DE102012212297A1 - Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement sowie Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement sowie Verwendung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht (1) auf einem Trägerelement (10), wobei die Schicht (1) durch Metallpartikel (5) erzeugt wird, die mittels eines elektrischen Feldes (20) in Richtung des Trägerelements (10) beschleunigt werden und auf dem Trägerelement (10) anhaften. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Metallpartikel (5) durch Verdampfen des Materials eines festen Metallelements (11) mittels eines Laserstrahls (50) erzeugt werden.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Aus der US 5,817,374 ist bereits ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird durch Anlegen einer Spannung an zwei plattenförmige Elemente ein elektrisches Feld erzeugt. Auf der einen, mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbundenen Platte sind vollflächig Metallpartikel angeordnet. Ferner ist zwischen den beiden Platten eine mit Massepotential verbundene Maskenfolie angeordnet, die Aussparungen zur Ausbildung einer Struktur wie Leiterbahnen oder Ähnlichem aufweist. Die Maskenfolie überdeckt auf der dem Minuspol zugewandten Seite ein dielektrisches Trägerelement, das die zweite Platte ausbildet, und das mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist. Nach Anlegen der Spannung werden die auf der mit dem negativen Pol verbundenen Platte angeordneten Metallpartikel in Richtung zu der mit dem positiven Pol verbundenen Platte beschleunigt. In den Bereichen, in denen die Maskenfolie die Aussparungen aufweist, gelangen die Metallpartikel bis in den Bereich der Platte bzw. des Trägerelements, um dort die angesprochenen Leiterbahnen oder Ähnliches auszubilden. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Metallpartikel eine Größe zwischen 5µm und 5mm aufweisen. Wesentlich dabei ist, dass die Metallpartikel mehr oder weniger lose auf der mit dem negativen Pol verbundenen Platte angeordnet sind, damit auf einfache Art und Weise ein Herauslösen und Bewegen der Metallpartikel in Richtung zu der mit dem positiven Pol verbundenen Platte ermöglicht wird. Insbesondere das Bereitstellen und Aufbringen derartiger Metallpartikel auf die mit dem negativen Pol verbundene Platte ist relativ aufwändig und muss mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden, damit eine gleichmäßige Schichtdicke der metallischen Schicht auf dem Trägerelement erzielt wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass ein vereinfachtes Handling sowie ein einfacher Herstellungsprozess ermöglicht wird, mit dem die elektrisch leitende Schicht auf dem Trägerelement aufgebracht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass Metallpartikel durch Verdampfen des Materials eines festen Metallelements mittels eines Laserstrahls erzeugt werden. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das Heraustrennen der Metallpartikel aus dem Metallelement erst während des eigentlichen Produktionsprozesses erfolgt, so dass das Metallelement ein relativ einfaches Handling in der Produktionsvorphase ermöglicht. Darüber hinaus wird es mittels des Laserstrahls ermöglicht, dass lediglich selektiv Metallpartikel aus dem Metallelement herausgetrennt bzw. verdampft werden, wobei vorzugsweise mittels des Laserstrahls nur dort Metallpartikel aus dem Metallelement herausgelöst werden, wo eine elektrisch leitende Schicht auf dem Trägerelement ausgebildet werden soll. Dies ermöglicht prinzipiell den Verzicht auf ein Maskenelement, das beim eingangs erwähnten Stand der Technik zwingend erforderlich ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • In ganz besonderes bevorzugter Ausgestaltung des Metallelements ist es vorgesehen, dass das Metallelement eine metallische Folie ist. Eine derartige metallische Folie bzw. ein derartiges Metallelement hat den Vorteil, dass es eine konstante Dicke aufweist und somit es bei einer Prozesssteuerung, bei der die Abgabeleistung bzw. die Vorschubgeschwindigkeit eines Laserstrahls an dem Metallelement geregelt wird, eine hochgenaue Dosierung der Metallpartikel und somit konstante Einhaltung einer Schichtdicke auf dem Trägerelement ermöglicht. Eine derartige metallische Folie hat beispielsweise eine Dicke zwischen 5µm und 1.000µm, so dass auch die benötigte Energiemenge für den Laserstrahl zum Aufschmelzen der metallischen Folie relativ gering ist.
  • Um einen gleichmäßigen Niederschlag bzw. eine gleichmäßige Verteilung der metallischen Partikel auf dem Trägerelement zu ermöglichen, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass das Metallelement in einem definierten Abstand zur Oberfläche des Trägerelements angeordnet wird.
  • Um sicherzustellen, dass sich die Metallpartikel auf dem Trägerelement an genau definierten Stellen niederschlagen, ist es darüber hinaus bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Metallelement und der Oberfläche des Trägerelements ein Maskenelement mit wenigstens einer Aussparung angeordnet wird, und dass der Laserstrahl auf das Metallelement im Bereich der wenigstens einen Aussparung auf der dem Trägerelement abgewandten Seite des Maskenelements einwirkt.
  • Zur Erzeugung des elektrischen Feldes ist es weiterhin vorgesehen, dass das elektrische Feld ein Kontaktieren des Metallelements mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle und des Trägerelements mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle umfasst. In diesem Fall sind gegenüber dem Stand der Technik keine zusätzlichen, insbesondere plattenförmigen Elemente zum Ausbilden des elektrischen Feldes erforderlich, vielmehr wird durch die Form des Metallelements sowie des Trägerelements, die üblicherweise flächig bzw. plattenförmig ausgebildet sind, ein elektrisches Feld erzeugt.
  • Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn bei Verwendung eines Maskenelements entweder das Maskenelement unmittelbar, oder mittelbar über einen Anlagekontakt mit dem Metallelement mit dem ersten Pol der Spannungsquelle verbunden wird. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass sich besonders schmale Strukturen bzw. Leiterbahnen auf dem Trägerelement ausbilden lassen, da die negativ geladenen Metallpartikel beim Durchqueren der Aussparung im Maskenelement von den die Aussparung begrenzenden seitlichen Bereichen des Maskenelements abgestoßen werden und sich somit in einem zentralen Bereich innerhalb der Aussparung auf dem Trägerelement ansammeln. Dieses Verfahren ist daher insbesondere geeignet, um eine Miniaturisierung von Schaltungsträgern mit relativ geringem Aufwand zu ermöglichen. Anstelle eines Maskenelements kann dieses auch beispielsweise durch ein Drahtgitter ersetzt werden.
  • Um einerseits ein homogenes elektrisches Feld zu erzeugen, und andererseits eine Einwirkung des Laserstrahls auf das Metallelement bzw. die metallische Folie zu ermöglichen, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Pole der Spannungsquelle mit plattenförmigen Elementen verbunden sind, die in Überdeckung mit dem Trägerelement und dem Metallelement angeordnet werden, und dass das dem Laserstrahl zugewandte Element fluchtend zum Vorschubweg des Laserstrahls wenigstens einen Spalt aufweist
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Trägerelement zumindest überwiegend aus Kunststoff besteht. In diesem Fall kann das Trägerelement beispielsweise ein Schaltungsträger einer elektronischen Schaltung sein, wobei die Leiterbahnen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Schaltungsträger aufgebracht werden. Ein weiterer Einsatzbereich der Erfindung besteht in dem Ausbilden von elektrischen Anschlüssen bzw. Anschlussbereichen bei Solarzellen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden dabei insbesondere hochgenaue und in ihrer Fläche kleine Bereiche erzielt, so dass bei Solarzellen der Wirkungsgrad dadurch erhöht wird, dass die nicht von der metallischen Schicht überdeckten Flächen relativ groß gehalten werden können.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
  • 1 einen Längsschnitt durch eine Anordnung zum Erzeugen einer Elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement zur Erläuterung d des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine gegenüber 1 modifizierte Anordnung ohne Verwendung eines Maskenelements gemäß 1 in perspektivischer Ansicht und
  • 3 eine gegenüber 2 nochmals abgewandelte Ausführungsform, bei der ein elektrisch geladenes Maskenelement zur Ausbildung besonders schmaler elektrisch leitender Strukturen auf dem Trägerelement verwendet wird, in perspektivischer Ansicht.
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung 100 zur Ausbildung einer elektrisch leitenden, metallischen Schicht bzw. Struktur, insbesondere in Form einer Leiterbahn 1 auf einem Trägerelement in Form eines Substrats 10 dargestellt. Das Substrat 10 ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und besteht zumindest vorwiegend aus Kunststoff, vorzugsweise einem Thermoplast. Die Leiterbahn 1 wird durch Aufdampfen von kleinsten metallischen Tröpfchen 5 bzw. Partikeln auf der Oberfläche bzw. Oberseite des Substrats 10 erzeugt, wobei der Schmelzpunkt des verwendeten Materials für das Substrat 10 vorzugsweise an den Schmelzpunkt der metallischen Tröpfchen 5 angepasst ist, derart, dass der Schmelzpunkt der metallischen Tröpfchen 5 lediglich etwas oberhalb des Schmelzpunkts des Materials des Substrats 10 liegt. Dadurch wird beim Aufdampfen der metallischen Tröpfchen 5 auf das Substrat 10 eine Beschädigung des Substrats 10 verhindert und gleichzeitig eine gute Haftung an dem Substrat 10 ermöglicht.
  • Die metallischen Tröpfchen 5 werden durch das erfindungsgemäße Verfahren aus einem zunächst festen Metallelement 11, insbesondere in Form einer metallischen Folie 12, herausgetrennt. Die metallische Folie 12 weist beispielsweise eine Dicke zwischen 5µm und 1.000µm auf. Die metallische Folie 12 bzw. das Metallelement 11 sind in einem definierten Abstand a über der Oberfläche des Substrats 10 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist zwischen der metallischen Folie 12 und dem Substrat 10 ein Maskenfolie 15 angeordnet, das an den Bereichen, in denen eine Leiterbahn 1 auf dem Substrat 10 aufgebracht werden soll, entsprechende Aussparungen 16 aufweist.
  • Das Herauslösen der metallischen Tröpfchen 5 aus dem Metallelement 11 erfolgt durch Verflüssigen und Verdampfen des Materials des Metallelements 11 bzw. der metallischen Folie 12 mittels einer energiereichen Strrahlung, vorzugsweise mittels eines Laserstrahls 50, der mittels einer nicht dargestellten Laserstrahleinrichtung erzeugt wird, und der vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche der metallischen Folie 12 bzw. zum Substrat 10 angeordnet ist. Der Laserstrahl 50 wird relativ zur Oberfläche des Metallelements 11 entsprechend des Pfeils 17 vorzugsweise kontinuierlich bewegt, wobei der Vorschubweg entlang der Aussparungen 16 erfolgt. Der Laserstrahl 50 fährt während des Produktionsprozesses sämtliche Aussparungen 16 in dem Maskenfolie 15 ab und ist bevorzugt beim Wechseln von einer Aussparung 16 zu einer anderen Aussparung 16 nicht aktiv bzw. ausgeschaltet.
  • Erfindungswesentlich ist, dass mittels der Anordnung 100 ein elektrisches Feld 20 erzeugt wird, was durch die entsprechenden Feldlinien 21 verdeutlicht sein soll. Hierzu ist das Metallelement 11 bzw. die metallische Folie 12 mit einem Pol einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) elektrisch verbunden, die das elektrische Feld 20 erzeugt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Metallelement 11 mit einem Minuspol der Spannungsquelle gekoppelt. Dies bewirkt, dass beim Verdampfen des Materials der metallischen Folie 12 die aus der metallischen Folie 12 herausgelösten metallischen Tröpfchen 5 negativ geladen sind und von der metallischen Folie 12 in Richtung des Substrats 10 abgestoßen werden. Weiterhin ist das Substrat 10 vorzugsweise mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Der von den metallischen Tröpfchen 5 gebildete Sprühnebel 25 setzt sich somit als Struktur- bzw. Leiterbahn 1 auf dem Substrat 10 ab und erstarrt dort.
  • In der 2 ist eine Anordnung 100a dargestellt, bei der auf die Verwendung einer Maskenfolie 15 verzichtet wird. Wesentlich dabei ist, dass durch geeignete Maßnahmen der Abstand a zwischen der Oberseite des Substrats 10 und der metallischen Folie 12 konstant gehalten wird. Auf der der metallischen Folie 12 abgewandten Unterseite des Substrats 10 ist eine erste Platte 26 angeordnet, die mit einem Pluspol einer Spannungsquelle 30 verbunden ist. Auf der dem Substrat 10 abgewandten Seite der metallischen Folie 12 ist eine zweite Platte 27 angeordnet, die mit dem Minuspol der Spannungsquelle 30 verbunden ist. Die beiden Platten 26, 27 bilden somit einen Plattenkondensator aus, der das elektrische Feld 20 (Feldlinien 21) ausbildet. Um einen freien Strahlungsgang für den Laserstrahl 50 zu ermöglichen, besteht die zweite Platte 27 im dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Teilelementen 28, 29 zwischen denen ein Spalt 31 ausgebildet ist, entlang dessen der Laserstrahl 50 bewegt wird.
  • In der 3 ist eine gegenüber der 2 nochmals abgewandelte Anordnung 100b dargestellt, bei der das Maskenfolie 15 ebenfalls elektrisch mit dem Minuspol der Spannungsquelle 30 verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Plattenkondensator zur Ausbildung des elektrischen Feldes 20 keine zweite Platte 27 auf, vielmehr ist die metallische Folie 12 unmittelbar mit dem einen (Minuspol) der Spannungsquelle 30 verbunden. Ebenso ist das Maskenfolie 15 entweder unmittelbar mit dem Minuspol der Spannungsquelle 30 verbunden, oder mittelbar durch eine elektrisch leitende Kontaktierung mit der metallischen Folie 12. Die Maskenfolie 15 ist elektrisch zu dem mit dem Pluspol der Spannungsquelle 30 verbundenen Trägerelement 10 isoliert. Man erkennt, dass die stegförmigen Wände 33, 34 der Maskenfolie 15 negativ geladen sind, so dass die metallischen Tröpfchen 5 auf ihrer Flugbahn von der metallischen Folie 12 in Richtung der Oberfläche des Substrats 10 von den Wänden 33, 34 abgestoßen werden und sich so auf der Oberfläche des Substrats 10 in einem mittleren Bereich absetzen, was die Ausbildung besonders schmaler Leiterbahnen 10 ermöglicht.
  • Das soweit beschriebene Verfahren bzw. die Anordnungen 100, 100a, 100b können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Bereitstellung von metallischen Partikeln in Form von metallischen Tröpfchen 5 durch Aufschmelzen und Verdampfen eines festen Metallträgerelements 11 bzw. einer metallischen Folie 12 mittels eines Laserstrahls 50.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5817374 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht (1) auf einem Trägerelement (10), wobei die Schicht (1) durch Metallpartikel (5) erzeugt wird, die mittels eines elektrischen Feldes (20) in Richtung des Trägerelements (10) beschleunigt werden und auf dem Trägerelement (10) anhaften, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpartikel (5) durch Verdampfen des Materials eines festen Metallelements (11) mittels eines Laserstrahls (50) erzeugt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (11) eine metallische Folie (12) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement (11) in einem definierten Abstand (a) zur Oberfläche des Trägerelements (10) angeordnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Metallelement (11) und der Oberfläche des Trägerelements (10) ein Maskenelement (15) mit wenigstens einer Aussparung (16) angeordnet wird, und dass der Laserstrahl (50) auf das Metallelement (11) im Bereich der wenigstens einen Aussparung (16) auf der dem Trägerelement (10) abgewandten Seite des Maskenelements (15) einwirkt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (50) entlang des Metallelements (11) bewegt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld (20) ein Kontaktieren des Metallelements (11) mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle (30) und des Trägerelements (10) mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle (30) umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Maskenelements (15) das Maskenelement (15) unmittelbar, oder mittelbar über einen Anlagekontakt mit dem Metallelement (11), mit dem ersten Pol der Spannungsquelle (30) verbunden wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole der Spannungsquelle (30) mit plattenförmigen Elementen (26, 27) verbunden sind, die in Überdeckung mit dem Trägerelement (10) und dem Metallelement (11) angeordnet werden, und dass das dem Laserstrahl (50) zugewandte Element (27) fluchtend zum Vorschubweg des Laserstrahls (50) wenigstens einen Spalt (31) aufweist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (10) zumindest überwiegend aus Kunststoff besteht.
  10. Verwendung eines Verfahrens zum Ausbilden einer elektrisch leitenden Schicht auf einem Trägerelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugen von Leiterbahnen (1) auf Schaltungsträgern oder von elektrischen Anschlussbereichen bei Solarzellen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5817374A (en) 1996-05-31 1998-10-06 Electrox Corporation Process for patterning powders into thick layers

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