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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem Kunststoffsubstrat, bei welchem zunächst eine Tinte auf das Kunststoffsubstrat aufgedruckt wird.
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Stand der Technik
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Zum Herstellen von Leiterzügen auf Leiterplatten sowie in mikroelektronischen und sensorischen Bauteilen sind lithografische und galvanische Verfahren etabliert. Diese Verfahren sind jedoch sehr komplex und aufwendig und damit wenig für eine Kleinstserienproduktion und das Rapid Prototyping geeignet. Sehr flexible Alternativtechniken stellen Direktschreibmethoden, wie beispielsweise der Aerosol- und Inkjetdruck, dar. Nachteilig dabei ist aber, dass für diese Verfahren bislang hauptsächlich kostenintensive, nanoskalige Silber-Tinten eingesetzt werden. Die Metallpartikel sind dabei mit einer organischen Schicht überzogen, die eine Agglomeration und Sedimentation innerhalb der Tinte verhindert. Um den elektrischen Widerstand der mit solchen Tinten aufgedruckten Leiterbahnstrukturen zu vermindern, müssen die organischen Bestandteile aus den Leiterbahnstrukturen entfernt werden.
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Aus
US 2010/0178434 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine silberhaltige Tinte auf ein Substrat gedruckt wird. Die Tinte enthält neben einer silberhaltigen Verbindung auch noch einen Dispersionsstabilisator und ein Lösungsmittel. Nach dem Druck der Schaltung wird das gesamte Substrat mittels eines Elektronenstrahls auf über 190 °C erhitzt, um auf dem Substrat verbliebenes organisches Material zu entfernen und somit Leiterbahnen aus Silber auszubilden. Aufgrund des Erhitzens des Substrates auf über 190 °C ist das Verfahren hinsichtlich der zu verwendenden Substratmaterialien, insbesondere in Bezug auf Kunststoffmaterialien, eingeschränkt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aufgrund der preisintensiven silberhaltigen Tinte, die hierfür erforderlich ist.
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In
DE 699 21 515 T2 wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Leiterbahnen auf einer gedruckten Schaltung offenbart, bei dem zunächst die Struktur der Schaltung mit einer elektrisch leitfähigen und aushärtbaren Tinte auf ein Substrat gedruckt wird. Die gedruckten Leiterbahnen werden anschließend mittels Elektroplattieren aus einer Kupfersulfatlösung heraus verstärkt und schließlich noch mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt, um die Leiterbahnen zu ionisieren und deren elektrische Polarität zu verändern. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass es sich um einen mehrstufigen Prozess handelt, bei dem Nasschemie erforderlich ist.
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In
US 2005/0255253 A1 wird wiederum vorgeschlagen, die Oberfläche eines Substrates, auf welche eine elektrisch leitfähige, polymerhaltige Tinte gedruckt wurde, mit einem Elektronenstrahl zu überstreichen. Bei diesem Verfahren gelangt der Elektronenstrahl jedoch nicht zum Einsatz, um organisches Material vom Substrat zu entfernen, sondern um die Tinte infolge strahlungsinduzierter Polymervernetzung auszuhärten. Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, dass die elektrische Leitfähigkeit von Leiterbahnen, welche polymere Bestandteile aufweisen, nicht besonders gut ist.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine elektrisch leitfähige Struktur auch auf Kunststoffsubstraten ausbildbar sein, bei dem eine preiswerte Tinte zum Einsatz gelangt und bei dem eine hohe elektrische Leitfähigkeit der auf dem Substrat ausgebildeten Leiterbahnstruktur erzielbar ist.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem Kunststoffsubstrat wird zunächst eine Tinte, welche elektrisch leitfähige Feststoffpartikel enthält, auf das Kunststoffsubstrat zumindest auf den Oberflächenbereichen aufgedruckt, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll. Als elektrisch leitfähige Feststoffpartikel werden erfindungsgemäß Kupferpartikel verwendet. Vorteilhaft wirkt sich hierbei aus, dass kupferpartikelhaltige Tinten preiswerter sind gegenüber Tinten, bei denen die elektrisch leitfähigen Partikel aus Edelmetallen bestehen. Weil eine Oxidation von Kupferpartikeln bei der Lagerung an Atmosphärenbedingungen meist nicht verhindert werden kann, sind unter dem Begriff Kupferpartikel im Erfindungssinn auch solche Kupferpartikel zu verstehen, an deren Oberfläche teilweise oder vollständig eine Oxidschicht ausgebildet ist. Es sei aber ausdrücklich erwähnt, dass eine Oxidation der Kupferpartikel für das erfindungsgemäße Verfahren weder erforderlich noch erwünscht ist. Erfindungsgemäß sind daher unter dem Begriff „Kupferpartikel“ auch Oxide und Legierungen zu verstehen, die einen Kupferanteil von mindestens 90 % aufweisen.
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Das Aufdrucken der kupferpartikelhaltigen Tinte allein bringt jedoch noch keine brauchbare elektrisch leitfähige Struktur auf einem Substrat hervor, weil insbesondere meist nicht vollständig vermeidbare Oxidationen an den Oberflächen der Kupferpartikel verhindern, dass ein guter elektrischer Kontakt zwischen aneinandergrenzenden Kupferpartikeln ausgebildet wird. Dies ist ein Nachteil gegenüber edelmetallhaltigen Tinten, deren Partikel nicht so schnell zum Oxidieren neigen wie Kupfer. Die aufgedruckte kupferpartikelhaltige Tinte bedarf somit noch einer weiteren Bearbeitung. Erfindungsgemäß werden innerhalb einer Vakuumkammer nach dem Aufdrucken der kupferpartikelhaltigen Tinte lediglich die Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrates, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll, mittels eines Elektronenstrahls mit einer ersten Streckenenergie überstrichen. Dabei wird eine Streckenenergie mit einem Energieeintrag in die aufgedruckte Tinte derart gewählt, dass infolge des Überstreichens der Tinte mit dem Elektronenstrahl ein Sintern der Kupferpartikel bewirkt wird. Das Sintern der Kupferpartikel führt dazu, dass aneinandergrenzende Kupferpartikel lediglich punktuell bzw. in kleineren Oberflächenbereichen miteinander verschmolzen werden, wodurch erst ein guter elektrisch leitfähiger Kontakt von einem Kupferpartikel zu benachbarten Kupferpartikeln hergestellt und somit eine elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet wird. Durch das Beaufschlagen der kupferpartikelhaltigen Tinte werden gleichzeitig auch noch organische Bestandteile der Tinte vom Kunststoffsubstrat entfernt.
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Weil lediglich Oberflächenbereiche eines Substrates mit dem Elektronenstrahl mit der ersten Streckenenergie überstrichen werden, auf denen eine elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll, und weil dort die Energie vorwiegend in die Kupferpartikel der Tinte eingetragen wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für temperaturempfindliche Substrate, wie Kunststoffsubstrate, geeignet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch leitfähige Strukturen auf anderen Substratmaterialien, wie beispielsweise Halbleitern, Gläsern oder Keramiken, ausgebildet werden.
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Ausführungsbeispiele
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In 1 ist ein Kunststoffsubstrat 1 schematisch dargestellt, auf welchem eine elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll. Erfindungsgemäß wird auf dem Kunststoffsubstrat 1 zunächst eine Tinte aufgedruckt, welche elektrisch leitfähige Partikel in Form von Kupferpartikeln enthält. Das Aufdrucken der Tinte erfolgt zumindest in den Oberflächenbereichen des Kunststoffsubstrates 1, auf denen eine elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll. Bei dem zu 1 zugehörigen Ausführungsbeispiel wurden nur diejenigen Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrates 1 mit der Tinte bedruckt, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll. Für den Verfahrensschritt des Aufdruckens der Tinte können alle aus dem Stand der Technik bekannten Tintendruckprozesse verwendet werden, wie beispielsweise Inkjet-, Aerosoljet-, Sprüh- oder Siebdrucken.
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Eine erfindungsgemäß verwendete Tinte zeichnet sich dadurch aus, dass der Anteil der Kupferpartikel an der Tinte mindestens 15 Gewichts-% beträgt und die Kupferpartikel eine Größe im Bereich von 5 nm bis 100 μm aufweisen. Bevorzugt werden Kupferpartikel mit einer Größe im Bereich von 5 nm bis 1 μm verwendet, weil sich mit Partikeln in dieser Größenordnung auch besonders schmale und filigrane Leiterbahnstrukturen ausbilden lassen. Neben den Kupferpartikeln kann die Tinte auch noch Lösungsmittel, Wasser und Additive zum Steuern der Tintenviskosität aufweisen, wie es auch von anderen Tinten zum Drucken von Schaltungen bekannt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine kupferhaltige Tinte verwendet, die als niedrigviskose Suspension mit einer Viskosität kleiner 5 Pa·s (Pascalsekunde) ausgebildet ist.
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Nach dem Aufdrucken der Tinte werden die Kupferpartikel der aufgedruckten Tinte lediglich auf den Oberflächenbereichen des Kunststoffsubstrats 1, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll, gesintert und somit ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen aneinandergrenzenden Kupferpartikeln innerhalb dieser Oberflächenbereiche ausgebildet. Dazu wird das Kunststoffsubstrat 1 in eine in 1 nicht dargestellte Vakuumkammer eingebracht. Innerhalb der Vakuumkammer werden lediglich die Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrats 1, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll, mittels eines Elektronenstrahls 3 mit einer ersten Streckenenergie überstrichen, die ein Sintern der Kupferpartikel bewirkt.
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Für den zum Sintern erforderlichen Energieeintrag in die Kupferpartikel ist ein Elektronenstrahl besonders geeignet, weil solch ein Elektronenstrahl mit einem sehr kleinen Strahlfokus erzeugbar ist und somit sehr schmale Leiterbahnstrukturen ausbildbar sind. Des Weiteren ist ein Elektronenstrahl sehr schnell mit hoher Präzision ablenkbar, was zu einer hohen Produktivität mit hoher Präzision führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass bei einem Elektronenstrahl die Tiefenverteilung des Energieeintrages einstellbar ist, wodurch die zum Sintern der Kupferpartikel erforderliche Energie auch überwiegend in die Kupferpartikel eingetragen und somit das darunter liegende Substrat in thermischer Hinsicht lediglich gering belastet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit insbesondere für Kunststoffsubstrate geeignet.
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Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass erfindungsgemäß lediglich ein Sintern der Kupferpartikel mit gleichzeitigem Ausbrennen organischer Bestandteile, nicht aber ein vollständiges Aufschmelzen der Kupferpartikel mittels der Energie des Elektronenstrahls 3 bewirkt wird. Die hierfür erforderliche Streckenenergie, mit dem die aufgedruckte Tinte überstrichen werden muss, um ein Sintern der Kupferpartikel zu bewirken, ist für jeden Anwendungsfall in Abhängigkeit von der Art des Substrates und der Zusammensetzung der kupferhaltigen Tinte in Laborversuchen einfach ermittelbar. Die Streckenenergie beim Überstreichen eines Substrates mit einem Elektronenstrahl ergibt sich, indem man die elektrische Leistung des Elektronenstrahls durch die Vorschubgeschwindigkeit des Elektronenstrahls dividiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Elektronenstrahl 3, der von einem Elektronenstrahlgenerator 4 erzeugt wird, mit einer Leistung von 1 W bis 150 W geeignet, wobei ein Vorschub des Elektronenstrahls 3, mit dem der Elektronenstrahl 3 das Kunststoffsubstrat 1 überstreicht, mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s bis 100 m/s angewendet wird.
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Für das Überstreichen des Kunststoffsubstrates 1 mittels des Elektronenstrahls 3 mit der ersten Streckenenergie zum Ausbilden der elektrisch leitfähigen Struktur 2 bieten sich zwei Vorgehensweisen an. Zum einen kann das Kunststoffsubstrat 1 in die Vakuumkammer eingebracht werden und anschließend überprüft werden, ob das Kunststoffsubstrat 1 in der Vakuumkammer ordnungsgemäß ausgerichtet ist. Ergibt die Überprüfung, dass das Kunststoffsubstrat richtig ausgerichtet ist, wird die Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 nach einem vorgegebenen geographischen Muster der auszubildenden elektrisch leitfähigen Struktur mit dem Elektronenstrahl 3 abgerastert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform werden während des Überstreichens des Kunststoffsubstrates 1 mit dem Elektronenstrahl 3 Rückstreuelektronen und/oder Sekundärelektronen mittels einer in 1 nicht dargestellten Sensoreinrichtung erfasst und daraus mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinrichtung ein Signal erzeugt, in dessen Abhängigkeit die Richtung des Elektronenstrahls 3 gesteuert wird. Bei dieser Vorgehensweise kann überprüft und sichergestellt werden, dass die Position des Elektronenstrahls 3 auf der Oberfläche des Kunststoffsubstrates innerhalb der Oberflächenbereiche liegt, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll. Die hierfür erforderlichen Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Sekundär- und Rückstreuelektronen mit zugehöriger Auswerte- und Steuereinrichtung sind beispielsweise vom Elektronenstrahlschweißen her bekannt und lassen sich einfach in Vorrichtungen und Verfahren zum Ausbilden einer leitfähigen Struktur integrieren.
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Zum Überprüfen der Position des Elektronenstrahls 3 auf der Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 oder zum Überprüfen, ob das Kunststoffsubstrat 1 auch richtig innerhalb der Vakuumkammer ausgerichtet ist, wird bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Kunststoffsubstrat 1 mittels des Elektronenstrahls 3 mit einer zweiten Streckenenergie überstrichen, wobei die zweite Streckenenergie kleiner als die erste Streckenenergie gewählt wird. Das Überstreichen des Kunststoffsubstrates 1 mittels des Elektronenstrahls 3 mit der zweiten Streckenenergie führt somit zum einen nicht zum Sintern von Kupferpartikeln und zum anderen nicht zum thermisch bedingten Beschädigen des Kunststoffsubstrates 1. Beim Überstreichen des Kunststoffsubstrates 1 mit der zweiten Streckenenergie können sowohl Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrates 1 überstrichen werden, auf denen eine elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll, als auch Oberflächenbereiche, auf denen keine elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll. Auch hierbei werden Sekundär- und/oder Rückstreuelektronen mittels der Sensoreinrichtung erfasst. Mittels eines daraus gebildeten Kontrastbildes der Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 kann dann ermittelt werden, ob das Kunststoffsubstrat 1 innerhalb der Vakuumkammer ordnungsgemäß ausgerichtet ist und/oder ob der Elektronenstrahl 3 dann, wenn er mit der ersten Streckenenergie über die Oberflächen des Kunststoffsubstrates 1 streicht, noch innerhalb der Oberflächenbereiche agiert, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll. So kann der Elektronenstrahl 3 während des Überstreichens der Oberfläche des Kunststoffsubstrates mit der ersten Streckenenergie in zeitlichen Intervallen auf die zweite Streckenenergie umgeschaltet werden, mit der zweiten Streckenenergie die gesamte Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 scannen, um seine Position auf der Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 zu überprüfen und anschließend das Überstreichen des Kunststoffsubstrates 1 mit der ersten Streckenenergie fortsetzen. Die hierfür erforderlichen Steuereinrichtungen für das Umschalten der Streckenenergie eines Elektronenstrahls und für das Steuern der Richtung eines Elektronenstrahls sind bekannt.
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Bei dem zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das Kunststoffsubstrat 1 nur in den Oberflächenbereichen mit der Kupferpartikel enthaltenden Tinte bedruckt, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden sollte. Alternativ ist es aber auch möglich, die Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 über die Bereiche der elektrisch leitfähigen Struktur hinausgehend mit einer Kupferpartikel enthaltenden Tinte zu bedrucken. So kann beispielsweise auch die gesamte Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 mit der kupferhaltigen Tinte bedruckt oder mit Kupferpartikeln beschichtet werden. Anschließend werden dann wieder nur die Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrates 1 mittels des Elektronenstrahls 3 mit der ersten Streckenenergie überstrichen, auf denen die elektrisch leitfähige Struktur 2 ausgebildet werden soll. Nach dem Ausbilden der elektrisch leitfähigen Struktur 2 wird dann die Tinte von den anderen Oberflächenbereichen des Kunststoffsubstrates 1, in denen die Kupferpartikel nicht mittels des Elektronenstrahls gesintert wurden, entfernt. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die nicht mit dem Elektronenstrahl 3 mit der ersten Streckenenergie beaufschlagte Tinte von der Oberfläche des Kunststoffsubstrates 1 mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt wird.
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Die elektrische Leitfähigkeit einer erfindungsgemäß hergestellten elektrisch leitfähigen Struktur 2 kann ferner weiter erhöht werden, indem während des Beaufschlagens der Kupferpartikel enthaltenden Tinte mit dem Elektronenstrahl 3 ein das Oxidieren der Kupferpartikel reduzierendes Gas in die Vakuumkammer eingelassen wird. Hierfür hat sich das Gas Wasserstoff als besonders geeignet erwiesen, weil es einer oxidierten Randschicht von Kupferpartikeln Sauerstoff entzieht und sich mit diesem zu Wasser verbindet, welches aus der Tinte abdampft. Eine oxidierte Randschicht bei Kupferpartikeln wird auf diese Weise reduziert und damit die elektrische Leitfähigkeit der ausgebildeten elektrisch leitfähigen Struktur 2 erhöht. Alternativ kann hierfür auch ein wasserstoffhaltiges Gas verwendet werden.
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Die voranstehenden Ausführungsbeispiele wurden dahingehend beschrieben, dass die Oberfläche des Kunststoffsubstrates immer nur an einer Position mit einem Elektronenstrahl beaufschlagt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können aber auch bekannte Einrichtungen mit Mehrstrahltechnik zum Einsatz gelangen, bei denen ein Elektronenstrahl derart schnell abgelenkt wird, dass er quasi an mehreren Stellen gleichzeitig die Oberfläche des Kunststoffsubstrates beaufschlagt, wie es beispielsweise vom Elektronenstrahlschweißen bekannt ist. Auf diese Weise kann beim erfindungsgemäßen Verfahren an mehreren Stellen gleichzeitig das Sintern von Leiterbahnstrukturen durchgeführt werden. Bei derartigen Ausführungsformen mit Mehrstrahltechnik können auch Elektronenstrahlerzeuger mit einer Leistung bis 10 kW und mit einer Ablenkgeschwindigkeit bis zu 11,4 km/s verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0178434 A1 [0003]
- DE 69921515 T2 [0004]
- US 2005/0255253 A1 [0005]
