AT518578A1

AT518578A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes

Info

Publication number: AT518578A1
Application number: ATA50385/2016A
Authority: AT
Original assignee: Profactor Gmbh
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-15
Also published as: EP3449705A2; AT518578B1; WO2017185119A3; WO2017185119A2

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes (13) auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers (6), wobei die Oberfläche des Trägers (6) die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofffrei verbleibende Restbereiche umfasst. Hierbei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Druckereinheit (3) für einen fließfähigen und aushärtbaren Trägerwerkstoff zur Anfertigung eines Trägers (6) und/oder einer Tragstruktur (16) auf dem Träger (6) vorgesehen ist, eine Maskierungseinheit (4) zum schichtweisen Aufbau einer Abdeckung (12) aus mehreren Schichten (S) eines Hilfswerkstoffes (9) auf den Restbereichen vorgesehen ist, sowie eine Beschichtungseinheit (5) zur Formung eines gegen die Oberfläche des Trägers (6) gerichteten und den Beschichtungswerkstoff (13) enthaltenden Partikelstromes (10), und eine Entfernungseinheit (15) zur Entfernung des Hilfswerkstoffes (9) unter Verbleib des Trägerwerkstoffes und des Beschichtungswerkstoffes (13), wobei eine Transporteinheit (8) für den Transport des Trägers (6) von der Druckereinheit (3) zur Maskierungseinheit (4), der Beschichtungseinheit (5) und der Entfernungseinheit (15) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers, wobei die Oberfläche des Trägers die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofffrei verbleibende Restbereiche umfasst, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers, wobei die Oberfläche des Trägers die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofffrei verbleibende Restbereiche umfasst, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.

In einer Vielzahl von Anwendungen muss ein Beschichtungswerkstoff zielgerichtet, also auf ausgewählte Bereiche eines Trägers, auf einem Träger aufgetragen werden, um dem Träger besondere Eigenschaften zu verleihen. Ein Beispiel ist etwa die Bildung von Leiterbahnen auf dem Träger mithilfe des Auftragens eines elektrisch leitfähigen Beschichtungswerkstoffes. Bei anderen Anwendungen sollen einem Träger gezielt thermisch oder elektrisch isolierende, halbleitende, optische, haptische oder chemische Oberflächeneigenschaften verliehen werden.

Herkömmliche Verfahren zur gezielten Herstellung von Strukturen mit bestimmten Eigenschaften auf der Oberfläche eines Trägers werden je nach Materialabtrag oder -auftrag als subtraktive oder additive Prozesse bezeichnet. Bei subtraktiven Prozessen wird zur Herstellung von Strukturen das vorhandene Material abgetragen. Dies geschieht meist mechanisch, optisch oder chemisch. Insbesondere Leiterbahnen werden konventionell mittels eines fotochemischen Prozesses gefertigt. Diese Methode hat sich in der Massenproduktion gegenüber anderen Techniken durchgesetzt.

Verschiedene alternative Prozesse, die eine erhöhte Flexibilität in der Produktion insbesondere von Leiterbahnen in der Bauteilkonstruktion zulassen, werden für die Industrie immer wichtiger. Hierbei werden Beschichtungswerkstoffe mit spezifischen Eigenschaften, insbesondere elektrisch leitfähige Leiterbahnen, mittels geeigneter Tinten Schichtförmig auf Zielbereiche eines Trägers aufgetragen. Diese Verfahren sind insbesondere unter der Bezeichnung 3D-Druck bekannt. Leitfähige Tinten etwa basieren auf einer Dispersion von metallischen Partikeln, zumeist Silber- oder Kupferpartikel, in einer lösungsmittelhalten, UV-härtenden Kunststoffmatrix. Nach der Verflüchtigung des Lösungsmittels verbleibt die Kunststoffmatrix mit den metallischen Partikeln als Leiterbahn. Dabei wird in der Regel ein Sinterverfahren angewendet, wodurch der Bauteil thermisch belastet wird. Zudem weist dieses Verfahren insbesondere den Nachteil auf, dass der mit der Verflüchtigung des Lösungsmittels verbundene Materialschrumpf zu einer Beeinträchtigung der Eigenschaften der so gebildeten Leiterbahn führen kann. Zudem weisen etwa die oben erwähnten leitfähigen Tinten nur eine begrenzte Haftbarkeit auf dem Träger auf, was deren praktische Einsatzfähigkeit begrenzt. Hierbei zeigt sich auch ein grundsätzliches Problem dieser Verfahren, dass nämlich das gezielte Aufträgen eines Beschichtungswerkstoffes etwa über 3D-Druckverfahren Ansprüche an den Beschichtungswerkstoff etwa hinsichtlich seiner Fließfähigkeit - stellt, die sich mit den nach dem Auftrag geforderten funktionalen Eigenschaften des Beschichtungswerkstoffes mitunter schwer vereinbaren lassen.

Ein besonders aufwändiger Prozess zum Herstellen einer leitfähigen Oberfläche ist jener der spritzgegossenen Schaltungsträger (Molded Interconnect Devices; MID) . Hierbei werden nichtleitende, laseraktivierbare Metall-Verbindungen als Additiv einem thermoplastischen Kunststoff zugesetzt und nach dem Spritzgussvorgang mittels Laserstrahl aktiviert. Die Herstellung von spritzgegossenen Kunststoffbauteilen mit aufgebrachten Leiterbahnen wird erzielt, indem in einem stromlosen Kupferbad konturenscharf auf den laseraktivierten leitfähigen Teilflächen metallisiert wird. Dieser Vorgang ist jedoch aufwändig und daher zeit- und kostenintensiv.

Zudem ermöglichen bekannte Verfahren kaum oder nur unter großem Zeit- und Kostenaufwand die Herstellung von definierten dreidimensionalen Strukturen eines Beschichtungswerkstoffes auf Trägeroberflächen, etwa die Herstellung von Leiterbahnen mit dreidimensionalen Verlaufsgeometrien. Außerdem unterliegt die Anwendbarkeit bekannter Verfahren auch großen Einschränkungen hinsichtlich der Bauteilgeometrie.

Es ist daher das Ziel der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die auf einfache und kostengünstige Weise den gezielten Auftrag von Beschichtungswerkstoffen auf Zielbereichen der Oberfläche von Trägern ermöglichen, um dem Träger gezielte Eigenschaften mithilfe zwei- und dreidimensionaler Strukturen des Beschichtungswerkstoffes auf der Oberfläche des Trägers zu verleihen. Dabei soll die Anwendung von Sinterverfahren mit den damit verbundenen thermischen Belastungen und Materialschrumpf vermieden werden und die Haftbarkeit des Beschichtungswerkstoffes am Träger verbessert werden.

Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 und 11 erreicht. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers, wobei die Oberfläche des Trägers die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofffrei verbleibende Restbereiche umfasst. Hierbei wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem ersten Schritt auf den Restbereichen schichtweise eine Abdeckung aus einer Schicht oder mehreren Schichten eines Hilfswerkstoffes mit zum Träger geneigten Seitenbereichen aufgebaut wird, in einem zweiten Schritt der Beschichtungswerkstoff in Form eines gegen die Oberfläche des Trägers gerichteten Partikelstromes auf den Zielbereichen und den dem Partikelstrom ausgesetzten Bereichen der Abdeckung mit zumindest teilweise beschichtungswerkstofffrei verbleibenden

Seitenbereichen aufgetragen wird, und in einem dritten Schritt der Hilfswerkstoff mithilfe eines auf die beschichtungswerkstofffrei verbliebenen Seitenbereiche der Abdeckung wirkenden Entfernungsmittels unter Verbleib des Beschichtungswerkstoffes von der Oberfläche entfernt wird.

Erfindungsgemäß wird somit nicht der Beschichtungswerkstoff gezielt auf die Zielbereiche des Trägers aufgetragen, sondern ein Hilfswerkstoff auf die Restbereiche. Dieser Hilfswerkstoff dient der Erstellung einer Abdeckung auf den nicht zu beschichtenden Restbereichen, die auch als Maskierung bezeichnet wird. Der Hilfswerkstoff kann daher in seinen Eigenschaften so gewählt werden, dass er hinsichtlich des Auftrages und seiner nachfolgenden Entfernung optimiert ist, aber nicht hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften der zu erzielenden Beschichtung. Für den großflächigen Auftrag eines Beschichtungswerkstoffes stehen hingegen Verfahren zur Verfügung, die hinsichtlich der gewünschten Eigenschaften der Beschichtung optimiert werden können, etwa hinsichtlich der Haftbarkeit der hergestellten Struktur am Träger.

Unterschiedliche Möglichkeiten für den Auftrag eines Hilfswerkstoffes werden in weiterer Folge noch erläutert werden. An dieser Stelle sei lediglich erwähnt, dass der Auftrag in Form eines schichtweisen Aufbaus erfolgt, der abwärts geneigte Seitenbereiche zu den hilfswerkstofffrei verbleibenden Zielbereichen aufweist. Dabei wird ein dreidimensionaler Aufbau der Abdeckung aus einem Hilfswerkstoff aus den Aufbau beschreibenden 3D-Computerdaten in einer addierenden Weise aus einer Mehrzahl von gebildeten und haftenden Schichten hergestellt. Diese Schichten werden in der einschlägigen Technologie des 3D-Druckes mitunter auch als Querschnitte, Schichten der Struktur, Objektschichten, oder einfach als Schichten bezeichnet. Jede Schicht repräsentiert einen Querschnitt des gewünschten dreidimensionalen Aufbaus der Abdeckung. Diese Schichten werden gezielt aufgetragen und an einen Stapel zuvor gebildeter und aneinander anhaftender

Schichten angeklebt, angehaftet oder auf andere Weise befestigt.

In weiterer Folge wird in einem zweiten Schritt der Beschichtungswerkstoff in Form eines gegen die Oberfläche des Trägers gerichteten Partikelstromes auf den Zielbereichen und den dem Partikelstrom ausgesetzten Bereichen der Abdeckung mit zumindest teilweise beschichtungswerkstofffrei verbleibenden Seitenbereichen aufgetragen. Auch unterschiedliche Möglichkeiten zur Generierung eines solchen Partikelstromes werden in weiterer Folge noch erläutert werden. Dieser Partikelstrom enthält den Beschichtungswerkstoff und wird großflächig auf die Oberfläche des Trägers gerichtet, also ohne selektive Ablagerung auf den Zielbereichen. Der Partikelstrom weist naturgemäß jedoch eine HauptStromrichtung auf, sodass die Ablagerung des Beschichtungswerkstoffes vorrangig auf den Zielbereichen und den dem Partikelstrom ausgesetzten Bereichen der Abdeckung erfolgt. Aufgrund der abfallenden Seitenbereichen der Abdeckung werden jedoch Seitenbereiche der Abdeckung zumindest teilweise beschichtungswerkstofffrei verbleiben, nämlich jene, die dem Partikelstrom abgewandt oder ihm zumindest nicht unmittelbar ausgesetzt sind. Eine Möglichkeit besteht etwa darin die Abdeckung mit senkrecht zur Oberfläche des Trägers abfallenden Seitenbereichen herzustellen und den Partikelstrom senkrecht zur Oberfläche des Trägers gegen den Träger zu richten.

Die beschichtungswerkstofffrei verbliebenen Seitenbereiche der Abdeckung werden in einem dritten Schritt ausgenutzt, um mithilfe eines auf diese beschichtungswerkstofffrei verbliebenen Seitenbereiche der Abdeckung wirkenden Entfernungsmittels den Hilfswerkstoff unter Verbleib des Beschichtungswerkstoffes von der Oberfläche zu entfernen. Das Entfernungsmittel kann dabei einen chemischen Vorgang nutzen, etwa in Form eines Lösungsmittels für den Hilfswerkstoff, einen physikalischen Vorgang, etwa in Form eines abtragenden Laserstrahls, oder einen mechanischen Vorgang durch Fräsen oder bloßes Ablösen der Abdeckung vom Träger.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Flächen oder Bahnen mit 10 pm bis mehreren Zentimetern, üblicherweise jedoch 10-100 pm Breite und 10-100 pm Abstand.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass vor dem ersten Schritt der Träger aus mehreren Schichten eines Trägerwerkstoffes aufgebaut wird, und zwar vorzugsweise mithilfe eines Inkjet-Verfahrens, wie noch näher beschrieben werden wird. Der schichtweise Aufbau des Trägers ermöglicht die Herstellung annähernd beliebig geformter Träger hoher Komplexität.

Um zu erreichen, dass die Leiterbahnen auch dreidimensionale Verläufe aufweisen können wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass im ersten Schritt auch eine Tragstruktur auf dem Träger aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten eines Trägerwerkstoffes aufgebaut wird, wobei im dritten Schritt der Hilfswerkstoff mithilfe des Entfernungsmittels unter Verbleib des Beschichtungswerkstoffes und des Trägerwerkstoffes von der Oberfläche entfernt wird. Da die Tragstruktur nach dem Entfernen des Hilfswerkstoffes auf der Oberfläche des Trägers verbleibt, ermöglicht sie die Bildung von Stützkonstruktionen für den nachfolgend aufgetragenen Beschichtungswerkstoff und somit die Verwirklichung dreidimensionaler Verläufe des Beschichtungswerkstoffes, die sich auch von der Oberfläche des Trägers abheben können.

Der Träger selbst kann mittels subtraktiver oder additiver Verfahren hergestellt worden sein. Für den schichtweisen additiven Aufbau des Trägers und/oder der Tragstrukturen mithilfe des Trägerwerkstoffes sowie der Abdeckung auf den Restbereichen des Trägers mithilfe des Hilfswerkstoffes steht eine Vielzahl unterschiedlicher 3D-Druckverfahren zur Verfügung. Das Aufträgen des Trägerwerkstoffes kann etwa über einen Ink-Jet-Druck erfolgen. Hierbei wird zur Bildung einer Schicht des Trägers und/oder der Tragstruktur der Trägerwerkstoff beispielsweise in Form eines UV-härtenden Tintensystems tröpfchenweise aufgetragen und mittels UV-

Bestrahlung ausgehärtet. Diese Tintensysteme sind in der Regel Lösungsmittel basierte Acrylate mit elektrisch isolierendem Charakter. Nach dem Aushärten einer Schicht wird die nächste Schicht des Trägerwerkstoffes auf die zuvor gebildete Schicht aufgetragen und wiederum ausgehärtet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis ein Träger oder eine Tragstruktur aus mehreren Schichten des Trägerwerkstoffes aufgebaut wurde.

Vorzugsweise wird des Weiteren vorgeschlagen, dass die Abdeckung mithilfe eines PolyJet-Verfahren aufgebaut wird. Hierzu wird ebenfalls die Inkjet-Technologie eingesetzt, wobei von einem oder mehreren Druckkopf bzw. Druckköpfen kleine Tröpfchen des fließfähigen Hilfswerkstoffes abgegeben werden, die auf die zuvor erstellte Schicht auftreffen und erstarren. So wird schichtweise die Abdeckung aufgebaut. Mögliche Materialien für einen solchen Hilfswerkstoff sind etwa thermoplastische Kunststoffe, lösliche Polymersysteme wie beispielsweise das SUP706, oder Materialien mit geringer Haftung am Träger wie etwa Silikone oder fluorierte Tintensysteme.

Aber auch Tauchverfahren sind zur Herstellung der Tragstrukturen oder zur Aufbringung des Hilfswerkstoffes denkbar, bei denen ein lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer), zum Beispiel Acryl-, Epoxid- oder Vinylesterharz, von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet wird. Dieser Vorgang geschieht in einem Bad, das mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen Kunststoffes gefüllt ist. Nach jedem Schritt wird der Träger in die Flüssigkeit um den Betrag einer Schichtstärke abgesenkt. Der flüssige Kunststoff oberhalb des Trägers wird in weiterer Folge gleichmäßig verteilt. Danach überstreicht ein Laser die Restbereiche auf der neuen Schicht, die ausgehärtet werden soll. Nach dem Aushärten kann der Vorgang wiederholt werden, sodass schichtweise die Abdeckung aufgebaut wird.

Hinsichtlich des zweiten Verfahrensschrittes der Beschichtung wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass der Partikelstrom mithilfe eines atmosphärischen Plasmas gebildet wird. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird ein Plasmastrahl mit einem Umgebungsdruck, der in der Größenordnung des Atmosphärendrucks liegt, bezeichnet. Zur Bildung eines solchen Plasmastrahls wird ein Arbeitsgas, zumeist Luft, Stickstoff oder ein Edelgas, durch einen Kanal geführt, in dem mittels Hochspannung eine elektrische Entladung in Form einer Koronaentladung und/oder einer Bogenentladung erzeugt wird, die das Arbeitsgas ionisiert und einen Plasmastrahl im Kanal bildet. Dem Plasmastrahl kann in weiterer Folge der Beschichtungswerkstoff zugeführt werden, um den Träger entsprechend zu beschichten, auf das der mit dem Beschichtungswerkstoff vermengte Plasmastrahl gerichtet wird.

Als Beschichtungswerkstoff sind beispielsweise pulverförmige Beschichtungswerkstoffe in Form von Metallverbindungen oder Thermoplasten bekannt, die dem Plasmastrahl über einen Pulverförderer zumeist mittels eines Trägergases zugeführt werden, im Plasmastrahl aufschmelzen und im schmelzflüssigen oder teigigen Zustand durch die Volumensexpansion des Plasmastrahls beschleunigt und auf den zu beschichtenden Träger abgeschieden werden. Die Schichtdicken bewegen sich dabei vom einstelligen Mikrometerbereich bis in den Millimeterbereich. Bekannte Anwendungen sind etwa die Herstellung hochverschleißfester Schichten auf Basis von Wolframkarbid. Ferner sind flüssige Beschichtungsmaterialien bekannt, die in flüssiger Form dem Plasmastrahl zugeführt werden und auch als „Precursor" bezeichnet werden. Ein solcher Plasmastrahl eignet sich für die Bereitstellung des erfindungsgemäß vorgesehenen Partikelstromes des Beschichtungswerkstoffes, da der Beschichtungswerkstoff auf diese Weise gezielt auf die Oberfläche des Trägers gerichtet werden kann und insbesondere die funktionalen Eigenschaften der Beschichtung homogen und kontrollierbar gestaltet werden können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines atmosphärischen Plasmaverfahrens besteht darin, dass die Haftung etwa von Leiterbahnen auf dem beispielsweise aus Polymeren bestehenden Träger entscheidend erhöht wird und durch den Verzicht von herkömmlichen lösungsmittelhaltigen leitfähigen Tintensystemen kein Materialschrumpf durch die Verdunstung des Lösungsmittels auftritt. Durch die gute Haftbarkeit auf unterschiedlichen Kunststoffen und der geringen Leiterbahnhöhe sind diese Bahnen zudem flexibel und für die Herstellung von flexibler Elektronik von Vorteil.

Aber auch andere Verfahren der Beschichtung sind denkbar. So könnte der Partikelstrom etwa auch mithilfe eines Sputterverfahrens oder mithilfe eines Aerosol-Sprays gebildet werden. Des Weiteren könnte der Partikelstrom auch mithilfe einer physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD) gebildet werden.

Wie bereits erwähnt wurde weist der Partikelstrom eine HauptStromrichtung auf, sodass die Ablagerung des Beschichtungswerkstoffes vorrangig auf den Zielbereichen und den dem Partikelstrom ausgesetzten Bereichen der Abdeckung erfolgt. Aufgrund der abfallenden Seitenbereichen der Abdeckung werden jedoch Seitenbereiche der Abdeckung zumindest teilweise beschichtungswerkstofffrei verbleiben, nämlich jene, die dem Partikelstrom abgewandt oder ihm zumindest nicht unmittelbar ausgesetzt sind. Eine Möglichkeit besteht etwa darin die Abdeckung mit senkrecht zur Oberfläche des Trägers abfallenden Seitenbereichen herzustellen und den Partikelstrom senkrecht zur Oberfläche des Trägers gegen den Träger zu richten. Falls die Seitenbereiche nicht oder nicht ausschließlich senkrecht zur Oberfläche des Trägers verlaufen kann es hingegen vorteilhaft sein, wenn die HauptStromrichtung des Partikelstromes nicht senkrecht zur Oberfläche des Trägers verläuft. Daher wird vorzugsweise vorgeschlagen, dass die Strömungsrichtung des Partikelstromes relativ zur Oberfläche variierbar ist.

Zur Herstellung von Leiterbahnen wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem Beschichtungswerkstoff um ein elektrisch leitfähiges Material handelt.

Der Hilfswerkstoff muss im dritten Verfahrensschritt vom Träger entfernt werden. Eine bevorzugte Variante sieht hierbei vor, dass es sich bei dem Entfernungsmittel um ein Lösungsmittel für den Hilfswerkstoff handelt, und der Hilfswerkstoff gegenüber dem Entfernungsmittel löslich ist. Das Lösen des Hilfswerkstoffes kann dabei mittels polarer oder unpolarer Entfernungsmittel erfolgen. Aber auch der Einsatz von optischen Verfahren wie z.B. Laser, IR- oder UV-Strahlung, mechanischen Verfahren wie z.B. Abziehen der als Maskierung dienenden Abdeckung unter Ausnutzung entsprechend abgestimmter Oberflächenenergien des Trägers und des Hilfswerkstoffes (Silikone, Acrylate, Wachse, etc.) oder thermische Verfahren sind zur Entfernung der Abdeckung denkbar.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers, wobei die Oberfläche des Trägers die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofffrei verbleibende Restbereiche umfasst. Hierfür wird vorgeschlagen, dass eine Druckereinheit für einen fließfähigen und aushärtbaren Trägerwerkstoff zur Anfertigung eines Trägers oder einer Tragstruktur auf dem Träger vorgesehen ist, eine Maskierungseinheit zum schichtweisen Aufbau einer Abdeckung aus mehreren Schichten eines Hilfswerkstoffes auf den Restbereichen vorgesehen ist, eine Beschichtungseinheit zur Formung eines gegen die Oberfläche des Trägers gerichteten und den Beschichtungswerkstoff enthaltenden Partikelstromes, sowie eine Entfernungseinheit zur Entfernung des Hilfswerkstoffes unter Verbleib des Trägerwerkstoffes und des Beschichtungswerkstoffes, wobei eine Transporteinheit für den Transport des Trägers von der Druckereinheit zur Maskierungseinheit, der Beschichtungseinheit und der Entfernungseinheit vorgesehen ist.

Die Maskierungseinheit, die Beschichtungseinheit und die Entfernungseinheit dienen der Durchführung der oben beschriebenen Verfahrensschritte der Maskierung mithilfe eines

Hilfswerkstoffes, der Beschichtung mit einem

Beschichtungswerkstoff und der Entfernung des

Hilfswerkstoffes. Die Druckereinheit dient der Herstellung eines Trägers und/oder der Herstellung von Tragstrukturen auf dem hergestellten oder bereitgestellten Träger. Die zusätzliche Druckereinheit ermöglicht zunächst die Herstellung annähernd beliebig geformter Träger hoher Komplexität. Die Tragstruktur ermöglicht die Verwirklichung dreidimensionaler Verläufe des Beschichtungswerkstoffes, die sich auch von der Oberfläche des Trägers abheben können. Da die Tragstruktur erfindungsgemäß nach dem Entfernen des Hilfswerkstoffes auf der Oberfläche des Trägers verbleibt, ermöglicht sie nämlich die Bildung von Stützkonstruktionen für den nachfolgend aufgetragenen Beschichtungswerkstoff.

Die Entfernungseinheit umfasst vorzugsweise Mittel zum Aufträgen eines Lösungsmittels für den Hilfswerkstoff.

Bei der Beschichtungseinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Plasmavorrichtung zur Generierung eines den Beschichtungswerkstoff enthaltenden atmosphärischen Plasmas und zum Aufträgen des Beschichtungswerkstoffes auf dem Träger. Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand von

Ausführungsbeispielen mithilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen hierbei die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2a-d eine schematische Darstellung der

Herstellungsschritte zur zielgerichteten Beschichtung der Oberfläche eines Trägers mit einem Beschichtungswerkstoff gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens, und die

Fig. 3a-c eine schematische Darstellung der

Herstellungsschritte einer Tragstruktur zur Verwirklichung dreidimensional verlaufender Flächen oder Bahnen des

Beschichtungswerkstoffes.

Die Erfindung wird in weiterer Folge anhand der Herstellung von Leiterbahnen 14 auf einem Träger 6 (siehe Fig. 2), der in der Halbleitertechnologie auch als Substrat bezeichnet wird, erläutert. Hierzu ist auf vordefinierten Zielbereichen des Trägers 6 ein elektrisch leitfähiger Beschichtungswerkstoff 13 aufzubringen, wobei die Zielbereiche und die beschichtungswerkstofffrei verbleibenden Restbereiche in Form von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Computerdaten, die den Verlauf der Ziel- und Restbereiche wiedergeben, vorliegen. Diese Daten liegen in einer Datenverarbeitungseinheit 1, etwa einem CAD/CAM-System, vor (Fig. 1). Eine Steuereinheit 2 steuert in weiterer Folge anhand der Computerdaten eine Maskierungseinheit 4, eine vorgelagerte Druckereinheit 3, sowie eine Beschichtungseinheit 5. Der Träger 6 ist auf einer Halterung 7 auf einer Transporteinheit 8 befestigt, oder wird auf der Halterung 7 hergestellt. Die Transporteinheit 8 bewegt den Träger 6 von der Druckereinheit 3 zur Maskierungseinheit 4 und zur Beschichtungseinheit 5, sowie zu einer Entfernungseinheit 15. Freilich könnte auch vorgesehen sein, dass sich die Druckereinheit 3, die Maskierungseinheit 4, die Beschichtungseinheit 5 und die Entfernungseinheit 15 relativ zum Träger 6 bewegen.

Anhand der Computerdaten für die Ziel- und Restbereiche erstellt die Datenverarbeitungseinheit 1 zunächst einen Datensatz für die Herstellung eines Trägers 6 und/oder einer Tragstruktur 16 aus einem Trägerwerkstoff, sowie einen Datensatz für die Herstellung einer Abdeckung 12 aus einem Hilfswerkstoff 9, und zwar jeweils in einer addierenden Weise aus einer Mehrzahl von gebildeten und haftenden Schichten S. Das Aufträgen des Trägerwerkstoffes wird im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Inkjetdruck vorgenommen. Hierbei wird zur Bildung einer Schicht S des Trägers 6 und/oder der Tragstruktur 16 der Trägerwerkstoff etwa in Form eines UV-härtenden Tintensystems tröpfchenweise auf der Halterung 7 oder dem bereitgestellten Träger 6 aufgetragen und mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet. Diese Tintensysteme sind in der Regel Lösungsmittel basierte Acrylate mit elektrisch isolierendem Charakter. Nach dem Aushärten einer Schicht S wird die nächste Schicht S des Trägerwerkstoffes auf die zuvor gebildete Schicht S aufgetragen und wiederum ausgehärtet. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis ein Träger 6 oder eine Tragstruktur 16 aus mehreren Schichten S des Trägerwerkstoffes aufgebaut wurde. Die Fig. 2a soll darstellen, dass ein Träger 6 auf diese Weise aufgebaut wurde, und die Fig. 3a soll darstellen, dass eine Tragstruktur 16 auf diese Weise aufgebaut wurde. Der Auftrag des Trägerwerkstoffes erfolgt über entsprechende Druckköpfe der Druckereinheit 3, die von der Steuereinheit 2 anhand des Datensatzes für die Erstellung des Trägers 6 oder der Tragstruktur 16 gesteuert werden.

In weiterer Folge wird eine Abdeckung 12 auf den Restbereichen des Trägers 6 mithilfe eines Hilfswerkstoffes 9 angefertigt. Das Aufträgen des Hilfswerkstoffes 9 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls über einen Inkjetdruck mithilfe der Maskierungseinheit 4 vorgenommen. Hierbei wird ein schmelzfähiger Hilfswerkstoff, zumeist ein Kunststoff oder Wachsmaterial, in einem fließfähigen Zustand mithilfe zumindest eines über der Oberfläche des Trägers 6 steuerbaren Düsenkopfes im fließfähigen Zustand auf den Restbereichen des Trägers 6 aufgetragen. Der fließfähige Hilfswerkstoff 9 wird nach dem Auftrag fest und kann als Basis für den Auftrag einer weiteren Schicht S des Hilfswerkstoffes 9 dienen. Mögliche Materialien für einen solchen Hilfswerkstoff 9 sind etwa thermoplastische Kunststoffe oder Materialien mit geringer Haftung am Träger 6 wie etwa Silikone oder fluorierte Tintensysteme. Bei dem Hilfswerkstoff 9 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere um ein gegenüber einem Entfernungsmittel 11 lösliches Material, etwa um ein ULTEM® 1010 Harz. Nach dem Verfestigen einer Schicht S wird die nächste Schicht S des Hilfswerkstoffes 9 auf die zuvor gebildete Schicht S aufgetragen und wiederum verfestigt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine Abdeckung 12 aus mehreren Schichten S des Hilfswerkstoffes 9 auf den

Restbereichen des Trägers 6 aufgebaut wurde (Fig. 2b, Fig. 3a) . Der Auftrag des Hilfswerkstoffes 9 erfolgt über entsprechende Düsen der Maskierungseinheit 4, die von der Steuereinheit 2 anhand des Datensatzes für die Erstellung der Abdeckung 12 gesteuert werden. Die so aufgebaute Abdeckung 12 ermöglicht beispielsweise Leiterbahnen 14 mit 10-100 pm Breite und 10-100 pm Abstand.

In weiterer Folge wird ein Beschichtungswerkstoff 13 in Form eines Partikelstromes 10 mithilfe eines den Beschichtungswerkstoff 13 enthaltenden atmosphärischen Plasmas aufgetragen. Als Beschichtungswerkstoff 13 sind beispielsweise pulverförmige Beschichtungswerkstoffe 13 in Form von elektrisch leitfähigen Metallverbindungen oder Thermoplasten bekannt, die dem Plasmastrahl über einen Pulverförderer zumeist mittels eines Trägergases zugeführt werden, im Plasmastrahl aufschmelzen und im schmelzflüssigen oder teigigen Zustand durch die Volumensexpansion des Plasmastrahls beschleunigt und auf den zu beschichtenden Träger 6 abgeschieden werden. Die Schichtdicken bewegen sich dabei vom einstelligen Mikrometerbereich bis in den Millimeterbereich, sind aber jedenfalls geringer als die Dicke der Abdeckung 12. Der Beschichtungswerkstoff 13 wird dabei sowohl in den Ziel-als auch den Restbereichen aufgetragen (Fig. 2c).

In einem letzten Verfahrensschritt muss schließlich der Hilfswerkstoff 9 vom Träger 6 entfernt werden. In der gezeigten Ausführungsform erfolgt die Entfernung des Hilfswerkstoffes 9 mithilfe eines Entfernungsmittels 11, der von einer Entfernungseinheit 15 appliziert wird. Eine bevorzugte Variante sieht hierbei vor, dass es sich bei dem Entfernungsmittel 11 um ein Lösungsmittel für den Hilfswerkstoff 9 handelt, und der Hilfswerkstoff 9 gegenüber dem Entfernungsmittel 11 löslich ist. Das Lösen des Hilfswerkstoffes 9 kann dabei je nach Hilfswerkstoff 9 mittels polarer oder unpolarer Entfernungsmittel 11 erfolgen. Nach dem Entfernen des Hilfswerkstoffes 9 verbleiben die Leiterbahnen 14 in Form der mit dem Beschichtungswerkstoff 13 beschichteten Zielbereiche (Fig. 2d).

Anhand der Fig. 3 wird die Herstellung dreidimensionaler Beschichtungsstrukturen erläutert. Hierbei wird auf dem Träger 6 zunächst eine erste Schicht S1 eines Trägerwerkstoffes für den Aufbau einer Tragstruktur 16 mithilfe der Druckereinheit 3 aufgebaut. Danach erfolgt der Auftrag einer ersten Schicht S1 eines Hilfswerkstoffes für den Aufbau einer Abdeckung 12 mithilfe der Maskierungseinheit 4, nachdem der Bauteil mithilfe der Transporteinheit 8 von der Druckereinheit 3 zur Maskierungseinheit 4 bewegt wurde (Fig. 3a).

Danach kann dieser Vorgang wiederholt werden, indem der Bauteil mithilfe der Transporteinheit 8 von der Maskierungseinheit 4 zurück zur Druckereinheit 3 bewegt wurde und eine zweite Schicht S2 eines Trägerwerkstoffes für den Aufbau der Tragstruktur 16 mithilfe der Druckereinheit 3 auf der ersten Schicht S1 aufgetragen wird. In weiterer Folge kann der Bauteil mithilfe der Transporteinheit 8 von der Druckereinheit 3 wieder zur Maskierungseinheit 4 bewegt werden, um eine zweite Schicht S2 des Hilfswerkstoffes für den Aufbau der Abdeckung 12 mithilfe der Maskierungseinheit 4 aufzutragen (Fig. 3a).

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von der Maskierungseinheit 4 noch eine dritte Schicht S3 des Hilfswerkstoffes für den Aufbau der Abdeckung 12 aufgetragen (Fig. 3a) . Die auf diese Weise hergestellte Abdeckung 12 weist senkrecht zur Oberfläche des Trägers 6 abfallende Seitenbereiche 17 auf.

Der Bauteil wird nun mithilfe der Transporteinheit 8 von der Maskierungseinheit 4 zur Beschichtungseinheit 5 bewegt, wo der Träger 6 einem Partikelstrom 10 des Beschichtungswerkstoffes 13 ausgesetzt wird (Fig. 3b). Im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist die Haupt Stromrichtung des Partikelstromes 10 senkrecht zur Oberfläche des Trägers 6 gegen den Träger 6 gerichtet, sodass sich der Beschichtungswerkstoff 13 vorrangig auf den parallel zur Oberfläche des Trägers 6 orientierten Flächen der Tragstruktur 16 und der Abdeckung 12 ablagert, nicht jedoch an den Seitenbereichen 17 der Abdeckung 12.

In einem letzten Verfahrensschritt wird schließlich der Hilfswerkstoff 9 vom Träger 6 entfernt. Hierzu wird das Bauteil mithilfe der Transporteinheit 8 von der Beschichtungseinheit 5 zur Entfernungseinheit 15 bewegt, wo das Entfernungsmittel 11 appliziert wird. In der gezeigten Ausführungsform ist etwa vorgesehen, dass es sich bei dem Entfernungsmittel 11 um ein Lösungsmittel für den Hilfswerkstoff 9 handelt, und der Hilfswerkstoff 9 gegenüber dem Entfernungsmittel 11 löslich ist. Das Lösen des Hilfswerkstoffes 9 kann dabei je nach Hilfswerkstoff 9 aber auch mithilfe optischer Verfahren wie z.B. Laser, IR- oder UV-Strahlung, mechanischer Verfahren wie z.B. Abziehen der als Maskierung dienenden Abdeckung 12 unter Ausnutzung entsprechend abgestimmter Oberflächenenergien des Trägers 6 und des Hilfswerkstoffes 9 (Silikone, Acrylate, Wachse, etc.) oder thermischer Verfahren vorgenommen werden.

Da die Tragstruktur 16 nach dem Entfernen des Hilfswerkstoffes 9 auf der Oberfläche des Trägers 6 verbleibt, ermöglicht sie somit die Bildung von Stützkonstruktionen für den nachfolgend aufgetragenen Beschichtungswerkstoff 13 sowie die Verwirklichung dreidimensionaler Verläufe des Beschichtungswerkstoffes 13, die sich auch von der Oberfläche des Trägers 6 abheben können (Fig. 3c).

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere in den geringen Fertigungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren aufgrund der Vermeidung teurer Prozessschritte und hoher Materialkosten. Von Vorteil ist ferner, dass höhere elektrische Leitfähigkeiten der Leiterbahnen 14 erreicht werden können, und diese entsprechend der Materialauswahl, Prozessparameter und dem Produktdesign eingestellt werden kann. Der Vorteil der Verwendung eines atmosphärischen

Plasmaverfahrens liegt insbesondere in einer Verbesserung der Haftbarkeit der Leiterbahnen 14 auf dem Träger 6 und durch die Vermeidung des Materialschrumpfes, der bei lösungsmittelhaltigen leitfähigen Tintensystem unweigerlich auftritt. Durch die hohe Haftung auf unterschiedlichen Kunststoffen und der geringen Leiterbahnhöhe sind diese Leiterbahnen 14 insbesondere flexibel und daher auch für die Herstellung von flexibler Elektronik geeignet.

Ein weiter Vorteil ist, dass aufgrund des Einsatzes von additiven Fertigungstechniken die vorliegende Erfindung dem Anwender ein flexibles Design der Leiterbahnen 14 erlaubt. Diese Leiterbahne 14 können dabei zwei- oder dreidimensional aufgebaut sein und so Material- und Platzverbrauch der gefertigten Produkte erheblich reduzieren. Die vorliegende Erfindung erlaubt auch die Aufbringung von elektrisch leitenden Leiterbahnen 14 auf komplexen Strukturen.

Die Kombination des Druckprozesses mit der Aufbringung der Maskierung, der Beschichtung mit elektrisch leitfähigen Materialien und der Entfernung der Maskierung kann ferner in einer einzigen Vorrichtung bewerkstelligt werden. Dabei können mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Oberflächen der Träger 6 mit unterschiedlichen Materialien und Mustern beschichtet werden, welche Vorteile gegenüber bisherigen gedruckten Oberflächen aufweisen, wie etwa erhöhter Schutz vor UV-Strahlung und Inkompatibilitäten, verbesserter thermischer sowie elektrischer Leitfähigkeit bzw. Materialbeständigkeit und optischer Eigenschaften.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes (13) auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers (6), wobei die Oberfläche des Trägers (6) die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofff rei verbleibende Restbereiche umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt auf den Restbereichen schichtweise eine Abdeckung (12) aus einer Schicht (S) oder mehreren Schichten (S) eines Hilfswerkstoffes (9) mit zum Träger (6) geneigten Seitenbereichen (17) aufgebaut wird, in einem zweiten Schritt der Beschichtungswerkstoff (13) in Form eines gegen die Oberfläche des Trägers (6) gerichteten Partikelstromes (10) auf den Zielbereichen und den dem Partikelstrom (10) ausgesetzten Bereichen der Abdeckung (12) mit zumindest teilweise beschichtungswerkstofffrei verbleibenden Seitenbereichen (17) aufgetragen wird, und in einem dritten Schritt der Hilfswerkstoff (9) mithilfe eines auf die beschichtungswerkstofffrei verbliebenen Seitenbereiche (17) der Abdeckung (12) wirkenden Entfernungsmittels (11) unter Verbleib des Beschichtungswerkstoffes (13) von der Oberfläche entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ersten Schritt der Träger (6) mithilfe eines Inkjet-Druckverfahren aufgebaut wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt eine Tragstruktur (16) auf dem Träger (6) aus einer Schicht (S) oder mehreren Schichten (S) eines Trägerwerkstoffes aufgebaut wird, wobei im dritten Schritt der Hilfswerkstoff (9) mithilfe des Entfernungsmittels (11) unter Verbleib des Beschichtungswerkstoffes (13) und des Trägerwerkstoffes (13) von der Oberfläche entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (12) mithilfe eines Inkjet-Druckverfahren aufgebaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom (10) mithilfe eines atmosphärischen Plasmas gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom (10) mithilfe eines Sputterverfahrens gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom (10) mithilfe eines Aerosol-Sprays gebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom (10) mithilfe einer physikalischen Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD) gebildet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung des Partikelstromes (10) relativ zur Oberfläche des Trägers (6) variierbar ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungswerkstoff (13) um ein elektrisch leitfähiges Material handelt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Entfernungsmittel (11) um ein Lösungsmittel für den Hilfswerkstoff (9) handelt, und der Hilfswerkstoff (9) gegenüber dem Entfernungsmittel (11) löslich ist.
12. Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungswerkstoffes (13) auf ausgewählte Zielbereiche einer Oberfläche eines Trägers (6), wobei die Oberfläche des Trägers (6) die zu beschichtenden Zielbereiche sowie beschichtungswerkstofff rei verbleibende Restbereiche umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckereinheit (3) für einen fließfähigen und aushärtbaren Trägerwerkstoff zur Anfertigung eines Trägers (6) und/oder einer Tragstruktur (16) auf dem Träger (6) vorgesehen ist, eine Maskierungseinheit (4) zum schichtweisen Aufbau einer Abdeckung (12) aus mehreren Schichten (S) eines Hilfswerkstoffes (9) auf den Restbereichen vorgesehen ist, sowie eine Beschichtungseinheit (5) zur Formung eines gegen die Oberfläche des Trägers (6) gerichteten und den Beschichtungswerkstoff (13) enthaltenden Partikelstromes (10), und eine Entfernungseinheit (15) zur Entfernung des Hilfswerkstoffes (9) unter Verbleib des Trägerwerkstoffes und des Beschichtungswerkstoffes (13), wobei eine Transporteinheit (8) für den Transport des Trägers (6) von der Druckereinheit (3) zur Maskierungseinheit (4), der Beschichtungseinheit (5) und der Entfernungseinheit (15) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernungseinheit (15) Mittel zum Aufträgen eines Lösungsmittels für den Hilfswerkstoff (9) umfasst.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Beschichtungseinheit (5) um eine Plasmavorrichtung zur Generierung eines den Beschichtungswerkstoff (13) enthaltenden atmosphärischen Plasmas und zum Aufträgen des Beschichtungswerkstoffes (13) auf dem Träger (6) handelt.