EP3078246A1 - Method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate - Google Patents

Method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate

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EP3078246A1
EP3078246A1 EP14796142.9A EP14796142A EP3078246A1 EP 3078246 A1 EP3078246 A1 EP 3078246A1 EP 14796142 A EP14796142 A EP 14796142A EP 3078246 A1 EP3078246 A1 EP 3078246A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
plastic substrate
electron beam
electrically conductive
ink
copper particles
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14796142.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Fahland
Benjamin Graffel
Gösta MATTAUSCH
Falk Winckler
Stefan Weiss
Sindy Mosch
Robert Jurk
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate, in which initially an ink is printed on the plastic substrate.
  • lithographic and galvanic methods are established. However, these methods are very complex and expensive and therefore less suitable for a small series production and rapid prototyping.
  • Very flexible alternative techniques are direct writing methods, such as, for example, the aerosol and inkjet printing.
  • the metal particles are coated with an organic layer that prevents agglomeration and sedimentation within the ink. In order to reduce the electrical resistance of printed wiring patterns printed with such inks, the organic components must be removed from the wiring patterns.
  • a method is known in which a silver-containing ink is printed on a substrate.
  • the ink also contains a dispersion stabilizer and a solvent.
  • the entire substrate is heated to above 1 90 ° C. by means of an electron beam in order to remove organic material remaining on the substrate and thus to form conductive tracks of silver. Due to the heating of the substrate above 1 90 ° C, the process is limited in terms of the substrate materials to be used, in particular with respect to plastic materials. Another disadvantage is due to the expensive silver-containing ink required for this purpose.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a method by means of which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • an electrically conductive structure is also on
  • Plastic substrates can be formed, in which an inexpensive ink is used and in which a high electrical conductivity of the formed on the substrate interconnect structure can be achieved.
  • an ink containing electrically conductive solid particles is first printed on the plastic substrate at least on the surface regions on which the electrically conductive structure is to be formed.
  • electrically conductive solid particles copper particles are used according to the invention. It has an advantageous effect here that copper-particle-containing inks are cheaper than inks in which the electrically conductive particles consist of noble metals. Because an oxidation Of copper particles during storage at atmospheric conditions usually can not be prevented, are the term copper particles in the sense of the invention also to understand such copper particles on the surface of which is partially or completely formed an oxide layer. It is expressly mentioned, however, that oxidation of the copper particles is neither required nor desired for the process according to the invention. Therefore, according to the invention, the term “copper particles” also means oxides and alloys which have a copper content of at least 90%.
  • a path energy is selected with an energy input into the printed ink such that sintering of the copper particles is effected as a result of sweeping the ink with the electron beam.
  • the sintering of the copper particles causes adjacent copper particles to be fused together only at certain points or in smaller surface areas, whereby only a good electrically conductive contact is made from a copper particle to adjacent copper particles and thus an electrically conductive structure is formed.
  • organic components of the ink are removed from the plastic substrate at the same time.
  • the method according to the invention is also suitable for temperature-sensitive substrates, such as plastic substrates , suitable. With the method according to the invention but also conductive structures on other substrate materials, such as semiconductors, G lasers or ceramics, are formed. embodiments
  • a plastic substrate 1 is shown schematically, on which an electrically conductive structure is to be formed. According to the invention is on the
  • Plastic substrate 1 first printed an ink containing electrically conductive particles in the form of copper particles.
  • the printing of the ink takes place at least in the surface regions of the plastic substrate 1, on which an electrically conductive structure 2 is to be formed. In the embodiment associated with FIG. 1, only those surface regions of the plastic substrate 1 have been printed with the ink on which the electrically conductive structure 2 is to be formed.
  • Any ink printing processes known in the art may be used in the process of printing the ink, such as inkjet, aerosoljet, spray or screen printing.
  • An ink used according to the invention is characterized in that the proportion of copper particles in the ink is at least 15% by weight and the copper particles have a size in the range from 5 nm to 100 ⁇ m. Preference is given to using copper particles having a size in the range from 5 nm to 1 ⁇ m, because it is also possible to form particularly narrow and filigree conductor track structures with particles of this size.
  • the ink may also contain solvents, water, and additives for controlling ink viscosity, as well known from other inks for printing circuits.
  • a copper-containing ink is used, which is formed as a low-viscosity suspension having a viscosity of less than 5 Pa s (pascal second).
  • the copper particles of the printed ink are sintered only on the surface portions of the plastic substrate 1 on which the electroconductive structure 2 is to be formed, and thus an electrically conductive contact is formed between adjacent copper particles within these surface regions.
  • the plastic substrate 1 is introduced into a vacuum chamber, not shown in Fig. 1.
  • the surface regions of the plastic substrate 1 on which the electrically conductive structure 2 is to be formed are swept over by means of an electron beam 3 with a first energy of the line, which causes sintering of the copper particles.
  • an electron beam is particularly suitable because such an electron beam can be generated with a very small beam focus and thus very narrow conductor track structures can be formed. Furthermore, an electron beam is very quickly deflected with high precision, resulting in a high
  • an electron beam 3 which is generated by an electron beam generator 4, with a power of 1 W to 1 50 W, wherein a feed of the electron beam 3, with which the electron beam 3 sweeps over the plastic substrate 1, at a speed of 0, 1 m / s to 100 m / s is applied.
  • the plastic substrate 1 can be introduced into the vacuum chamber and then checked to see whether the plastic substrate 1 is properly aligned in the vacuum chamber. If the check reveals that the plastic substrate is aligned correctly, the surface of the plastic substrate 1 is scanned with the electron beam 3 in accordance with a predetermined geographical pattern of the electrically conductive structure to be formed.
  • backscattered electrons and / or secondary electrons are detected by means of a sensor device (not shown in FIG.
  • Electron beam 3 is controlled. In this procedure, it can be checked and ensured that the position of the electron beam 3 on the surface of the plastic substrate lies within the surface regions on which the electrically conductive structure is to be formed.
  • the requisite sensor devices for detecting secondary and backscattered electrons with associated evaluation and control device are known, for example, from electron beam welding, and can be easily integrated into devices and methods for forming a conductive structure.
  • the plastic substrate 1 by means of the electron beam 3 with a second energy range covered wherein the second energy range is chosen smaller than the first energy range.
  • both surface regions of the plastic substrate 1 can be covered on which an electrically conductive structure 2 is to be formed, as well as surface areas on which no electrically conductive structure 2 is to be formed.
  • secondary and / or backscattered electrons are detected by means of the sensor device.
  • a contrast image of the surface of the plastic substrate 1 formed therefrom can then be determined whether the plastic substrate 1 is properly aligned within the vacuum chamber and / or if the electron beam 3, when it sweeps over the surfaces of the plastic substrate 1 with the first path energy, still within the surface areas act on which the electrically conductive structure 2 is to be formed.
  • the electron beam 3 can be switched during the sweeping of the surface of the plastic substrate with the first path energy at time intervals to the second path energy, with the second energy path, the entire surface of the plastic substrate 1 to check its position on the surface of the plastic substrate 1 and then continue the sweeping of the plastic substrate 1 with the first path energy.
  • the necessary control means for switching the path energy of an electron beam and for controlling the direction of an electron beam are known.
  • the plastic substrate 1 has been printed only in the surface areas with the ink containing copper particles, on which the electrically conductive structure 2 should be formed.
  • the entire surface of the plastic substrate 1 can be printed with the copper-containing ink or coated with copper particles.
  • the ink is then removed from the other surface portions of the plastic substrate 1 in which the copper particles were not sintered by the electron beam. This can be done, for example, by the ink, which is not supplied with the electron beam 3 with the first energy of the path, from the surface of the ink
  • Plastic substrate 1 is removed by mechanical or chemical means.
  • the electrical conductivity of an electrically conductive structure 2 produced according to the invention can be further increased further by introducing a gas reducing the oxidation of the copper particles into the vacuum chamber during the charging of the ink containing copper particles with the electron beam 3.
  • the hydrogen gas has proved to be particularly suitable because it extracts oxygen from an oxidized surface layer of copper particles and combines with this to water, which evaporates from the ink.
  • An oxidized boundary layer in the case of copper particles is reduced in this way and thus the electrical conductivity of the formed electrically conductive structure 2 is increased.
  • a hydrogen-containing gas can also be used for this purpose.

Abstract

The invention relates to a method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate, wherein an ink, which contains electrically conductive solid particles, is printed on the plastic substrate, wherein copper particles are used as electrically conductive solid particles and, after the printing of the ink, only the surface regions of the plastic substrate on which the electrically conductive structure is to be formed are swept over by means of an electron beam having a first energy per unit length within a vacuum chamber, which first energy per unit length causes sintering of the copper particles.

Description

Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem  Method for forming an electrically conductive structure on a
Kunststoff Substrat Plastic substrate
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Struktur auf einem Kunststoffsubstrat, bei welchem zunächst eine Tinte auf das Kunststoffsubstrat aufgedruckt wird. Stand der Technik The invention relates to a method for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate, in which initially an ink is printed on the plastic substrate. State of the art
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. For the production of conductor tracks on printed circuit boards as well as in microelectronic and sensory components, lithographic and galvanic methods are established. However, these methods are very complex and expensive and therefore less suitable for a small series production and rapid prototyping. Very flexible alternative techniques are direct writing methods, such as, for example, the aerosol and inkjet printing. However, it is disadvantageous that so far mainly cost-intensive, nanoscale silver inks have been used for these methods. The metal particles are coated with an organic layer that prevents agglomeration and sedimentation within the ink. In order to reduce the electrical resistance of printed wiring patterns printed with such inks, the organic components must be removed from the wiring patterns.
Aus US 201 0/01 78434 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 1 90 °C erhitzt, um auf dem Substrat verbliebenes organisches Material zu entfernen und somit Leiterbahnen aus Silber auszubilden. Aufgrund des Erhitzens des Substrates auf über 1 90 °C ist das Verfahren hin- sichtlich der zu verwendenden Substratmaterialien, insbesondere in Bezug auf Kunststoffmaterialien, eingeschränkt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aufgrund der preisintensiven silberhaltigen Tinte, die hierfür erforderlich ist. From US 201 0/01 78434 A1 a method is known in which a silver-containing ink is printed on a substrate. In addition to a silver-containing compound, the ink also contains a dispersion stabilizer and a solvent. After the circuit has been printed, the entire substrate is heated to above 1 90 ° C. by means of an electron beam in order to remove organic material remaining on the substrate and thus to form conductive tracks of silver. Due to the heating of the substrate above 1 90 ° C, the process is limited in terms of the substrate materials to be used, in particular with respect to plastic materials. Another disadvantage is due to the expensive silver-containing ink required for this purpose.
In DE 699 21 51 5 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. In DE 699 21 51 5 T2 discloses a method for providing printed conductors on a printed circuit, wherein first the structure of the circuit with a electrically conductive and curable ink is printed on a substrate. The printed circuit traces are then amplified by means of electroplating out of a copper sulfate solution and finally charged with an electron beam to ionize the tracks and to change their electrical polarity. The disadvantage here is that it is a multi-stage process in which wet chemistry is required.
In US 2005/0255253 A1 wird wiederum vorgeschlagen, die Oberfläche eines Substrates, auf welche eine elektrisch leitfähige, polymerhaltige Tinte gedruckt wurde, mit einem In US 2005/0255253 A1 it is again proposed to use a surface of a substrate on which an electrically conductive, polymer-containing ink has been printed
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. To sweep electron beam. In this method, however, the electron beam is not used to remove organic material from the substrate, but to cure the ink due to radiation-induced polymer crosslinking. A disadvantage of this method is that the electrical conductivity of printed conductors, which have polymeric constituents, is not very good.
Aufgabenstellung task
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 aufThe invention is therefore based on the technical problem of providing a method by means of which the disadvantages of the prior art are overcome. In particular, with the method according to the invention an electrically conductive structure is also on
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. 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. Plastic substrates can be formed, in which an inexpensive ink is used and in which a high electrical conductivity of the formed on the substrate interconnect structure can be achieved. The solution to the technical problem results from the objects having the features of patent claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
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. In the method according to the invention for forming an electrically conductive structure on a plastic substrate, an ink containing electrically conductive solid particles is first printed on the plastic substrate at least on the surface regions on which the electrically conductive structure is to be formed. As electrically conductive solid particles copper particles are used according to the invention. It has an advantageous effect here that copper-particle-containing inks are cheaper than inks in which the electrically conductive particles consist of noble metals. Because an oxidation Of copper particles during storage at atmospheric conditions usually can not be prevented, are the term copper particles in the sense of the invention also to understand such copper particles on the surface of which is partially or completely formed an oxide layer. It is expressly mentioned, however, that oxidation of the copper particles is neither required nor desired for the process according to the invention. Therefore, according to the invention, the term "copper particles" also means oxides and alloys which have a copper content of at least 90%.
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. However, printing the copper-particle-containing ink alone does not produce any useful electrically conductive structure on a substrate, because in particular mostly not completely avoidable oxidation on the surfaces of the copper particles prevent good electrical contact between adjacent copper particles from being formed. This is a disadvantage compared to noble metal-containing inks whose particles are not as likely to oxidize as copper. The printed copper particle-containing ink thus still requires further processing. According to the invention, only the surface areas of the plastic substrate on which the electrically conductive structure is to be formed are swept over by means of an electron beam with a first energy range within a vacuum chamber after printing the copper particle-containing ink. In this case, a path energy is selected with an energy input into the printed ink such that sintering of the copper particles is effected as a result of sweeping the ink with the electron beam. The sintering of the copper particles causes adjacent copper particles to be fused together only at certain points or in smaller surface areas, whereby only a good electrically conductive contact is made from a copper particle to adjacent copper particles and thus an electrically conductive structure is formed. By applying the copper particle-containing ink, organic components of the ink are removed from the plastic substrate at the same time.
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, G läsern oder Keramiken, ausgebildet werden. Ausführungsbeispiele Because only surface areas of a substrate are swept by the electron beam at the first line energy on which an electrically conductive structure is to be formed, and because the energy is predominantly introduced into the copper particles of the ink, the method according to the invention is also suitable for temperature-sensitive substrates, such as plastic substrates , suitable. With the method according to the invention but also conductive structures on other substrate materials, such as semiconductors, G lasers or ceramics, are formed. embodiments
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Kunststoffsubstrat 1 schematisch dargestellt, auf welchem eine elektrisch leitfähige Struktur ausgebildet werden soll. Erfindungsgemäß wird auf demThe present invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In Fig. 1, a plastic substrate 1 is shown schematically, on which an electrically conductive structure is to be formed. According to the invention is on the
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 Fig. 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. Plastic substrate 1 first printed an ink containing electrically conductive particles in the form of copper particles. The printing of the ink takes place at least in the surface regions of the plastic substrate 1, on which an electrically conductive structure 2 is to be formed. In the embodiment associated with FIG. 1, only those surface regions of the plastic substrate 1 have been printed with the ink on which the electrically conductive structure 2 is to be formed. Any ink printing processes known in the art may be used in the process of printing the ink, such as inkjet, aerosoljet, spray or screen printing.
Eine erfindungsgemäß verwendete Tinte zeichnet sich dadurch aus, dass der Anteil der Kupferpartikel an der Tinte mindestens 1 5 Gewichts-% beträgt und die Kupferpartikel eine Größe im Bereich von 5 nm bis 100 μιτι aufweisen. Bevorzugt werden Kupferpartikel mit einer Größe im Bereich von 5 nm bis 1 μιτι 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 kupfer- haltige Tinte verwendet, die als niedrigviskose Suspension mit einer Viskosität kleiner 5 Pa s (Pascalsekunde) ausgebildet ist. An ink used according to the invention is characterized in that the proportion of copper particles in the ink is at least 15% by weight and the copper particles have a size in the range from 5 nm to 100 μm. Preference is given to using copper particles having a size in the range from 5 nm to 1 μm, because it is also possible to form particularly narrow and filigree conductor track structures with particles of this size. In addition to the copper particles, the ink may also contain solvents, water, and additives for controlling ink viscosity, as well known from other inks for printing circuits. In one embodiment, a copper-containing ink is used, which is formed as a low-viscosity suspension having a viscosity of less than 5 Pa s (pascal second).
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 Fig. 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. 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 After printing the ink, the copper particles of the printed ink are sintered only on the surface portions of the plastic substrate 1 on which the electroconductive structure 2 is to be formed, and thus an electrically conductive contact is formed between adjacent copper particles within these surface regions. For this purpose, the plastic substrate 1 is introduced into a vacuum chamber, not shown in Fig. 1. Within the vacuum chamber, only the surface regions of the plastic substrate 1 on which the electrically conductive structure 2 is to be formed are swept over by means of an electron beam 3 with a first energy of the line, which causes sintering of the copper particles. For the energy input into the copper particles required for sintering, an electron beam is particularly suitable because such an electron beam can be generated with a very small beam focus and thus very narrow conductor track structures can be formed. Furthermore, an electron beam is very quickly deflected with high precision, resulting in a high
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. Productivity with high precision results. Another advantage lies in the fact that in an electron beam, the depth distribution of the energy input is adjustable, whereby the energy required for sintering the copper particles also registered predominantly in the copper particles and thus the underlying substrate can be charged only slightly in thermal terms. The inventive method is thus particularly suitable for plastic substrates.
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 It should be mentioned at this point that according to the invention, only a sintering of the copper particles with simultaneous burnout of organic components, but not a complete melting of the copper particles by means of the energy of the electron beam 3 is effected. The energy required for this, with which the printed ink must be painted over in order to effect sintering of the copper particles, can easily be determined for each application, depending on the nature of the substrate and the composition of the copper-containing ink in laboratory experiments. The path energy when passing over a substrate with an electron beam is obtained by adjusting the electric power of the electron beam by the feed rate of the electron beam
Elektronenstrahls dividiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Elektronenstrahl 3, der von einem Elektronenstrahlgenerator 4 erzeugt wird, mit einer Leistung von 1 W bis 1 50 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.  Divided electron beam. For the method according to the invention, an electron beam 3, which is generated by an electron beam generator 4, with a power of 1 W to 1 50 W, wherein a feed of the electron beam 3, with which the electron beam 3 sweeps over the plastic substrate 1, at a speed of 0, 1 m / s to 100 m / s is applied.
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 ein- gebracht 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. Bei einer alternativen Ausführungsform werden während des Überstreichens des Kunststoffsubstrates 1 mit dem Elektronenstrahl 3 Rückstreuelektronen und/oder Sekundärelektronen mittels einer in Fig. 1 nicht dargestellten Sensoreinrichtung erfasst und daraus mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinrichtung ein Signal erzeugt, in dessen Abhängig- keit 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. For the sweeping of the plastic substrate 1 by means of the electron beam 3 with the first path energy for forming the electrically conductive structure 2, there are two approaches. On the one hand, the plastic substrate 1 can be introduced into the vacuum chamber and then checked to see whether the plastic substrate 1 is properly aligned in the vacuum chamber. If the check reveals that the plastic substrate is aligned correctly, the surface of the plastic substrate 1 is scanned with the electron beam 3 in accordance with a predetermined geographical pattern of the electrically conductive structure to be formed. In an alternative embodiment, backscattered electrons and / or secondary electrons are detected by means of a sensor device (not shown in FIG. 1) during the sweeping of the plastic substrate 1 with the electron beam and a signal is generated therefrom by means of an evaluation device (not shown), the direction of which is dependent on the electron beam Electron beam 3 is controlled. In this procedure, it can be checked and ensured that the position of the electron beam 3 on the surface of the plastic substrate lies within the surface regions on which the electrically conductive structure is to be formed. The requisite sensor devices for detecting secondary and backscattered electrons with associated evaluation and control device are known, for example, from electron beam welding, and can be easily integrated into devices and methods for forming a conductive structure.
Zum Überprüfen der Position des Elektronenstrahls 3 auf der Oberfläche des Kunststoff- Substrates 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 zumTo check the position of the electron beam 3 on the surface of the plastic substrate 1 or to check whether the plastic substrate 1 is also properly aligned within the vacuum chamber, in a further embodiment of the method according to the invention, the plastic substrate 1 by means of the electron beam 3 with a second energy range covered, wherein the second energy range is chosen smaller than the first energy range. The sweeping of the plastic substrate 1 by means of the electron beam 3 with the second path energy thus does not lead to one
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 Elektronen- Strahls sind bekannt. Sintering of copper particles and on the other not to thermally caused damage to the plastic substrate. 1 When sweeping over the plastic substrate 1 with the second energy path both surface regions of the plastic substrate 1 can be covered on which an electrically conductive structure 2 is to be formed, as well as surface areas on which no electrically conductive structure 2 is to be formed. Here, too, secondary and / or backscattered electrons are detected by means of the sensor device. By means of a contrast image of the surface of the plastic substrate 1 formed therefrom can then be determined whether the plastic substrate 1 is properly aligned within the vacuum chamber and / or if the electron beam 3, when it sweeps over the surfaces of the plastic substrate 1 with the first path energy, still within the surface areas act on which the electrically conductive structure 2 is to be formed. Thus, the electron beam 3 can be switched during the sweeping of the surface of the plastic substrate with the first path energy at time intervals to the second path energy, with the second energy path, the entire surface of the plastic substrate 1 to check its position on the surface of the plastic substrate 1 and then continue the sweeping of the plastic substrate 1 with the first path energy. The necessary control means for switching the path energy of an electron beam and for controlling the direction of an electron beam are known.
Bei dem zu Fig. 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 Elektronen- strahl 3 mit der ersten Streckenenergie beaufschlagte Tinte von der Oberfläche des In the embodiment described with reference to FIG. 1, the plastic substrate 1 has been printed only in the surface areas with the ink containing copper particles, on which the electrically conductive structure 2 should be formed. Alternatively, however, it is also possible to print the surface of the plastic substrate 1 beyond the regions of the electrically conductive structure with an ink containing copper particles. Thus, for example, the entire surface of the plastic substrate 1 can be printed with the copper-containing ink or coated with copper particles. Subsequently, again only the surface regions of the plastic substrate 1 are covered by the electron beam 3 with the first energy of the path, on which the electrically conductive structure 2 is to be formed. After the formation of the electroconductive structure 2, the ink is then removed from the other surface portions of the plastic substrate 1 in which the copper particles were not sintered by the electron beam. This can be done, for example, by the ink, which is not supplied with the electron beam 3 with the first energy of the path, from the surface of the ink
Kunststoffsubstrates 1 mit mechanischen oder chemischen Mitteln entfernt wird. Plastic substrate 1 is removed by mechanical or chemical means.
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. The electrical conductivity of an electrically conductive structure 2 produced according to the invention can be further increased further by introducing a gas reducing the oxidation of the copper particles into the vacuum chamber during the charging of the ink containing copper particles with the electron beam 3. For this purpose, the hydrogen gas has proved to be particularly suitable because it extracts oxygen from an oxidized surface layer of copper particles and combines with this to water, which evaporates from the ink. An oxidized boundary layer in the case of copper particles is reduced in this way and thus the electrical conductivity of the formed electrically conductive structure 2 is increased. Alternatively, a hydrogen-containing gas can also be used for this purpose.
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 1 1 ,4 km/s verwendet werden. The above embodiments have been described in that the surface of the plastic substrate is always only at a position with an electron beam is charged. In the method according to the invention, however, known devices with multi-beam technology can also be used, in which an electron beam is deflected so rapidly that it simultaneously acts on the surface of the plastic substrate at several points, as is known, for example, from electron beam welding. In this way, in the method according to the invention, the sintering of printed conductor structures can be carried out at several points at the same time. In such embodiments with multi-beam technology, electron guns with a power of up to 10 kW and a deflection speed of up to 1 1, 4 km / s can also be used.

Claims

Patentansprüche Patent claims
Verfahren zum Ausbilden einer elektrisch leitfähigen Struktur (2) auf einem Kunststoffsubstrat (1 ), wobei eine Tinte, welche elektrisch leitfähige Feststoffpartikel enthält, auf dem Kunststoffsubstrat (1 ) aufgedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Kupferpartikel als elektrisch leitfähige Feststoffpartikel verwendet werden und nach dem Aufdrucken der Tinte lediglich die Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrats (1 ), auf denen die elektrisch leitfähige Struktur (2) ausgebildet werden soll, innerhalb einer Vakuumkammer mittels eines Elektronenstrahls (3) mit einer ersten Streckenenergie überstrichen werden, die ein Sintern der Kupferpartikel bewirkt. Method for forming an electrically conductive structure (2) on a plastic substrate (1), wherein an ink containing electrically conductive solid particles is printed on the plastic substrate (1), characterized in that copper particles are used as electrically conductive solid particles and after By printing the ink, only the surface areas of the plastic substrate (1), on which the electrically conductive structure (2) is to be formed, are swept within a vacuum chamber by means of an electron beam (3) with a first path energy, which causes the copper particles to sinter.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensoreinrichtung Rückstreu- und/oder Sekundärelektronen erfasst werden und daraus ein Signal gebildet wird, in dessen Abhängigkeit die Richtung des Elektronenstrahls (3) gesteuert wird. Method according to claim 1, characterized in that backscatter and/or secondary electrons are detected by means of a sensor device and a signal is formed therefrom, depending on which the direction of the electron beam (3) is controlled.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Position des Elektronenstrahls (3) das Kunststoffsubstrat (1 ) zeitweise mittels des Elektronenstrahls (3) mit einer zweiten Streckenenergie überstrichen wird, wobei die zweite Streckenenergie kleiner ausgebildet wird als die erste Streckenenergie. Method according to claim 2, characterized in that to determine the position of the electron beam (3), the plastic substrate (1) is temporarily swept over with a second distance energy by means of the electron beam (3), the second distance energy being made smaller than the first distance energy.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahl (3) mit einer Strahlleistung von 1 W bis 1 50 W verwendet wird. Method according to claim 1, characterized in that an electron beam (3) with a beam power of 1 W to 1 50 W is used.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektronenstrahl (3) mit einer Ablenkgeschwindigkeit von 0, 1 m/s bis 1 00 m/s das Kunststoffsubstrat (1 ) überstreicht. Method according to claim 1, characterized in that an electron beam (3) sweeps over the plastic substrate (1) at a deflection speed of 0.1 m/s to 100 m/s.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Tinte mit einem Gehalt an Kupferpartikeln von mindestens 1 5 Gewichts-% verwendet wird. Method according to claim 1, characterized in that an ink with a copper particle content of at least 1-5% by weight is used.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kupferpartikel mit einer Partikelgröße von 5 nm bis 1 00 μιτι verwendet werden. Method according to claim 1, characterized in that copper particles with a particle size of 5 nm to 100 μιτι are used.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Kupferpartikel mit einer Partikelgröße von 5 nm bis 1 μιτι verwendet werden. 8. The method according to claim 7, characterized in that copper particles with a particle size of 5 nm to 1 μm are used.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche des Kunststoffsubstrates (1 ) mit der Kupferpartikel enthaltenden Tinte bedruckt wird. 9. The method according to claim 1, characterized in that the entire surface of the plastic substrate (1) is printed with the ink containing copper particles.
1 0. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass lediglich die Oberflächenbereiche des Kunststoffsubstrats (1 ), auf denen die elektrisch leitfähige Struktur (2) ausgebildet werden soll, mit der Kupferpartikel enthaltenden Tinte bedruckt werden. 1 0. The method according to claim 1, characterized in that only the surface areas of the plastic substrate (1) on which the electrically conductive structure (2) is to be formed are printed with the ink containing copper particles.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass während des Überstreichens des Kunststoffsubstrates (1 ) mit dem Elektronenstrahl (3) ein die Oxidation der Kupferpartikel reduzierendes Gas in die Vakuumkammer eingelassen wird. 1 1 . Method according to claim 1, characterized in that while the electron beam (3) is sweeping over the plastic substrate (1), a gas which reduces the oxidation of the copper particles is admitted into the vacuum chamber.
1 2. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff in die Vakuumkammer eingelassen wird. 1 2. The method according to claim 1 1, characterized in that hydrogen is admitted into the vacuum chamber.
1 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Tinte mit einer Viskosität kleiner 5 Pa-s verwendet wird. 1 3. The method according to claim 1, characterized in that an ink with a viscosity of less than 5 Pa-s is used.
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