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Die
Erfindung betrifft Schablonen zum präzisen Bedrucken von
bevorzugt ebenen Substraten mit Druckmedien. Bei den Substraten
handelt es sich z. B. um Leiterplatten, Hybride, Dickschichtschaltungen,
Solarzellen und Ätzgut, die in unterschiedlichsten Prozessschritten
zu bedrucken sind. Hierzu werden Druckmedien z. B. als Lacke, Ätzresiste, Ätzpasten,
Lotpasten, Kleber, Leitkleber, Leitpasten, Wärmeleitpasten,
Schablonenmasse und Isoliermassen verwendet. Diese, in der Regel
pastösen Druckmedien, werden nachfolgend auch als Siebgut
bezeichnet. Das Siebgut ist beim technischen Siebdruck sehr präzise
sowohl in der Position, d. h. in der Lage und Form, als auch in
der Dicke auf das Substrat zu drucken. Durch die zunehmende Miniaturisierung
der zu druckenden Strukturen nehmen diese Anforderungen stetig zu.
Zugleich sollen diese Prozesse sehr wirtschaftlich und die Kosten
zur Herstellung der Schablonen minimal sein. Außerdem wird
eine große Standzeit der Schablonen, insbesondere auch
bei einem abrasiven Siebgut, gefordert. Zur Herstellung sollen möglichst
wenige, insbesondere wenig justierende Prozessschritte erforderlich
sein. In der Druckschrift
DE 10 2005 023 533 B4 wird ein typisches
Verfahren zur Herstellung einer Siebdruckschablone beschrieben.
Auf einem homogenen Siebgewebe, das allgemein auch als Trägernetz
bezeichnet wird, wird eine Deckschicht aufgebracht und ausgehärtet.
Diese Deckschicht ist resistent gegen das Siebgut. Sie wird bei
dieser Erfindung mittels Laserstrahlung strukturiert. Der Abtrag
der Deckschicht erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird ein infra-roter
Laserstrahl zum schnellen Abtrag der Schablonenmasse verwendet.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Feinbearbeitung mittels ultra-violetter
Laserstrahlung. Dabei wird das freigelegte Siebgewebe nicht angegriffen. Die
offenen Bereiche des Siebgewebes entsprechen den mit der Schablone
zu druckenden Strukturen. Das durchgehende und unbeschädigte
Siebgewebe erlaubt es, auch Inseln im Druckbild zu bilden, d. h. Bereiche
von Deckschichten, die von freigelegten Bereichen vollständig
umgeben sind.
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Das
Siebgewebe weist über die gesamte Fläche der Schablone
die gleiche Maschenweite auf. Nachteilig ist jedoch, dass bei sehr
kleinen Strukturen ein Siebgewebe verwendet werden muss, das Drähte
mit einem Durchmesser aufweist, der wesentlich kleiner ist als die
zu druckenden Strukturabmessungen. Dies hat neben erhöhten
Kosten eine geringere Stabilität und Maßhaltigkeit
der Schablone zur Folge. Insbesondere bei einem abrasiven Siebgut,
wie es z. B. bei einer metallhaltigen Leitpaste der Fall ist, haben
Schablonen, die mit einer Schablonenmasse als Deckschicht hergestellt
werden, eine kleine Standzeit. Unter anderem deshalb kommen zunehmend Schablonen
aus Metall zum Einsatz.
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In
der Druckschrift
DE
10 2005 016 027 A1 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung
einer Siebdruckschablone für den technischen Siebdruck beschrieben.
Als Werkstoff wird ein dünnwandiges hochfestes Rohblech
aus Metall, z. B. Edelstahl verwendet. In den von den zu druckenden
Strukturen vorgegebenen Bereichen des Rohbleches werden Ausschnitte
in genauer Positionierung mittels Laserstrahl geschnitten. In diesen
Bereichen bestimmt die Dicke des Rohbleches die Schichtdicke des
gedruckten Siebgutes auf dem Substrat. Durch ein selektives Reduzieren
der Schablonendicke kann die Schichtdicke des Siebgutes individuell
eingestellt werden. Das Reduzieren der bestimmten Bereiche erfolgt
durch Hochgeschwindigkeitsfräsen des aufgespannten Rohbleches.
Der Zweck und die Strukturierung dieser Stufenschablonen unterscheiden
sich von der erfindungsgemäßen Ausführung
einer Schablone. Bei diesen so genannten Stufenschablonen soll durch die
gefräste Vertiefung erreicht werden, dass das Siebgut bei
einem Arbeitsgang in unterschiedlicher Dicke oder bei großen
lateralen Geometrieunterschieden gleichmäßig aufgebracht
werden kann. Nachteilig ist der hohe Aufwand zur Herstellung der Schablone
in zahlreichen Arbeitschritten, die auch von der Komplexität
des Designs abhängen. Ferner ist es bei dieser verschleißfesteren
Stufenschablone nachteilig, dass keine Inseln im Strukturbild herstellbar
sind. Die zu bildenden Ausschnitte dürfen nicht zusammenhängend
sein, wenn Inseln erforderlich sind. Dies stellt eine gravierende
Einschränkung bei der Erstellung des zu druckenden Layouts
dar, d. h. es besteht keine Designfreiheit.
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Die
Druckschrift
DE
10 2004 062 945 B3 beschreibt ein Ätzgut als plattiertes
Kaltband, das von Rolle zu Rolle behandelt werden kann. In dieses
Kaltband sind Öffnungen als Schattenmaske für
Bildröhren zu ätzen. Eine Lackschicht als Ätzresist
deckt die Stellen beidseitig ab, die im Ätzbad nicht angegriffen werden
sollen. Dieses Mikroätzen im Rolle-zu-Rolle Verfahren ist
besonders wirtschaftlich, wenn stets gleiches Gut in großer
Produktionsmenge herzustellen ist. Dies ist bei den beschriebenen
Schattenmasken der Fall. Ein anderer Anwendungsfall besteht z. B.
bei der Herstellung von Schablonen für das Bedrucken von
Silizium-Solarzellen, die stets gleich groß sind und das
gleiche Layout aufweisen. Das in dieser Druckschrift beschriebene
plattierte Kaltband, das allgemein auch als Verbundblech bezeichnet
wird, setzt voraus, dass das Ätzmedium alle plattierten
Metalle ätzend angreift. Andernfalls sind für
jeden Werkstoff spezifische Ätzmedien erforderlich. In
diesem Falle muss das Ätzen in mindestens zwei Ätzschritten
erfolgen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine dimensionsstabile Schablone für
den präzisen technischen Siebdruck zu beschreiben, die
es erlaubt, auch kleinste Strukturen mit Abmessungen bis herab zu
10 μm oder sogar darunter bei nahezu völliger
Designfreiheit in großer Produktionsmenge kostengünstig zu
drucken, wobei auch bei einem abrasiven Siebgut eine große
Standzeit der Schablone erreicht werden soll. Für Anwendungen
bei Siliziumsolarzellen besteht der Trend die Linienbreite der Kontaktierungen zu
reduzieren. Je nach Anwendung sind kleinste zu druckende Abmessungen
bevorzugt für Feindruck im Bereich von 20 μm bis
60 μm zu realisieren. Je nach Anforderung soll mit der
erfindungsgemäßen Schablone auch eine Linienbreite
kleiner als 20 μm oder mehr als 200 μm entsprechend
dem Stand der Technik realisiert werden. Für den Fachmann
nahe liegend, soll die Verwendung der erfindungsgemäßen Schablone
für beliebige andere Typen von nicht auf Silizium basierten
Solarzellen geeignet sein.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen
Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung sieht aus einem einzigen Trägersubstrat erzeugte
Schablonen vor, die mindestens teilweise und bevorzugt an der Rakelseite
aus Metall bzw. Metallblech bestehen, wodurch die große Standzeit
erreicht wird. Ein separates Trägernetz im Bereich des
Druckbildes ist nicht erforderlich. Zur erforderlichen Designfreiheit,
d. h. zur beliebigen Bildung von Inseln im zu druckenden Layout
wird das dafür erforderliche Trägernetz an der
Rakelseite als Vertiefungen direkt aus dem Metallblech bzw. dem Schablonenkörper
bis zu einer bestimmten Tiefe herausgearbeitet. Das Layout dieses
Trägernetzes, mit vorzugsweise regelmäßiger
Struktur, ist vorteilhaft individuell und in weiten Grenzen an die
Anforderungen, die durch das Druckbild an die Schablone gestellt
werden, anpassbar. Dies betrifft besonders die Maschenweite des
Trägernetzes und die Breite der Stege zwischen den Maschen.
Ferner sind die Form und Richtung der Maschen in Bezug zur Rakelrichtung,
sowie die Höhe der Stege bei gegebener Dicke des Metallbleches
individuell realisierbar.
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Auf
der dem Substrat zugewandten Seite der Schablone wird das bei der
Nutzung derselben zu druckende Druckbild positiv durch z. B. Mikroätzen oder
mittels Laserstrahl als Vertiefungen in das Trägersubstrat
bzw. in den Schablonenkörper eingebracht. Die Tiefe dieser
Vertiefungen ist so groß, dass die Front, der das Trägernetz
bildenden Vertiefungen mindestens erreicht wird, wodurch Durchgangsöffnungen
für das Siebgut entstehen. Auf der Substratseite kann durch
eine solche Vertiefung ein Kanal gebildet werden, durch den das
Siebgut gedrückt wird, um das Schablonenlayout abzubilden.
Zur Realisierung von möglichst dünnen gedruckten
Schichten kann diese Kanalhöhe je nach Anforderung und
Einsatz der Strukturierungstechnik minimal gehalten werden, beispielsweise
im Bereich von wenigen 100 nm. Die kleinste Kanalhöhe wird
durch die minimale Stufentiefe, die bei der Strukturierung erzeugt
werden kann begrenzt. Mittels Mikroätzen lassen sich Vertiefungen
von weniger als 100 nm realisieren. In einer vorteilhaften Ausführung
der erfindungsgemäßen Schablone kann für
Solarzellen aus Silizium oder Solarzellen in einer anderen Technologie
eine Kanalhöhe von weniger als 1 μm bevorzugt
werden, z. B. um Siebgut einzusparen. Je nach Anforderung kann diese
Tiefe oder Kanalhöhe auch eine andere Abmessung über
1 μm bis beispielsweise 10 μm aufweisen, und je
nach Anwendung auch beliebig mehr als 10 μm bis zu einem
gewissen maximalen Prozentsatz der Schablonenstärke, den
die Integrität der Schablone noch ermöglicht.
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Die
Stabilität und Integrität der Schablone wird ähnlich
wie bei bekannten Siebschablonen mit den netzartigen Trägerstrukturen
erzielt, die von der Rakelseite der Schablone ausgehend erzeugt
werden. Die zu druckende Schablonenstruktur wird von der Substratseite
realisiert.
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Wegen
des an das Druckbild angepassten Trägernetzes können
auch Inseln im Layout realisiert werden. Somit besteht eine völlige
Designfreiheit für das Druckbild. Damit bietet die erfindungsgemäße Schablone
aus Metall bisher unerreichte Möglichkeiten zur optimalen
Anpassung an die technischen Anforderungen. Dies betrifft u. a.
das Layout, das Siebgut, sowie das zu bedruckende Gut, wodurch besonders
wirtschaftliche Siebdruck- bzw. Schablonendruckverfahren realisierbar
sind.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung wird keine netzartige
Trägerstruktur eingesetzt, sondern es werden nur an relevanten
Stellen zur Erzielung einer mechanischen Stabilität Brücken
gesetzt, die auch dafür sorgen, dass alle Elemente der
Schablone im Schablonenverbund gehalten werden.
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In
der gesonderten Ausführung der Erfindung kann auf die Bildung
des bevorzugt homogenen Trägernetzes verzichtet werden.
Zur Bildung von Inseln im Layout werden an Stelle des erfindungsgemäßen
universellen Trägernetzes nur an den relevanten Stellen
individuelle Brücken verwendet, die als ein minimales Trägernetz
wirken. Die Brücken überspannen die Schablonenöffnungen,
die zwei Schablonenelemente teilen. Sie sorgen dafür, dass alle
Elemente der Schablone im Schablonenverbund gehalten werden.
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Zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Siebdruckschablonen
eignen sich besonders die bekannten Laser-Techniken sowie das Mikroätzen.
Laser-Techniken sind geeignet, Metallschnitte durchzuführen
und auch Bohrungen oder Schnitte mit definierter Tiefe zu vollziehen,
wie es für die erfindungsgemäße Schablone
nötig ist. Auch hier ist ein vom Design abhängiger
Durchsatz zu erwarten, wenn es große Unterschiede bei den
zu erzeugenden Strukturbreiten in der Schablone gibt. Die Vertiefungen müssen
ebenso sequentiell erzeugt werden. Außerdem müssen
mit Laserstrahlen bearbeite Schablonen aufwändig nachgearbeitet
werden, um Oberflächenrauhigkeiten zu reduzieren und redeponiertes Material
zu entfernen. Das nasschemische Mikroätzen ist zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Siebdruckschablonen besonders
geeignet. Hier bietet sich sehr vorteilhaft das Rolle-zu-Rolle Verfahren
an. Ein Metallblech bzw. Metallband wird zur Bearbeitung von einer
Rolle abgerollt. Dieses Band als Ausgangswerkstoff wird mit einem
fotoempfindlichen Lack beidseitig beschichtet. In diesen Lack werden auf
beiden Seiten des Bleches Strukturen übertragen. Dies kann
in einem einzigen Schritt gleichzeitig oder nacheinander von Vorder-
und Rückseite erfolgen.
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Das
Metallblech oder Metallband mit den unterschiedlich strukturierten
Lacken wird einem Ätzmedium ausgesetzt, wobei in Tauchbädern
gleichzeitig von Vorder- und Rückseite geätzt
wird. In Sprühverfahren kann beidseitig unabhängig
oder mit unterschiedlicher Ätzrate geätzt werden,
beispielsweise durch unterschiedliche Ätzmedien, Konzentrationen oder
Sprühparameter. Wenn sich Lacköffnungen der Vorder-
und der Rückseite überdecken, entsteht beim Ätzen
eine Öffnung bzw. ein Durchgang im Blech. Wenn der Lack
nur von einer Seite geöffnet ist, entsteht bei entsprechendem
Abbruch des Ätzens eine Vertiefung. Auf der Substratseite
kann durch eine solche Vertiefung ein Kanal gebildet werden, durch
den das Siebgut gedrückt wird, um das Schablonenlayout
abzubilden. Auf der dem Schablonenkörper gegenüberliegenden
Rakelseite spielt eine Vertiefung keine Rolle für die präzise
Abbildung des Schablonenlayouts bzw. des Druckbildes.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand der schematischen und nicht maßstäblichen 1 bis 4 detailliert
beschrieben.
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1 zeigt
sehr vergrößert einen kleinen Ausschnitt einer
erfindungsgemäßen Schablone in der Draufsicht
und im Schnitt nach dem erfolgten Prozessschritt zur Bildung des
Trägernetzes;
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2 zeigt
sehr vergrößert einen kleinen Ausschnitt der Schablone
nach dem weiteren Prozessschritt zur Bildung des Layouts des mit
der Schablone zu druckenden Druckbildes;
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3 zeigt
in der Draufsicht eine erfindungsgemäße Schablone
zum Drucken einer fein strukturierten Gridmetallisierung auf Solarzellen
aus Silizium mit einer Leitpaste; und
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4 zeigt
eine Schablone zur Gridmetallisierung von Solarzellen mit Inseln
ohne Verwendung eines Trägernetzes.
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Die 1 zeigt
in zwei Ansichten einen kleinen Ausschnitt eines Schablonenkörpers 19,
z. B. als Metallblech, nach dem ersten Prozessschritt zur Herstellung
der Siebdruckschablone. An der Rakelseite 20 sind mit regelmäßiger
Struktur Rakelvertiefungen in Form von Netzvertiefungen 1 angeordnet,
die als Sacklöcher aus dem Schablonenkörper 19 herausgearbeitet
wurden. Zwischen den Netzvertiefungen 1 bleiben Stege 2 stehen.
Diese Stege 2 haben eine zusammenhängende Gitterstruktur,
die nach Fertigstellung der Schablone das Trägernetz bildet.
Die Tiefe 3 der Netzvertiefungen 1 im Schablonenkörper 19 kann
in weiten Grenzen bedarfsgerecht ausgeführt werden. Sie
kann z. B. zwischen 10% und 90% der Schablonendicke 4 betragen.
Zur Herstellung der Netzvertiefungen 1 können
alle bekannten Verfahren eingesetzt werden. Insbesondere eignen
sich das nasschemische Mikroätzen und das Bearbeiten mittels
Laserstrahl. Das Bearbeiten mit diesen Verfahren wird bei Erreichen
der vorbestimmten Tiefe 3 der Fronten der Netzvertiefungen 1 beendet,
wodurch die Sacklöcher entstehen. Die Abmessungen der Sacklöcher
und ihre gegenseitigen Abstände, d. h. die Stege 2,
richten sich insbesondere nach den kleinsten zu druckenden Druckbildern,
z. B. der Strukturen von elektrischen Leiterzügen oder
Lötaugen. Die Stegbreite 9 soll kleiner sein als
das kleinste zu druckende Element des Druckbildes, was mit den genannten
Herstellungsverfahren und für die beschriebenen Anwendungsfälle
immer gegeben ist.
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In
der 1 sind als Netzvertiefungen 1 über die
gesamte Fläche gleich große Quadrate mit der Maschenweite 10 bzw.
der Maschendiagonale 5 dargestellt. Sie ergeben allseits
gleich breite Stege 2 und damit ein homogenes Trägernetz.
Gleiches ist auch mit anderen Formen der Vertiefungen erreichbar,
z. B. mit Rechtecken.
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Die
Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil das Trägernetz
aus dem Werkstoff der Schablone selbst, z. B. aus Edelstahl, Material
abtragend hergestellt wird. Dies erlaubt eine bedarfsgerechte Herstellung
des Trägernetzes. So können unterschiedliche Vertiefungen 1 bezüglich
ihrer Anordnung, Form und in den Abmessungen auf einer Schablone
realisiert werden. In Bereichen des zu bedruckenden Substrates,
in dem nichts gedruckt werden soll, ist auch kein Trägernetz
erforderlich. Hier kann selektiv auf die Netzvertiefungen verzichtet
werden. Dies verringert z. B. den Verschleiß beim Gebrauch
der Schablone. Bei der Laserstrahlbearbeitung des Trägernetzes werden
außerdem Zeit und Kosten eingespart.
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Ein
weiterer Vorteil der Strukturierung einer Schablone aus einem Schablonenkörper,
in das eine Netzstruktur von einer Seite eingebracht wird und das
zu druckende Schablonenlayout von der anderen Seite eingebracht
wird, ist, dass das Trägernetz derartig gestaltet werden
kann, dass die einzelnen Netzlinien nicht abwechselnd über-
und untereinander miteinander verwebt werden müssen. Bei
den herkömmlichen Sieben mit Geweben kann die Oberfläche
der gesiebten Struktur je nach Ausführung des Siebes und
der Druckparameter mehr oder weniger wellig sein. Bei der erfindungsgemäßen
Strukturierung des Trägernetzes aus dem Werkstück
heraus werden ebene Oberflächen der Schablonen erzielt. Dadurch
kann auch die gesiebte Struktur auf dem Substrat mit einer planaren
Oberfläche abgebildet werden. Metallschablonen weisen darüber
hinaus eine geringere Oberflächenrauheit auf gegenüber, was
sich auf die Auflösung des Druckbild und die Lebensdauer
positiv auswirkt.
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Die 2 zeigt
im Ausschnitt eine fertiggestellte Schablone in zwei Ansichten.
In der bei der Nutzung der Schablone dem Substrat zugewandten Seite,
der Substratseite 21, sind Layoutvertiefungen 6 eingebracht,
die das zu druckende Druckbild positiv abbilden. Die Herstellung
der Vertiefungen erfolgt wieder mit den oben genannten Verfahren.
Bei Erreichen der vorbestimmten Tiefe 7 wird der Herstellungsprozess
beendet. Dies ist dann der Fall, wenn sich die Fronten der Layoutvertiefungen 6 der
Substratseite 21 mit den Rakelvertiefungen 1 der
Rakelseite innerhalb des Schablonenkörpers 19 treffen.
Dadurch entstehen Durchgangsöffnun gen 8 in den
Bereichen des Druckbildes. Diese Durchgangsöffnungen 8 werden
lediglich von den schmalen Stegen 2 unterbrochen. Weil
diese Stege 2 beim Siebdrucken nicht auf der Oberfläche
des zu bedruckenden Substrates aufliegen, wird auch in der Projektion
der Stege 2 das Siebgut gedruckt, wenn sich unter dem Steg eine
Layoutvertiefung 6 befindet. Das meist pastöse Druckmedium
fließt unter der Kraft, die vom Rakel ausgeht, auf die
gesamte von einer Layoutvertiefung gebildete Fläche des
Substrates. Somit haben die Stege 2, bei einer an das Druckbild
angepassten Breite, keinen störenden Einfluss auf die Qualität
des Druckergebnisses. Die Summe der Tiefen der Rakelvertiefung plus
der Layoutvertiefung muss zur Bildung einer Durchgangsöffnung 8 mindestens
so groß sein, wie die Schablonendicke 4. Die Schablonendicke 4 bzw.
die Dicke des Schablonenkörpers 19 richtet sich
nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Sie kann bis zu 1 mm und mehr
betragen. Zum Bedrucken von Solarzellen kann sie z. B. im Bereich
von 10 μm bis 300 μm, bevorzugt von 10 μm
bis 30 μm liegen.
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Die
Bearbeitung des Schablonenkörpers 19 kann auch
mit dem Ausarbeiten der Layoutvertiefungen 6 beginnen,
und anschließend werden die Rakelvertiefungen 1 aus
dem Schablonenkörper 19 herausgearbeitet.
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In
einer Weiterführung der erfindungsgemäßen
Schablone sind die Profile der Kanten der Vertiefungen durch das
Strukturieren für einen defektfreien Druck ausgeführt.
Für den Siebdruck ist es vorteilhaft, Profile zu erzielen,
die Hinterschneidungen des gedruckten Siebgutes vermeiden. Von der
Substratseite ist eine Kante zu bevorzugen, die mit zunehmender
Tiefe die Öffnung verkleinert. Diese Kante bzw. das Seitenprofil
weist eine negative Steigung auf. Dadurch kann beim Abheben des
Siebes ein definierter Abriss des Siebgutes erreicht werden, insbesondere, wenn
von der anderen Seite der Öffnung ein ebensolches Kantenprofil
erzielt wird, so dass an der Stelle, an der diese Kantenprofile
durch die beidseitige in die Tiefe verkleinernde Strukturierung
aufeinander treffen, eine Einschnürung erzeugt wird. Solche
Profile lassen sich beim Sprühätzen durch Einstellung
der Sprühparameter, z. B. des Sprühwinkels, erzeugen.
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Vorteilhafterweise
wird die Netzstruktur in einem Winkelversatz zu dem Sieblayout realisiert,
um eine Parallelität zwischen den Netzlinien und der Siebstruktur
zu vermeiden, die zu Überhängen führen
könnte, welche die Siebeigenschaften beim Druck negativ
beeinflussen könnten. Der Winkelversatz zwischen Netz-
und Siebstruktur ist weiterhin vorteilhaft zur Stabilisierung der
Schablone. Bei überwiegend rechtwinkligen Siebstrukturen
bietet sich an, ein Netz aus rechtwinklig aufeinander stoßenden
Linien mit 45° oder einem anderen Winkelversatz auf der
anderen Seite des Schablonenkörpers 19 einzubringen.
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Die
erfindungsgemäße individuelle Gestaltung des Trägernetzes
bietet die Möglichkeit, die Schichtdicke des Druckmediums,
d. h. des Siebgutes, selektiv zu drucken. Ausgehend von einer maximalen
Schichtdicke bei einer größtmöglichen
Maschenweite 10 und mit kleinstmöglichen Stegbreiten 9 wird
mittels dieser beiden Parameter die Schichtdicke reduziert. An den
Stellen des Druckbildes, die eine kleinere Schichtdicke aufweisen
sollen, werden im Bereich der Netzvertiefungen die Durchgangsöffnungen 8 verringert.
Dies geschieht durch Vergrößerung der Stegbreiten 9 zu
Lasten der Netzvertiefungen, bzw. der Durchgangsöffnungen.
Hierzu ist kein zusätzlicher Prozess erforderlich. Die
individuellen Durchgangsöffnungen werden bei der Herstellung der
Netzvertiefungen gleich mit gebildet. Die Selektivität
kann dabei mit der hohen Präzision des Ätzprozesses
auf Basis der Foto-Lithographie oder der Laserablation erfolgen.
Durch die Reduzierung der Größe der Durchgangsöffnungen
wird zugleich die Stabilität der Schablone sehr vorteilhaft
erhöht. Umgekehrt ist dies beim Stand der Technik bei den
Stufenschablonen der Fall. Zur Reduzierung der zu druckenden Schichtdicke
bei Stufenschablonen werden durch Fräsen die Dicke und
damit die Stabilität der Schablone verringert. Die Frästechnik
nach dem Stand der Technik erlaubt auch nur eine sehr begrenzte
Selektivität bezüglich der örtlichen
Schichtdicken des Druckbildes.
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Die 3 zeigt
ein nicht maßstäbliches Anwendungsbeispiel einer
Schablone 12 für Silizium-Solarzellen mit der
Umfangslinie 11 zum Drucken der fein strukturierten Gridmetallisierung
mit Silberleitpaste. Die kleinste Abmessung der Breite der Leiterzüge
beträgt z. B. 10 μm. Die quer hierzu verlaufenden
zwei Busbars sind z. B. 2 mm breit.
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Diese
Siebe werden in hoher Stückzahl benötigt. Daher
ist eine kostengünstige und durchsatzstarke Herstellungsmethode
notwendig. Die Schablone muss eine hohe Festigkeit aufweisen. Die
länglichen Öffnungen für die einzelnen
Finger eines solchen Grids müssen ausreichend stabil sein.
Die Designfreiheit für das Grid soll dabei wenig eingeschränkt
werden, z. B. durch besondere Designregeln für die Schablonenherstellung.
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In
der 3 ist der beim Drucken erforderliche Rahmen der
Schablone nicht dargestellt. Im Mittenbereich der Schablone befinden
sich Inseln 15. Diese sind in den Bereichen 13 der
Leiterzüge und in den Bereichen 14 der Busbars
vollständig von Durchgangsöffnungen 8,
d. h. von den Layoutvertiefungen umgeben. Ohne Trägernetz
würden diese Bereiche herausfallen. Sie müssen
jedoch beim Siebdrucken das Siebgut zurückhalten. Das Trägernetz
trägt diese Inseln 15, die bei anderen Anwendungsfällen
auch sehr klein und untereinander unterschiedlich groß sein
können.
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Die
Gridmetallisierung von Solarzellen aus Silizium mittels eines Siebdruckverfahrens
ist ein Sonderfall. Das Layout ist für nur eine Größe
von Solarzellen stets gleich und wegen des sehr großen Produktionsvolumens
werden auch sehr viele derartige gleiche Schablonen benötigt.
Daher kann auf ein universelles homogenes Trägernetz gemäß den 1 bis 3 verzichtet
werden.
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Eine
weiterführende Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schablone mit Brückenverbindungen ist in 4 gezeigt.
Der Grundwerkstoff, bzw. der Schablonenkörper 19,
z. B. ein Metallblech, enthält Durchbrüche 17 an
den Stellen, die das hauptsächliche Druckbild positiv darstellen.
Diese hell dargestellten Durchbrüche 17 können
mit bekannten Verfahren hergestellt werden, z. B. durch Ätzen
oder Laserschneiden. In Falle der Bearbeitung von einer Seite oder
von beiden Seiten eignet sich auch das Fräsen oder Wasserschneiden,
bei einseitiger Bearbeitung darüber hinaus das Stanzen.
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Zur
Vermeidung von Inseln werden Brücken 16 realisiert.
Sie überspannen die Schablonenöffnungen, bzw.
Durchbrüche 17, welche zwei Schablonenelemente
teilen. Wenn diese Brücken die gleiche Höhe bzw.
Dicke wie die Metallschablone aufweisen, würde jedoch eine
Unterbrechung in der auf dem Substrat gedruckten Struktur entstehen
und nicht das gewünschte Druckbild gemäß 3 der
Ausführungsform mit Netz abgebildet. Dies wird gelöst,
indem nur durchgehende Öffnungen 17 in der Schablone
für den überwiegenden Teil des Druckbildes und daneben
noch partielle Vertiefungen, als Teil des Druckbildes, von der Substratseite
bis zu einer definierten Tiefe in der Schablone erzeugt werden.
Diese Vertiefungen bilden partielle Brücken, die Schabloneninseln
im Schablonenverbund halten und die gleichzeitig einen Kanal für
das Siebgut zwischen den durchgehenden Öffnungen 17 in
der Schablone an der Substratseite freihalten, wenn die Schablone auf
das zu bedruckende Substrat aufgelegt wird. Es kann so eine unterbrechungsfreie
Struktur gemäß dem Druckbild gemäß 3 auf
dem Substrat erzeugt werden, obwohl die Öffnung 17 in
der Siebdruckschablone nicht unterbrechungsfrei ist. Zugleich wird
die mechanische Stabilität oder Integrität der
Schablone durch die Brücken 16 gewährleistet. Das
Siebgut verläuft beim Siebdrucken am Leiterzug auf dem
Substrat unter den Brücken 16 in Folge seines
gegebenen Fließverhaltens. Von beiden Seiten der Brücke 16 wird
somit der durchgehende Leiterzug gedruckt. Die Anzahl der Brücken 16 kann
individuell je Insel 15 festgelegt werden. Diese Ausführung der
Erfindung stellt eine Sonderform der Ausführungsform mit
regelmäßigen Netzen dar. Mit zunehmender Anzahl
der Brücken 16 geht diese Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schablone über in
die Ausführungsform mit einem homogenen Trägernetz.
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In
der 4 bilden die Strukturen im Randbereich der Solarzelle
im Layout Halbinseln 18. Diese können somit aus
der Schablone nicht herausfallen. In der Praxis erweist es sich
jedoch insbesondere bei bestimmter Richtung der Bewegung des Rakels
als vorteilhaft, auch derartige Halbinseln durch Brücken mechanisch
zu stabilisieren. Dies ist ohne Mehraufwand möglich. Die
Herstellung der Brücken erfolgt zusammen mit dem Prozessschritt
zur Bildung der gleichartigen Brücken, die die Inseln 15 tragen
und stabilisieren. Im rechten Randbereich der Schablone sind mechanisch
stabilisierende Brücken 16 an den Halbinseln 18 eingezeichnet.
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Die
Brücken wirken wie das beschriebene Trägernetz,
bzw. wie die Stege des Trägernetzes. Sie können
an der Substratseite 21 ebenso freigelegt werden, wie es
bei der Herstellung der Layoutvertiefungen 6 beschrieben
wurde.
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Auf
bzw. von der Substratseite wird das zu druckende Layout übertragen.
Auf bzw. von der Rakelseite wird, justiert zur Substratseite, das
Layout der Rakelvertiefungen übertragen, welches bis auf die
Bereiche der Brücken mit dem Layout der Substratseite übereinstimmen
kann. Hier ist eine Justierung des Layouts mit den Rakelvertiefungen
auf die Layoutvertiefungen der Substratseite nötig, die
abhängig von den Toleranzen präzise sein muss.
Vorteilhafterweise kann das Layout auf der Brückenseite bzw.
der Rakelseite 20 an den Kanten konzentrisch bzw. im Sinne
eines Vorhaltes eine definiert größere Öffnung
pro Kante aufweisen, um einen möglichen Versatz auszugleichen,
denn die Genauigkeit des Druckbildes wird an der Substratseite 21 bestimmt.
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Bei
Verwendung von Ätzverfahren kann die Ätztiefe
präzise durch Zeitsteuerung eingestellt werden. Auf diese
Weise kann eine Brücke, Steg oder Vertiefung von beispielsweise
von 10% bis 90% der Dicke des Schablonenkörpers erzeugt
werden, je nach dem, wie man die Ätzrate der Vorder- und
Rückseite einstellt oder es für die Stabilität
der Schablone gewünscht oder gefordert ist. Eine individuelle
und unterschiedliche Ätzrate auf Vorder- und Rückseite lässt
sich beispielsweise beim Sprühätzen mittels unterschiedlicher
Sprühparameter, unterschiedlicher Ätzmedien oder
unterschiedlicher Konzentrationen der Ätzmedien erzielen.
Als alternative Methode zur Einstellung der Vertiefungen, der Stegstärke,
bzw. der Höhe der Brücken, ist es möglich,
die Vorder- und Rückseitenätzung in zwei Schritten
durchzuführen. Dies kann entweder durch selektive Ätzung
nur einer Seite bis zu einer definierten Tiefe und anschließend beidseitiger Ätzung
oder mit sequentiellen Lithographie- und Ätzschritten erfolgen.
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Darüber
hinaus ist es möglich, Durchbrüche 17 separat
von den Brücken zu realisieren, von einer oder beiden Seiten
des Schablonenkörpers, in ein- oder mehrstufigen Herstellungsschritten,
und die Brücken bzw. Vertiefungen für die Kanäle
in einem weiteren Arbeitsgang mit bekannten Herstellungsmethoden
zu realisieren.
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In
einer Weiterführung der erfindungsgemäßen
Schablone kann ein Verbundwerkstoff bzw. Verbundblech aus verschiedenen
Metallen in mehreren Schichten eingesetzt werden. Derartige Kompositbleche
können durch Kombination und Zusammenwalzen bzw. Plattieren
von verschiedenen Blechen gebildet werden, wodurch sich Möglichkeiten
für unterschiedliche Strukturierungen aufgrund der unterschiedlichen
Materialien ergeben. Die Wahl der Metalle oder Metalllegierungen
kann hinsichtlich ihrer Eigenschaften abgestimmt werden, so dass
eine unterschiedliche Ätzgeschwindigkeit der verschiedenen Metalle
in ein und demselben Ätzmedium erzielt wird. Bei Einsatz
von Ätzmedien, die selektiv nur jeweils ein Metall des
Schichtverbundes angreifen, kann ein Ätzstopp erzielt werden.
Die Ätzung stoppt bei definierter Tiefe, wenn das andere
Metall erreicht wird, welches nicht von dem Ätzmedium angegriffen
wird.
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In
einer weiteren Ausführung der Erfindung wird ebenfalls
ein Verbundwerkstoff zur Herstellung der Schablone verwendet. Diese
Ausführung eignet sich besonders für den Siebdruck
von Substrat mit unebenen Oberflächen. An der Rakelseite
wird vorzugsweise ein stabilisierendes Metallblech verwendet, auf
das eine Folie laminiert, geklebt oder anderweitig befestigt ist.
Die Dicke der Folie entspricht der Tiefe 7 der Layoutvertiefungen 6.
Diese Folie besteht aus einem wesentlich elastischeren Werkstoff
als das Metallblech. Diese elastische Seite der Schablone ist dem
Substrat zugewandt. Durch die Kraft des Rakels passt sich die Schablone
auch an unebene Oberflächenbereiche der Substrate an. Diese
Oberflächen kommen z. B. beim Siebdruck von Lotpasten auf
Leiterplatten oder Hybriden vor. Damit wird auch bei derartig unebenen
Oberflächen ein scharfes Druckbild erzielt.
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Erfindungsgemäße
Metallschablonen weisen eine höhere Festigkeit gegenüber
den Schablonen mit Trägergeweben auf. Dadurch kann beim Siebdruck
mehr Kraft auf die Schablone ausgeübt werden, ohne dass
dadurch das zu bedruckende Substrat mechanisch mehr belastet wird.
Dies kann vorteilhafterweise genutzt werden, um das Substrat nicht
mit der Schablone oder nicht großflächig mit der Schablone
in Kontakt zu bringen. Das Siebgut wird mehr oder weniger nur durch
die Sieböffnungen gesprüht. Dies hat den Vorteil,
dass die Dicke der Siebstruktur auf dem Substrat nur von der Menge
des durchgedrückten bzw. durchgesprühten Siebgutes abhängt
und nicht von der Dicke der Schablone oder von der Abreißkante
beim Abheben der Schablone.
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In
einer weiterführenden Ausführung der erfindungsgemäßen
Schablone kann diese mit Abstandshaltern versehen werden. Sie werden
entweder aus dem Metallblech bzw. dem Schablonenkörper
mit den gleichen Methoden, z. B. des Mikroätzens, in einem
zusätzlichen Ätzschritt vor der Strukturierung
des Schablonenlayouts an wohldefinierten Stellen erzeugt. Hierfür
wird ein Lack auf der Substratseite 21 aufgebracht, der
die Struktur solcher Abstandshalter erhält. Dann wird durch Ätzen
eine Stufe mit definierter Tiefe erzeugt, so dass die Oberfläche der
Struktur der Abstandshalter auf einem höheren Level liegt
als die im Anschluss zu strukturierende Schablonenstruktur.
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Solche
Abstandshalter können auch durch Aufbringen von zusätzlichem
Material erzeugt werden, indem die Strukturen der Abstandshalter
beispielsweise aufgalvanisiert werden. Die Lackmaske hat dann gegenüber
einer Ätzstrukturierung eine invertierte Orientierung.
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Da
die erfindungsgemäßen metallischen Schablonen
eine hohe Steifigkeit aufweisen, können die Druckparameter
je nach Größe der Schablone und Anforderung beim
Drucken bzw. Sieben so eingestellt werden, dass die Schablone sich
nicht nennenswert durchbiegt, wodurch ein definierter Abstand zum
Substrat durch die Positionierung erreicht wird, ohne dass das Substrat
mit der Schablone in Kontakt kommt. Der Vorteil besteht darin, dass
die Kanten der Öffnungen, durch die das Siebgut gedrückt
wird, je nach Druckparameter mehr oder weniger verschmutzen können,
was sich auf das im Anschluss zu bedruckende Substrat negativ auswirken kann.
Wenn die Kanten der Öffnungen nicht mit dem Substrat in
Berührung kommen, wird eine Übertragung der Verschmutzung
auf das Folgesubstrat vermieden.
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Die
erfindungsgemäße Schablone, insbesondere im Zusammenhang
mit der Herstellung durch Mikroätzen im Rolle-zu-Rolle
Verfahren, bietet die Vorteile der kostengünstigen Herstellung
bei hohem Durchsatz, hoher Präzision und Auflösung
im Mikrometerbereich und hohem Freiheitsgrad im Design selbst bei
separierten Inselstrukturen oder mechanisch labilen Strukturen.
Die Herstellung solcher Schablonen mit Frästechniken bietet
dabei nicht die gleichen Freiheitsgrade im Design. Laserverfahren können
zum Teil hohe thermische Belastungen mit sich bringen und erfordern
die Oberflächennachbehandlung.
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- 1
- Rakelvertiefung,
Netzvertiefung an der Rakelseite, Sackloch
- 2
- Steg
- 3
- Tiefe
der Netzvertiefung
- 4
- Schablonendicke
- 5
- Maschendiagonale
- 6
- Layoutvertiefung
an der Substratseite
- 7
- Tiefe
der Layoutvertiefung
- 8
- Durchgangsöffnung
- 9
- Stegbreite
- 10
- Maschenweite
- 11
- Umfangslinie,
Solarzelle
- 12
- Schablone,
Siebdruckschablone
- 13
- Bereich
der Leiterzüge
- 14
- Bereich
der Busbars
- 15
- Insel
im Layout
- 16
- Brücke
- 17
- Durchbruch, Öffnung
- 18
- Halbinsel
im Layout
- 19
- Schablonenkörper,
Trägersubstrat
- 20
- Rakelseite,
Vorderseite
- 21
- Substratseite,
Rückseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005023533
B4 [0001]
- - DE 102005016027 A1 [0003]
- - DE 102004062945 B3 [0004]