Schicht für Schicht – Multilayerdruck für leistungsfähige Elektronikkomponenten

Hinter dem Begriff „Gedruckte Elektronik“ verbirgt sich eine Trendwende in der Elektronikproduktion. Oftmals sind jedoch die gedruckten Schichten zu dünn, um die geforderten elektrischen Eigenschaften zu erreichen. Die Lösung heißt Mehrfachlagendruck.

Hinter dem Begriff „Gedruckte Elektronik“ verbirgt sich eine Trendwende in der Elektronikproduktion. Das bedeutet: neue Produkteigenschaften, neue Funktionen und vereinfachte Herstellungsprozesse, werden in Zukunft am Markt zu finden sein. Oftmals sind jedoch die gedruckten Schichten zu dünn, um die geforderten elektrischen Eigenschaften zu erreichen. Die Lösung heißt Mehrfachlagendruck. Dank ihm können mehrere Schichten aufeinander gedruckt werden, um leistungsfähige Strukturen und Elektronikkomponenten zu erhalten.

Spezialisten am Werk
Unter dem Produktbereich HYCON bietet EKRA Sonderlösungen für den Dickschichtbereich an. EKRA ist seit Jahrzehnten neben den Standard SMT Applikationen auf Produkte für Nischenmärkte spezialisiert wie zum Beispiel dem Druck auf Hybride, Glas, Wafer, flexible Folien aber auch das direkte Drucken funktionaler Schichten.

Die Tochterfirma BOTEST ist wie EKRA Mitglied der ASYS-Gruppe und spezialisiert darauf, wenn es um Pastenentwicklung geht sowie neue Druckprozesse zu entwickeln bzw. zu optimieren. Im Forschungslabor in Linz werden weitere Komponenten des Druckprozesses, wie zum Beispiel das Sieb, die Schablone oder das Druckmedium für die jeweilige kundenspezifische Applikation angepasst. Damit können optimal auf den Kundenprozess abgestimmte Lösungen aus einer Hand angeboten werden.

Der funktionelle Druck elektrisch leitfähiger Pasten eröffnet neue Produktionsmethoden für die Elektronikindustrie. Jedoch ist die Leitfähigkeit der ultradünnen, oftmals nur einzelne µm dicken Schichten begrenzt. Größere Strommengen lassen sich über winzig gedruckte Stege nur mit erheblichen elektrischen Verlusten transportieren. Kombiniert mit einer hohen Auflösung  stellt dies eine Herausforderung dar. Druckmaschinenhersteller, Prozesstechnologen und Pastenentwickler sind hier gefragt, um die technischen Voraussetzungen für einen positionsgenauen Multilagendruck zu schaffen.

Nachfolgend wird die Erzeugung von Drucken mit elektrisch leitfähigen Pasten und einem hervorragenden Verhältnis zwischen Druckpunkthöhe und  Druckpunktdurchmesser (=Aspect Ratio) gezeigt.
Die gedruckten Punkte besitzen einen Durchmesser von ca. 70 µm und benötigen für ihre Funktion als elastische Kontaktpads eine Höhe von ebenso 70 µm. Der Abstand zu benachbarten Kontaktpads beträgt dank einer versetzten Struktur der Kontaktpunkte ebenso ca.70 µm. Das ergibt bei einer aktiven Fläche von 180 mm x 255 mm ca. 2,3 Millionen zu druckende Kontaktpads. Als Methode wurde hierfür der Schablonendruck gewählt, wobei bis zu vier Schichten übereinander gedruckt wurden, um das angestrebte Aspect Ratio von nahezu 1 zu erreichen.

Druckparameter
Gedruckt wurde mit einem EKRA Inline-Drucksystem auf ein flexibles PET-Foliensubstrat. Als Drucknest stand ein Alu-Drucknest mit eingeklebtem Poroplast und Vakuumansaugung zur Verfügung. Damit konnte eine möglichst homogene Auflagefläche für das Substrat geschaffen werden. Die Druckpaste wurde eigens von BOTEST entwickelt, um die geforderten Parameter bezüglich Leitfähigkeit und Elastizität der zu druckenden Pads zu erzielen. Somit konnten die rheologischen Eigenschaften der Druckpaste perfekt an die verwendeten Druckparameter sowie die Beschichtung der Schablone angepasst werden.

Multilayerdruck: Der Druckprozess
Beim Druck der elektrisch leitfähigen Paste wurde die Schablone vorgeflutet. Dies ist im Schablonendruck zwar unüblich, hier jedoch unverzichtbar.

Nachdem Drucken wurde das bedruckte Substrat entnommen und im Ofen getrocknet. Damit sich die Folie bei Termperatur oder Luftfeuchteeinfluss nicht verziehen kann, wurde diese nach der Trocknung wieder an die Umgebungsparameter angepasst. Vor dem nächsten Druckschritt musste das Substrat wieder exakt auf dem Drucktisch positioniert werden. Dies erfolgte mit dem patentierten optischen Positioniersystem EVA™, welches im EKRA Drucker integriert ist. Zudem musste der Absprung zwischen Substrat und Schablone sowie der Downstop am Rakelkopf angepasst werden, um ein Unterlaufen der Schablone mit der Druckpaste zu vermeiden. Dieser Ablauf wurde bis zu vier mal wiederholt, damit die Höhe der Kontaktpads zu erreichbar waren.

Einflüsse der Prozessparamter
Die Optimierung des Druckresultats gelang dank der Abstimmung dreier Parameter: Schablone, Prozessparameter und Druckpaste. In den folgenden Abschnitten werden speziell die Einflüsse der Prozessparameter während des Druckvorgangs evaluiert.
asys_bild_1Rakelwinkel
In Bild 1 ist eine Mikroskopaufnahmen von Drucken mit zu steilem Rakelwinkel dargestellt. Anhand eines zu steilen Rakelwinkels verschmiert die Druckpaste unterhalb der Schablone und ein unreines Druckbild entsteht. Dies wiederum hätte einen Kurzschluss zwischen den einzelnen Kontaktpunkten zur Folge. Ein zu steiler Rakelwinkel führt zu einer ungleichmäßigen „Füllung“ der Schablonenöffnungen.

Rakeldruck
Ein zu hoher Rakeldruck führt wie ein zu flacher Rakelwinkel zu „Verschmierungen“ der Druckpaste unterhalb der Schablone und zu einem unreinen, verformten Druckbild. Diese Verformung der Pads erschwert zudem die exakte Positionierung der nächsten Drucklage beim Multilayerdruck. Zudem verbreitern sich die Druckpunkte wegen eines zu hohen Rakeldrucks, was ebenfalls die Gefahr von Kurzschlüssen erhöht. Eine permanente Rakeldruckkontrolle und eine Regelung des EKRA-Druckers ermöglichen eine homogene Verteilung des Rakeldrucks über den gesamten Rakelweg.asys_bild_2

Druckrichtung
Ein wesentlicher Faktor im hochauflösenden Multilayerdruck ist die Druckrichtung. Mit dem ausgeübten Rakeldruck wird die Schablone leicht „verzogen“. Ändert sich die Druckrichtung, während der Multilagendruck aufgebaut wird, so beeinflusst sie das Druckergebnis negativ. Die darunterliegenden Punkte können trotz exakter Positionierung mittels Alignment-System nicht mehr getroffen werden. In diesem Fall kann es zu Abweichungen von mehr als 20-30 µm je Lage kommen. Dieser Versatz kann ermittelt und richtungsbezogen als Offsetwert in der Software des Druckers eingegeben und somit kompensiert werden.

Positioniergenauigkeit
Um eine bestmögliche Positioniergenauigkeit zu erzielen ist es wichtig, die zu druckende Lage ausschließlich an den Basisfiducials auszurichten. Erfolgt die Ausrichtung an anderen Marken, zum Beispiel später gedruckten Fiducials, addieren sich die Abweichungen. Beim realisierten Multilayerdruck, bestehend aus vier Lagen, konnte eine Differenz bezüglich Wiederholgenauigkeit optimiert und eine Gesamtabweichung für 4-Lagen von ±12,5 µm erzielt werden. Mithilfe des patentierten optischen Positioniersystem EVA™ und unter Beachtung dessen, dass immer nur an den Basisfiducials ausgerichtet wird, konnte dieses Ergebnis umgesetzt werden.

asys_bild_3Ergebnisse
Mittels Evaluierung der optimalen Parameter konnten sehr gute Druckergebnisse erzielt werden (Bild 3). Dank des Mehrfachdrucks verbreitet sich der Sockel des Kontaktpads von 65 µm-70 µm (Monolagendruck) auf circa 85 µm-93 µm. Auf den darunterliegenden im Verhältnis 70:30 (70 µm Breite zu 30 µm Abstand zur nächsten Elektrode) strukturierten Basiselektroden werden die benachbarten Elektroden nicht kontaktiert. Dadurch entsteht eine einwandfreie elektrische Funktion der elastischen Kontaktpads.
Bild 4 zeigt das Höhenprofil der einzelnen Kontaktpads. Dank des Multilagendrucks konnte eine Höhe von 55 µm bis 65 µm für die einzelnen Kontaktpads erzielt werden, was einem Aspect Ratio von ca. 0,8 entspricht. asys_bild_4

Zusammenfassend betrachtet
Dank des optimalen Zusammenspiels zwischen Druckparameter und Druckpaste konnten die Druckergebnisse beim Multilagendruck mit hoher Auflösung deutlich optimiert werden. Mit einem optimierten Aspect Ratio der gedruckten Strukturen im Mehrlagendruck lassen sich hochleitfähige Strukturen erstellen. Diese sind für einen effizienten Stromtransport nutzbar und stellen eine attraktive Variante in der künftigen Elektronikproduktion dar.

Grundvoraussetzung für eine optimale Platzierung der Lotdepots ist jedoch ein präziser Sieb- und Schablonendrucker. Dank cleverer Maschinenfeatures, etwa der Closed-Loop-Rakeldruckkontrolle, des patentierten optischen Positioniersystem EVA™ und einer Vielzahl unterschiedlicher Alignmentmöglichkeiten, garantieren EKRA Drucker Präzision und Prozessstabilität. Im Drucksystem ist neben der Antriebseinheit, bestehend aus Servomotor und Resolver, ein zusätzlich eingebauter Maßstab mit einer Auflösung von 1 µ integriert. So kann auch bei mechanischem Verschleiß das Erreichen der Zielposition überwacht und wenn möglich, korrigiert werden.

Da alle EKRA Schablonendrucker mit diesen Merkmalen ausgestattet sind, profitieren auch Anwender aus dem Bereich Leiterplattendruck von den genannten Vorzügen. So ist die exakte Platzierung kleinster Lotpastendepots, wie sie z.B. bei der Bauteilgröße 03015 benötigt werden, keine Zukunftsmusik mehr. Alle Inlinedrucksysteme aus der Produktreihe SERIO sowie die neue Druckerplattform SERIO 4000 sind heute schon „03015 ready“.

Autoren: Michael Heilmann, Franz Padinger und Franz Plachy

asys-group.com

 

Contact Us

We're not around right now. But you can send us an email and we'll get back to you, asap.

Start typing and press Enter to search