Die digitale additive Fertigung von Elektronik hat enormes Potential zur Lösung gegenwärtiger und zukünftiger technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen. Dabei stellt der Inkjetdruck nur eine von mehreren Alternativen zu dem in der Industrie weit verbreiteten Siebdruckverfahren dar. Ihn kennzeichnen seine hohe Flexibilität aufgrund der fehlenden Notwendigkeit physischer Masken sowie die Berührungslosigkeit des Materialauftrages. Weiterhin ist speziell der Inkjetdruck sehr flexibel in der Wahl der einsetzbaren Werkstoffe und benötigt einen vergleichsweise wenig aufwendigen Maschinenpark. Außerdem sind die Druckmuster geometrisch voll diskretisiert, was die Möglichkeiten der Modellierung und der Datenverarbeitung enorm erleichtert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Fertigung passiver elektronischer Dickschichtbauelemente im Inkjet-Verfahren. Schwerpunkt ist dabei die Erweiterung der Funktionalitäten der Bauelemente über das im Siebdruck Umsetzbare hinaus. Besonders die vertikale Integration von Bauelementen und die in situ Verarbeitung verschiedener Werkstoffe stehen hier im Vordergrund. Zur Umsetzung dieser Funktionen stellen auch die Regelung des Druckprozesses und die Rheologie der verwendeten Partikeltinten sowie das Sinterverhalten der erzeugten Strukturen wesentliche Voraussetzungen dar.
Schließlich wird gezeigt, dass sich mit Hilfe des Inkjetdruckes gezielte Werte für Widerstände durch in situ Mischung erreichen lassen und eine vertikale Integration von RC-Gliedern möglich ist.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Siebdruck
2.2 Direct-Write elektronischer Bauelemente
2.2.1 Tintenbasierte Verfahren
2.2.2 Thermische Verfahren
2.2.3 Verfahrenskombinationen
2.3 Inkjetfertigung elektronischer Baulelemente
2.3.1 Drucktechnik
2.3.2 Inkjetgefertigte Strukturen
3 Prozessregelung
3.1 Anlagenentwurf
3.1.1 Einflussgrößen
3.1.2 Interdependenzen
3.1.3 Anlagenschema
3.2 Temperaturregelung
3.2.1 Bauliche Implementierung
3.2.2 Regelung
3.2.3 Wahl des Arbeitspunktes
3.3 Druckregelung
3.3.1 Wahl der Pumpen
3.3.2 Zulaufdruck
3.3.3 Ablaufdruck
3.4 Trocknungsumgebung
3.5 Ansatz zur Druckkopfidentifikation
3.5.1 Systemidentifikation
3.5.2 Anwendungsbedingte Anforderungen
3.5.3 Existierende Verfahren
3.5.4 Ableitung eines neuen Verfahrens
3.5.5 Quantifizierbare Tiefpassfilterung
3.5.6 Iterative Berechnung
3.5.7 Identifikation mit Prozessdaten
4 Druckprozess
4.1 Substratbeschichtung
4.1.1 Spincoating
4.1.2 Prozessparameter
4.2 Tintenherstellung
4.2.1 Herstellung der Paste
4.2.2 Herstellung von Tinten
4.2.3 Silbertinten
4.3 Einsatz mehrerer Druckköpfe
4.4 Druckmustererstellung
4.4.1 Anzahl der Schichten
4.4.2 Kompensation von Düsenfehlern
4.4.3 Positionierung der Bauteile
4.5 Prozessüberwachung
4.5.1 Tropfenmasse und Feststoffanteil
4.5.2 Streuung von Tropfengröße und -position
4.5.3 Sedimentierende Tinten
4.6 Sintern
4.6.1 Einfluss auf die Bauteilgeometrie
4.6.2 Pyrolyse der Additive
4.6.3 Sinterprofile
5 In situ gemischte Widerstände
5.1 Theoretische Modellierung
5.1.1 Leitwerte
5.1.2 Parallelschaltung
5.1.3 Virtuelle Tinten
5.1.4 Statistische Auswertung
5.2 Fertigung der Widerstände
5.2.1 Düsenausfälle
5.2.2 Versuchsaufbau
5.2.3 Virtuelle Tinten
5.2.4 Temperaturabhängigkeit
5.2.5 Parallelschaltung
5.2.6 Drucken definierter Leitwerte
6 Mehrlagige Kondensatoren
6.1 Versuchsaufbau
6.1.1 Geometrische Randbedingungen
6.1.2 Kondensatorentwurf
6.2 Theoretische Modellierung
6.3 Ergebnisse
6.3.1 Einfacher Plattenkondensator
6.3.2 Modifiziertes Design
6.4 Übertragbarkeit auf induktive Bauelemente
6.4.1 Modellierung
6.4.2 Vermessung
6.4.3 Fertigung
7 Vertikal integrierte RC-Glieder
7.1 Zielsetzung
7.2 Exemplarische Umsetzung
7.2.1 Prozessstabilität
7.2.2 Trocknung
7.2.3 Oberflächenadhäsion
7.2.4 Sinterverhalten
7.2.5 Elektrische Eigenschaften
7.3 Perspektive
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Umsetzung erweiterter Funktionalitäten für Dickschicht-Bauelemente mittels Inkjet-Technologie. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie durch den Einsatz industrieller Drucktechnik und gezielte Prozessregelungen passive Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren und vertikal integrierte RC-Glieder gefertigt werden können, die über das reine Reproduzieren bisheriger Verfahren hinausgehen.
- Methodische Optimierung der Prozessstabilität und Regelung von Druckparametern.
- Entwicklung von Verfahren zur in situ Mischung von Funktionsmaterialien.
- Vertikale Integration passiver Bauelemente zur Erhöhung der Integrationsdichte.
- Analyse des Sinterverhaltens und der mechanischen Eigenschaften bei der Verwendung von Silber und Bariumtitanat.
- Realisierung und Evaluierung von komplexen Bauelementstrukturen wie mehrlagigen Kondensatoren und RC-Gliedern.
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Einflussgrößen
Die bereits erwähnte Modellierung des Tropfenbildungsprozesses führt zu einer Reihe von Fluideigenschaften, die die Tropfenbildung beeinflussen. Dies lässt sich anhand der Beschreibung des Tropfenbildungsprozesses nach Cibis veranschaulichen [Cibis2007]. Alle beschriebenen energetischen Umformungen sind verlustbehaftet. Aus diesen Verlusten resultiert die Entstehung von Abwärme.
Die elektrische Energie der Steuersignale wird durch den Piezokristall in mechanische Energie umgewandelt. Die Bewegung des Piezokristalls wiederum regt damit mechanisch das Fluid an. Von dessen Kompressibilität κS hängt ab, inwieweit diese Anregung zu Druckänderungen oder Volumenverdrängung führt. Wesentliche Einflussfaktoren für das Schwingen des angeregten Fluides in der Düse sind neben deren geometrischen Eigenschaften die Schallgeschwindigkeit cS und die Dichte ρ. Im schwingenden Fluid findet ein abwechselnder Energiewandel zwischen kinetischer und potentieller Energie statt. Löst sich ein Tropfen, so findet dieser Zustand zum Zeitpunkt der höchsten Amplitude der mitschwingenden Grenzfläche des Fluides an der Düsenöffnung statt. Damit liegt zu diesem Zeitpunkt fast ausschließlich potentielle Energie vor. In Abhängigkeit der Viskosität η, der Oberflächenspannung σA, des statischen Druckes ps und der Dichte bildet sich ein Tropfen, in dem die Energie auf die kinetische Energie des Tropfen und dessen Oberflächenenergie verteilt ist.
Neben diesen sich aus der physikalischen Modellierung der Tropfenbildung ergebenden Prozessgrößen gibt es noch weitere Randbedingungen, die eine Prozessgrößenregelung notwendig machen. Der verwendete Druckkopf, ein Xaar HSS 1001, soll laut Hersteller mit festen Werten für Viskosität und Zulaufdruck sowie in einem begrenzten Wertebereich für den Ablaufdruck betrieben werden (Tabelle 3.1).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet die Rolle der additiven digitalen Fertigung als Schlüsseltechnologie für die Elektronik des 21. Jahrhunderts und definiert die Zielsetzung der Arbeit hinsichtlich Langlebigkeit, Flexibilität und Ressourceneffizienz.
2 Stand der Technik: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über etablierte Fertigungsverfahren, insbesondere den Siebdruck, und stellt Direct-Write-Technologien sowie die spezifischen Anforderungen der Inkjet-Elektronikfertigung vor.
3 Prozessregelung: Der Fokus liegt hier auf der Identifikation und Konstantmachung relevanter Prozessgrößen durch ein neu entwickeltes Tintenmanagementsystem, inklusive der Temperatur- und Druckregelung sowie einem Ansatz zur Druckkopfidentifikation.
4 Druckprozess: Dieses Kapitel beschreibt die essenziellen Fertigungsschritte, von der Substratbeschichtung und Tintenherstellung bis hin zur Prozessüberwachung und dem Sintern der Bauelemente.
5 In situ gemischte Widerstände: Hier wird die Modellierung und Fertigung von Widerständen mittels in situ Mischung behandelt, wobei virtuelle Tinten zur Verbesserung der Auflösung eingeführt werden.
6 Mehrlagige Kondensatoren: Dieses Kapitel untersucht die Entwicklung und Fertigung mehrlagiger Kondensatoren, deren Kapazität durch Stapelung erhöht wird, und diskutiert die physikalischen Herausforderungen.
7 Vertikal integrierte RC-Glieder: Diese Zusammenführung bisheriger Konzepte zeigt die Fertigung komplexer RC-Glieder, die auf kleinstem Raum für Hoch- oder Tiefpassanwendungen realisiert werden.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Der abschließende Teil fasst die erreichten Ergebnisse zusammen und skizziert künftige Entwicklungsbedarfe zur Automatisierung und Stabilitätssicherung in der Inkjet-Fertigung.
Schlüsselwörter
Inkjetfertigung, Elektronik, additive Fertigung, Direct-Write, Prozessregelung, Viskosität, Sinterverhalten, Kondensatoren, Widerstände, RC-Glieder, Systemidentifikation, Materialwissenschaft, Prozessstabilität, Tinte.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Funktionalität von Dickschicht-Bauelementen durch den Einsatz der Inkjet-Technologie, um eine flexiblere und präzisere Elektronikfertigung zu ermöglichen.
Welche sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Felder sind die Prozessregelung, die Materialeigenschaften von Tinten, die additive Fertigung von passiven elektronischen Bauelementen und die Systemmodellierung zur Prozessoptimierung.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage dieser Arbeit?
Das Ziel ist es, über das bloße Reproduzieren hinaus Bauelemente mit Eigenschaften zu versehen, die mit konventionellen Verfahren nicht umsetzbar sind, und dabei eine robuste, prozessstabile Fertigung zu etablieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es werden modellbasierte Ansätze für die Prozessregelung (Regelkreise), physikalische Modellierungen zur Beschreibung von Stoffeigenschaften (Raman-Gleichung) und Methoden der algorithmischen Geometrie (Bowyer-Watson-Algorithmus) zur Systemidentifikation genutzt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Implementierung der Prozessregelung, die Optimierung des Fertigungsprozesses und die praktische Anwendung auf Widerstände, Kondensatoren sowie vertikal integrierte RC-Glieder.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Inkjetfertigung, Prozessstabilität, in situ Mischung, Systemidentifikation und additive Fertigung charakterisiert.
Wie unterscheidet sich der Inkjetdruck vom traditionellen Siebdruck bei dieser Anwendung?
Im Gegensatz zum Siebdruck erfordert der Inkjetdruck keine physischen Masken, ist hochgradig flexibel für Individualisierungen (Mass Customization) und ermöglicht den gezielten, digitalen Materialauftrag für komplexe 3D-Strukturen.
Warum spielt die Temperaturregelung eine so entscheidende Rolle für den Druckprozess?
Die Viskosität der verwendeten Tinten ist stark temperaturabhängig. Da die Tropfenbildung präzise von der Viskosität abhängt, ist eine exakte Temperaturregelung notwendig, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Was bedeutet das Konzept der "virtuellen Tinten"?
Virtuelle Tinten sind definierte Mischverhältnisse zweier unterschiedlicher Basistinten. Sie erlauben eine deutlich feinere Abstufung der elektrischen Eigenschaften der Bauelemente, ohne dass für jeden Wert eine neue Tinte physikalisch hergestellt werden muss.
- Citar trabajo
- Dietrich Jeschke (Autor), 2013, Erweiterte Funktionalität von Dickschicht-Bauelementen durch Einsatz der Inkjet-Technologie, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/273240
