelektrische Aufladung zu gewährleisten; leitfähige Silberpartikel würden die Ladung vorzeitig ableiten und Kurzschlüsse verursachen.
Welche Rolle spielt das Coating der Partikel in der Arbeit?
Das Coating der Silberpartikel mit Polymer ist entscheidend, um die elektrische Leitfähigkeit der Partikel während des Druckprozesses zu maskieren und sie dadurch erst elektrofotografisch handhabbar zu machen, bevor sie beim Sintern wieder freigelegt werden.
Welchen Einfluss haben verschiedene Sinterverfahren wie Postfiring und Cofiring?
Postfiring auf bereits gebrannten Keramiken erweist sich als prozesssicher, während das Cofiring zusammen mit Grüntapes mechanische Spannungen erzeugt, die zu Rissen in den Leiterbahnen führen können.
- Arbeit zitieren
- Dustin Büttner (Autor:in), 2012, Elektrofotografischer Druck von leitfähigen Dickschichtstrukturen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/212197
