WO2009059743A1 - Verfahren und einrichtungen zur bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten strukturen und druckmaschine mit einer solchen einrichtung - Google Patents

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Karin Weigelt
Ulrich Hahn
Uta Fügmann
Max Michael MÜLLER
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Evonik Degussa Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating electrically conductive, printed structures which are printed on a continuously moving web material in the context of a printing operation, and a device, in particular for carrying out this method and a printing machine with such a device according to the preamble of claims 1, 17 and 31.
  • a sheet rotation offset printing device for producing flat sheet resistors is known, wherein a resistance checking device is provided for measuring the resistance values following a furnace process.
  • a dye feed roller for regulating the dye supply can be influenced depending on the taking place in the context of a bridge circuit resistance measurement.
  • such a device is unsuitable for continuous processes.
  • DE 40 16 961 A1 discloses a method and a device for determining the electrical sheet resistance of metal strips evaporated on a film web. Apart from the fact that these are not printed electrical structures, the resistance measuring device is relatively complicated and sets in the longitudinal direction of the building material progressively extending electrical structures ahead.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for evaluating electrically conductive, printed structures that are printed as part of a printing on a continuously moving web material to indicate the or a quality control of the structures in terms of their electrical properties high, by the printing process itself determined efficiency and speed. In this way, the conditions are to be created to be able to intervene in situ in the printing process as a function of the evaluation result.
  • the invention is further based on the object to provide a printing machine, which allows the error-free or low-defect printing of electrically conductive structures.
  • the method according to the invention realizes an in situ, ie within the printing process of the moving web material taking place an electrical parameter, preferably the electrical resistance of the entire printed structure or a part thereof, so that without delay and within the printing process itself a quality control of the electronic printed structure is done with the ability to intervene in a feedback control in the printing process itself, if errors in the conductive printed structure, such as too high a resistance within an electrically conductive structure or too low resistance between two electrically isolated parts of the conductive, printed Structure to be determined.
  • the detection of the at least one electrical parameter, in particular of the electrical resistance representing the electrical conductivity preferably takes place before the winding up of the web material.
  • the printing of the electrically conductive structure often forms the first step involving a series of further steps involving coatings, contacts, etc. to complete the electronic component, e.g. Field effect transistor, follow.
  • the underlying base layer which is the carrier of the electrically conductive, printed structure, it is possible to avoid the further processing of faulty structures and thus unnecessary costs.
  • the electrical parameter preferably the electrical resistance, in a conductivity measurement and / or a short-circuit strength measurement between an unwinding of the web material and a winding device thereof by at least one measuring roller is detected, wherein preferably the web material between at least one measuring roller and a counter-pressure roller , preferably a rubber roller, is passed.
  • the web material printed with the conductive printed structure when it is printed on both sides, i. is printed on the top and bottom or front and back with conductive structures, by oppositely arranged measuring rollers, (so that the counter-pressure roller is designed as a measuring roller), detected, or are in contact with the top and bottom of the web material one each or a plurality of measuring rollers provided on the opposite side of the web material oppositely arranged counter-pressure roller (in particular rubber roller).
  • the measuring roller is rotationally driven in contact with the printed web material, ie by means of a torque acting on the axis of the same by the frictional force between the web material and the cylinder surface of the measuring roller.
  • the measuring roller can also be gently replaced by its own drive. dig driven, preferably in accordance with the web speed of the web material. It is also advantageous if the contact pressure or the contact force between the web material and the measuring and / or counter-pressure roller (constant) is adjustable, preferably under elastic bias of the measuring roller against the web material.
  • the counter-pressure roller can be pressed by an adjustable storage with a predetermined pressure force adjustable against the measuring roller and passed through them, printed web material.
  • the electrical resistance measurement on the printed, electrically conductive structure is preferably carried out via a 2-point or, with increased accuracy, via a 4-point measurement and preferably by means of spaced ring electrodes transverse to the running direction of the web material, wherein the ring electrodes, preferably made of copper or provided with a gold coating to reduce the contact resistance, insulating in the axial direction spaced, in the preferably cylindrical, surface of the measuring roller, are.
  • a wireless measured value transmission from the measured value roll, in particular a front side thereof, to a receiver / evaluation device, or the detected electrical parameters of the structure are used as input parameters for influencing actuators for the printing process (closed loop).
  • a contact method is used to record electrical characteristic values, in particular the electrical resistance (conductivity measurement or testing of the short circuit resistance (R ⁇ 00 )).
  • this does not mean that in particular with further improvement of the printing process and the electrically conductive application materials with improved surface quality and homogeneity properties, non-contact, preferably inductive or capacitive methods for quality evaluation of the printed, electrically conductive structure within a printing press could be used.
  • optical predisposition of the electrically conductive application material eg by equipping them with highly reflective properties or excited or self-emission of electromagnetic waves also appears an optical quality monitoring of the printed electrically conductive points with an indirect conclusion on the electrical properties, such as their conductivity.
  • the further improvement of the carrier substrate (web material) in terms of surface quality and homogeneity can contribute to this.
  • the aforementioned object is achieved according to the invention by the embodiment of same as an inline measuring device, provided in conjunction with a printing machine for printing the electrically conductive structures on the web material.
  • the in-line gauge is disposed in contact with the web material upstream of a printed web material rewinder within a printing press.
  • the in-line measuring device has a measuring roller for forming at least two measuring points in connection with the conductive printed structure on the web material, formed by two ring electrodes spaced apart in the preferably cylindrical outer surface of the measuring roller.
  • These are preferably made of copper, optionally coated with a noble metal to avoid the accumulation of abrasion on the electrode surface and to reduce the contact resistance, e.g. with a GoId coating as contact material (preferably applied with a layer thickness of a few microns).
  • the detection of the electrical parameter takes place and can (equally timely or sequentially with one or more measuring rollers), both a conductivity measurement (measurement of electrical resistance) within a circuit of the electrical structure and / or a short-circuit strength measurement (detection of the lack of electrical connection between electrically disconnected sections of the printed structure done) include.
  • the in-line measuring device may be combined with a marking device such that e.g. an inline marking of printed electroconductive structures having short circuits or electrical resistances above a predetermined threshold occurs such that the correspondingly marked areas of the web material or the correspondingly marked printed electronic structures are later easily found and identified by the Further processing can be excluded.
  • a marking device such that e.g. an inline marking of printed electroconductive structures having short circuits or electrical resistances above a predetermined threshold occurs such that the correspondingly marked areas of the web material or the correspondingly marked printed electronic structures are later easily found and identified by the Further processing can be excluded.
  • a label is e.g. easily possible with inkjet.
  • the in-line measuring device is part of a control loop in which the measured values in terms of electrical resistance or short circuit resistance (electrical resistance to infinity) as input to influence actuators a printing press are provided.
  • the aforementioned object is finally achieved with respect to a printing machine for printing a continuously moving web material with electrically conductive printed structures, with at least one printing unit between a unwrapped web unwinding device and a printed web material rewinder by an in-line measuring device within the printing press, for detecting at least one electrical parameter of at least one of the electrically conductive, printed structures.
  • the printing press is provided with the in-line measuring device downstream of a dryer unit and upstream of the take-up device, wherein the measuring device preferably has a measuring roller with a pair of spaced ring electrodes or two pairs of spaced ring electrodes (two- or four-point measurement), and wherein a wireless measured value transmission from the measuring roller to a measured value acquisition / evaluation unit (telemetry unit) is provided.
  • the measuring device preferably has a measuring roller with a pair of spaced ring electrodes or two pairs of spaced ring electrodes (two- or four-point measurement), and wherein a wireless measured value transmission from the measuring roller to a measured value acquisition / evaluation unit (telemetry unit) is provided.
  • the printing press is provided with a control device for controlling actuators, in particular for influencing pressure parameters, the inline measured value device and the telemetric measured value detection / evaluation unit being part of this control loop and being dependent on the acquired and evaluated measured value input variables for the Setting of printing parameters or the printing unit of the printing press can be provided.
  • a control device for controlling actuators, in particular for influencing pressure parameters, the inline measured value device and the telemetric measured value detection / evaluation unit being part of this control loop and being dependent on the acquired and evaluated measured value input variables for the Setting of printing parameters or the printing unit of the printing press can be provided.
  • the measuring roller is arranged with its axis substantially perpendicular to the running direction of the web material and the detection of electrical parameters of the printed electrically conductive structure takes place substantially transversely to the running direction of the web material.
  • the printing machine is equipped with two printing units, so that a double-sided printing of the web material with electrically conductive, printed structures can be done and in a corresponding doubling of the inline measuring device or its detection members and two or more measuring rollers in contact with are the top and bottom of the web material.
  • the in-line measuring system for the evaluation of electrical parameters of the printed, electrically conductive structures can also be provided in connection with an optical monitoring and / or control system, such as an optical registration control system. value-dependent correction of printing positions of the electrically conductive, printed structure as a whole or of parts thereof relative to one another.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a web offset printing press with a
  • Inline measuring device shows a schematic representation of an arrangement of measuring roller and counterpressure roller in the inline measuring device according to FIG. 1 for an electrical resistance measurement (2-point measurement),
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an arrangement of measuring roller and counterpressure roller in the inline measuring device according to FIG. 1 for an electrical resistance measurement (4-point measurement) for compensating the influence of the contact resistance
  • FIG. 4 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 2 with the measuring roller and counter-pressure roller in FIG. 2 for a short-circuit test of a source / drain structure, in particular for organic field-effect transistors,
  • FIG. 5 shows a layout of a source / drain structure for a printed ring oscillator
  • FIG. 6 shows a measuring arrangement with measuring roller and counter-pressure roller in a schematic representation for a layout according to FIG. 5 corresponding to the exemplary embodiment according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 7 shows a (multi-part) structure of a measuring roller in a schematic representation
  • Fig. 8a shows a view in the running direction of the web material
  • Fig. 8b shows a view at right angles to the running direction of the web material
  • Fig. 9 is a block diagram of a control device of the printing machine according to claim 1, including the inline measuring device.
  • 1 shows a schematic side view of main components of a web offset printing press according to an exemplary embodiment with an unwinding device 1 for a web material 2 which is printed continuously with electrically conductive electronic structures 16 (see FIG. 2) or interconnects, films (eg PET or paper) can be used as web material 2.
  • electrically conductive electronic structures 16 see FIG. 2
  • films eg PET or paper
  • this web material 2 passes through a pretreatment device 3 and is printed in a subsequent printing unit 4 with the electrically conductive material, in particular conductive polymers or semiconductive polymer materials by means of a printing cylinder 5 and a rubber cylinder 6 supporting this with the aid of a plate cylinder 7, the latter one electrically conductive application material providing inking unit 8 is assigned.
  • the electrically conductive material in particular conductive polymers or semiconductive polymer materials
  • PEDOT organic field-effect transistors
  • PSS structures poly (3,4-ethylenedioedioxythiopehe) doped with poly (4-styrenesulfonates
  • PTAA polythylamine
  • the printing unit 4 is followed by an aftertreatment device (drying device 9), followed by an in-line measuring device 10 with a measuring roller 11 with ring electrodes 12 (see Fig. 2) and a rubber roller 13 as a counter-pressure cylinder, which will be explained in more detail below the printed web material 2 is wound up by means of a winding device 17.
  • a sensor signal amplifier 14 is provided on the measuring roller 11 and there is provided a wireless transmission of the measuring signal to a telemetric receiver unit 15, which is connected to a further, not shown evaluation / display unit.
  • the structure sizes of the electrically conductive structures 16 are in the range of 10 .mu.m to 10 mm.
  • the printed, conductive structures 16 are relatively inhomogeneous and rough, depending on the printing method used, so that an in-situ quality inspection of the structures during the printing process makes sense.
  • the measurements are aimed primarily at detecting fluctuations during the printing of functional structures in a timely manner and possibly printing parameters depending on the measurement results.
  • the in-line measuring device 10 also ensures the measurements in real time and an indication to the operator of the printing machine, also providing a separate logging.
  • Real-time visualization allows the operator to manually correct systematic printing errors to improve the quality of the printed layers by influencing the critical printing parameters of the printing process. Logging also detects random errors.
  • the in-line measuring device operates without retroactivity or destruction, ie the monitoring and measurement of the printed electronic or electrical structures does not influence the structures themselves.
  • the in-line measuring device 10 is explained in its basic structure and function below with reference to the embodiments of Figures 2 to 4 and 6, wherein an example of the electrically conductive printed structures 16 in Figure 5 as a layout of an offset-printed source / Drain structure is shown for an integral circuit.
  • FIG. 5 represents the lowermost layer of a ringosyllator printed on a sheet of PET.
  • a small load transistor A and a large driver transistor B form an inverter stage.
  • Seven inverter stages form a ringosylator.
  • shorts that can be caused by touching fingers on the one hand and low conductivities of the horizontal and vertical connections on the other hand must be avoided because they can lead to failure of Oszyllators.
  • short-circuit strength must prevail, while high conductivity is required between the points indicated at 20 and 21.
  • the in-line measuring device 10 is provided. Both measurements can be carried out either in one or in two similarly constructed according to the inline measuring device 10 and arranged sequentially measuring devices.
  • FIG. 2 illustrates schematically, electrical structures 16 printed on the web material 2 are shown schematically here as rectangular strip conductors 16 spaced apart substantially transversely to the running direction of the web material 2 (comparable to the source / drain electrode between points 20 and 21) in Fig. 5).
  • the measuring roll 11 which has a high surface quality and smoothness, has a pair of spaced annular electrodes 18, preferably made of copper, which may be provided to further reduce the contact resistance with galvanic coatings such as gold or silver coatings.
  • the contacting of the ring electrodes 18 is guided within the measuring roller in a manner not shown here to the front side.
  • the measuring roller 11 is supported against a resilient rubber roller 13 as a counter-pressure roller, wherein a contact force between the measuring roller 11 and the web material 2 or the electrically conductive printed structures 16 manually or by means of resilient mounting of the measuring and / or the rubber roller 13 for equalization the contact pressure is adjusted.
  • the width and spacing of the ring electrodes 18 depend on the size of the structure to be detected, e.g. the source / drain structures produced in offset printing, the measuring roller 11 being designed in several parts and using insulating intermediate rings for adaptation to different measuring tasks, and also the ring electrodes 18 themselves being used as copper rings of commercial type.
  • the base body or bodies of the measuring roller 11 are preferably made of polyacetal plastic. In this way, different measuring rollers different structures and measurement tasks can be produced with relatively little effort in the modular principle and, for example, when using four ring electrodes both a resistance measurement and a short-circuit monitoring of a measuring roller can be realized.
  • the connection of the ring electrodes 17 preferably takes place via cables routed within the measuring roller 11, whereas the connection of individual sections of the roller body takes place with the insertion of the ring electrodes 17 as self-contained copper rings by gluing.
  • Such a multi-part construction of the measuring roller 11 is shown schematically in FIG. With 11a, a first part of the measuring roller 11 is designated with glued Cu ring electrode 18.
  • the inline measuring device 10 consists of the measuring roller 11 with the pair of ring electrodes 18, the rubber roller 13 to form the nip through which the web material 2 is guided and the elastic support of the measuring roller 11 as a counter-pressure roller as well from the sensor signal amplifier
  • the sensor signal amplifier 14 is designed for resistance measurement and transmits the detected signal wirelessly to the receiver unit 15 via antenna 25 (see Fig. 8, which may also be arranged on the front side of the measuring roller 11 and in any case very close to the receiver unit 15)
  • the measuring roller 11 also realizes the inductive power supply for the sensor signal amplifier.
  • a multi-channel signal amplifier is used instead of the measuring signal amplifier 14 designed only for resistance measurement in FIG.
  • both measurement tasks can also be performed on subsequent, i. different measuring rollers are divided.
  • a measurement of the electrical conductivity transversely to the printing direction, ie to the direction of travel of the web material.
  • This is advantageous since, in the case of printed, electrically conductive structures, their electrical resistance is higher transversely to the printing direction than in the printing direction (running direction of the web material 2), so that with regard to the evaluation of the conductivity or the electrical resistance of the structure, a measurement transversely to the printing direction as a 2-point measurement, that leads to a relatively lower conductivity or a higher resistance, so that the measurement with regard to the conductivity of the examined structure is "on the safe side" and the actual value (in the direction of travel of the web material 2) is generally more favorable than the actually measured value.
  • a front-side peripheral region of the measuring roller 11 is designed as an antenna 25 for the wireless transmission of the measurement signal provided to the front side of the measuring roller via sensor / sensor signal amplifier 14 to the receiver unit 15. Sensor / sensor amplifier 14 are thus directly on the measuring roller 11 attached and rotate with this.
  • the line connections to an evaluation and analysis unit, not shown, are designated by 26.
  • the rotation of the measuring roller 11 and the impression cylinder (rubber roller 13) is achieved by friction drive over the continuously moving web material 2 itself.
  • such a drive is limited, so that it may be advantageous to provide the measuring roller 11 or the rubber roller 13 with its own drive, which preferably operates with the drive of the web material 2 is synchronized, so that the influence of the measuring roller 11 is turned off as a brake in the web run.
  • Figure 3 shows in a further embodiment, the simple modification of the measuring roller 12 such that it is provided with four ring electrodes for resistance measurement, namely the transition from a 2-point measurement (2-ring electrodes 11, Fig. 2) a 4-point measurement according to the van der Pauw method, which allows in an extended bridge circuit the outer contacts (except ring electrodes 18) with the conductor track 16 to be measured impart a current and at the inner contacts the falling voltage to eat. In this way it is possible to eliminate the influence of the contact resistance between the conductive structure 16 and the ring electrodes 18 and to improve the measurement accuracy significantly.
  • FIG. 4 illustrates, in a further exemplary embodiment and in a simplified representation in comparison with FIG.
  • one measuring roller can be arranged above and below the material web (to form a nip between which the material web 2 passes or with separately assigned upper and lower rubber rollers as a counterpressure roller), so that a double-sided Determining the conductivity and / or checking the short-circuit strength of the printed conductive structure is possible. Multiple checks have shown that the measurement is self-destructive and non-reactive with respect to the printed conductive structure, so does not lead to a change in the structure.
  • an offset printing process is illustrated in the present case, the same measurement principle can be applied to any other web rotary printing process (e.g., gravure, flexographic, screen).
  • FIG. 6 comparable to FIG. 2, the case of the conductivity measurement of the source / drain electrodes in a layout of the printed structure 16 according to FIG. 5 is shown.
  • the in-line measuring device 10 may be part of a control loop, the measurement result of the conductivity measurement or short-circuit check being used as the control variable for the printing process, i. is used for controlling the printing process and order of the conductive structure so as to avoid inhomogeneities or to improve the conductivity by changing the inking of the conductive ink.
  • the inline measuring device is provided with an optical monitoring system for the position of the printed conductors or the printed conductive structure 16, whereby the quality of the print job and the reliability of the electronic circuits and components produced therefrom can be further increased.
  • the measuring device 10 In conjunction with the inline measuring device, additionally printed measuring fields or control strips on the web material can be avoided.
  • the measuring device 10 it is possible to connect the measuring device 10 to a marking system, so as to e.g. defective areas of the printed web material, i. Mark faulty conductor structures in order to facilitate their subsequent rejection and to prevent further processing (further coating to complete electronic circuits and components) and thus to save costs.
  • the measured resistance value it is also possible in each case for the measured resistance value to be recorded on the web material 2 as being detectable in association with the relevant structure 16.
  • the quality control and monitoring by means of the present invention can carry out the evaluation of the achieved printing result with the same efficiency that can be achieved in the production of the structures even in connection with web-fed rotary printing processes.
  • the continuous measurement avoids any feedback or impairment of the printed conductive structure itself and can thus contribute significantly to the cost-effective production of printed electronic structures.
  • the rubber roller 13 can be guided on an adjusting unit under spring tension and be biased against the web material and the measuring roller. In this way, the biasing spring balances out of roundness in the measuring and rubber roller and provide a substantially constant contact pressure.
  • the rubber roller can be removed from the measuring roller and later employed again with the web material being interposed therebetween.
  • the measuring roll can also be produced very precisely from metal and later coated with an insulating coating, eg of PTFE, for insulating the roll parts from one another and from the ring electrodes (copper rings).
  • the ring electrodes are preferably plated with gold, which leads to a further reduction of the contact resistance and to avoid the build-up of abrasion of the material web on the ring electrodes.
  • all examined or evaluated structures could also be marked with an encoding with respect to eg their resistance value.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen sowie eine Einrichtung, insbesondere zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und eine Druckmaschine (4), die eine solche Einrichtung aufweist. Die Erfindung sieht das Drucken elektrisch leitfähiger Strukturen, wie z.B. von Transistoren, zur Herstellung elektronischer Schaltkreise und darin eine Linline-Leitfähigkeitsprüfung, vorzugsweise quer zur Laufrichtung des durch die Druckmaschine laufenden Bahnmateriales (2) mittels einer oder mehrerer Messwalzen (11) vor, die mit beabstandeten Ringelektroden versehen zur Messung des elektrischen Widerstandes oder auch zur Prüfung der Kurzschlussfestigkeit in Kontakt mit der aufgedruckten elektrischen leitfähigen Struktur sind. Die Messsignale werden drahtlos in eine Empfängereinrichtung (15) übertragen und können auch in einem geschlossenen Regelkreis zur Beeinflussung der Druckparameter bzw. der Steuerungstechnik der Druckmaschine dienen.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen und Druckmaschine mit einer solchen Einrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen, die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend bewegtes Bahnmaterial aufgedruckt werden, sowie eine Einrichtung, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine Druckmaschine mit einer derartigen Einrichtung gemäß Gattung der Ansprüche 1 , 17 und 31.
Die weitere Durchdringung des Marktes der Alltagsprodukte mit elektronischen Schaltkreisen, sei es zur Kennzeichnung der Produktdaten und -spezifika am Produkt von Lagerhaltungskriterien oder Preisen, z.B. in Verbindung mit automatischen Kassiersystemen, ist untrennbar mit der Bereitstellung äußerst kostengünstiger Schaltkreise und sonstiger, elektrisch leitfähiger Strukturen in hinreichender Qualität verbunden. Eine Möglichkeit der Herstellung solcher elektronischer Bauelemente bietet die Entwicklung elektrisch leitfähiger Polymere und halbleitender Polymermaterialien, die auch in Lösungsmitteln löslich sind und somit als Flüssigkeiten bereitgestellt werden können, und die sich wie Druckfarben verarbeiten lassen und verhalten, mit der Möglichkeit, solche elektronischen Strukturen mittels herkömmlicher Druckverfahren auf dünne Bahnmaterialien zu drucken. Neben elektrisch leitfähigen Polymeren können auch metallgefüllte Tinten, z.B. Silbertinten, zur Herstellung solcher elektrisch leitfähigen Strukturen eingesetzt werden.
Der Vorteil der Herstellung elektronischer Bauelemente bzw. elektrisch leitfähiger Strukturen mittels Druckverfahren liegt vor allem in der hohen Produktivität der Verfahren und den damit verbundenen Kostenvorteilen gegenüber den kostenintensiveren Prozessen der Siliziumtechnologie, die solche gedruckten elektronischen Bauelemente und leitfähigen Strukturen für den Einsatz in Massenmärkten geeignet machen. Insbesondere kontinuierlich arbeitende Rollenrotationsdruckverfahren wie Offset-, Flexo- oder Tiefdruck ermöglichen eine hochproduktive und kostengünstige Herstellung strukturierter, elektrisch leitender Funktionsschichten. Darüber hinaus bietet das flexible Trägersubstrat, wie z.B. Folien oder Papier, weitere, weitreichende Einsatzmöglichkeiten für derartige, gedruckte elektronische Schaltkreise, deren Herstellung sich damit praktisch kaum von derjenigen üblicher Druckerzeugnisse in der graphischen Industrie, die auf der Basis konti- nuierlicher Druckprinzipien hergestellt werden, unterscheidet. Allerdings sind die Anforderungen hinsichtlich Auflösung, Passer, Schichtdicken sowie Schicht- und Oberflächenqualitäten erheblich höher als in der graphischen Industrie. Diese Faktoren bestimmen daher maßgeblich die Leistungsfähigkeit der Herstellung gedruckter elektronischer Bauteile. Zudem spielen Effekte bei der Trocknung der Schichten, Wechselwirkungen der Lösungsmittel nacheinander gedruckter Schichten und dergleichen eine wichtige Rolle.
Die Qualitätsüberwachung und -kontrolle der gedruckten elektrischen Strukturen ist angesichts der hohen Arbeitsgeschwindigkeiten und Produktivitäten von herausragender Bedeutung. Fehler führen zu teurer Makulatur.
Bei konventionellen Druckverfahren erfolgt die Qualitätskontrolle vielfach mit Inline- Messystemen auf optischer Basis. Derartige Systeme sind jedoch für die Bewertung und Qualitätskontrolle gedruckter elektronischer Leiterzüge unzureichend und lassen keine sichere Bewertung zur elektrischen Fehlerfreiheit der gedruckten elektronischen Strukturen zu, die in Abhängigkeit vom verwendeten Druckverfahren auch verhältnismäßig inhomogen sind und vielfach hohe Oberflächenrauhigkeiten aufweisen. Haupt- Qualitätskriterien für gedruckte elektronische Bauelemente sind daher Leitfähigkeit, Auflösung, Genauigkeit der Reproduktion, Lagendicke und Homogenität.
Aus der DE 1 665 116 ist eine Bogen-Rotationsoffsetdruckeinrichtung zum Herstellen von flachen Schichtwiderständen bekannt, wobei auch eine Widerstandsprüfeinrichtung zum Messen der Widerstandswerte im Anschluß an einen Ofenprozeß vorgesehen ist. Dabei ist auch in Abhängigkeit von der im Rahmen einer Brückenschaltung erfolgenden Widerstandsmessung eine Farbstoffzuführungswalze zur Regulierung der Farbstoffzufuhr beeinflussbar. Eine solche Einrichtung ist jedoch für kontinuierliche Prozesse ungeeignet.
Au der DE 40 16 961 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des elektrischen Flächenwiderstandes von auf eine Folienbahn aufgedampften Metallstreifen bekannt. Abgesehen davon, dass es sich hierbei nicht um gedruckte elektrische Strukturen handelt, ist auch die Widerstands-Messeinrichtung verhältnismäßig kompliziert und setzt in Längsrichtung des Baumateriales sich fortlaufend erstreckende elektrische Strukturen voraus.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen, die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend bewegtes Bahnmaterial aufgedruckt werden, anzugeben, das bzw. die eine Qualitätskontrolle der Strukturen hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften mit hoher, durch den Druckvorgang selbst bestimmter Effizienz und Geschwindigkeit ermöglicht. Auf diese Weise sollen auch die Voraussetzungen geschaffen werden, in situ in den Druckprozeß in Abhängigkeit von dem Bewertungsergebnis eingreifen zu können. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Druckmaschine zu schaffen, die das fehlerfreie oder fehlerarme Drucken von elektrisch leitfähigen Strukturen ermöglicht.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 , durch ein Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 16 und durch eine Druckmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 30 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht eine in situ, d.h. innerhalb des Druckprozesses vom bewegten Bahnmaterial aus erfolgende Erfassung eines elektrischen Parameters, vorzugsweise des elektrischen Widerstandes der gesamten gedruckten Struktur oder eines Teiles derselben, so dass verzögerungsfrei und innerhalb des Druckprozesses selbst eine Qualitätskontrolle der elektronischen, gedruckten Struktur erfolgt mit der Möglichkeit, auch in einer Rückkopplungssteuerung in den Druckprozeß selbst einzugreifen, sofern Fehler in der leitfähigen, gedruckten Struktur, wie z.B. ein zu hoher Widerstandswert innerhalb einer elektrisch leitfähigen Struktur oder ein zu geringer Widerstand zwischen zwei voneinander elektrisch isolierten Teilen der leitfähigen, gedruckten Struktur festgestellt werden. Vorzugsweise erfolgt die Erfassung des zumindest einen elektrischen Parameters, insbesondere des die elektrische Leitfähigkeit repräsentierenden elektrischen Widerstandes vor dem Aufwickeln des Bahnmaterials.
Im Rahmen der Herstellung von elektronischen Bauelementen bildet das Drucken der elektrisch leitfähigen Struktur vielfach den ersten Schritt, dem eine Reihe von weiteren Schritten mit Beschichtungen, Kontaktierungen etc. zur Komplettierung des elektronischen Bauelementes, z.B. Feldeffekttransistors, folgen. Durch eine frühzeitige Qualitätskontrolle bereits in der zugrundeliegenden Basisschicht, die Träger der elektrisch leitfähigen, gedruckten Struktur ist, ist es möglich, die Weiterverarbeitung fehlerhafter Strukturen und damit unnötige Kosten zu vermeiden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der elektrische Parameter, vorzugsweise der elektrische Widerstand, in einer Leitfähigkeitsmessung und/oder einer Kurzschlussfestigkeitsmessung zwischen einer Abwickeleinrichtung des Bahnmaterials und einer Aufwickeleinrichtung desselben durch wenigstens eine Messwalze erfaßt, wobei vorzugsweise das Bahnmaterial zwischen zumindest einer Messwalze und einer Gegendruckwalze, vorzugsweise einer Gummiwalze, hindurchgeführt wird.
Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das mit der leitfähigen, gedruckten Struktur bedruckte Bahnmaterial, wenn dieses beidseitig, d.h. auf Ober- und Unterseite bzw. Vorder- und Rückseite mit leitfähigen Strukturen bedruckt ist, durch opponierend angeordnete Messwalzen, (so dass auch die Gegendruckwalze als Messwalze ausgebildet ist), erfasst, oder sind in Kontakt mit der Ober- und Unterseite des Bahnmateriales jeweils eine oder mehrere Messwalzen mit auf der gegenüberliegenden Seite des Bahnmateriales opponierend aufgeordneter Gegendruckwalze (insbesondere Gummiwalze) vorgesehen.
Nach noch einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Messwalze in Kontakt mit dem bedruckten Bahnmaterial durch dieses rotierend angetrieben, also mittels eines Drehmomentes, das durch die Reibungskraft zwischen Bahnmaterial und Zylinderoberfläche der Messwalze um die Achse derselben wirksam ist. In Abhängigkeit auch von den mechanischen Eigenschaften des Bahnmaterials, kann in schonendererweise die Messwalze aber auch durch einen eigenen Antrieb selbstän- dig rotierend angetrieben werden, vorzugsweise in Übereinstimmung mit der Bahngeschwindigkeit des Bahnmaterials. Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Kontaktdruck bzw. die Kontaktkraft zwischen Bahnmaterial und Mess- und/oder Gegendruckwalze (konstant) einstellbar ist, vorzugsweise unter elastischer Vorspannung der Messwalze gegen das Bahnmaterial.
Vorzugsweise kann auch die Gegendruckwalze durch eine einstellbare Lagerung mit einer vorbestimmten Andruckkraft verstellbar gegen die Messwalze und das zwischen ihnen hindurchgeführte, bedruckte Bahnmaterial angepresst werden.
Die elektrische Widerstandsmessung an der gedruckten, elektrisch leitfähigen Struktur erfolgt vorzugsweise über eine 2-Punkt- oder, unter erhöhter Genauigkeit, über eine 4- Punkt-Messung und vorzugsweise mit Hilfe von beabstandeten Ringelektroden quer zur Laufrichtung des Bahnmaterials, wobei sich die Ringelektroden, vorzugsweise aus Kupfer oder versehen mit einem Goldüberzug zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes, in Achsrichtung isolierend beabstandet, in der vorzugsweise zylindrischen, Oberfläche der Messwalze, befinden.
Nach noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine drahtlose Messwertübertragung von der Messwertwalze, insbesondere einer Stirnseite derselben, zu einer Empfänger-/Auswerte-Einrichtung, oder es werden die erfassten elektrischen Parameter der Struktur als Eingangsparameter zur Beeinflussung von Stellgliedern für den Druckvorgang verwendet (geschlossener Regelkreis).
Im vorliegenden Fall wird also zur Erfassung elektrischer Kennwerte, insbesondere des elektrischen Widerstandes (Leitfähigkeitsmessung oder Prüfung der Kurzschlussfestigkeit (R→00)) ein Kontaktverfahren verwendet. Dies heißt jedoch nicht, dass insbesondere mit weiterer Verbesserung des Druckprozesses und der elektrisch leitfähigen Auftragsmaterialien mit hinsichtlich Oberflächengüte und Homogenität verbesserte Eigenschaften, nicht auch berühungslose, vorzugsweise induktive oder kapazitive Verfahren zur Qualitätsbewertung der gedruckten, elektrisch leitfähigen Struktur innerhalb einer Druckmaschine zur Anwendung kommen könnten. Insbesondere bei optischer Prädisposition des elektrisch leitfähigen Auftragsmateriales, z.B. durch Ausstattung derselben mit hochreflektiven Eigenschaften oder angeregter oder selbsttätiger Emission von elektromagnetischen Wellen erscheint auch eine optische Qualitätsüberwachung der gedruckten elektrisch leitfähigen Punkte mit indirektem Schluß auf die elektrischen Eigenschaften, wie ihrer Leitfähigkeit, möglich.
Auch die weitere Verbesserung des Trägersubstrates (Bahnmaterial) hinsichtlich Oberflächengüte und Homogenität kann hierzu beitragen.
Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich der Einrichtung zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen erfindungsgemäß durch die Ausbildung derselben als Inline-Messeinrichtung gelöst, vorgesehen in Verbindung mit einer Druckmaschine zum Aufdrucken der elektrisch leitfähigen Strukturen auf das Bahnmaterial.
Es wird überdies das Prinzip einer zerstörungs- und rückwirkungsfrei mit der zu bewertenden Struktur in elektrischen Kontakt tretenden Einrichtung verwandt, ohne daß zusätzliche Messfelder oder Kontrollstreifen erforderlich sind.
Vorzugsweise ist die Inline-Messeinrichtung in Kontakt mit dem Bahnmaterial stromauf einer Aufwickeleinrichtung für das gedruckte Bahnmaterial innerhalb einer Druckmaschine angeordnet.
Nach noch einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Inline- Messeinrichtung eine Messwalze zur Bildung von zumindest zwei Messpunkten in Verbindung mit der leitfähigen, gedruckten Struktur auf dem Bahnmaterial auf, gebildet durch zwei beabstandet in der vorzugsweise zylindrischen Außenoberfläche der Messwalze liegende Ringelektroden. Diese bestehen vorzugsweise aus Kupfer, ggf. zum Vermeiden der Akkumulation von Abrieb auf der Elektrodenoberfläche und zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes mit einem Edelmetall beschichtet, z.B. mit einer GoId- beschichtung als Kontaktmaterial (vorzugsweise mit einer Schichtdicke von wenigen μm aufgebracht).
Vorzugsweise erfolgt die Erfassung des elektrischen Parameters, insbesondere des elektrischen Widerstandes quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales, und kann (gleich- zeitig oder abfolgend mit einer oder mehreren Messwalzen) sowohl eine Leitfähigkeitsmessung (Messung des elektrischen Widerstandes) innerhalb eines Leiterzuges der elektrischen Struktur und/oder eine Kurzschlussfestigkeitsmessung (Feststellung des Fehlens einer elektrischen Verbindung zwischen elektrisch unverbundenen Abschnitten der gedruckten Struktur erfolgen) beinhalten.
Nach noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Inline- Messeinrichtung mit einer Markierungseinrichtung kombiniert sein, so dass z.B. eine InIi- ne-Markierung von gedruckten elektrisch leitfähigen Strukturen, die Kurzschlüsse oder elektrische Widerstände aufweisen, die über einem vorher festgelegten Grenzwert liegen, erfolgt, so dass die entsprechend markierten Bereiche des Bahnmaterials oder die entsprechend markierten gedruckten elektronischen Strukturen später leicht aufgefunden und von der Weiterverarbeitung ausgeschlossen werden können. Eine solche Markierung ist z.B. leicht mittels InkJet möglich.
Zur direkten Beeinflussung des Druckwerkes und der Zufuhr des elektrisch leitfähigen Druckmaterials ist es vorteilhaft, wenn die Inline-Messeinrichtung Teil eines Regelkreises ist, in dem die Messwerte hinsichtlich des elektrischen Widerstandes bzw. der Kurzschlussfestigkeit (elektrischer Widerstand gegen unendlich) als Eingangsgrößen zur Beeinflussung von Stellgliedern einer Druckmaschine vorgesehen sind.
Die vorgenannte Aufgabe wird schließlich hinsichtlich einer Druckmaschine für das Bedrucken eines fortlaufend bewegten Bahnmaterials mit elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen, mit zumindest einem Druckwerk zwischen einer Abwickeleinrichtung für das unbedruckte Bahnmaterial und einer Aufwickeleinrichtung für das bedruckte Bahnmaterial durch eine Inline-Messeinrichtung innerhalb der Druckmaschine gelöst, zur Erfassung zumindest eines elektrischen Parameters zumindest einer der elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen.
Vorzugsweise ist die Druckmaschine mit der Inline-Msseinrichtung stromab einer Trocknereinheit und stromauf der Aufwickeleinrichtung versehen, wobei die Messeinrichtung vorzugsweise eine Messwalze mit einem Paar beabstandeter Ringelektroden oder zwei Paaren beabstandeter Ringelektroden (Zwei- oder Vierpunktmessung) aufweist, und wobei eine drahtlose Messwertübertragung von der Messwalze zu einer Messwer- terfassungs/-Auswerteeinheit (Telemetrie-Einheit) vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die Druckmaschine mit einer Regeleinrichtung zur Regelung von Stellgliedern, insbesondere zur Beeinflussung von Druckparametern, versehen, wobei die Inline-Messwerteinrichtung und die telemetrische Messwerterfassungs-/-Auswerteeinheit Teil dieses Regelungskreises ist und in Abhängigkeit von den erfassten und bewerteten Messwerten-Eingangsgrößen für die Einstellung von Druckparametern bzw. des Druckwerkes der Druckmaschine bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist die Messwalze mit ihrer Achse im Wesentlichen rechtwinklig zur Laufrichtung des Bahnmateriales angeordnet und erfolgt die Erfassung von elektrischen Parametern der gedruckten elektrisch leitfähigen Struktur im Wesentlichen quer zur Laufrichtung des Bahnmaterials.
Nach noch einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Druckmaschine mit zwei Druckwerken ausgestattet, so dass ein beidseitiges Bedrucken des Bahnmaterials mit elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen erfolgen kann und in entsprechender Verdopplung der Inline-Messeinrichtung bzw. ihrer Erfassungsglieder auch zwei oder mehrerer Messwalzen in Kontakt mit der Ober- bzw. Unterseite des Bahnmateriales sind.
Nach noch einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Inline-Messsystem für die Bewertung elektrischer Parameter der gedruckten, elektrisch leitfähigen Strukturen auch in Verbindung mit einem optischen Überwachungs- und/oder Regelsystem, wie einem optischen Passer-Steuersystem, vorgesehen sein zur mess- wertabhängigen Korrektur von Druckpositionen der elektrisch leitfähigen, gedruckten Struktur insgesamt oder von Teilen derselben relativ zueinander.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Rollenoffsetdruckmaschine mit einer
Inline-Messeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Messwalze und Gegendruckwalze in der Inline-Messeinrichtung nach Figur 1 für eine elektrische Widerstandsmessung, (2-Punkt-Messung),
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Messwalze und Gegendruckwalze in der Inline-Messeinrichtung nach Figur 1 für eine elektrische Widerstandsmessung (4-Punkt- Messung) zur Kompensation des Einflusses des Kontaktwiderstandes,
Fig. 4 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 mit Messwalze und Gegendruckwalze in Figur 2 für eine Kurzschlussprüfung einer Sour- ce/Drain-Struktur, insbesondere für organische Feldeffekttransistoren,
Fig. 5 Layout einer Source/Drain-Struktur für einen gedruckten Ringoszillator,
Fig. 6 eine Messanordnung mit Messwalze und Gegendruckwalze in schemati- scher Darstellung für ein Layout nach Figur 5 entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2,
Fig. 7 einen (mehrteiligen) Aufbau einer Messwalze in schematischer Darstellung,
Fig. 8 eine Anordnung zur drahtlosen Messwertübertragung der Inline-
Messeinrichtung nach den Fig. 1 bis 5, wobei
Fig. 8a eine Ansicht in Laufrichtung des Bahnmaterials zeigt, und
Fig. 8b eine Ansicht rechtwinklig zur Laufrichtung des Bahnmaterials zeigt, und
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung der Druckmaschine nach Anspruch 1 unter Einbeziehung der Inline-Messeinrichtung. Figur 1 zeigt schematisch in Seitenansicht Hauptkomponenten einer Rollenoffsetdruck- maschine nach einem Ausführungsbeispiel mit einer Abwickeleinrichtung 1 für ein Bahnmaterial 2, das kontinuierlich mit elektrisch leitfähigen elektronischen Strukturen 16 (s. Fig. 2) bzw. Leiterbahnen bedruckt wird, wobei hierfür Folien (z.B. PET oder Papier) als Bahnmaterial 2 eingesetzt werden.
Zunächst läuft dieses Bahnmaterial 2 durch eine Vorbehandlungseinrichtung 3 und wird in einem nachfolgenden Druckwerk 4 mit dem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere leitfähigen Polymeren oder halbleitenden Polymermaterialien vermittels eines Druckzylinders 5 und eines diesen abstützenden Gummizylinders 6 mit Hilfe eines Plattenzylinders 7 bedruckt, wobei letzterem ein das elektrisch leitfähige Auftragmaterial bereitstellendes Farbwerk 8 zugeordnet ist.
Als Material z.B. zur Herstellung von OFETs (organischen Feldeffekttransistoren) dient z.B. PEDOT: PSS Strukturen (Poly(3,4-ethylendioedioxythiopehe) dotiert mit Poly(4- styrenesulfonate), oder als Halbleiter kommt ebenfalls ein polymeres Material z.B. PTAA (Polytharlyamin) in Betracht.
An das Druckwerk 4 schließt sich eine Nachbehandlungseinrichtung (Trocknungseinrichtung 9) an, gefolgt von einer Inline-Messeinrichtung 10 mit einer Messwalze 11 mit Ringelektroden 12 (s. Fig. 2)und einer Gummiwalze 13 als Gegendruckzylinder, die nachfolgend noch genauer erläutert werden, ehe das bedruckte Bahnmaterial 2 mittels einer Aufwickeleinrichtung 17 aufgewickelt wird. Stirnseitig ist an der Messwalze 11 ein Sensorsignal-Verstärker 14 vorgesehen und es wird eine drahtlose Übertragung des Messsignales zu einer telemetrischen Empfängereinheit 15 vorgesehen, die mit einer weiteren, hier nicht dargestellten Auswerte/Anzeigeeinheit verbunden ist.
Als Arbeitsgeschwindigkeit der Druckmaschine sind Druckgeschwindigkeiten von ca. 2 m/sec bis zu 15m/sec vorgesehen. Die Strukturgrößen der elektrisch leitfähigen Strukturen 16 liegen im Bereich von 10μm bis 10 mm. Üblicherweise sind die gedruckten, leitfähigen Strukturen 16 je nach verwendetem Druckverfahren verhältnismäßig unhomogen und rau, so dass ein in situ Qualitätsprüfung der Strukturen während des Druckvorganges sinnvoll ist. Die Messungen zielen dabei vor allem darauf ab, Schwankungen während des Drucks von Funktionsstrukturen zeitnah zu erkennen und ggf. Druckparameter in Abhängigkeit von den Messergebnissen anzupassen. Die Inline-Messeinrichtung 10 gewährleistet außerdem die Messungen in Echtzeit und eine Anzeige für den Bediener der Druckmaschine, wobei ebenfalls eine separate Protokollierung vorgesehen ist. Durch Visualisierung in Echtzeit kann der Bediener manuell systematische Druckfehler korrigieren, um die Qualität der gedruckten Schichten durch Beeinflussung der entscheidenden Druckparameter des Druckprozesses zu verbessern. Die Protokollierung erfasst außerdem zufällige Fehler. Die Inline-Messeinrichtung arbeitet außerdem rückwirkungs- und zerstörungsfrei, d.h. die Überwachung und Messung der aufgedruckten elektronischen bzw. elektrischen Strukturen beeinflusst die Strukturen selbst nicht.
Die Inline-Messeinrichtung 10 wird in ihrem grundsätzlichen Aufbau und in ihrer Funktion nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 2 bis 4 und 6 erläutert, wobei ein Beispiel der elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen 16 in Figur 5 als Layout einer Offset-gedruckten Source/Drain-Struktur für eine integrale Schaltung dargestellt ist.
Das Layout nach Figur 5 repräsentiert die unterste Schicht eines Ringoszyllators, gedruckt auf ein Bahnmaterial aus PET. Jeweils ein kleiner Lasttransistor A und ein großer Treibertransistor B bilden eine Inverterstufe. Sieben Inverterstufen bilden eine Ringoszyl- lator. Bei einem solchen Layout müssen einerseits Kurzschlüsse, die durch einander berührende Finger einerseits entstehen können und andererseits niedrige Leitfähigkeiten der horizontalen und vertikalen Verbindungen vermieden werden, da sie zu Ausfällen des Oszyllators führen können. Zwischen den in Figur 5 mit 22 und 23 angegebenen Punkten muß daher Kurzschlussfestigkeit herrschen, während zwischen den mit 20 und 21 bezeichneten Punkten eine hohe Leitfähigkeit erforderlich ist. Diese elektrischen Phänomene zu messen, und zwar im laufenden Druckbetrieb, ist die Inline- Messeinrichtung 10 vorgesehen. Beide Messungen können entweder in einer oder in zwei gleichartig entsprechend der Inline-Messeinrichtung 10 aufgebauten und abfolgend angeordneten Messeinrichtungen erfolgen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Inline-Messeinrichtung ist prinzipiell und schematisch in Figur 2 bezüglich der Messwertaufnahme in Verbindung mit Figur 6 betreffend die Messwertübertragung gezeigt. Wie Figur 2 schematisch verdeutlicht, befinden sich auf dem Bahnmaterial 2 aufgedruckte elektrische Strukturen 16, die hier schematisch als sich im Wesentlichen quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales 2 beabstandete rechteckförmige Leiterbahnen 16 dargestellt sind (vergleichbar der Source/Drain-Elektrode zwischen den Punkten 20 und 21 in Fig. 5).
Die Messwalze 11 , die eine hohe Oberflächengüte und Glattheit aufweist, besitzt ein Paar voneinander beabstandete Ringelektroden 18, vorzugsweise aus Kupfer, die zur weiteren Herabsetzung des Kontaktwiderstandes auch mit galvanischen Überzügen wie Gold- oder Silberbeschichtungen versehen sein können. Die Kontaktierung der Ringelektroden 18 ist innerhalb der Messwalze in hier nicht dargestellter Weise zur Stirnseite geführt.
Die Messwalze 11 stützt sich gegen eine elastische Gummiwalze 13 als Gegendruckwalze ab, wobei eine Kontaktkraft zwischen der Messwalze 11 und dem Bahnmaterial 2 bzw. den elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen 16 manuell oder mittels federelastischer Lagerung der Mess- und/oder der Gummiwalze 13 zur Vergleichmäßigung der Andruckkraft eingestellt wird.
Breite und Abstand der Ringelektroden 18 richten sich nach der Größe der zu erfassenden Struktur, z.B. der im Offset-Druck hergestellten Source/Drain-Strukturen, wobei zur Anpassung an unterschiedliche Messaufgaben die Messwalze 11 mehrteilig und unter Einsatz von isolierenden Zwischenringen ausgebildet sein und auch die Ringelektroden 18 selbst als Kupferringe handelsüblicher Art eingesetzt sind.
Der bzw. die Grundkörper der Messwalze 11 bestehen vorzugsweise aus Polyazetal- Kunststoff. Auf diese Weise können mit verhältnismäßig geringem Aufwand im Baukastenprinzip verschiedene Messwalzen unterschiedliche Strukturen und Messaufgaben hergestellt werden und z.B. bei Verwendung von vier Ringelektroden sowohl eine Widerstandsmessung als auch eine Kurzschlussüberwachung einer Messwalze realisiert werden. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der Ringelektroden 17 über innerhalb der Messwalze 11 verlegte Kabel, wohingegen die Verbindung einzelner Abschnitte des Walzenkörpers unter Einfügung der Ringelektroden 17 als selbständige Kupferringe durch Kleben erfolgt. Ein solcher mehrteiliger Aufbau der Messwalze 11 ist schematisch in Figur 7 dargestellt. Mit 11a ist ein erster Teil der Messwalze 11 bezeichnet, mit eingeklebter Cu- Ringelektrode 18. 19 bezeichnet einen Zwischenring frei wählbarer Länge (in Abhängigkeit von der Lage der zu erfassenden Struktur 16). Zwischen dem Zwischenring 19 und einem zweiten Teil der Messwalze 11 befindet sich (eingeklebt) die zweite Cu- Ringelektrode 18. Auf diese Weise ist eine sehr variable Anpassung der Messwalze 11 an die jeweilige Messaufgabe möglich.
Wie in Verbindung mit Figur 6 deutlich ist, besteht die Inline-Messeinrichtung 10 aus der Messwalze 11 mit dem Paar Ringelektroden 18, der Gummiwalze 13 zur Bildung des Walzenspaltes, durch den das Bahnmaterial 2 geführt wird und zur elastischen Abstützung der Messwalze 11 als Gegendruckwalze sowie aus dem Sensorsignal-Verstärker
14 und der Empfängereinheit 15, mit einer nachgeschalteten Analyse/ Anzeigeeinheit, die hier nicht dargestellt ist. Der Sensorsignalverstärker 14 ist zur Widerstandsmessung ausgelegt und überträgt das erfaßte Signal per Antenne 25 (vgl. Fig. 8, die auch an der Stirnseite der Messwalze 11 angeordnet sein kann undjedenfalls sehr dicht zur Empfängereinheit 15 angeordnet ist) drahtlos zu der Empfängereinheit 15. Die Empfängereinheit
15 realisiert zugleich die induktive Spannungsversorgung für den Sensorsignal- Verstärker. Für den Fall, dass die Messwalze 11 nicht nur zur Widerstandsmessung, sondern per weiteres Ringelektrodenpaar zugleich zur Kurzschlussüberwachung ausgerüstet ist (vgl. Fig. 4), kommt ein Mehrkanal-Signalverstärker anstelle des in Figur 2 nur für die Widerstandsmessung ausgelegten Messsignalverstärkers 14 zur Anwendung. Gegebenfalls können beide Messaufgaben aber auch auf abfolgende, d.h. verschiedene Messwalzen aufgeteilt werden.
In den Figuren 2 bis 4 bezeichnet der Pfeil stets die Laufrichtung des Bahnmateriales 2.
Bezugnehmend auf die Ausführung nach Figur 2 in Verbindung mit Figur 6 erfolgt mittels des Ringelektrodenpaares 18 eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit (Widerstandsmessung der Struktur 16) quer zur Druckrichtung, d.h. zur Laufrichtung des Bahnmateriales. Dies ist vorteilhaft, da bei gedruckten, elektrisch leitfähigen Strukturen deren elektrischer Widerstand quer zur Druckrichtung höher als in Druckrichtung (Laufrichtung des Bahnmateriales 2) ist, so dass hinsichtlich der Bewertung der Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstandes der Struktur eine Messung quer zur Druckrichtung als 2-Punkt-Messung, also zu einer vergleichsweise geringeren Leitfähigkeit bzw. einem höheren Widerstandswert führt, so dass die Messung hinsichtlich der Leitfähigkeitsbewertung der untersuchten Struktur sich „auf der sicheren Seite" befindet und der tatsächlich vorhandene Wert (in Laufrichtung des Bahnmateriales 2) im Allgemeinen günstiger ist als der tatsächlich gemessene Wert.
Wie Figur 6 verdeutlicht, ist ein stirnseitiger Umfangsbereich der Messwalze 11 als Antenne 25 ausgebildet zur drahtlosen Messwertübertragung des an der Stirnseite der Messwalze über Messaufnehmer/Sensorsignal-Verstärker 14 bereitgestellten Messsignales zur Empfängereinheit 15. Messaufnehmer/Sensorsignal-Verstärker 14 sind also direkt an der Messwalze 11 befestigt und rotieren mit dieser. Mit 26 sind die Leitungsverbindungen zu einer nicht dargestellten Auswerte- und Analyseeinheit bezeichnet.
In der vorliegenden Anordnung wird die Rotation der Messwalze 11 und des Gegendruckzylinders (Gummiwalze 13) durch Reibungsantrieb über das fortlaufend bewegte Bahnmaterial 2 selbst erreicht.
In Abhängigkeit von der Dicke des Bahnmateriales 2 und der realisierbaren Bahnspan- nuπg sind einem solchen Antrieb Grenzen gesetzt, so dass es vorteilhaft sein kann, die Messwalze 11 oder die Gummiwalze 13 mit einem eigenen Antrieb zu versehen, der vorzugsweise mit dem Antrieb des Bahnmateriales 2 synchronisiert ist, so dass der Einfluß der Messwalze 11 als Bremse im Bahnlauf ausgeschaltet wird.
Figur 3 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel die einfache Modifikation der Messwalze 12 derart, dass die diese mit vier Ringelektroden zur Widerstandsmessung versehen ist, und zwar zum Übergang von einer 2-Punkt-Messung (2-Ring-elektroden 11 , Fig. 2) zu einer 4-Punkt-Messung nach der van-der-Pauw'schen Methode, die es gestattet, in einer erweiterten Brückenschaltung den äußeren Kontakten (außer Ringelektroden 18) mit dem zu messenden Leiterzug 16 einen Strom aufzuprägen und an den inneren Kontakten die abfallende Spannung zu messen. Auf diese Weise ist es möglich, den Einfluß des Kontaktwiderstandes zwischen der leitfähigen Struktur 16 und den Ringelektroden 18 auszuschalten und die Messgenauigkeit deutlich zu verbessern. Figur 4 verdeutlicht in einem weiteren Ausführungsbeispiel und in einer gegenüber Figur 5 vereinfachten Darstellung die gleichfalls mögliche Kurzschlussüberprüfung einer schematisch dargestellten Source/Drain-Struktur für gedruckte Schaltungen, wobei keiner der Transistoren kurzgeschlossen sein darf. Die Finger der Elektroden dürfen sich daher nicht berühren. In Figur 4 kann dies durch Messung des Widerstandes zwischen den Leiterzügen 16a und 16b festgestellt werden. Diese Erfassung kann gemeinsam mit der Leitfähigkeitsmessung nach Figur 2 bei Verwendung von vier Elektroden und einem Mehrkanal-Sensorsignal-Verstärker vorgesehen werden.
Bei beidseitigem Bedrucken des Bahnmateriales 2 mit leitfähigen Strukturen kann jeweils eine Messwalze oberhalb und unterhalb der Materialbahn angeordnet werden (zur Bildung eines Walzenspaltes zwischen der die Materialbahn 2 hindurch läuft oder mit jeweils separat zugeordneter oberer und unterer Gummiwalze als Gegendruckwalze), so dass auch eine beidseitige Ermittlung der Leitfähigkeit und/oder Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit der gedruckten leitfähigen Struktur möglich ist. Mehrfache Überprüfungen haben gezeigt, dass die Messung selbstzerstörungs- und rückwirkungsfrei bezüglich der aufgedruckten leitfähigen Struktur ist, also nicht zu einer Veränderung der Struktur führt. Obwohl im vorliegenden Fall ein Offset-Druckverfahren dargestellt ist, kann das gleiche Messprinzip auch mit jedem anderen Rollenrotationsdruckverfahren angewandt werden (z.B. Tiefdruck, Flexodruck, Siebdruck).
In Figur 6 ist vergleichbar zu Figur 2 der Fall der Leitfähigkeitsmessung der Source/ Drain-Elektroden bei einem Layout der gedruckten Struktur 16 entsprechend Figur 5 dargestellt.
Überdies kann, wie in Figur 9 dargestellt, die Inline-Messeinrichtung 10 Teil eines Regelkreises sein, wobei das Messergebnis der Leitfähigkeitsmessung oder Kurzschlussüberprüfung als Steuergröße für den Druckprozeß, d.h. für die Steuerung des Druckvorganges und Auftrages der leitfähigen Struktur dient, um so Inhomogenitäten zu vermeiden bzw. die Leitfähigkeit durch Veränderung des Farbauftrages der leitfähigen Druckfarbe zu verbessern.
Vorzugsweise ist die Inline-Messeinrichtung mit einem optischen Überwachungssystem für die Position der Leiterbahnen bzw. der gedruckten leitfähigen Struktur 16 versehen, wodurch die Qualität des Druckauftrages und die Ausfallsicherheit der hieraus hergestellten elektronischen Schaltkreise und Bauelemente weiter erhöht werden kann.
In Verbindung mit der Inline-Messeinrichtung können zusätzlich aufgedruckte Messfelder oder Kontrollstreifen auf dem Bahnmaterial vermieden werden. Ebenso ist es möglich, die Messeinrichtung 10 mit einem Markierungssystem zu verbinden, um so z.B. fehlerhafte Bereiche des bedruckten Bahnmateriales, d.h. fehlerhafte Leiterstrukturen zu markieren, um deren spätere Aussonderung zu erleichtern und eine Weiterverarbeitung (weitere Beschichtung zur Komplettierung von elektronischen Schaltkreisen und Bauelementen) zu verhindern und damit Kosten zu sparen. Es kann auf diese Weise aber auch jeweils der gemessene Widerstandswert nachweisbar in Zuordnung zu der betreffenden Struktur 16 auf dem Bahnmaterial 2 notiert werden.
Die Qualitätskontrolle und -Überwachung mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann die Beurteilung des erreichten Druckergebnisses mit gleicher Effizienz durchführen, die bei der Herstellung der Strukturen selbst in Verbindung mit Rollenrotationsdruckverfahren erreichbar ist. Zugleich vermeidet das kontinuierliche Messen jedwede Rückwirkung oder Beeinträchtigung der aufgedruckten leitfähigen Struktur selbst und kann so wesentlich zur kostengünstigen Herstellung drucktechnisch hergestellter elektronischer Strukturen beitragen.
Zur Vereinfachung des Einführens der Materialbahn zwischen Messwalze und Gummizylinder kann die Gummiwalze 13 auf einer Verstelleinheit unter Federvorspannung geführt und gegen das Bahnmaterial und die Messwalze vorgespannt sein. Auf diese Weise kann die Vorspannfeder Unrundheiten in der Mess- und Gummiwalze ausgleichen und für einen im Wesentlichen konstanten Anpressdruck sorgen. Überdies kann zum Einführen des Bahnmateriales die Gummiwalze von der Messwalze entfernt und später wieder unter Zwischenlage des Bahnmateriales an diese angestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Messwalze auch aus Metall sehr präzise hergestellt und später mit einer isolierenden Beschichtung, z.B. aus PTFE zur Isolation der Walzenteile untereinander und von den Ringelektroden (Kupferringen) beschichtet werden. Die Ringelektroden (Kupferringe) werden vorzugsweise galvanisch vergoldet, was zu einer weiteren Reduktion des Kontaktwiderstandes und zum Vermeiden des Aufbaus von Abrieb der Materialbahn auf den Ringelektroden führt. In Verbindung mit einem Markierungssystems könnten auch sämtliche untersuchten bzw. bewerteten Strukturen mit einer Codierung hinsichtlich z.B. ihres Widerstandswertes markiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen, die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend bewegtes Bahnmaterial (2) aufgedruckt werden, gekennzeichnet durch eine von dem bewegten Bahnmaterial erfolgende Erfassung zumindest eines elektrischen Parameters dieser Strukturen (16).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung vor dem Aufwickeln des Bahnmateriales (2) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zerstörungsfrei ein eine elektrische Leitfähigkeit der Struktur (16) repräsentierender Parameter erfasst wird.
4. Verfahren zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Parameter quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales (2) erfasst wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Parameter der elektrische Widerstand ist.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Parameter durch eine zwischen einer Abwickeleinrichtung (1) des Bahnmateriales (2) und einer Aufwickeleinrichtung (17) desselben angeordnete Messwalze (11) erfasst wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bahnmaterial (s) zwischen zumindest einer Messwalze (11) und zumindest einer Gegendruckwalze (13) hindurchgeführt wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) in Kontakt mit dem Bahnmaterial (2) durch dieses rotierend angetrieben wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze(11), vorzugsweise in Übereinstimmung mit einer Bahngeschwindigkeit des Bahnmateriales(2), selbständig angetrieben wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) und/oder eine zugehörige Gegendruckwalze, insbesondere eine Gummiwalze (13) gegen das Bahnmaterial vorgespannt wird und/oder einstellbar gelagert ist.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Widerstandsmessung in einer 2-Punkt- oder 4-Punkt-Messung erfolgt.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch eine drahtlose Messwertübertragung von der Messwalze (11) zu einer Empfänger-/Auswerte-Einrichtung (14).
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bahnmaterial (2) beiderseits mit der elektrischen, leitfähigen Struktur (16) bedruckt wird und eine Erfassung eines elektrischen Widerstandes der leitfähigen Strukturen (16) auf beiden Seiten durch Messwalzen (11) erfolgt, deren Elektroden (18) in Kontakt mit dem Bahnmaterial (2) sind.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Mehrfachmessung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit/des ohmschen Widerstandes (Kurzschlussfestigkeit) an derselben, elektrisch leitfähigen gedruckten Struktur (16), insbesondere quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales (2).
15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der zerstörungs- und rückwirkungsfrei in Bezug auf die gedruckte elektrische Struktur (16) erfolgt.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung mit dem erfassten elektrischen Parameter der elektrischen leitfähigen, gedruckten Struktur (16) oder einem Repräsentanten desselben als Eingangsparameter zur Beeinflussung von Stellgliedern für den Druckvorgang.
17. Einrichtung zur Bewertung von elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen, die im Rahmen eines Druckvorganges auf ein fortlaufend bewegtes Bahnmaterial aufgedruckt werden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Inline-Messeinrichtung in Verbindung mit einer Druckmaschine zum Aufdrucken der elektrisch leitfähigen Strukturen (16) auf das Bahnmaterial (2).
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Inline- Messeinrichtung (10) stromauf einer Aufwickeleinrichtung (17) für das bedruckte Bahnmaterial (2) vorgesehen ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Inline-Messeinrichtung (10) in Kontakt mit dem Bahnmaterial (2) vorgesehen ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Inline- Messeinrichtung (10) eine Messwalze (11) zur Bildung von zumindest zwei Messpunkten in Verbindung mit einer leitfähigen, gedruckten Struktur (16) auf dem Bahnmaterial (2) aufweist.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) stirnseitig eine Messsignal-Verstärkungs-/ und -übertragungsein-richtung(14; 25) für eine drahtlose Übertragung von Messsignalen zu einer Empfänger- /Auswerteeinrichtung (15) aufweist.
22. Einrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) in Verbindung mit einer Gegendruckwalze (13) angeordnet und das Bahnmaterial (2) durch einen Walzenspalt zwischen der Messwalze (11) und der Gegendruckwalze (13) hindurchgeführt ist.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Bahnmaterial (2) tangential zu Mess- und/oder Gegendruckwalze (11 ; 13) oder zumindest eine von diesen partiell umschlingend geführt ist.
24. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) und/oder der Gegendruckwalze (13) gegen das Bahnmaterial (2), insbesondere durch eine Federeinrichtung, elastisch vorgespannt ist und/oder einstellbar angeordnet ist.
25. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) und/oder die Gegendruckwalze (13) durch das laufende Bahnmaterial (2) oder unabhängig von diesem mit einem Eigenantrieb selbsttätig rotierend antreibbar ist.
26. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 25, gekennzeichnet durch zwei oder vier beabstandete Ringelektroden (18) auf einer zylindrischen Umfangsfläche der Messwalze (11).
27. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) mehrteilig und eine axiale Position der Ringelektroden (18) an eine Länge der zu erfassenden, elektrisch leitfähigen Struktur (16) anpassbar ist.
28. Einrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwalze (11) durch Zwischenringe (19) in ihrer axialen Länge und hinsichtlich eines Axialabstandes der Ringelektroden (18) an eine Messaufgabe anpassbar ist.
29. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelektroden (18) eine Kontaktoberfläche aus einer Edelmetall-Beschichtung, insbesondere aus Gold, aufweisen.
30. Einrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass diese Teil eines Regelkreises ist, in dem Messsignale der Inline-Messeinrichtung (10) als Eingangsgrößen zur Beeinflussung von Stellgliedern einer Druckmaschine vorgesehen sind.
31. Druckmaschine für das Bedrucken eines fortlaufend bewegten Bahnmateriales mit elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen mit zumindest einem Druckwerk zwischen einer Abwickeleinrichtung und einer Aufwickeleinrichtung für das Bahnmaterial, gekennzeichnet durch eine Inline-Messeinrichtung (10) zur Erfassung zumindest eines elektrischen Parameters zumindest einer der elektrisch leitfähigen, gedruckten Strukturen (16).
32. Druckmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Inline- Messeinrichtung (10) eine Messwalze (11) mit auf dieser in Umfangsrichtung angeordneten, axial beabstandeten Ringelektroden (18) stromauf der Aufwickeleinrichtung (17) aufweist, mit einem telemetrischen Messsignalübertragungssystem (14, 15, 25) zur drahtlosen Übertragung eines Messsignales, wie z.B. eines elektrischen Widerstandes, der elektrisch leitfähigen, gedruckten Struktur (16) .
33. Druckmaschine nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch eine Messwerterfassung durch zumindest ein Paar oder zwei Paare beabstandeter Ringelektroden (18) der Messwalze (11) quer zur Laufrichtung des Bahnmateriales (2).
34. Druckmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 31 bis 33, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung zur Regelung von Stellgliedern, insbesondere zur Beeinflussung von Druckparametern, der Druckmaschine in Abhängigkeit von einem Messsignal der Inline-Messeinrichtung (10).
35. Druckmaschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 31 bis 34, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Inline-Messeinrichtung (10) stromab einer Trocknereinheit (9) und stromauf einer Aufwickeleinrichtung (12) für das bedruckte Bahnmaterial (2).
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