Abschlussbericht Herstellung von hochgenauen miniaturi

IGF Vorhaben Nr. 15663N
Abschlussbericht
FV-Nr.: 15663 N
Thema:
Herstellung von hochgenauen miniaturisierten Dünnschichtwiderständen auf
Low Cost Substraten mit einer aerosolbasierten Mikrodrucktechnik
Kurzbezeichnung: Dünnschichtwiderstände mit Mikrodrucktechnik
Auftraggeber:
IGF - AiF
Projektleiter:
Dr.-Ing. H. Willeck
Bearbeitungszeitraum:
01.06.2008 bis 31.05.2010
Datum:
Stand 31.05.2010
HSG-IMAT • Hahn-Schickard-Gesellschaft • Institut für Mikroaufbautechnik
Allmandring 9 B • 70569 Stuttgart • Telefon: +49 711 685-83712 • Telefax: +49 711 685-83705
Institutsleiter: Prof. Dr. H. Kück
1
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ..................................................................................................... 4
1
Einleitung und Problemstellung........................................................................ 6
2
Substrate und Werkstoffe................................................................................. 8
2.1
Substratmaterialien für Druckversuche ............................................................ 8
2.2
Herstellung von Testsubstraten mit dem LPKF-LDS®-Verfahren ..................... 8
2.3
Herstellung von Testsubstraten aus Aluminium für Zugversuche .................... 9
2.4
Druckbare Formulierungen für Widerstandsschichten ..................................... 9
2.5
Schutzlacke.................................................................................................... 11
3
Aerosol Jet®-Verfahren zum Drucken von Widerständen............................... 12
4
Vorversuche zum Drucken von Widerständen ............................................... 14
4.1
Druckversuche mit verschiedenen Materialien mit dem Aerosol Jet®-Verfahren
....................................................................................................................... 14
4.1.1 Druckversuche mit Clevios™ ......................................................................... 15
4.1.2 Druckversuche mit Silbersuspension Ag1 ...................................................... 20
4.1.3 Druckversuche mit Silbersuspension Ag2 und Ag3........................................ 23
4.1.4 Druckversuche mit Silbersuspension Ag4 und Ag5........................................ 26
4.1.5 Druckversuche mit Silbersuspension Ag6 ...................................................... 29
4.1.6 Druckversuche mit Silbersuspension Ag7 ...................................................... 30
4.1.7 Untersuchungen zum Einfluss der Substrattemperatur während des
Druckprozesses ............................................................................................. 31
4.1.8 Bewertung der untersuchten Ag-Suspensionen ............................................. 33
4.2
Ankontaktierung gedruckter Widerstände an LPKF-LDS®-Strukturen ............ 33
4.3
Nachbehandlung der bedruckten Substrate ................................................... 35
4.3.1 Thermisches Aushärten ................................................................................. 35
4.3.2 Aushärten mit Laser ....................................................................................... 36
4.4
Untersuchungen zur Stromtragfähigkeit ......................................................... 40
4.5
Untersuchungen zum Lasertrimmen .............................................................. 42
5
Untersuchung zur Eignung von gedruckten Widerständen als Dehnungssensor
....................................................................................................................... 43
5.1
Erarbeitung der Sensorstruktur ...................................................................... 43
5.2
Durchführung von Dehnversuchen................................................................. 45
5.3
Verhalten der gedruckten Widerstände bei Dehnung..................................... 47
2
IGF Vorhaben Nr. 15663N
5.4
Wheatstonesche Brücke ................................................................................ 52
5.5
Verhalten nach Umwelttests........................................................................... 54
6
Untersuchung zur Eignung von gedruckten Widerständen als
Temperatursensoren ...................................................................................... 55
6.1
Erarbeitung der Sensorstruktur ...................................................................... 55
6.2
Substrataufbau zur Aufnahme von Temperaturkennlinien ............................. 56
6.3
Temperaturkennlinien von gedruckten Widerständen .................................... 57
6.4
Verhalten nach Umwelttest ............................................................................ 61
6.4.1 Gedruckte Widerstände aus Clevios™ .......................................................... 61
6.4.2 Gedruckte Widerstände aus Silbersuspension Ag5 ....................................... 62
7
Untersuchung zum Langzeitverhalten gedruckter Widerstände ..................... 64
8
Literatur .......................................................................................................... 67
9
Danksagung ................................................................................................... 69
3
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Zusammenfassung
Das Ziel des Projekts war, Erkenntnisse zum Herstellen von hochpräzisen Widerständen auf thermoplastischen Bauteilen mit dem neuen Aerosol Jet®-System zu
gewinnen. Die Widerstände werden dabei voll additiv aufgebracht und ausgehärtet.
Die gewonnenen Erkenntnisse sollten zum Aufbau von widerstandsbasierten Sensoren mit dem Aerosol Jet®-Verfahren zur Messung von Dehnung und Temperatur
dienen.
Zu Beginn wurden umfangreiche Untersuchungen zum Drucken von Widerstandsmaterialien auf Glassubstraten und thermoplastischen Substraten LCP Vectra E840i
LDS, PA6/6T Ultramid T4381 LDS und PET+PBT Pocan DPT 7140 LDS durchgeführt. Dadurch konnten Erkenntnisse über mögliche Geometrien und Widerstandswerte auf den jeweiligen Substratmaterialien gewonnen werden. Als Widerstandsmaterial wurden vor allem verschiedene Silbersuspensionen aber auch ein leitfähiges
Polymer auf Basis von PEDOT:PSS untersucht. Zur Verbesserung der Benetzungseigenschaften wurde der Einfluss eines Sauerstoffplasmas zur Vorbehandlung der
Substrate untersucht.
Anhand der ersten gewonnenen Erkenntnisse wurde eine Silbersuspension ausgewählt mit der umfangreiche Untersuchungen zur Aushärtezeit und -dauer bei
thermischer Aushärtung durchgeführt wurden. Als Alternative zum thermischen Aushärten wurde die Aushärtung mit einem Infrarot-Laser untersucht. Weiterhin wurden
erste Tests zur Stromtragfähigkeit von gedruckten Widerständen durchgeführt.
Um Erkenntnisse zur Zuverlässigkeit der gedruckten Widerstände zu gewinnen,
wurden Feuchte-Wärme-Tests und Temperaturschocktests durchgeführt. Dabei hat
sich gezeigt, dass sich die Widerstandswerte von gedruckten Strukturen aus
PEDOT:PSS durch die durchgeführten Umwelttests verändern. Bei gedruckten Widerständen aus der ausgewählten Silbersuspension hat vor allem die FeuchteWärme-Lagerung zu einer Widerstandsänderung geführt. Durch Einsatz eines geeigneten Schutzlackes kann der Einfluss durch Feuchte-Wärme-Lagerung jedoch
teilweise kompensiert werden. Weiterhin konnte beobachtet werden, dass sich die
Widerstandswerte der gedruckten Widerstände bei Lagerung in Raumklima verändern. Dies kann jedoch ebenso durch den Einsatz eines Schutzlacks deutlich
verbessert werden. Deutlich geringere Widerstandsänderungen wurden bei laserausgehärteten Widerstandsstrukturen beobachtet.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurden gedruckte silberbasierte Widerstandsstrukturen hergestellt, welche auf ihre Eignung als Temperatursensoren und
Dehnungssensoren untersucht wurden. Entsprechende Dehnungssensoren wurden
unter anderem in Form von Wheatstoneschen Brücken auf geeigneten LCPSubstraten und auf Aluminiumsubstraten aufgebaut. Der ermittelte k-Faktor auf den
LCP-Substraten ist vergleichbar mit kommerziell erhältlichen Dehnmessstreifen. Die
gedruckten Widerstände können Änderungen des Dehnungszustandes detektieren.
Die Temperaturkompensation der aufgebauten Wheatstoneschen Brücken war auf
Grund ungleicher Widerstandswerte der Sensorstrukturen nicht ausreichend.
Weiterhin wurden gedruckte Widerstände auf verschiedenen thermoplastischen
Substraten aufgebaut, um deren Eignung als Temperatursensoren zu untersuchen.
Die Widerstände zeigen im Temperaturbereich von -35 bis 80°C lineare Kennlinien
mit geringer Querempfindlichkeit gegen Luftfeuchte, vor allem bei Verwendung eines
Schutzlackes. Die erreichbare Messgenauigkeit beträgt ca. +/- 2°C. Allerdings ist der
Temperaturkoeffizient mit rund 1x10-3 1/K ca. viermal kleiner als bei einem Pt100
Temperatursensor.
Die Ergebnisse des Vorhabens zeigen, dass mit dem Aerosol Jet®-Verfahren auf
unterschiedliche Substrate Widerstände gedruckt werden können. Dabei bietet das
Aerosol Jet®-Verfahren auch die grundsätzliche Möglichkeit zum Druck auf dreidimensionale Substrate.
Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
1
Einleitung und Problemstellung
Zur Herstellung von multifunktionalen thermoplastischen MID-Packages sind Laserverfahren in der industriellen Fertigung etabliert und bieten hervorragende
Möglichkeiten für die Gehäuse- und Aufbautechnik von miniaturisierten Systemen
und Mikrosystemen [1,2,3,4,5,6]. Um ein Höchstmaß an Miniaturisierung zu erreichen, besteht häufig die Anforderung Elektronikbausteine und mikrotechnische
Bauelemente wie beispielsweise mikrotechnische Sensoren als ungehäuste Chips
einzusetzen. Dabei wird oft eine kleine externe Beschaltung mit Widerständen und
Kondensatoren benötigt, die bisher mit diskreten SMD-Bauelementen aufgebaut
werden. Abgesehen vom Platzbedarf ist hierfür neben dem Chip-Montageprozess ein
zusätzlicher SMD-Bestückungsprozess durchzuführen, was mit erhöhtem Aufwand
und Kosten verbunden ist. Drucktechniken und hier vor allem das neuartige Aerosol
Jet®-Verfahren (frühere Bezeichnung M3D-Verfahren) bieten einen vielversprechenden Ansatz um beispielsweise Widerstände direkt auf MID-Packages zu drucken.
Beim Aerosol Jet®-Verfahren wird der zu bedruckende Werkstoff als geeignete nanoskalige Dispersion oder Lösung vorgelegt, die zu einem sehr feinen Aerosolstrahl
fokussiert und auf dem Substrat deponiert wird. Durch diesen mikrofokusierten Strahl
trifft der zu beschichtende nanoskalige Werkstoff als Aerosol auf das Substrat auf, so
dass dünne pinholefreie Schichten mit minimalen lateralen Abmessungen von bis zu
10 µm herstellbar sind [7]. Weiterhin ist das neue Aerosol Jet®-Verfahren aufgrund
der Fokusschärfentiefe des Aerosolstrahls von bis zu 3 mm grundsätzlich auch für
3D-Bauteile geeignet.
Durch die Wahl geeigneter Schichtwerkstoffe bietet das Aerosol Jet®-Verfahren die
Möglichkeit miniaturisierte Widerstände zu drucken. Neben dem Einsatz als passives
Bauelement könnten die Widerstände als Temperatursensoren oder aber durch Aufbau der Widerstände als Widerstandsbrückenschaltung als Dehnungssensoren
eingesetzt werden. Vorteilhaft gegenüber den bekannten Dehnungsmessstreifen
wäre hierbei, dass die Widerstandsschichten ohne Zwischen- oder Klebstoffschicht
stoffschlüssig mit dem Kunststoffbauteil verbunden sind.
Im Rahmen des Vorhabens wurden zur Herstellung von gedruckten Widerständen
geeignete Werkstoffe und deren Verarbeitung mit dem Aerosol Jet®-Verfahren untersucht. Aufbauend darauf wurden detaillierte Untersuchungen zum Einsatz der
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~G-IMAT
IGF Vorhaben Nr. 15663N
gedruckten Widerstände als Temperatursensor sowie als Dehnungssensor auf
spritzgegossenen thermoplastischen Werkstoffen durchgeführt.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
2
Substrate und Werkstoffe
2.1
Substratmaterialien für Druckversuche
Neben den Referenzmaterialien Glas und FR4 (Abb. 1a) wurden als Substratmaterialien für die LPKF-LDS®-Technologie geeignete Thermoplaste ausgewählt: LCP
Vectra E840i LDS (Abb. 1b), PA6/6T Ultramid T 4381 LDS, PET+PBT Pocan DP
T7140 LDS. Auf diesen Thermoplasten wurden mit der LPKF-LDS®-Technologie [8]
geeignete Kontaktstrukturen zur Ankontaktierung der gedruckten Widerstände hergestellt (Kap. 2.2 ).
a)
b)
Abb. 1: a) Ein FR4-Substrat und b) ein Substrat aus LCP Vectra E840i LDS mit Kontaktstrukturen zur
Ankontaktierung von gedruckten Widerständen.
Für Versuche zur Aushärtung der gedruckten Strukturen mit einem IR-Laser wurde
LCP Vectra E820i verwendet.
Für die Untersuchungen zum Verhalten von gedruckten Widerständen unter Dehnung wurde als Referenzmaterial ein mit Schutzlack bedrucktes Aluminiumblech
verwendet.
2.2
Herstellung von Testsubstraten mit dem LPKF-LDS®-Verfahren
Um die gedruckten Widerstände vor allem beim Durchführen von Dehnversuchen
und Umwelttests elektrisch charakterisieren zu können, wurden geeignete Substrate
mit vorgefertigten Kontaktpads hergestellt. Mit Hilfe des LPKF-LDS®-Verfahrens
wurden auf Platten aus LDS-Werkstoffen mit der Größe 37x37 mm² lötbare Leiterbahnstrukturen hergestellt. Das LPKF-LDS®-Verfahren ist ein voll additives Verfahren
bei dem mit Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) die Oberfläche spezieller laseraktivierbarer Polymere mit IR-Laserstrahlung aufgeraut und aktiviert wird. Bei der nach
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
einem Reinigungsprozess folgenden außenstromlos chemischen Metallbeschichtung
wird selektiv auf den aktivierten Bereichen Metall abgeschieden. Ein üblicher Schichtaufbau besteht aus ca. 5 µm Kupfer, ca. 5 µm Nickel-Phosphor und ca. 0,1 µm
Tauchgold.
2.3
Herstellung von Testsubstraten aus Aluminium für Zugversuche
Zur Charakterisierung der gedruckten Widerstände unter Zugbeanspruchung wurde
neben den thermoplastischen Werkstoffen auch Aluminium als Substratmaterial
untersucht.
Aus einem 1,2 mm dicken Aluminiumblech wurden mit Hilfe einer Schlagschere
100x8,5 mm² große Blechstreifen hergestellt. Als Isolationsschicht für die gedruckten
Widerstände wurde mittels Tampondruck ein 20x8,5 mm² großer Bereich aus dem
UV-härtenden Polyurethan Schutzlack HumiSeal® aufgedruckt. Die Schichtdicke der
Isolationsschicht wurde an Schliffen bestimmt und liegt in der Mitte des Bleches im
Bereich von 20-40 µm und nimmt zum Rand hin etwas ab (Abb. 2).
Schutzlack
a)
Gedruckter Widerstand
Schutzlack
b)
Vergussmasse
Aluminiumblech
Schutzlack
c)
Vergussmasse
Aluminiumblech
Abb. 2: a) Mit Schutzlack bedruckter Aluminiumblechstreifen. Schliffbild: b) lichtmikroskopische
Aufnahme und c) fluoreszenzmikroskopische Aufnahme.
2.4
Druckbare Formulierungen für Widerstandsschichten
Das Aerosol Jet®-Verfahren der Fa. Optomec ist ein relativ neues Druckverfahren.
Daher ist das kommerzielle Angebot an speziellen Formulierungen, die an die Erfordernisse der Aerosolerzeugung angepasst sind, derzeit noch gering. Aus diesem
Grund wurden für die Untersuchungen kommerziell erhältliche Formulierungen von
Schichtwerkstoffen ausgewählt, deren Viskosität bei Bedarf durch die Verdünnung
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
mit einem geeigneten Lösungsmittel an die Anforderungen des Aerosol Jet®Verfahrens angepasst werden kann und deren Partikelgröße im nanoskaligen Bereich liegt. In der Regel kommen dafür Formulierungen in Frage, welche für die Inkjet
Technologie entwickelt wurden.
Für die Abscheidung der Strukturen wurden verschiedene nanoskalige SilberSuspensionen von verschiedenen Herstellern (Tab. 1) und ein leitendes Polymer auf
Basis von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) (Tab. 2)
verwendet.
Bezeichnung der
Silberformulierung
Lösungsmittel
Silbergehalt
Partikelgröße
Ag1
Ethylenglykol
~20 Gew.%
~50 nm
Ag2
nicht bekannt
15 Gew.%
Lösung einer Ag-Verbindung
Ag3
nicht bekannt
20 Gew.%
Lösung einer Ag-Verbindung
20 Gew.%
~100 nm
40 Gew.%
~100 nm
Ag4
Ag5
Ethylenglykol,
Ethanol, 2Isopropoxyethanol
Ethylenglykol,
Ethanol, 2Isopropoxyethanol
Ag6
Diethylbenzol
40 Gew.%
8-15nm
Ag7
Wasser,
Ethylenglykol
17 Gew.%
<400nm
Tab. 1: Verwendete Silberformulierung und deren Eigenschaften.
Das leitende Polymer PEDOT:PSS, und hier im speziellen Clevios™, wird für eine
Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Formulierungen hergestellt. Unter anderem wird Clevios™ als antistatische oder hochleitende Beschichtung auf Glas oder
Polymeren verwendet. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Herstellung von organischen
Leuchtdioden, Solarzellen und Feldeffekttransistoren. Weiterhin findet es als Kathodenmaterial von elektrolytischen Kondensatoren und als transparentes Elektrodenmaterial Anwendung [9].
Bezeichnung
Hersteller
Produktbezeichnung
Basismaterial
Lösungsmittel
Clevios™
H.C.Stark
P JET N
PEDOT:PSS
n.a.
Tab. 2: Verwendetes leitfähiges Polymer.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
2.5
Schutzlacke
Um die gedruckten Widerstände vor Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Feuchte
aber auch mechanischer Beanspruchung zu schützen, wurden verschiedne Schutzlacke ausgewählt und auf die gedruckten Widerstände aufgebracht (Tab. 3).
Firma (Bezeichnung)
Spezifikation
Lösungsmittel
Basis
Aushärtung
Peters (Elpeguard®)
Schutzlack
lösemittelhaltig
modifizierte Epoxidharze
Trocknung, oxidativ
HumiSeal (HumiSeal®)
Schutzlack
lösemittelfrei
Polyurethan, acryliert
UV, Feuchtigkeit
Panacol (Vitralit®)
Beschichtungsmasse
lösemittelfrei
Epoxid
UV, thermisch
Tab. 3: Verwendete Schutzlacke.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
3
Aerosol Jet®-Verfahren zum Drucken von Widerständen
Das Aerosol Jet®-Verfahren arbeitet berührungs- und maskenlos und kann strukturierte Schichten auch auf dreidimensionalen Bauteilen aus unterschiedlichen
Werkstoffen abscheiden (Abb. 3). Dazu liegt der Schichtwerkstoff in einer geeigneten
Formulierung ähnlich einer Tinte vor, aus welcher in einem Zerstäubermodul auf
pneumatischem Wege oder mit Ultraschall ein Aerosol erzeugt wird. Im Aerosol Jet®System stehen zwei verschiedene Zerstäubermodule zur Verfügung (Abb. 4). So ist
die Zerstäubung von Formulierungen mit hohen Viskositäten mit einem pneumatischen Zerstäubermodul möglich (Abb. 4a), während bei niedrigen Viskositäten das
Aerosol mit Ultraschall erzeugt wird (Abb. 4b). Für die Aerosolerzeugung müssen die
Viskositäten der verwendeten Lösungen oder Suspensionen zwischen 0,7 cP und
1000 cP liegen [10,11]. Auf diese Weise lassen sich prinzipiell Metalle, Isolatoren,
Keramiken, Polymere und auch Biomaterialien verarbeiten, sofern die Partikelgröße
der Ausgangsmaterialien nicht größer als 500 nm ist [11]. Mit Hilfe des inerten Trägergases Stickstoff wird das im Zerstäubermodul gebildete Aerosol über einen
Verbindungsschlauch in einen speziellen Druckkopf transportiert. Dort wird das Aerosol durch die Zudosierung eines Umhüllungsgasstroms aerodynamisch fokussiert
und durch eine Spitze direkt auf das zu beschichtende Substrat geleitet. Der Durchmesser des Aerosolstrahls kann je nach Stärke des Umhüllungsgasstroms auf etwa
Abb. 3: Aerosol Jet® Anlage (Quelle: Optomec).
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
a)
b)
Abb. 4: Schematische Darstellung des Aerosol Jet®-Verfahrens: a) pneumatisch und b) Aerosolerzeugung mit Ultraschall [12].
ein Zehntel der Spitzenöffnung reduziert werden, wobei unterschiedliche Spitzenöffnungen im Bereich von 100-300 µm möglich sind. Mit dem Aerosol Jet®-Verfahren ist
es grundsätzlich möglich, Strukturen mit minimalen lateralen Abmessungen von bis
zu 10 µm zu realisieren [10,13]. Da der fokussierte Aerosolstrahl eine Schärfentiefe
von etwa 3 mm besitzt, bietet das berührungslose Aerosol Jet®-Verfahren auch die
Möglichkeit auf dreidimensionalen Bauteilen strukturierte Schichten abzuscheiden.
Zur Aushärtung der Schichten kann sowohl ein konventioneller thermischer Aushärteprozess als auch ein integrierter Laser-Aushärteprozess durchgeführt werden. Die
Aushärtung mit dem im Aerosol Jet®-System integrierten Lasermodul (Abb. 3) ermöglicht die thermische Nachbehandlung auf temperaturempfindlichen Substraten ohne
das Basissubstrat nennenswert zu schädigen. Beim integrierten Laser handelt es
sich um einen kontinuierlichen Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge von 830 nm. Die
Laser-Leistung kann über den Diodenstrom zwischen 1 bis 750 mW reguliert werden
[11].
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
4
Vorversuche zum Drucken von Widerständen
4.1
Druckversuche mit verschiedenen Materialien mit dem Aerosol
Jet®-Verfahren
Im Wesentlichen wurden zwei Klassen von Materialien zur Herstellung von gedruckten
Widerständen
untersucht,
ein
leitfähiges
Polymer
und
nanopartikuläre
Silbersuspensionen. Das untersuchte leitfähige Polymer Clevios™ P Jet N hat einen
spezifischen Widerstand von 1,1-3,3·10-4 Ωm [9]. Silbersuspensionen haben einen
höheren spezifischen Widerstand im Bereich vom 3-20fachen Wert von Bulk-Silber
(1,59·10-8 Ωm). Um Widerstände im Bereich zwischen 100-1000 Ω herstellen zu
können müssen vergleichsweise lange Leiterbahnen gedruckt werden. Aus diesem
Grund wurden Layouts konzipiert, mit denen zum Einen die Druckbarkeit untersucht
und zum Anderen auch mögliche Widerstandswerte der verwendeten Materialien
bestimmt werden konnten.
Erste Vorversuche zum Drucken der ausgewählten Materialien wurden auf Glas- und
FR4-Substraten durchgeführt. Dabei wurden Prozessparameter optimiert, wie z.B.
die benötigten Gasflüsse. Glassubstrate bieten auf Grund der geringen Rauheit die
Möglichkeit, die Schichtdicken der gedruckten Strukturen mit Hilfe des Tastschnittverfahrens zu bestimmen. Weiterhin können auf Glassubstraten höhere Aushärtetemperaturen im Vergleich zu thermoplastischen Substratmaterialien verwendet
werden. FR4-Leiterplatten haben eine ähnliche Rauheit wie thermoplastische Substrate und bieten über herkömmliche Leiterplattentechnik eine einfache Möglichkeit
zur Herstellung von Kontaktstrukturen für die gedruckten Widerstände.
Mit den in Vorversuchen zum Drucken auf Glassubstraten erarbeiteten Prozessparametern wurden die jeweiligen Materialien auf die thermoplastischen Substrate
gedruckt und charakterisiert.
Da auf manchen Thermoplasten die Benetzung der gedruckten Materialien zu gering
ist und es zu mehr oder weniger ausgeprägten Einschnürungen der gedruckten
Strukturen kommen kann, wurden hierzu auch Untersuchungen zur Verbesserung
der Benetzungseigenschaften mit Hilfe einer Vorbehandlung der jeweiligen Substrate
mit Sauerstoffplasma durchgeführt.
14
IGF Vorhaben Nr. 15663N
4.1.1
Druckversuche mit Clevios™
Clevios™ wurde mit der Aerosolerzeugung mit Ultraschallunterstützung (Spitzendurchmesser 100 µm) gedruckt. Mit der kommerziell verfügbaren Lösung konnte kein
Aerosol erzeugt werden, aus diesem Grund wurde die Lösung mit einem H2O/EtOHGemisch verdünnt. Zur Optimierung der Aerosolerzeugung wurden unterschiedliche
Mischungsverhältnisse und Füllstände im Tintenbehälter getestet. Mit optimierten
Parametern konnte die Clevios™/H2O/EtOH-Suspension gedruckt werden.
Wichtig beim Drucken mit dem Aerosol Jet®-Verfahren ist, dass der Verbindungsschlauch zwischen Aerosolerzeugung und Druckkopf frei von Kondensaten des
Aerosols bleibt. Dieses Kondensat kann Tropfen im Verbindungsschlauch bilden, die
durch den Gasstrom zur Düse transportiert werden und diese verstopfen. Das Aerosol aus Clevios™ hat jedoch eine geringe Neigung zur Kondensatbildung gezeigt.
Erste Druckversuche mit Clevios™ wurden auf Glassubstraten mit vorkonfektionierten Kontaktpads durchgeführt. Diese Kontaktpads wurden mittels Drucken der
Silbersuspension Ag1 (vgl. Tab. 1) auf den Glassubstraten hergestellt. Drei verschiedene Kontakpad-Abstände L wurden dabei untersucht (Abb. 5): 300 µm, 600 µm
sowie 1500 µm. Um verschiedene Schichtdicken herzustellen, wurden Strukturen mit
unterschiedlicher Anzahl von Überfahrten gedruckt. Die Strukturbreite wurde durch
mehrfaches Drucken von parallelen Bahnen mit einem Pitch von 25 µm realisiert.
Nach dem Drucken wurden die Strukturen 15 min bei 130°C im Ofen ausgehärtet.
L
Kontaktpad aus Silber
500 x 500 µm²
Parallele Bahnen x
LB: 1x1
Anzahl der Überfahrten
3x1
5x1
3x2
5x2
Abb. 5: Layout zum Drucken von Clevios™ auf Glassubstraten mit vorgefertigten Silber-Kontaktpads
für die elektrische Kontaktierung.
Erste Druckversuche zeigten eine gute Benetzung von Clevios™ auf Glas. Die Kanten der gedruckten Bahn sind parallel und es konnten keine Einschnürungen bzw.
kaum Verfließen des Materials beobachtet werden (Abb. 6). Die parallel gedruckten
Einzelbahnen fließen weitgehend ineinander, auch wenn es auf Grund der Transparenz von Clevios™ (Abb. 6 und Abb. 7) anders erscheint. Entlang der gedruckten
Bahnen entsteht leichter Overspray. Auf den Silberkontaktpads zeigt sich ein ähnli15
IGF Vorhaben Nr. 15663N
ches Benetzungsverhalten wie auf Glas (Abb. 7). Ein durchgeführter Tape-Test wurde von den gedruckten Clevios™-Strukturen bestanden.
c)
b)
a)
Abb. 6: Clevios™ gedruckt auf Glas: a) 1 Bahn, b) 3 Bahnen und c) 5 Bahnen mit einem Pitch von
25 µm. Die Bahnbreiten betragen a) ca. 30 µm, b) ca. 100 µm und c) ca. 150 µm.
Silber
Glas
a)
b)
Abb. 7: Gedrucktes Clevios™: a) 3 Bahnen und b) 5 Bahnen mit einem Pitch von 25 µm beim Übergang des Substratmaterials von Glas auf ein gedrucktes Silberpad (Ag1).
Um eine ausreichende Bedeckung und somit eine sichere Kontaktierung zwischen
dem Silberkontaktpad und dem Clevios™ gewährleisten zu können, wurde der Substratübergang zwischen Kontaktpad und Glas mit einem Weißlichtinterferometer
untersucht (Abb. 8). Bei dieser mit einfacher Überfahrt gedruckten Struktur wurde
eine Schichtdicke der Clevios™-Strukturen von ca. 100 nm bei einer Breite von ca.
30 µm auf der Glasoberfläche und auf dem Silberpad gemessen. Zusätzlich konnte
gezeigt werden, dass es im Übergang Glas-Kontaktpad keine nennenswerte Materialverarmung oder Bedeckungsprobleme gibt.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
Ag-Pad
Schnittebene
a)
Clevios
Glas
c)
Schnittebene
b)
d)
Abb. 8: Weißlichtinterferometrische Aufnahmen vom Übergang einer mit einfacher Überfahrt gedruckten Clevios™-Bahn von Glas auf ein gedrucktes Silber-Kontaktpad: a) Topografie und b) 3DDarstellung der gedruckten Bahn. c) Schnitte in Richtung der gedruckten Bahn durch das Glassubstrat
mit dem Silberkontaktpad (blau) und der gedruckten Bahn (rot). d) Schnitte quer zur gedruckten Bahn
durch das Glassubstrat (rot) und das Silber-Kontaktpad (grün).
Die Widerstandswerte der gedruckten Strukturen wurden mit Hilfe der 4-LeiterMessung bestimmt. Durch die verschiedenen Längen der gedruckten Struktur und
der unterschiedlichen Anzahl an Überfahrten konnten Widerstände im Bereich von
200 Ω bis 50 kΩ hergestellt werden (Abb. 9a).
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
16
50
45
Widerstand [k ]
40
35
30
5
25
5x2
Widerstandswert [k /mm]
1
3
3x2
20
15
10
5
14
12
10
8
6
4
2
0
0
200
400
a)
600
800
1000
1200
1400
0
1600
1
b)
Leiterbahnlänge [µm]
3
5 3x2 5x2
Überfahrten
Abb. 9: Widerstandsmessung von auf Glas gedrucktem Clevios™ bei einer unterschiedlichen Anzahl
von Überfahrten und unterschiedlichen Bahnlängen. a) erzielte Widerstandswerte. b) Widerstandswerte angegeben in kΩ pro Millimeter Clevios™-Bahn.
Erste Druckversuche mit Clevios™ wurden auch auf FR4-Leiterplatten mit vorgefertigten Cu/Ni/Au-Kontaktpads durchgeführt. Der Abstand der Cu/Ni/Au-Pads betrug
1,5 mm. Die Bahnbreite einer einzelnen gedruckten Bahn beträgt etwas weniger als
25 µm (Abb. 10a-c). Trotz der relativ großen Rauheit der Oberfläche (Ra~0,40 µm,
Rz~2,5 µm) im Vergleich zur Schichtdicke (0,1 µm) konnte bereits bei einfacher
Überfahrt ein Widerstand gemessen werden. Neben der Anzahl der Überfahrten
wurde auf der FR4-Leiterplatte die Anzahl der mit einem Pitch von 25 µm parallel
gedruckten Bahnen von 1-7 variiert. Dadurch konnten Widerstandswerte in einem
Bereich von 400 Ω bis 40 kΩ je gedrucktem Millimeter Clevios™-Bahn realisiert werden (Abb. 10d).
Widerstand [k
mm]
10
9
1-fache Überfahrt
8
3-fache Überfahrt
5-fache Überfahrt
7
6
5
4
3
2
1
0
a)
b)
c)
0
d)
2
4
6
8
Bahnen
nebeneinander
Parallele
Bahnen
Abb. 10: Clevios™ gedruckt auf FR4-Leiterplatte: a) Einzelne Bahn mit 3-facher Überfahrt. b) Drei
Bahnen nebeneinander mit einem Pitch von 25 µm mit jeweils 3-facher Überfahrt. c) Übergang der
Clevios™-Bahnen von FR4 auf ein Kontaktpad mit Goldoberfläche. d) Widerstandsmessungen bei
einer unterschiedlichen Anzahl parallel gedruckter Bahnen und 1-5facher Überfahrt. Der Wert der yAchse entspricht dem Widerstand einer Clevios™-Bahn mit einer Länge von 1 mm.
Auf LCP Vectra E840i LDS ist die Benetzung von Clevios™ ohne Vorbehandlung mit
Sauerstoffplasma bereits ausreichend (Abb. 11a) und es können mit einfacher Überfahrt Bahnen mit einer Breite von ca. 20 µm gedruckt werden. Mit 5 min
18
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Plasmavorbehandlung verbessert sich die Benetzung auf dem Substrat, wodurch
eine Bahnbreite von ca. 50 µm erhalten wurde. Die gemessenen Widerstandswerte
nehmen mit Dauer der Plasmavorbehandlung von 51 kΩ/mm ohne Vorbehandlung
auf 66 kΩ/mm bei 20 min Plasmavorbehandlung zu (Abb. 11d) und sind damit deutlich höher als die gemessenen Werte auf Glassubstrat (ca. 15 kΩ/mm).
Auf PET+PBT ohne Plasmavorbehandlung zeigen die gedruckten Bahnen Einschnürungen (Abb. 11b) und es konnte keine Stromleitung gemessen werden. Mit einer
Plasmavorbehandlung von 5 min werden die Benetzungseigenschaften dahingehend
a)
b)
c)
PA6/6T 1-fach
PA6/6T 3-fach
PET+PBT 1-fach
PET+PBT 3-fach
LCP 1-fach
LCP 3-fach
Glas 1-fach
Glas 3-fach
90
Widerstand [kΩ /mm]
80
70
60
50
40
30
20
10
d) 0
-5
0
5
10
15
20
25
Plasmavorbehandlung [min]
Abb. 11: Clevios™ auf den LDS-Thermoplasten a) LCP, b) PET + PBT und c) PA6/6T bei 0 min
(1.Spalte), 5 min (2.Spalte) bzw. 20 min (3.Spalte) Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma. d) Elektrische
Charakterisierung der gedruckten Clevios™-Bahnen.
19
IGF Vorhaben Nr. 15663N
verbessert, dass Clevios™ ohne Einschnürungen und mit einer Bahnbreite bei einfacher Überfahrt von ca. 30 µm gedruckt werden kann. Die gemessenen Widerstandswerte sind ähnlich denen auf LCP (Abb. 11d).
Clevios™ benetzt auf PA6/6T ohne Plasmavorbehandlung ausreichend (Abb. 11c).
Die gedruckten Bahnen haben eine Breite von ca. 20 µm. Die gemessenen Widerstände sind allerdings deutlich geringer als auf LCP und PET+PBT und ohne
Plasmavorbehandlung vergleichbar mit den erzielten Werten auf Glassubstraten.
4.1.2 Druckversuche mit Silbersuspension Ag1
Im Rahmen des BMBF-Vorhabens NADIMASMEL konnten am HSG-IMAT bereits
erste Erfahrungen mit der Silbersuspension Ag1 gesammelt werden [14]. Die Aerosolerzeugung wurde mit Ultraschallunterstützung durchgeführt. Grundsätzlich gibt es
mit Silbersuspension Ag1 auf Glassubstraten keine Benetzungsprobleme, das heißt
die Ränder der gedruckten Bahnen sind parallel, ohne Einschnürungen und das
Material verfließt nicht. Weiterhin wird von auf Glas gedruckten Strukturen aus Silbersuspension Ag1 der Tape-Test bestanden.
Um mit gedrucktem Silber Widerstände im Bereich von 100 Ω herstellen zu können
muss auf Grund der deutlich besseren Leitfähigkeit im Vergleich zu Clevios™ eine
relativ lange Leiterbahn gedruckt werden. Da im Hinblick auf die Miniaturisierung der
Flächenbedarf der gedruckten Strukturen trotzdem gering gehalten werden sollte,
wurden auf Glas verschiedene serpentinenartige Layouts untersucht (Abb. 12). Die
einzelnen Strukturen unterscheiden sich in der Leiterbahnlänge, dem Abstand zwischen zwei Serpentinenarmen, der Anzahl der gedruckten Bahnen nebeneinander
und der Ausbildung der Ecken. Die Längen variieren von 6,5 – 17 mm, die Strukturbreite wurde mit einer Bahn bzw. 3 Bahnen nebeneinander vorgegeben. Zur
Ankontaktierung der Strukturen für die elektrische Charakterisierung der gedruckten
Widerstände wurden quadratische Flächen im Layout integriert.
Mit Silbersuspension Ag1 wurden Layout 1-6 auf Glassubstraten gedruckt, wobei
eine hohe Kantendefinition erzielt wurde. Nach dem Drucken wurde die Suspension
1 h bei 200°C ausgehärtet.
20
IGF Vorhaben Nr. 15663N
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Abb. 12: Layout 1-6 zum Drucken von Widerständen aus Silbersuspensionen.
Die Breiten der gedruckten Strukturen waren bei Layout 1 und 2 im Bereich von
20 µm und bei Layout 3-6 bei 80 µm mit einfacher Überfahrt. Der Vergleich des
Druckergebnisses von Layout 1 und 2 zeigt, dass die im Layout 1 abgerundeten
Ecken zur Herstellen von Leiterbahnstrukturen besser geeignet sind (Abb. 13a und
b).
a)
b)
c)
200 µm
Abb. 13: Silbersuspension Ag1 auf Glas: a) Layout 1 und b) Layout 2 bei einfacher und c) Layout 2 bei
dreifacher Überfahrt.
Auf Glassubstraten konnten mit den Layouts 1-6 Widerstände im Bereich von 20450 Ω hergestellt werden (Abb. 14). Die erhaltenen Widerstände weisen bei gleichem Layout teilweise sehr große Schwankungen auf. Dies kann möglicherweise auf
eine mit der Zeit schwankende Aerosolkonzentration in der Phiole zurückgeführt
werden.
21
IGF Vorhaben Nr. 15663N
500
1-fach
3-fach
Widerstandswert [
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Layout
Abb. 14: Elektrische Charakterisierung von mit Silbersuspension Ag1 gedruckten Widerständen auf
Glas mit 1 bzw. 3 Überfahrten.
Silbersuspension Ag1 wurde auch auf FR4-Leiterplatten mit vorgefertigten Cu/Ni/AuKontaktpads gedruckt, wobei die Anzahl der gedruckten Bahnen nebeneinander und
die Anzahl der Überfahrten variiert wurde. Die Leiterbahnlänge wurde mit 11 mm
konstant gehalten (Abb. 15a). Das Benetzungsverhalten auf dem FR4-Material ist
gut, das heißt die Kanten der gedruckten Bahnen sind parallel und ohne Einschnürungen (Abb. 15b und c). Eine einfache Überfahrt ist jedoch meist nicht ausreichend,
um eine geschlossene Bahn herzustellen bzw. sind die Widerstände sehr hoch und
weisen eine große Streuung auf. Mit dreifacher und fünffacher Überfahrt konnten mit
Kontaktpad
Gedruckte
Leiterbahn
a)
Layout 1
B=1
Layout 2
B=2
Layout 4
B=1
Layout 3
B=3
100
Layout 1
90
Layout 2
Widerstand [ ]
80
Layout 3
Layout 4
70
60
50
40
30
20
10
0
b)
c)
d)
0
1
2
3
4
5
6
Anzahl der Überfahrten
Abb. 15: a) Layout zum Drucken von Silberbahnen auf FR4-Leiterplatten mit vorgefertigten Cu/Ni/AuKontaktpads. Die Länge beträgt 11 mm, die Anzahl der Abscheidungen nebeneinander ist durch B
gegeben. b,c) Silbersuspension Ag1 auf FR4-Leiterplatte (Layout 2) d) Widerstände der gedruckten
Layouts bei einer unterschiedlichen Anzahl von Überfahrten.
22
IGF Vorhaben Nr. 15663N
allen Layouts Widerstandsstrukturen realisiert werden. Die Widerstandswerte lagen
dabei im Bereich von 6-120 Ohm (Abb. 15d).
Von Silbersuspension Ag1 war bereits bekannt, dass die Benetzung auf den
Thermoplasten ohne Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma zu gering ist um
zuverlässig Leiterbahnen drucken zu können [14]. Weitere Untersuchungen zeigten,
dass
eine
Plasmabehandlung
von
30 s
ausreichend
ist
um
zuverlässig
Leiterbahnstrukturen auf LCP, PET+PBT und PA6/6T zu drucken (Abb. 16) [15].
a)
b)
c)
Abb. 16: Silbersuspension Ag1 gedruckt auf den Thermoplasten a) LCP, b) PET + PBT, c) PA6/6T bei
0 s (1.Spalte), 30 s (2.Spalte) bzw. 60 s (3.Spalte) Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma [15].
4.1.3
Druckversuche mit Silbersuspension Ag2 und Ag3
Ag2 und Ag3 sind nicht auf Nanopartikel basierende Formulierungen, welche durchsichtig sind und beim Aushärten silberfarben verfärben. Gegenüber den anderen
untersuchten Silbersuspensionen sollte Ag2 und Ag3 laut Hersteller bereits bei moderaten Temperaturen ausgehärtet werden können. Der Unterschied zwischen Ag2
und Ag3 liegt vor allem im Silbergehalt von 15 Gew.% bzw. 20 Gew.%. Die Aerosol23
IGF Vorhaben Nr. 15663N
erzeugung wurde in beiden Fällen mit Ultraschall durchgeführt wobei eine Viskositätsanpassung mit Methanol notwendig war, um ausreichend Aerosol zu erzeugen.
Vor den ersten Druckversuchen wurden verschiedene Füllstände im Tintenbehälter
und Methanolkonzentrationen getestet. Dabei wurde festgestellt, dass sich das Methanol auf Grund des niedrigen Siedepunktes bzw. des hohen Dampfdruckes
vergleichsweise schnell aus der Formulierung verflüchtigt, was beim Drucken sehr
schnell zu einer Aerosolverarmung führt. Das hat zur Folge, dass bei diesen beiden
Formulierungen die Prozessstabilität gering ist.
Wie bei Silbersuspension Ag1 wurden Ag2 und Ag3 mit den Layouts 1-6 (Abb. 12)
auf Glas mit einfacher, dreifacher und fünffacher Überfahrt gedruckt (Abb. 17). Die
Benetzung der beiden Formulierungen war auf Glas nicht optimal. An Rundungen
kommt es zu Materialanhäufungen während an gerade verlaufenden Strukturen vor
allem bei einfacher Überfahrt teilweise Einschnürungen zu beobachten waren
(Abb. 17). Beim Drucken von Kontaktpads wurde teilweise ein Verfließen des Materials an den Ecken beobachtet (Abb. 18).
a)
b)
c)
Abb. 17: Ag2 auf Glas mit a) einfacher, b) dreifacher und c) fünffacher Überfahrt vor (Zeile 1) und
nach (Zeile 2) dem Aushärten.
Vor allem bei den mit einfacher Überfahrt gedruckten Strukturen wurden an manchen
Stellen die gedruckten Strukturen während des Trocknens beschädigt (Abb. 17a,
Abb. 18b). Beim Aushärten (130°C/30min) bilden sich an diesen Stellen Risse, bzw.
delaminiert die Silberschicht und besteht den Tape-Test nicht. Laut Hersteller ist
dieses Fehlerbild beim Inkjet-Drucken nicht bekannt und konnte auch nicht erklärt
werden. Es wird jedoch ein Zusammenhang mit der Verarbeitung als Aerosol vermu24
IGF Vorhaben Nr. 15663N
tet. An den rissfreien Stellen wurde der Tape-Test von Strukturen aus Ag2 und Ag3
auf Glassubstrat bestanden.
a)
b)
Abb. 18: Ag3 auf Glas mit einfacher Überfahrt a) mit und b) ohne Rissbildung vor (Zeile 1) und nach
(Zeile 2) dem Aushärten.
Die Benetzung von Ag2 und Ag3 auf den untersuchten Thermoplasten ist gut (Abb.
19). Die gedruckten Strukturen weisen jedoch eine sehr große Kantenrauheit auf. Die
Breiten der gedruckten Bahnen sind bei einfacher Überfahrt im Bereich von 5070 µm und betragen bei dreifacher Überfahrt ca. 80-100 µm, wobei vor allem auf
PA6/6T die Strukturen ungleichmäßig sind. Dies erhöht das Risiko von Kurzschlüssen deutlich.
Durch eine Vorbehandlung der Thermoplaste mit Sauerstoffplasma wird die Benetzung weiter verbessert. Bei einer zu langen Vorbehandlungszeit wird ein so starkes
Verfließen beobachtet, dass teilweise nach dem Aushärten keine geschlossene Silberschicht entsteht (Abb. 20). Eine elektrische Charakterisierung hat gezeigt, dass in
keinem der Fälle zuverlässig leitende Struktur hergestellt werden konnten.
25
IGF Vorhaben Nr. 15663N
a)
b)
c)
Abb. 19: Ag2 auf den Thermoplasten a) LCP, b) PET + PBT und c) PA6/6T mit einfacher Überfahrt
vor (Zeile 1) und nach (Zeile 2) dem Aushärten und dreifacher Überfahrt (Zeile 3) nach dem Aushärten.
)
Abb. 20: Ag2 auf mit Sauerstoffplasma vorbehandelten LCP (20 min).
4.1.4
Druckversuche mit Silbersuspension Ag4 und Ag5
Ag4 und Ag5 unterscheiden sich vor allem im Silbergehalt (20 Gew.% bzw.
40 Gew.%). Silbersuspension Ag4 und Ag5 wurden mit der pneumatischen Aerosolerzeugung (Spitzendurchmesser 200 µm) auf Glas gedruckt (Abb. 21). Die
Suspensionen lassen sich ohne zusätzliche Viskositätsanpassung mit dem Aerosol
Jet® drucken. Das Aerosol bleibt über einen langen Zeitraum stabil. Weiterhin ist
26
IGF Vorhaben Nr. 15663N
kaum Kondensatbildung im Verbindungsschlauch zwischen Aerosolerzeugung und
Druckkopf zu beobachten und es kommt auch relativ selten zu einer Verstopfung der
Düse.
Mit Ag4 gedruckte Strukturen können Einschnürungen aufweisen bzw. kann es an
den Ecken von gedruckten Pads zu einem Verfließen des Materials kommen
(Abb. 21). Silbersuspension Ag5 kann ohne Einschnürungen gedruckt werden (Abb.
22). Bei beiden Materialien entsteht jedoch ein leichter Overspray. Mit beiden Silbersuspensionen können Bahnbreiten im Bereich von 40 bis 60 µm erreicht werden.
Beim Tape-Test wurde vor allem an gedruckten Pads ein Teil der Strukturen vom
Glas abgelöst.
Abb. 21: Silbersuspension Ag4 auf Glas
Abb. 22: Silbersuspension Ag5 auf Glas
Auf Grund der besseren Benetzungseigenschaften sowie der besseren elektrischen
Leitfähigkeit von Silbersuspension Ag5 wurde auf eine Untersuchung von
Silbersuspension Ag4 auf den thermoplastischen Substraten verzichtet.
Silbersuspension Ag5 zeigt gute Benetzungseigenschaften auf den thermoplastischen Substraten (Abb. 23). Zur Herstellung von unterbrechungsfreien
Strukturen auf PET+PBT und PA6/6T ist eine Vorbehandlung mit Sauerstoffplasma
notwendig. Weiterhin ist zum Drucken von zuverlässig leitfähigen Schichten eine
zweifache Überfahrt notwendig. Bahnbreiten von etwa 50 µm können realisiert
werden. Gedruckte Strukturen aus Silbersuspension Ag5 haben den Tape-Test auf
allen untersuchten thermoplastischen Substraten bestanden.
27
IGF Vorhaben Nr. 15663N
a)
)
b)
c)
Abb. 23: Gedruckte Silbersuspension Ag5 auf mit 5 min Sauerstoffplasma vorbehandelten a) LCP, b)
PET+PBT und c) PA6/6T.
Zur Untersuchung der Prozessstabilität des Druckprozesses mit Silbersuspension
Ag5 wurde ein Versuch zum kontinuierlichen Drucken von Widerstandsstrukturen
durchgeführt (Abb. 24). Auf vier LCP-Substraten mit jeweils 4x12 mit dem LPKFLDS®-Verfahren vorgefertigten Kontaktpads zur Widerstandsmessung in 4-LeiterMessung wurden ca. 10 mm lange Silberbahnen spiralförmig mit einem Bahnabstand
von 120 µm gedruckt und anschließend 1 h bei 200°C ausgehärtet (Abb. 24a). Die
Widerstandsstrukturen wurden mit zweifacher Überfahrt nacheinander hergestellt.
Nach dem Drucken von 36 Widerständen wurde die Aerosolerzeugung abgeschaltet,
der Druckkopf gereinigt und der Verbindungsschlauch zwischen Aerosolerzeugung
und Druckkopf getauscht. Nach ca. einer Stunde Wartezeit wurden weitere 12
Widerstände gedruckt.
Die elektrische Charakterisierung zeigt, dass der Druckprozess innerhalb der ersten
25 min relativ stabil ist (Abb. 24b). Hier konnten Widerstände von 41 Ω +/- 2%
gedruckt werden. Im Zeitraum von 40-70 min Druckzeit wurde etwas mehr Material
abgeschieden und der Widerstandswert der Strukturen nahm um ca. 30% ab. Im
Anschluss war der Druckprozess wieder relativ stabil bei Widerstandswerten von
28 Ω +/- 2%. Nach Ausschalten, Reinigen und Wiederaufnahme des Druckprozesses
zeigt sich ein geringer Anstieg des Widerstandswertes auf 31 Ω +/- 4%. Der
Widerstandswert von Widerstand Nummer 20 ist auf Grund eines Kurzschlusses
zwischen zwei Bahnen deutlich geringer im Vergleich zu den restlichen
Widerständen und wurde bei der Auswertung nicht berücksichtigt.
28
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Widerstandsstruktur
LDSLeiterbahnen
a)
Widerstand [Ω]
1 mm
b)
Widerstandsreihenfolge
Abb. 24: Untersuchung zur Prozessstabilität des Druckprozesses mit Silbersuspension Ag5: a) Widerstandslayout, b) Widerstandswerte von kontinuierlich gedruckten Widerständen.
4.1.5
Druckversuche mit Silbersuspension Ag6
Silbersuspension Ag6 wurde mit der pneumatischen Aerosolerzeugung (Spitzendurchmesser 200 µm) auf Glassubstrat gedruckt (Abb. 25). Das Aerosol konnte
problemlos erzeugt werden, jedoch bildet sich sehr viel Kondensat im Verbindungsschlauch zwischen Aerosolerzeugung and Druckkopf. Dadurch kann bereits nach 15
min kontinuierlicher Aerosolabscheidung die Düse verstopfen.
Bahnen und Pads konnten aus der Suspension ohne Einschnürungen bzw. Verfließen des Materials und ohne Overspray gedruckt werden (Abb. 25), wobei
Bahnbreiten von 30 µm realisiert werden konnten. Der Tape-Test wurde jedoch auf
Glassubstraten nicht bestanden.
Abb. 25: Silbersuspension Ag6 auf Glassubstrat
Auf Grund des sehr instabilen Druckprozesses wurde auf weitere Untersuchungen
mit Silbersuspension Ag6 verzichtet.
29
IGF Vorhaben Nr. 15663N
4.1.6
Druckversuche mit Silbersuspension Ag7
Silbersuspension Ag7 wurde mit der pneumatischen Aerosolerzeugung (Spitzendurchmesser 200 µm) auf Glassubstrat gedruckt (Abb. 26). Das Aerosol konnte
problemlos über längere Zeit stabil erzeugt werden. Weiterhin bildet sich kaum Kondensat im Verbindungsschlauch zwischen Aerosolerzeugung und Druckkopf und die
Düse verstopft relativ selten.
Bahnen und Pads aus dieser Suspension können ohne Einschnürungen bzw. Verfließen des Materials gedruckt werden (Abb. 26), wobei Bahnbreiten von 40-50 µm
realisiert werden können. Die gedruckten Strukturen weisen leichten Overspray auf.
Der Tape-Test wurde jedoch auf Glassubstraten nicht bestanden.
Abb. 26: Silbersuspension Ag7 auf Glas
Silbersuspension Ag7 zeigt gute Benetzungseigenschaften auf den thermoplastischen Substraten, das heißt es kommt zu keinen Einschnürungen und zu keinem
seitlichen Verfließen der Bahnen (Abb. 27). Auf PA6/6T ist zur Herstellung von leitfähigen Strukturen eine Plasmavorbehandlung notwendig. Die erzielten Bahnbreiten
liegen im Bereich von 40-50 µm. Die elektrische Charakterisierung zeigt jedoch, dass
die Widerstandswerte beim Drucken mit gleichen Prozessparametern sehr stark
schwanken (Abb. 27d).
Der Tape-Test wurde auf allen drei thermoplastischen Substraten bestanden.
30
IGF Vorhaben Nr. 15663N
basdgasdgawe
b)
a)
c)
1000
100
10
in
Pl
as
PE
m
5m
a
T+
in
PB
Pl
a
T
s
m
0m
a
in
Pl
as
m
a
s
Pl
a
5m
6T
PA
6/
e)
LC
P
d)
LC
P
0m
in
G
la
G
la
sm
a
1
s
3 mm
Widerstand [Ohm]
10000
Substrat
Abb. 27: Gedruckte Silbersuspension Ag7 auf mit 5 min Sauerstoffplasma vorbehandeltem a) LCP,
b) PET+PBT und c) PA6/6T. d) Widerstandslayout. e) Widerstandswert bei unterschiedlichen Substratmaterialien: Mittelwert (roter Balken), 2/3 der mittleren Messwerte (blauer Balken), Minimum und
Maximum (schwarze Linie).
4.1.7
Untersuchungen zum Einfluss der Substrattemperatur während des
Druckprozesses
Einen wesentlichen Einfluss auf das Druckergebnis beim Drucken von Silbersuspensionen hat die Substrattemperatur während des Druckprozesses. Daher wurden
Druckversuche mit Ag1 und Ag2 auf geheizten Substraten durchgeführt. Die Heizung
des Substrates erfolgte über den in der Aerosol Jet®-Anlage integrierten heizbaren
Substrattisch. Die Substrattemperaturen 25°C, 50°C und 75°C wurden untersucht.
Nach dem Drucken wurden die Materialien im Ofen 1 h bei 200°C ausgehärtet.
Bei Silbersuspension Ag1 zeigt sich, dass bei gleich bleibenden Druckparametern mit
höherer Substrattemperatur die resultierende Bahnbreite abnimmt und sich die Kantendefinition verbessert (Abb. 28). Bei 25°C Substrattemperatur fließen im
Padbereich die einzelnen gedruckten Bahnen nach dem Drucken ineinander, so
dass die einzelnen gedruckten Bahnen nicht mehr voneinander unterscheidbar sind.
Bei 50°C und vor allem bei 75°C Substrattemperatur sind die einzelnen gedruckten
Bahnen im Padbereich deutlich voneinander unterscheidbar.
31
IGF Vorhaben Nr. 15663N
25°C
50°C
75°C
Abb. 28: Silbersuspension Ag1 gedruckt auf Glas bei unterschiedlichen Substrattemperaturen während des Druckprozesses. Zeile 1 vor und Zeile 2 nach dem Aushärten im Ofen für 1 h bei 200°C.
Neben der Änderung der Geometrie zeigt sich auch eine deutliche Änderung des
Widerstandswertes (Abb. 29a). Vor allem bei einer Substrattemperatur von 50°C ist
immer eine Widerstandsreduktion zu beobachten. Bei einer Substrattemperatur von
75°C wird eine Verringerung des Widerstandes bei einfacher Überfahrt beobachtet.
Bei dreifacher Überfahrt wurden unterschiedliche Ergebnisse erzielt, teilweise wurden kleinere, teilweise aber auch größere Widerstände gemessen. Möglicherweise
könnte Rissbildung beim Aushärteprozess dafür verantwortlich sein.
Ein ähnliches Verhalten wurde auch bei Silbersuspension Ag2 beobachtet (Abb. 29b)
40
35
25°C
30
50°C
75°C
25
20
15
10
5
30
25
20
15
10
5
0
a)
25 °C
50°C
75°C
35
Widerstand [Ω /mm]
Widerstand [ /mm]
40
Layout 1
1-fach
Laout 1
3-fach
Layout 4 Layout 4 Layout 6
1-fach
3-fach
1-fach
Layou 6
3-fach
b)
0
1 LB
1fach
1 LB
3fach
3 LB
1fach
3 LB
3fach
Temperatur [°C]
Abb. 29: Widerstandswerte von gedruckten Widerständen aus Silbersuspension a) Ag1 und b) Ag2
bei Substrattemperaturen während des Druckens von 25°C, 50°C und 75°C.
32
IGF Vorhaben Nr. 15663N
4.1.8
Bewertung der untersuchten Ag-Suspensionen
Tab. 4 zeigt zusammenfassend die qualitative Bewertung der Ergebnisse aus den
Vorversuchen. Man erkennt, dass die Suspension Ag1 und Ag5 am besten für weitere Untersuchungen geeignet sind. Da der Hersteller für Ag1 nicht mehr existiert und
somit Ag1 nicht mehr verfügbar ist, wurden die weiteren Untersuchungen ausschließlich mit Ag5 durchgeführt.
Ag1
Ag2
Ag3
Ag4
Ag5
Ag6
Ag7
Prozessstabilität
+
o
o
++
++
-
+
Strukturabbildung
Glas
Thermoplaste
++
++
+
-
+
-
o
++
++
++
++
++
Overspray
+
+
+
o
+
++
+
++
++
o
--
o
--
+
++
++
+
+
o
+
+
o
+
o
+
o
o
+
-
o
+
Leitfähigkeit
Glas
Thermoplaste
Haftung (Tape-Test)
Glas
Thermoplaste
Tab. 4: Bewertung der Druckergebnisse auf Glas und den thermoplastischen Substraten mit den
untersuchten Silbersuspensionen. ++…sehr gut, +…gut, o…mäßig, -…schlecht, - -…sehr schlecht.
4.2
Im
Ankontaktierung gedruckter Widerstände an LPKF-LDS®Strukturen
Zuge
der
Vorversuche
zum
Drucken
von
Silbersuspensionen
auf
thermoplastischen Substraten stellte sich die Ankontaktierung an Kontaktpads,
welche in LPKF-LDS®-Technologie hergestellt wurden, als zusätzliche Schwierigkeit
heraus. Am Übergang Thermoplast-Kontaktpad fließt die gedruckte Silbersuspension
entlang der Kontaktpadkante (Abb. 30). REM-Aufnahmen zeigen, dass an diesen
Stellen die gedruckten Silberschichten sehr dünn sind (Abb. 31). In einigen Fällen
konnte keine Kontaktierung der Silberstruktur mit den Kontaktpads erzielt werden.
Dies zeigt, dass es sich dort um eine kritische Stelle handelt.
33
IGF Vorhaben Nr. 15663N
a)
b)
c)
Abb. 30: Ankontaktierung von mit dem LPKF-LDS®-Verfahren hergestellten Cu/Ni/Au-Pads auf
a,b) LCP und c) PET+PBT durch Drucken von Ag-Leiterbahnen (Ag1).
Abb. 31: Ankontaktierung von mit dem LPKF-LDS®-Verfahren hergestellten Cu/Ni/Au-Pads auf LCP
durch Drucken von Ag-Leiterbahnen (Ag1).
Um die dünnen Silberschichten am Übergang zu vermeiden, wurden an diesen Stellen kleine Silberpads mit mehrfacher Überfahrt gedruckt (Abb. 32), womit eine
sichere Kontaktierung erzielt werden konnte.
Abb. 32: Ankontaktierung von mit LPKF-LDS-Technologie hergestellten Cu/Ni/Au-Pads auf LCP durch
Drucken eines Silberpads (Ag1).
34
IGF Vorhaben Nr. 15663N
4.3
Nachbehandlung der bedruckten Substrate
4.3.1 Thermisches Aushärten
Die Leitfähigkeit von Tinten basierend auf nanopartikulärem Silber hängt unter anderem wesentlich von der Aushärtetemperatur und der Aushärtezeit ab [16,17]. Aus
diesem Grund wurden Versuche zur Optimierung der Aushärtung mit Silbersuspension Ag5 durchgeführt.
Für die Untersuchungen zur Aushärtetemperatur wurden Leiterbahnen mit einer
Länge von 10 mm alternierend auf drei LCP-Substrate mit, in LPKF-LDS®-Technologie hergestellten, vorgefertigten Kontaktpads gedruckt (Abb. 33a). Die Substrate
wurden 1h bei 125°C, 150°C, 175°C bzw. 200°C ausgehärtet und anschließend
elektrisch charakterisiert (Abb. 33b). Dabei zeigt sich, dass zur Herstellung von leitenden Strukturen eine Aushärtetemperatur von 150°C ausreichend ist. Durch eine
Temperatur von 175°C kann jedoch die Leitfähigkeit noch einmal um etwa 40% erhöht werden, bei 200°C Aushärtetemperatur erhält man eine weitere Erhöhung der
Leitfähigkeit von etwa 5%. Bei einer Aushärtetemperatur von 125°C waren die Leiterbahnen elektrisch nicht leitend.
60
1 mm
Widerstand [ ]
50
Widerstandsstruktur
30
20
10
LDSLeiterbahnen
a)
40
b)
0
125
150
175
200
225
Aushärtetemperatur [°C]
Abb. 33: a) Gedruckte Widerstandsstruktur zur 4-Leiter-Messung auf LCP mit vorgefertigten Kontaktpads. b) Widerstandswerte von Silbersuspension Ag5 in Abhängigkeit der Aushärtetemperatur
Neben der Aushärtetemperatur wurde eine Untersuchung zur Aushärtezeit von Silbersuspension Ag5 durchgeführt. Dazu wurden Glas- und LCP-Substrate mit einer
9 mm langen Widerstandsstruktur bedruckt (Abb. 34a) und anschließend mit einer
Gesamtzeit von 4 bzw. 6 h bei unterschiedlichen Temperaturen ausgehärtet. Zwischenzeitlich wurden die Proben aus dem Ofen genommen und elektrisch
charakterisiert (Abb. 34b).
Auf Glas ist der Aushärtevorgang bei 200°C nach 15 min beinahe abgeschlossen.
Der Widerstandswert nimmt durch weiteres Aushärten nur noch um ca. 5% ab und ist
35
IGF Vorhaben Nr. 15663N
nach einer Stunde ebenso wie bei 150°C und 175°C abgeschlossen. Der Aushärteprozess von den auf LCP gedruckten Silberbahnen ist im Gegensatz zu den auf Glas
gedruckten Silberbahnen nach einer Stunde Aushärtezeit noch nicht abgeschlossen.
Bei 200°C Aushärtetemperatur ist nach 6 Stunden immer noch eine deutliche Widerstandsänderung zu beobachten.
Glas
LCP
0
-5
-5
LCP 200°C
-10
-10
LCP 175°C
Widerstandsänderng [%]
Gedrucktes
Kontaktpad
Widerstandsänderng [%]
0
-15
-20
-25
-30
-25
-30
Glas 200°C
-35
-40
Glas 175°C
-40
-45
Glas 150°C
-45
b)
0
1
2
3
4
5
6
Aushärtezeit [h]
LCP 150°C
-20
-35
-50
a)
-15
-50
70
1
2
3
4
5
6
7
Aushärtezeit [h]
Abb. 34: a) Layout zur 4-Leiter-Messung von gedruckten Widerständen auf Glas und LCP. b) Aushärteverhalten betrachtet über die Aushärtezeit von gedruckten Widerständen aus Silbersuspension Ag5
auf Glas und LCP bei unterschiedlichen Aushärtetemperaturen.
4.3.2
Aushärten mit Laser
Eine alternative Methode zum thermischen Aushärten stellt das Aushärten mit dem
Laser dar [18,19]. Laseraushärten bietet die Möglichkeit die Ag-Suspensionen mit
einer ähnlichen Prozesszeit wie beim Druckprozess auszuhärten. Dabei werden die
Substrate nur lokal thermisch belastet, wodurch die Möglichkeit besteht Substratwerkstoffe zu verwenden, welche für einen thermischen Aushärteprozess nicht
geeignet sind. Weiterhin kann auf Substrate mit thermisch empfindlichen Bauteilen
gedruckt und mit dem Laser ausgehärtet werden ohne dabei die Bauteile zu beschädigen.
Erste Laser-Aushärteversuche wurden auf Glas durchgeführt. Kontaktpads aus Silbersuspension Ag5 wurden vorher aufgedruckt und thermisch ausgehärtet
(200°C / 1 h). Auf die vorgefertigten Glassubstrate wurde eine ca. 50 µm breite Silberbahn mit einfacher Überfahrt gedruckt (Abb. 35) und anschließend mit dem im
Aerosol Jet®-System integrierten Infrarot-Lasermodul bei unterschiedlichen LaserDiodenströmen ausgehärtet, wobei eine einfache und eine dreifache Laser-Überfahrt
untersucht wurde (Abb. 36a). Als Referenz dient eine konventionell im Ofen bei
200°C für 1 h ausgehärtete Silberbahn (Abb. 36b).
36
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Kontaktpads
Silberleiterbahn
5 mm
Abb. 35: Layout zur Durchführung von Versuchen zum Laseraushärten von Ag5 auf Glas und LCP.
Bei einem Diodenstrom von 400 mA ist der gemessene Widerstand noch deutlich
höher als bei der konventionell gehärteten Probe (Abb. 36c). Ab 600 mA Diodenstrom ist der gemessene Widerstand jedoch deutlich geringer. Durch das Aushärten
mit dem IR-Laser konnte bei einem Diodenstrom von 1 A ein Widerstandswert erzielt
werden, der in etwa um das doppelte höher ist als der einer dimensionsäquivalenten
Bulk-Silberleiterbahn.
Ein dreifaches Überfahren mit dem Laser über die Silberstrukturen führt zu keiner
wesentlichen Veränderung des erzielten Widerstandes.
a)
b)
400 mA
Referenz: 200°C / 1 h
600 mA
c)
Widerstand [Ω /mm]
800 mA
Glas
20
18
1fach
16
3fach
14
1h/200°C
12
10
8
6
4
2
Bulk-Silber
0
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Diodenstrom [A]
1000 mA
Abb. 36: Gedruckte Leiterbahnstrukturen mit Silbersuspension Ag5 auf Glas a) mit einem IR-Laser bei
unterschiedlichen Diodenströmen und b) 1 h bei 200°C ausgehärtet. c) Abhängigkeit des Widerstandes vom Diodenstrom bei ein- und dreifacher Laserüberfahrt.
37
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Weitere Laser-Aushärteversuche wurden auf dem Thermoplasten LCP durchgeführt,
wobei hier auf Grund der hohen Laserabsorption des laserdirektstrukturierbaren LCP
Vectra E840i LDS ein ungefärbtes LCP Vectra E820i eingesetzt wurde. Auf diese
Substrate wurden ebenso wie bei den Glassubstraten zunächst mit Silbersuspension
Ag5 Kontaktpads gedruckt, die bei 200°C für eine 1 h ausgehärtet wurden (Abb. 35).
Im Anschluss wurden 50 µm breite Silberbahnen mit zweifacher Überfahrt gedruckt
und mit dem IR-Laser ausgehärtet, wobei wieder der Laser-Diodenstrom variiert
wurde (Abb. 37a und c). Bei 400 mA war die Aushärtung problemlos möglich, ab
einem Diodenstrom von 600 mA wurde bei manchen Strukturen das Substrat teilweise aufgeschmolzen, verbrannt und somit die Silberbahn zerstört (Abb. 37c).
Die Widerstände waren auf LCP bereits bei einem Diodenstrom von 400 mA niedriger als bei thermisch ausgehärteten Substraten (Abb. 37d). Bei einem Diodenstrom
von 800 mA ist bei den nicht aufgeschmolzenen Strukturen der resultierende Widerstand ca. 4-mal größer als der einer dimensionsäquivalenten Leiterbahn aus BulkSilber.
Ein dreifaches Überfahren mit dem Laser über die Silberstrukturen führt zu keiner
wesentliche Veränderung des erzielten Widerstandes.
a)
b)
400 mA
Referenz: 1h / 200°C
c)
600 mA
600 mA
d)
LCP
20
800 mA
Widerstand [Ω /mm]
18
16
14
1fach
12
3fach
10
1h/200°C
8
6
4
2
Bulk-Silber
0
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Diodenstrom [A]
Abb. 37: Gedruckte Leiterbahnstrukturen mit Silbersuspension Ag5 auf LCP a) mit einem IR-Laser bei
unterschiedlichen Diodenströmen und b) im Ofen (1 h bei 200°C) ausgehärtet. c) Aufgeschmolzenes
und verbranntes LCP auf Grund der Laseraushärtung d) Abhängigkeit des Widerstandes vom Diodenstrom bei ein- und dreifacher Laserüberfahrt.
38
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Abb. 38 zeigt REM-Aufnahmen von der Oberfläche einer thermisch ausgehärteten
(Abb. 38a) und einer mit Laser ausgehärteten Silberbahn (Abb. 38b). Auf der Oberfläche kann ein deutlicher Unterschied zwischen den beiden Aushärteverfahren
festgestellt werden. Während bei thermisch ausgehärtetem Silber die einzelnen Partikel noch deutlich unterscheidbar sind, scheint bei mit Laser ausgehärtetem Silber
die Oberfläche homogen verschmolzen auszusehen. Daraus erklärt sich der niedrige
Widerstandswert durch das Aushärten mit dem Laser.
b)
a)
Abb. 38: Silbersuspension Ag5 auf LCP ausgehärtet a) im Ofen (1 h / 200°C) und b) mit einem IRLaser mit einem Diodenstrom von 600 mA
Um ein Aufschmelzen des Substrats (Abb. 37c) zu verhindern, wurden in einer weiteren Versuchsreihe LCP-Substrate mit vorgefertigten gedruckten Kontaktpads mit drei
parallelen mit einem Pitch von 25 µm gedruckten Silberbahnen hergestellt, wodurch
ca. 80 µm breite Bahnen entstehen. Ein Referenzsubstrat wurde thermisch
(1h/200°C) ausgehärtet. Weitere Substrate wurden mit dem Laser bei einem Diodenstrom von 600, 800 und 1000 mA ausgehärtet, jeweils wieder mit einfacher und
dreifacher Laserüberfahrt (Abb. 39). Nach einer elektrischen Widerstandsbestimmung wurde das nicht ausgehärtete Restsilber mit Hilfe von DI-Wasser und 2Propanol entfernt und nach dem Trocknen wurde wieder der Widerstand gemessen
(Abb. 39c). Bei keiner der Strukturen kam es durch das Aushärten zu einer Aufschmelzung
bzw.
Verbrennung
des
Substratmaterials.
Die
erzielten
Widerstandswerte liegen im Bereich der Werte der thermisch ausgehärteten Referenzprobe. Es ist jedoch zu beachten, dass bei den Referenzstrukturen kein Silber
abgewaschen wurde und somit der Leiterquerschnitt deutlich größer ist.
39
IGF Vorhaben Nr. 15663N
b)
a)
600 mA
Referenz: 1h / 200°C
c)
LCP
800 mA
Widerstand [Ohm/mm]
5
4
3
2
LCP 1x
LCP 3x
LCP 1x mit entfernem Restsilber
LCP 3x mit entfernem Restsilber
Referenz
1
0
0,3
1000 mA
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
Diodenstrom [A]
Abb. 39: Drei parallel mit einem Pitch von 25 µm gedruckte Leiterbahnstrukturen aus Silbersuspension Ag5 auf LCP a) mit einem IR-Laser bei unterschiedlichen Diodenströmen ausgehärtet und
entferntem Restsilber und b) im Ofen (1 h / 200°C) ausgehärtet. c) Abhängigkeit des Widerstandes
vom Diodenstrom vor und nach der Restsilberentfernung.
Durch die Verwendung eines Lasers mit geringerem Fokusdurchmesser (<20 µm) als
bei diesen Untersuchungen könnten schmälere Strukturen realisiert werden als mit
den Druckprozessen und thermischem Aushärten möglich ist [18]. Dadurch könnte
eine weitere Miniaturisierung von gedruckten Widerständen erzielt werden.
Eine Verbesserung der Leitfähigkeit der gedruckten Strukturen durch die Laseraushärtung im Vergleich zur thermisch Aushärtung ist vor allem bei einer Anwendung als
gedruckte Leiterbahn von Vorteil. Die Laseraushärtung führt zu geringeren Leiterbahnwiderständen und erhöht dadurch auch die Stromtragfähigkeit der gedruckten
Strukturen.
4.4
Untersuchungen zur Stromtragfähigkeit
Ein erster Versuch zur Stromtragfähigkeit wurde an gedruckten Widerstandsstrukturen aus Silbersuspension Ag5 auf LCP mit vorgefertigten LDS-Kontaktpads
durchgeführt. Die Bahnen wurden wie in Abb. 40a gezeigt mit dreifacher bzw. vierfacher Überfahrt gedruckt. Die Gesamtlänge der Bahnen beträgt ca. 10 mm, der
Leiterbahnpitch innerhalb der Spiralen 120 µm. Ein Teil der Strukturen wurde manu40
IGF Vorhaben Nr. 15663N
ell mit dem Schutzlack HumiSeal® beschichtet. Die Widerstandswerte der mit dreifacher Überfahrt gedruckten Strukturen waren im Bereich von 100 Ω, der mit vierfacher
Überfahrt im Bereich von 60 Ω. Die Stromtragfähigkeitsmessungen wurden bei der
Firma Binder Elektronik GmbH durchgeführt.
In einem Vorversuch wurde ein Strom ermittelt, dem die Strukturen längere Zeit
standhalten. Dieser lag bei 30 mA. Aus diesem Grund wurden die weiteren
Messungen mit einem Startstrom von 30 mA begonnen. Der Strom wurde in 3 s
Schritten jeweils um 0,5 mA erhöht, die Spannung wurde in 1,5 s Schritten gemessen
wodurch der Widerstandswert berechnet werden konnte.
Auf Grund der Erwärmung der Widerstandsstrukturen steigt der Widerstand zu
Beginn der Messungen an. Ab einem bestimmten Wert, der vom Ausgangswiderstandswert abhängt, fällt der Widerstand wieder (Abb. 40b), bis es zum Ausfall
des Widerstandes kommt. Ausfallursache war meist eine Beschädigung der
Leiterbahn durch Aufschmelzen des Substratmaterials (Abb. 41a und b). In wenigen
Fällen konnte mit dem Lichtmikroskop keine Ausfallursache festgestellt werden (Abb.
41c).
Das Diagramm in Abb. 40c zeigt einen Widerstand bei dem die Strombelastung kurz
vor dem Ausfall gestoppt wurde. Der Widerstandswert hat dadurch um ca. 30%
abgenommen. Bei einem weiteren Start der Messung und erneutem Stopp vor dem
Ausfall hat sich der Widerstandswert noch einmal deutlich reduziert. Dies korreliert
LDS-Leiterbahnen
Widerstandsstruktur
140
140
120
120
100
100
80
60
40
3-fache Abscheidung
4-fache Abscheidung
3-fache Abscheidung + Schutzlack
20
0
b)
Widerstand [ ]
Widerstand [ ]
a)
0
20
40
60
80
100
Strom [mA]
120
1. Belastung
2. Belastung
80
60
3. Belastung
40
20
140
160
c)
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Strom [mA]
Abb. 40: a) Layout zur Durchführung von Stromtragfähigkeitstests. b) Stromtragfähigkeitstests für
eine unterschiedliche Anzahl von Abscheidungen bzw. mit und ohne Schutzlack. c) Mehrfache
Durchführung des Stromtragfähigkeitstests an einem Sensor: Stopp der Belastung kurz vor dem
Ausfall.
41
IGF Vorhaben Nr. 15663N
mit Ergebnissen von M. L. Allen et al. wonach silberbasierte nanopartikuläre
Strukturen auch elektrisch ausgehärtet werden können [20].
Zusammengefasst
kann
zu
diesen
Versuchen
gesagt
werden,
dass
die
Stromtragfähigkeit der untersuchten Widerstände je nach Widerstandswert im
Bereich von 40-80 mA liegt. Strukturen mit einem anfänglich geringeren Widerstand
zeigen eine höhere Stromtragfähigkeit. Der Schutzlack aus HumiSeal® zeigt keinen
wesentlichen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit der gedruckten Widerstände.
a)
b)
c)
Abb. 41: Ausgefallene Widerstände nach dem Stromtragfähigkeitstest: a,b) Aufgeschmolzener Kunststoff. c) Früh ausgefallene Widerstände ohne optisch ersichtliche Fehlerstelle.
4.5
Untersuchungen zum Lasertrimmen
Da während des Trimmprozesses eine gleichzeitige Widerstandsmessung notwendig
ist, ist das Lasertrimmen von Widerständen ein sehr aufwändiger und damit teurer
Prozessschritt und somit in der Produktion von gedruckten Widerständen meist
unerwünscht. Aus diesem Grund wurden abgestimmt mit dem projektbegleitenden
Ausschuss die Untersuchungen zum Lasertrimmen zurückgestellt.
Nachdem der Hersteller für Silbersuspension Ag1 während des Projektverlaufs nicht
mehr am Markt verfügbar war, wurde in Abstimmung mit dem projektbegleitenden
Ausschuss der Schwerpunkt auf die Untersuchung und Charakterisierung von
weiteren
Silbersuspensionen
gelegt.
Da
dadurch
ein
nicht
vorhersehbarer
erheblicher Mehraufwand zur Untersuchung neuer Silbersuspensionen erforderlich
war, wurden keine Untersuchungen zum Lasertrimmen durchgeführt.
42
IGF Vorhaben Nr. 15663N
5
Untersuchung zur Eignung von gedruckten Widerständen als
Dehnungssensor
5.1
Erarbeitung der Sensorstruktur
Zur Untersuchung des Verhaltens der gedruckten Widerstände bei Dehnung wurden
geeignete Layouts erarbeitet, um einen gedruckten Dehnungssensor herzustellen.
Abgestimmt mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden die Untersuchungen auf
ein einziges thermoplastisches Substratmaterial beschränkt. Auf Grund des besseren
thermomechanischen Verhaltens wurde LCP Vectra E840i LDS als Substratmaterial
gewählt. Da Thermoplaste im Allgemeinen viskoelastisches Verhalten zeigen und die
Auswirkung auf darauf gedruckte Widerstände nicht bekannt ist, wurde als Referenz
zusätzlich ein Aluminiumblech mit einer dünnen tampongedruckten Isolationsschicht
(HumiSeal®) als Substratmaterial verwendet. Alternativ wurde auch eloxiertes
Aluminium in Betracht gezogen, jedoch konnten auf diesem Material keine rissfreien
Strukturen gedruckt werden. Alle in diesem Kapitel beschriebenen gedruckten
Widerstände wurden mit Silbersuspension Ag5 gedruckt.
Die LCP-Substrate wurden mit einem am Institut vorhandenen Spritzgusswerkzeug
hergestellt (Zugstabvariante 1, Abb. 42a).
Im späteren Projektverlauf wurde ein
Spritzgusswerkzeug für Normzugstäbe verwendet und LCP-Zugstäbe hergestellt
(Zugstabvariante 2, Abb. 42b). Mit der LPKF-LDS®-Technik wurden auf beiden
Zugstabvarianten Strukturen zum Ankontaktieren der gedruckten Widerstände und
zum Anlöten von Messkabeln vorgesehen.
Für den Dehnungssensor sollen 4 Widerstände in Form einer Wheatstoneschen
Brücke mit dem Vorteil einer Temperaturkompensation aufgebaut werden. Dabei
werden zwei gedruckte Widerstände die sensitiv und zwei Widerstände die nicht
sensitiv zur Dehnrichtung sind benötigt.
a)
Zugstabvariante 1
b)
Zugstabvariante 2
Widerstandsstruktur
LDS-Leiterbahnen
Abb. 42: a) Zugstabvariante 1 und b) Zugstabvariante 2 mit Kontaktpads hergestellt mit dem LPKFLDS®-Verfahren und gedruckten Widerständen angeordnet als Wheatstonesche Brücke.
43
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Jedem Einzelwiderstand liegt ein serpentinenförmiges Layout zugrunde. Die 4
Einzelwiderstände sind dabei symmetrisch angeordnet (Abb. 42). Bei zwei
Widerständen erhält man somit eine möglichst große Widerstandsänderung bei
Dehnung, bei den anderen 2 Widerständen ändern sich die Widerstände bei
Dehnung kaum. Die in Dehnrichtung sensitiven Widerstände werden im Folgenden
als Längswiderstand und die in Dehnrichtung nicht sensitiven Widerstände werden
im Folgenden als Querwiderstand bezeichnet. Zur Charakterisierung von einzelnen
Längs- bzw. Querwiderständen unter Dehnung wurde ein zur 4-Leiter-Messung
geeignetes Layout erarbeitet (Abb. 43a).
Untersucht wurden gedruckte Widerstände mit dem Layout WL1 und WL2 auf
Zugstabvariante 1 und WL3 auf Zugstabvariante 2 (Abb. 43b), wobei der Unterschied
zwischen Längs- und Querwiderstand in einer Drehung des Widerstands um 90°
besteht. WL 1 hat eine Gesamtlänge von ca. 24 mm. WL2 wurde insofern verändert,
dass beim Längswiderstand alle nicht in Dehnrichtung befindlichen Leiterbahnbereiche mit mindestens drei parallelen Bahnen mit einem Pitch von 25 µm gedruckt
wurden (Abb. 44). WL3 wurde auf Zugstabvariante 2 gedruckt, wobei die Anzahl der
Kontaktierungen an die LDS-Strukturen für die Wheatstonesche Brücke von acht auf
vier reduziert wurde. Die Gesamtlänge der gedruckten Widerstandsstrukturen von
WL2 und WL3 betragen 33 mm.
a)
Zugstabvariante 1
Längswiderstand
b)
WL1
Zugstabvariante 2
Längswiderstand
Querwiderstand
WL2
Querwiderstand
WL3
Abb. 43: a) Anordnung und b) Widerstandslayout (WL) von gedruckten Widerständen zur Charakterisierung unter Dehnung.
44
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Sensitive Richtung
Abb. 44: Gedruckter Einzelwiderstand auf LCP.
Für den lackbeschichteten Aluminiumzugstab wurde Layout WL3 verwendet. Zur
Ankontaktierung der Widerstände dienen mitgedruckte Leiterbahnstrukturen mit
Kontaktpads (Abb. 45a). Die gedruckten Widerstände sowie die Leiterbahnstrukturen
und Kontaktpads wurden auf der Schutzlackfläche angeordnet (Abb. 45b) und mit
Hilfe eines speziellen Aufbaus aus Leiterplatten, Federspitzen und Messkabel kontaktiert (Abb. 45c).
b)
a)
Schutzlack Sensorstruktur
i)
ii)
c)
Federspitzen
iii)
Extensometer
Abb. 45: a) Widerstandslayouts auf Aluminiumzugstab: Widerstand sensitiv i) in und ii) quer zur
Zugrichtung. iii) Widerstände angeordnet als Wheatstonesche Brücke. b) Aluminumzugstab mit
aufgedruckter Schutzlackschicht und gedruckten Widerständen. c) Messaufbau zur Charakterisierung
gedruckter Widerstände auf Aluminium.
5.2
Durchführung von Dehnversuchen
Sämtliche Dehnversuche wurden mit einem Materialprüfstand der Fa. TIRA GmbH
(TiraTest 2810/580) durchgeführt. Die Dehnungen wurden mit einem Extensometer
(Abb. 46) mit einer Genauigkeit von ±0,1% bei einem Messbereich von 10 mm gemessen. Die aufgetretenen Zugkräfte wurden mit einer Messdose mit einer
Genauigkeit von 0,5% im Messbereich 100 N bis 10.000 N und 1% im Messbereich
von 40 N bis 100 N gemessen.
45
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Gedruckte
Widerstände
F
F
Zugstab
Extensometer
Abb. 46: Aufbau zur Durchführung von Dehnversuchen an einen bedruckten Zugstab.
Zur Charakterisierung der gedruckten Widerstände unter Dehnung wurden zwei
unterschiedliche Messmethoden angewandt:
a) Erhöhung der Dehnung in Intervallen:
Die Zugstäbe wurden auf einen voreingestellten Wert gedehnt und nach einer
Wartezeit von ca. 10 s der Widerstandswert bzw. die Brückenspannung erfasst (Abb. 47a). Dieser Prozess wurde mit voreingestellten Dehnungswerten
bis zum Abschluss eines Messzykluses wiederholt.
b) Kontinuierliche Erhöhung der Dehnung:
Die Zugstäbe wurden kontinuierlich gedehnt. Der Widerstand bzw. die Brückenspannung wurde im Intervall von 0,5 s gemessen (Abb. 47b).
0,12
160
140
450
0,45
400
0,4
350
0,35
300
0,3
250
0,25
200
0,2
150
0,15
100
0,1
120
80
0,06
60
40
Kraft [N]
0,08
Dehnung [%]
Kraft [N]
100
0,04
20
0,02
50
0
-20
a)
0
100
200
300
400
500
0
600
Zeit [s]
0,05
0
b)
Dehnung [%]
0,1
0
0
100
200
300
400
Zeit [s]
Abb. 47: Zeit-Dehnungsdiagramm: a) Erhöhung der Dehnung in Intervallen, b) kontinuierliche Erhöhung der Dehnung.
Die Messung der Widerstände bzw. die Messung der Brückenspannung wurde mit
einem Controller (NI PXI-8106) mit integrierten Multimeter (NI PXI-4071) der Firma
National Instruments durchgeführt.
46
IGF Vorhaben Nr. 15663N
5.3
Verhalten der gedruckten Widerstände bei Dehnung
In ersten Untersuchungen wurde das Verhalten von Längs- und Querwiderständen
mit Layout WL1 auf Zugstabvariante 1 bei Dehnung untersucht. Startpunkt der Messung war eine Dehnung von 0%. Danach wurde die Dehnung schrittweise erhöht und
jeweils der Widerstandswert bestimmt (Abb. 48a). Es zeigt sich, dass die Querwiderstände auch sensitiv auf die Dehnung in Längsrichtung reagieren. Weiterhin ist der kFaktor des Längswiderstandes mit ca. 1,5 sehr gering.
Aus diesem Grund wurde für weitere Messungen das Widerstandslayout WL2 auf
Zugstabvariante 2 verwendet, wodurch die Querwiderstände nicht mehr sensitiv auf
Dehnung in Längsrichtung reagieren (Abb. 48b). Weiterhin hat sich der gemessene
k-Faktor des Längswiderstandes auf ca. 3,0 erhöht.
0,35
0,6
0,5
0,3
R2, quer
0,25
R3, längs
R/Ro [%]
R/Ro [%]
0,4
R1, quer
0,3
0,2
0,2
0,15
0,1
0,1
a)
Zugstab 1, längs
Zugstab 2, längs
Zugstab 1, quer
Zugstab 2, quer
0,05
0,0
0
-0,1
-0,05
0
0,1
0,2
Dehnung
ε [%] [%]
0,3
0,4
b)
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
ε [%] [%]
Dehnung
Abb. 48: Verhalten von gedruckten Widerständen auf LCP. a) Widerstandslayout 1 b) Widerstandslayout 2.
Für die Untersuchungen von Widerstandslayout WL3 wurde ein automatisches Messsystem verwendet. Dadurch konnte die Dehnung kontinuierlich erhöht und im
Anschluss wieder verringert werden, während gleichzeitig der Widerstandswert gemessen werden konnte. Es wurden im Weiteren immer neun aufeinander folgende
Messzyklen durchgeführt.
47
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Abb. 49a zeigt exemplarisch die Dehnung eines Zugstabes über die Zeit. Die Dehnung
geht nach
dem ersten
Zyklus
auf
Grund
der
Viskoelastizität
des
Kunststoffsubstrats nicht auf 0% zurück (Abb. 49b). Weiterhin zeigt die KraftDehnungskennlinie eine Hysterese auf Grund des viskoelastischen Verhaltens. Der
Widerstandswert verhält sich proportional zur Dehnung wobei die Kurve eine leichte
Spreizung aufweist. Diese Spreizung kann durch eine Widerstandsänderung auf
Grund des Messstroms erklärt werden und wird im Kapitel 7 genauer erläutert.
0,45
1,6
0,4
1,4
Dehnung [%]
1,2
0,25
1
0,8
0,15
0,6
0,4
0,05
0,2
Dehnung
Widerstandsänderung
-0,05
a)
0
200
400
600
800
0,35
0,3
Dehnung [%]
0,35
1,8
Widerstandsänderung [%]
0,45
0,25
0,2
0,15
0,1
0
0,05
-0,2
1000 1200 1400 1600 1800
0
b)
Zeit [s]
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Kraft [N]
1,4
Widerstandsänderung [%]
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
c)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Dehnung [%]
Abb. 49: Dehnungskennlinie eines gedruckten, in Dehnrichtung sensitiven Widerstands auf einem
LCP-Zugstab Variante 2: a) Dehnung und Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Zeit, b)
Kraft-Dehnungsdiagramm, c) Änderung des Längswiderstands in Abhängigkeit von der Dehnung.
Abb. 50 zeigt die Ergebnisse von Messungen an weiteren gedruckten Widerständen
auf Zugstäben aus LCP. Der ermittelte k-Faktor ist trotz gleicher Widerstandsgeometrie nicht identisch (Abb. 50a) und liegt im Bereich von 1,8 bis 3,0. Ein möglicher
Zusammenhang ist eventuell zwischen der Höhe des Ausgangswiderstandes und
dem k-Faktor gegeben (Abb. 50b), dies wurde jedoch im Rahmen des Vorhabens
nicht näher untersucht.
48
IGF Vorhaben Nr. 15663N
3,5
1,6
445 Ohm
299 Ohm
382 Ohm
384 Ohm
304 Ohm
620 Ohm
1,4
3
2,5
1
0,8
k-Faktor
Widerstandsänderung [%]
1,2
k = 2,95
k = 1,86
k = 2,20
k = 2,47
k = 1,87
k= 0,03
0,6
2
1,5
0,4
1
0,2
0,5
0
0
250
-0,2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
300
Dehnung [%]
a)
350
400
450
500
Widerstand [Ω]
b)
Abb. 50: Dehnungskennlinien von gedruckten Widerständen auf LCP-Zugstabvariante 2: a) Verhalten
von gedruckten Längs- und Querwiderständen. b) k-Faktor in Abhängigkeit des Widerstandswertes
des Längswiderstandes.
Zum Vergleich wurde ein kommerziell erhältlicher Dehnmessstreifen (DMS) mit einem k-Faktor von 2,0 auf Zugstabvariante 2 geklebt und mit demselben Messaufbau
wie die gedruckten Widerstände charakterisiert. Der Widerstandswert des DMS ändert sich auf Grund von Dehnung ähnlich wie ein gedruckter Widerstand, jedoch tritt
keine bzw. nur eine geringe Spreizung in der Messkurve auf (Abb. 51).
Widerstandsänderung [%]
1,2
gedruckter Widerstand 1
gedruckter Widerstand 2
1,0
DMS
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
0,1
0,2
0,3
Dehnung [%]
0,4
Abb. 51: Vergleich eines kommerziell erhältlichen DMS mit gedruckten Widerständen auf Zugstabvariante 2.
Weiterhin wurden zum Vergleich direkt auf einem beschichteten Aluminiumblech
(Kap. 2.3 ) Widerstände gedruckt. Im Gegensatz zu LCP weist Aluminium elastisches Verhalten bei Dehnung auf. Demzufolge gibt es keine Hysterese im KraftDehnungsdiagramm und die Dehnung geht nach Rücknahme der Kraft auf 0% zurück (Abb. 52b).
49
IGF Vorhaben Nr. 15663N
0,8
Widerstand
0,2
0,25
0,7
0,6
Dehnung [%]
0,5
0,15
0,4
0,3
0,1
0,2
0,1
0,05
0,2
0
Dehnung [%]
Kraft
Widerstandsänderung [%]
0,25
0,15
0,1
0,05
-0,1
0
a)
0
500
1000
1500
Zeit [s]
-0,2
2500
2000
0
b)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Kraft [N]
0,6
Widerstandsänderung [%]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
c)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Dehnung [%]
Abb. 52: Dehnungskennlinie eines gedruckten Längswiderstandes auf beschichtetem Aluminium:
a) Dehnung und Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Zeit, b) Kraft-Dehnungsdiagramm, c)
Änderung des Widerstands in Abhängigkeit von der Dehnung.
Der k-Faktor der gedruckten Längswiderstände beträgt unabhängig vom Wert des
Ausgangswiderstandes auf Aluminium ca. 2,2 (Abb. 53). Die Widerstandskennlinien
haben ebenso wie auf LCP eine Spreizung. Die gedruckten Querwiderstände haben
einen negativen k-Faktor von -0,35 und unterscheiden sich somit von denen auf LCP
0,6
350 Ohm
859 Ohm
1336 Ohm
850 Ohm
1277 Ohm
1121 Ohm
1465 Ohm
0,5
Widerstandsänderung [%]
0,4
k = 2,22
k = 2,33
k = 2,19
k = 2,15
k = -0,35
k = -0,34
k = -0,28
Längswiderstände
0,3
0,2
0,1
0
Querwiderstände
-0,1
-0,2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
Dehnung [%]
Abb. 53: Dehnungskennlinien von gedruckten Längs- und Querwiderständen auf beschichtetem
Aluminium.
50
IGF Vorhaben Nr. 15663N
(Abb. 53). Der Grund für diese Unterschiede in den Kennlinien konnte noch nicht
geklärt werden, aber möglicherweise spielt die Substratrauheit eine wesentliche
Rolle.
Weiterhin wurden Messungen bei konstant gehaltener Dehnung durchgeführt
(Abb. 54). Die gedruckten Widerstände, sowohl auf LCP (Abb. 54a) wie auch auf
Aluminium (Abb. 54c), aber auch der DMS (Abb. 54b) bleiben unter Dehnung nicht
konstant auf einem festen Widerstandswert. Werden die Zugstäbe auf einen konstanten Wert gedehnt, so erreicht der Widerstandswert anfangs ein Maximum und fällt
dann asymptotisch ab. Verringert man die Dehnung auf einen festen Wert so nehmen die Widerstandswerte anfangs ein Minimum ein und steigen dann bis zu einem
festen Wert an.
a)
0,45
0,9
0,4
0,8
0,4
0,8
0,35
0,7
0,35
0,7
0,3
0,6
0,3
0,6
0,25
0,5
0,25
0,5
0,4
0,3
0,1
0,2
0,05
0,1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Dehnung [%]
0,2
0,15
b)
0
3500
0,2
0,4
0,15
0,3
0,1
0,2
0,05
0,1
0
0
200
Zeit [s]
400
600
800
Widerstandsänderung [%]
DMS auf LCP
0,9
Widerstandsänderung [%]
Dehnung [%]
Gedruckter Widerstand auf LCP
0,45
0
1000
Zeit [s]
0,3
0,5
0,25
0,4
0,2
0,3
0,15
0,2
0,1
0,1
0,05
0
0
c)
Widerstandsänderung [%]
Dehnung [%]
Gedruckter Widerstand
auf beschichtetem Aluminium
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-0,1
2000
Zeit [s]
Abb. 54: Verhalten von a) gedruckten Widerständen und b) einem kommerziell erhältlichen DMS auf
einem LCP-Zugstab 2 sowie c) ein gedruckter Widerstand auf beschichteten Aluminium bei konstant
gehaltener Dehnung.
51
IGF Vorhaben Nr. 15663N
5.4
Wheatstonesche Brücke
Zur Charakterisierung der gedruckten Wheatstoneschen Brücke wurde eine Eingangsspannung Ue mit Hilfe einer Spannungsquelle an die Brücke angelegt und die
Ausgangsspannung Ua gemessen (Abb. 55).
Ua
Ue-
Ue+
Ua
F
F
Abb. 55: Messanordnung zur Charakterisierung des Verhaltens von gedruckten Widerständen bei
Dehnbelastung
In Abb. 56a ist die Kennlinie einer Wheatstoneschen Brücke mit Widerstandslayout
WL2 abgebildet. Zur Charakterisierung wurde die Dehnung schrittweise erhöht und
die jeweilige Ausgangsspannung gemessen. Die Eingangsspannung wurde mit
500 mV klein gewählt um thermische Einflüsse durch den Stromfluss zu vermeiden.
Insgesamt wurden fünf Messungen durchgeführt. Die Steigung der Kurve ist identisch mit der Kennlinie einer Wheatstoneschen Brücke mit Widerstandslayout WL3
(Abb. 56b). Bei der Kennlinie in Abb. 56b wurde zuerst die Dehnung erhöht und anschließend wieder verringert. Durch die Viskoelastizität bildet sich hier wie bei der
Kraft-Dehnungskennlinie eine Hysterese aus.
0,25
0,20
0,15
0,10
Messung 1
0,05
Messung 2
Messung 3
0,00
Messung 4
Messung 5
-0,05
0
a)
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Dehnung[%]
Änderung der Brückenspannung [%]
Änderung der Brückenspannung [%]
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
Messung 1
Messung 2
0
Messung 3
Messung 4
-0,05
b)
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Dehnung [%]
Abb. 56: Gedruckte Wheatstonesche Brücke auf LCP mit Widerstandslayout a) WL2 und b) WL3
Ein Vergleich mit einer gedruckten Wheatstoneschen Brücke auf beschichtetem
Aluminiumblech (Abb. 57) zeigt, dass die Kennlinie etwas steiler ist. Die Messkurve
auf dem Aluminiumblech weist keine Hysterese auf, jedoch ist auch teilweise eine
Spreizung der Kennlinien zu beobachten.
52
IGF Vorhaben Nr. 15663N
0,12
Änderung der Brückenspannung [%]
Änderung der Brückenspannung [%]
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
-0,02
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
-0,02
0
a)
0,10
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,16
0,14
Dehnung [%]
0
b)
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
Dehnung [%]
Abb. 57: Gedruckte Wheatstonesche Brücke auf beschichtetem Aluminiumblech mit Widerstandslayout a) WL2 und b) WL3.
Zur Untersuchung der Temperaturkompensation wurden Kennlinien der gedruckten
Wheatstoneschen Brücken bei unterschiedlichen Temperaturen mit folgender Reihenfolge aufgenommen (Abb. 58): 60°C, 20°C, -20°C und 20°C. Die Offsetspannung
der Brücken ist dabei genau so wie das Ausgangssignal nicht temperaturunabhängig. Die Änderung der Offsetspannung auf Grund der Dehnung ist temperaturunabhängig (Abb. 58b). Die Hauptursache für die Temperaturabhängigkeit der Brückenschaltung liegt an den großen Offsetspannungen im unbelasteten Zustand im
Bereich von 5-10% der Eingangsspannung. Die Temperaturkompensation der aufgebauten Wheatstoneschen Brücken war auf Grund ungleicher Widerstandswerte
der Sensorstrukturen nicht ausreichend.
-0,0372
0,12
0,10
Änderung der Brückenspannung [%]
Brückenspannung [V]
-0,0374
-0,0376
-0,0378
-0,0380
20°C
60°C
-0,0382
0,08
0,06
0,04
0,02
20°C
60°C
0,00
20°C
-20°C
20°C
-20°C
-0,02
20°C
a)
20°C
-0,0384
0
0,02
0,04
0,06
0,08
Dehnung [%]
0,1
0,12
0,14
0,16
b)
-0,04
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
Dehnung [%]
Abb. 58: Untersuchung einer gedruckten Wheatstoneschen Brücke bei unterschiedlichen Temperaturen. Brückenspannung in Abhängigkeit von der Dehnung: a) Absolutwerte, b) Relativwerte mit neuer
Normierung bei den einzelnen Messungen.
53
~G-IMAT
5.5
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Verhalten nach Umwelttests
Da vor allem thermisch gehärtete gedruckte Widerstände bei Lagerung in Raumklima
eine größere Widerstandsänderung zeigen als auf Grund der im elastischen Bereich
auftretenden Dehnung, wurde das Dehnverhalten von gedruckten Widerständen
nach Durchführung von Umwelttests nicht untersucht.
54
IGF Vorhaben Nr. 15663N
6
Untersuchung zur Eignung von gedruckten Widerständen als
Temperatursensoren
6.1
Erarbeitung der Sensorstruktur
Gedruckte Widerstandsstrukturen sollen auf ihre Eignung als Temperatursensoren
untersucht werden. Das zu untersuchende Substratmaterial wurde mit dem
projektbegleitenden
Ausschuss
abgestimmt.
Auf
Grund
der
guten
thermo-
mechanischen Eigenschaften sowie Strukturabbildung beim Aerosol Jet®-Druck mit
Silbersuspensionen wurde LCP Vectra E840i LDS als Substratmaterial gewählt. Alle
Widerstandsstrukturen wurden mit Silbersuspension Ag5 aufgebaut. Zum Vergleich
wurden noch einzelne Widerstandsstrukturen mit Ag7 hergestellt und charakterisiert.
Das Widerstandslayout wurde so konzipiert, damit Widerstände im Bereich von 50100 Ω hergestellt werden können, also um einen Widerstandswert zu erzielen, der
ähnlich eines häufig zur Temperaturmessung verwendeten Pt100 ist. Daraus folgt,
dass die gedruckte Struktur ca. 10 mm lang sein muss. Um induktive Einkopplungen
zu vermeiden, wurde ein Layout von zwei ineinander verlaufenden Spiralen gewählt
(Abb. 59). Der Flächenbedarf der sensitiven Struktur sollte im Bereich von 1 mm²
liegen.
Die Widerstände wurden so auf 37x37 mm² großen thermoplastischen Substraten
angeordnet, dass durch Verwendung von nur 8 Kontakten an fünf Widerständen 4Leiter-Messungen durchgeführt werden können (Abb. 59). Auf einem Testsubstrat
wurden vier Fünfer-Blocks von Widerständen angeordnet. Der Nachteil dieser
Anordnung ist, dass beim Ausfall eines Widerstandes immer der gesamte FünferBlock an Widerständen ausfällt. Die Kontaktierung der gedruckten Widerstände
erfolgte auf den thermoplastischen Substraten über mit dem LPKF-LDS®-Verfahren
hergestellten Kontaktpads, an die manuell Kontaktkabel gelötet wurden. Der
Übergangsbereich von LCP auf das Kontaktpad wurde mit einem kleinen gedruckten
Silberpad verstärkt, um eine sichere Kontaktierung der gedruckten Widerstände zu
gewährleisten.
55
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Leiterbahnlänge: 12 mm
Durchmesser: 1,1 mm
Leiterbahnpitch: 120 µm
Leiterbahnbreite: ~50 µm
Abb. 59: Layout zur Aufnahme von Temperaturkennlinien gedruckter Widerstände auf LCP
6.2
Substrataufbau zur Aufnahme von Temperaturkennlinien
Das Verhalten der gedruckten Widerstände bei wechselnder Temperatur und Feuchte wurde in einem Klimaprüfschrank der Firma CTS GmbH untersucht. Dieser
Klimaprüfschrank bietet die Möglichkeit, die Temperatur sowie auch die relative Luftfeuchte gezielt auf einen Wert einzustellen bzw. ein komplexes Temperatur-FeuchteProfil abzufahren.
Die Temperatur sowie die Feuchte wurden für die jeweiligen Untersuchungen mit
einem Sensirion SHT71 Feuchte- und Temperatursensor gemessen und mit Hilfe
eines für diese Messungen erstellten LabView Programms erfasst und gespeichert.
Die zu untersuchenden thermoplastischen Testsubstrate wurden für OnlineMessungen in den Klimaschränken auf einer für diese Untersuchungen angefertigten
Grundplatte mit Abstandshalter montiert (Abb. 60). Als Werkstoff für die Grundplatte
wurde auf Grund der guten Wärmeleitung Aluminium gewählt. Die Abstandhalter
dienen dazu, dass die Substrate rundherum mit Luft umströmt werden und somit die
Bauteile die Temperatur der Umgebungsluft schnell annehmen können. Die Kabelführung von den mit LPKF-LDS®-Technik hergestellten Kontaktpads erfolgte über
angelötete Kupferkabel zu 50-poligen Breitbandkabelsteckern. Die Signalführung aus
dem Klimaprüfschrank erfolgte über Breitbandkabel zu einem Controller (NI PXI8106) mit integriertem Multimeter (NI PXI-4071) und integriertem Multiplexer (NI PXI2527) der Firma National Instruments. Die verwendeten Stecker und Kabel haben
eine Temperaturbeständigkeit von mindestens 150°C. Die Widerstandsmessung
56
IGF Vorhaben Nr. 15663N
wurde in 4-Leiter-Messung mit Hilfe eines LabView-Programms mit dem vorher erwähnten Controller vollautomatisch durchgeführt.
b)
a)
Abb. 60: a) Substrathalterung aus Aluminium zur Charakterisierung gedruckter Widerstände.
b) Aufbau zur Charakterisierung gedruckter Widerstände im Klimaprüfschrank.
6.3
Temperaturkennlinien von gedruckten Widerständen
Zur Aufnahme von Kennlinien gedruckter Widerstände wurden mit Silbersuspension
Ag5 15 Widerstände mit zweifacher Überfahrt gedruckt, wobei auf 5 Widerstände ein
Schutzlack (HumiSeal®) manuell aufgebracht wurde. Weiterhin wurden 5 Widerstände mit dreifacher Überfahrt auf LCP-Substrat gedruckt und charakterisiert. Mit
Silbersuspension Ag7 wurden 5 Widerstände mit zweifacher Überfahrt und 15
Widerstände mit dreifacher Überfahrt gedruckt, wobei auf 5 Widerstände ein
Schutzlack (HumiSeal®) manuell aufgebracht wurde.
Abb. 61a zeigt lichtmikroskopische und REM-Aufnahmen eines Widerstandes aus
Silbersuspension Ag5 auf LCP. Die Widerstände hatten bei zweifacher Überfahrt
einen Widerstand von 54 +/-2 Ω, bei dreifacher Überfahrt einen Wert von 35 +/-2 Ω.
Abb. 61b zeigt lichtmikroskopische und REM-Aufnahmen eines gedruckten
Widerstandes aus Silbersuspension Ag7 auf LCP. Die Widerstandswerte weisen eine
große Schwankung im Bereich von 2000-7000 Ω bei zweifacher Überfahrt und 50150 Ω bei dreifacher Überfahrt auf.
57
IGF Vorhaben Nr. 15663N
a)
b)
Abb. 61: Gedruckte Widerstände aus Silbersuspension a) Ag5 und b) Ag7 auf LCP zur Aufnahme
von Temperaturkennlinien
Zur Aufnahme einer Temperaturkennlinie wurden stufenweise fünf Temperaturwerte
im Bereich von -35 bis 85°C im Klimaprüfschrank eingestellt und für jeweils 30 min
gehalten. Die Widerstandsmessung erfolgte auf Grund der benötigten Zeit zum Messen aller Widerstände im Intervall von 12 min. Die relative Luftfeuchte wurde bei
Temperaturen über 7°C konstant bei 55% gehalten. Unterhalb von 7°C kann die
Luftfeuchte nicht geregelt werden. Insgesamt wurden 3 Zyklen durchlaufen.
Die Kennlinie von gedruckten Widerständen aus Silbersuspension Ag5 ist linear und
weist keine Hysterese auf. Der ermittelte Temperaturkoeffizient beträgt 0,84x10-3 1/K,
wobei die Schwankung zwischen den einzelnen Widerständen sehr gering ist
(Abb. 62a). Der Temperaturkoeffizient von Platin beträgt zum Vergleich 3,88x103
1/K. Die relative Widerstandsänderung bei Temperaturänderung und somit auch
der Temperaturkoeffizient ist sowohl bei den Widerständen mit zweifacher und dreifacher Überfahrt als auch bei den Widerständen mit zweifacher Überfahrt mit einer
Schutzlackschicht gleich (Abb. 62b).
58
IGF Vorhaben Nr. 15663N
57
6
2fache Überfahrt + Schutzlack
56
Widerstandsänderung [%]
Widerstand [ ]
55
54
53
52
3fache Überfahrt
2
0
-2
-4
51
50
-6
-40 -30 -20 -10
a)
2fache Überfahrt
4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
-40 -30 -20 -10
b)
Temperatur [°C]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatur [°C]
Abb. 62: Temperaturkennlinien von gedruckten Widerständen aus Silbersuspension Ag5 im Bereich
von -35 bis 85°C: a) Widerstände hergestellt mit zweifacher Überfahrt. b) Mittelwerte.
Die Temperaturkennlinien der Widerstände aus Silbersuspension Ag7 streuen
deutlich stärker als die Kennlinien von Widerständen aus Silbersuspension Ag5
(Abb. 63). Der ermittelte Temperaturkoeffizient liegt bei 0,55x10-3 1/K (dreifache
Überfahrt) ohne Schutzlack und mit Schutzlack bei 0,52x10-3 1/K.
8000
3
Widerstandsänderung[%]
7000
6000
Widerstand [ ]
(
4
5000
4000
)
3fache Überfahrt
3fache Überfahrt + Schutzlack
2
1
0
-1
-2
-3
3000
-4
-5
2000
a)
-40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
Temperatur [°C]
50
60
70
80
90
b)
-40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatur [°C]
Abb. 63: Temperaturkennlinien von gedruckten Widerständen aus Silbersuspension Ag7 im Bereich
von -35 bis 85°C: a) Widerstände hergestellt mit zweifacher Überfahrt. b) Mittelwerte.
Um die Querempfindlichkeit der gedruckten Widerstände auf Luftfeuchte zu
untersuchen, wurden die Widerstände einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80%, 55%,
30%, 55% und wieder 80% ausgesetzt, bei jeweils einer Temperatur von 30°C und
60°C.
Strukturen aus Silbersuspension Ag5 zeigen mit und ohne Schutzlack eine geringe
Querempfindlichkeit gegen Luftfeuchte, wobei der Schutzlack keinen Einfluss hat
(Abb. 64a). Silbersuspension Ag7 zeigt eine deutlich größere Querempfindlichkeit
59
IGF Vorhaben Nr. 15663N
gegen Luftfeuchte (Abb. 64b). Auch hier zeigt der Schutzlack keinen wesentlichen
Einfluss.
3
3
2
1,5
1
0,5
80%
55%
30%
55%
80%
2
1,5
1
0,5
0
0
-0,5
-0,5
30°C
a)
80%
55%
30%
55%
80%
2,5
Widerstandsänderung [%]
Widerstandsänderung [%]
2,5
60°C
30°C
ohne Schutzlack
60°C
30°C
b)
mit Schutzlack
60°C
30°C
ohne Schutzlack
60°C
mit Schutzlack
Temperatur
Temperatur
Abb. 64: Untersuchung zum Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf gedruckte Widerstände aus
Silbersuspension a) Ag5 und b) Ag7 bei unterschiedlichen Temperaturen.
An Widerständen aus Silbersuspension Ag5 wurden noch drei Temperaturkennlinien
im Bereich von 10-85°C aufgenommen, wobei die relative Luftfeuchtigkeit jeweils
konstant 30%, 55% und 80% betragen hat (Abb. 65). Die drei Kennlinien der Widerstände mit Schutzlack zeigen eine höhere Genauigkeit als die Kennlinie der
Widerstände ohne Schutzlack. Daraus folgt, dass mit Hilfe eines Schutzlackes die
Querempfindlichkeit der gedruckten Widerstände aus Ag5 gegen Luftfeuchte noch
einmal verringert werden kann.
56
30%
55%
80%
30%
55%
80%
Widerstand [ ]
55
Sensor mit
Schutzlack
mit
mit
mit
ohne
ohne
ohne
Sensor ohne
Schutzlack
54
53
52
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatur [°C]
Abb. 65: Temperaturkennlinien eines Widerstandes aus Silbersuspension Ag5 mit und ohne Schutzlack bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30, 55 und 80%.
60
IGF Vorhaben Nr. 15663N
6.4
Verhalten nach Umwelttest
6.4.1
Gedruckte Widerstände aus Clevios™
Mit gedruckten Widerständen aus Clevios™ wurden ein Temperaturschocktest und
ein Feuchte-Wärme-Test durchgeführt. Dazu wurde Clevios™ mit zweifacher bzw.
dreifacher Überfahrt auf den thermoplastischen Substratmaterialien LCP, PA6/6T
und PET+PBT gedruckt und ausgehärtet. Die Kontaktierung erfolgte über Leiterbahnstrukturen, die mit LPKF-LDS®-Technologie hergestellt wurden. Die gedruckten
Bahnen waren 2 mm lang und ca. 40 µm breit. Der Temperaturschocktest wurde mit
zwischen -40°C und 85°C, einer Wechselzeit von 10 s und einer Zykluszeit von
30 min und der Feuchte Wärme-Test wurde bei 85°C und einer relativen Luftfeuchte
von 85% durchgeführt.
Der Temperaturschocktest an gedruckten Widerständen auf LCP- (Abb. 66a) und
PET+PBT-Substraten (Abb. 66c) führt zu einer gleichmäßigen Erhöhung der Widerstandswerte nach 10 Zyklen um 8-20% und nach 100 Zyklen um ca. 40-50%. Auf
PA6/6T-Substraten ist die Widerstandsänderung deutlich stärker und zeigt eine größere Streuung (Abb. 66b). Der Tapetest wurde von den Clevios™-Strukturen auf
allen untersuchten Substratmaterialien nach 110 Zyklen bestanden.
PA6/6T
LCP
100
100
90
0 Zyklen
80
80
70
10 Zyklen
70
70
110 Zyklen
60
60
50
40
Widerstand [k ]
90
80
R[KΩ]
Widerstand [kΩ]
90
PET+PBT
100
50
40
60
50
40
30
30
20
20
20
10
10
10
0
0
a)
0
10
20
Leiterbahn-Nr.
30
40
b)
30
0
0
10
20
Leiterbahn-Nr.
30
40
c)
0
10
20
30
40
Leiterbahn-Nr.
Abb. 66: Widerstandsänderung nach Temperaturschocktest (-40 / 85°C) von Clevios™ bei 2-facher
(Leiterbahn 1-35) bzw. 3-facher Überfahrt (Leiterbahn 36-39) auf a) LCP, b) PA6/6T c) PET+PBT
Der Feuchte-Wärme-Test zeigt, dass Clevios™ sehr feuchteempfindlich ist. Bereits
nach 24 h haben sich die Widerstandswerte auf PA6/6T und PET+PBT deutlich erhöht (Abb. 67). Nach 1000 h Feuchte-Wärme-Lagerung haben sich die Widerstandswerte bereits auf einen Wert >200 Ω vervielfacht. Werden die Widerstände anschließend noch einmal für 2 h bei 85°C im Ofen gelagert, so verringern sich die
61
IGF Vorhaben Nr. 15663N
Widerstandswerte wieder deutlich. Die Widerstandsänderung auf Grund von Luftfeuchte ist teilweise reversibel.
Das untersuchte Clevios™ ist sehr feuchteempfindlich und daher weniger zur Herstellung von hochgenauen miniaturisierten Widerständen geeignet. Eventuell könnte
jedoch eine feuchtebeständigere Formulierung eine bessere Eignung zeigen. Weiterhin könnte die Verwendung eines Schutzlackes die Feuchteempfindlichkeit
deutlich reduzieren. Dies wurde aber im Rahmen des Projekts nicht detaillierter Untersucht.
PET+PBT
a)
0h
24 h
495 h
1000 h
1000h + 2h / 85°C
0
10
20
30
40
R[KΩ]
R[KΩ]
PA6/6T PA6/6T
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
b)
Leiterbahn-Nr.
0
10
20
30
40
Leiterbahn-Nr.
Abb. 67: Widerstandsänderung nach Feuchte-Wärme-Lagerung (85°C / 85%) von Clevios™ bei 2facher (Leiterbahn 1-35) bzw. 3-facher Überfahrt (Leiterbahn 36-39) auf den Thermoplasten a) PA6/6T
und b) PET+PBT.
6.4.2
Gedruckte Widerstände aus Silbersuspension Ag5
Die Bedingungen beim Feuchte-Wärme-Test waren bei 25°C / 95% relativer Luftfeuchtigkeit und 55°C / 90% relativer Luftfeuchtigkeit mit jeweils einer Haltezeit von
9 h und einer Wechselzeit von 3 h. Insgesamt wurden 8 Zyklen durchgeführt. Die
Bedingungen beim Temperaturschocktest waren -40 / 80°C bei 30 min Zykluszeit.
Insgesamt wurden 500 Zyklen durchgeführt.
Getestet wurden gedruckte Widerstände mit dem in Abb. 59 dargestellten Layout auf
den Substratmaterialien LCP, PA6/6T und PET+PBT. Neben fünf unbelackten Widerständen
je
Substratmaterial
wurden
noch
jeweils
fünf
Widerstände
je
Substratmaterial mit den manuell aufgebrachten Schutzlacken von Panacol (Elpeguard®), HumiSeal (HumiSeal®) und Peters (Vitralit®) beschichtet.
Nach dem manuellen Anlöten der Messkabel an die Kontaktpads sind ein Teil der
Widerstände ausgefallen und damit auch die jeweiligen Fünfer-Blocks der Widerstände.
Somit
konnten
folgende
Messgruppen
nicht
in
den
Umwelttests
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
charakterisiert werden: Widerstände auf LCP ohne Schutzlack, PET+PBT mit Peters
Schutzlack und PA6/6T mit HumiSeal Schutzlack. Von den ausgefallenen FünferBlocks der Widerstände waren vor und nach beiden Umwelttests 4 von 5 Widerständen funktionsfähig.
Beim Feuchte-Wärme-Test zeigt sich, dass die gedruckten Widerstände auf PA6/6T
auch trotz Schutzlack sehr empfindlich auf Feuchte reagieren. Die gedruckten Widerstände auf PET+PBT zeigen mit und ohne Schutzlack nur eine geringe
Widerstandsänderung (<0,5%). Die gedruckten Widerstände auf LCP zeigen mit dem
Panacol und HumiSeal Schutzlack eine Änderung von 3% und mit dem Peters
Schutzlack von mehr als 6%.
Der Temperaturschocktest zeigt kaum einen Einfluss auf die Werte der Widerstände.
Alle Änderungen waren unter 2%.
8
Widerstandsänderung [%]
6
4
2
PA6/6T
PA6/6T P eters
LCP+Panacol
PET+PB T
PET+PB T+HumiSeal
PA6/6T+Panacol
LCP+Peters
LCP+HumiSeal
PET+P BT+Panacol
0
-2
-4
-6
-8
-10
a)
0
1Anzahl der Zyklen
2
Zyklen
8
b)
Anzahl der Zyklen
Abb. 68: Einfluss von a) Feuchte-Wärme-Test und b) Temperaturschocktest auf gedruckte Widerstände mit und ohne Schutzlack.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
7
Untersuchung zum Langzeitverhalten gedruckter Widerstände
Obwohl die gedruckten Widerstände aus Silbersuspension Ag5 insbesondere beim
Temperaturschocktest keine großen Widerstandsänderungen zeigen, erhöhen sich
die Widerstandswerte bei Langzeitlagerung unter Raumtemperatur von ca. einem
Monat deutlich (Abb. 69). Die Widerstandswerte haben sich dabei um 65% im
Vergleich zu dem direkt nach dem Aushärten gemessenen Wert erhöht.
Nach einer Strombelastung von 1 mA für 1 h hat sich der Widerstandswert wieder
etwas verringert. Daraus folgt, dass sich durch eine Strombelastung der
Widerstandswert ändern kann. Dies erklärt auch die teilweise große Spreizung der
Widerstands-Dehnungskurven bei den Untersuchungen zum Einfluss der Dehnung
auf die Widerstandswerte (z.B. Abb. 57b). Dabei hat sich gezeigt, dass die
Widerstandswerte beim Messen über einen längeren Zeitraum im ungedehnten
Zustand auf Grund des Messstroms der 4-Leiter-Messung abnehmen.
Nachdem die in Abb. 69 dargestellten Widerstände für 1 h bei 80°C im Ofen gelagert
wurden, haben sich die Widerstandswerte wieder deutlich reduziert. Durch eine
weitere
Strombelastung
von
1 mA
aber
auch
von
20 mA
werden
die
Widerstandswerte nicht weiter verringert.
70
nach ca. 1 Monat
Widerstandsänderung [%]
60
nach 1h 1mA
nach 1h/80°C
50
nach 1h 1mA
nach 1h 20 mA
40
30
nach 1h 1mA
n=10
20
10
0
Abb. 69: Widerstandsänderung von gedruckten Widerständen nach Langzeitlagerung mit anschließender Strombelastung und Wärmebehandlung.
Die auf LCP gedruckten Widerstände mit dem Schutzlack Peters zeigen bei Langzeitlagerung die geringsten Veränderungen. Während die Widerstandsänderungen
nach dem Feuchte-Wärme-Test noch ca. 3% (LCP) und ca. 14% (PA6/6T) betragen,
so konnte nach 6 Monaten Lagerung bei Raumklima nur eine Änderung von 1%
gemessen werden. Die erneute Wärmebehandlung bei 80°C/1 h verursachte ebenso
nur eine Änderung von ca. 1%.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
Eine mögliche Ursache für die Widerstandsänderung von gedruckten Widerständen
durch Langzeitlagerung könnte die Aufnahme von Feuchte der gedruckten und thermisch ausgehärteten porösen Silberstrukturen sein. Dies würde die teilweise geringe
Widerstandsänderung der gedruckten Widerstände in Folge von Langzeitlagerung
bei Einsatz eines Schutzlacks erklären.
LCP
Widerstandsänderung [%]
15
10
Messgruppe
ausgefallen
5
0
Peters
Panacol
-5
-10
-15
a)
PA6/6T
PET+PBT
HumiSeal
15
15
10
10
5
5
0
0
Panacol
ohne
HumiSeal
Peters
-5
-5
-10
-10
-15
-15
Panacol
ohne
nach 8 Zyklen feuchte Wärme
nach 250 Zyklen Schocktest (-40 / 85°C / 30 min)
nach 500 Zyklen Schocktest (-40 / 85°C / 30 min)
nach ca. 6 Monate
nach 80°C / 1 h
Abb. 70: Widerstandsänderungen von gedruckten Widerständen auf unterschiedlichen Substraten
aus Silbersuspension Ag5 nach Umwelttests und anschließender Lagerung bei Raumklima und einer
abschließenden Wärmebehandlung.
Bei lasergehärteten Strukturen (Kap. 4.3.2 ) wurde nach Lagerung in Raumklima eine
deutlich geringere Zunahme des Widerstandswertes beobachtet.
Während thermisch ausgehärtete Widerstände bereits nach 3 Tagen Lagerung bei
Raumklima eine deutliche Veränderung zeigen, so ist die Widerstandsänderung bei
lasergehärteten Widerständen deutlich geringer (Abb. 71). Ein Zusammenhang
zwischen Laserleistung und Widerstandsänderung konnte nicht gefunden werden.
Mögliche Ursache könnte ein weniger poröses Gefüge der lasergehärteten
Strukturen sein, was zu einer geringeren Feuchtigkeitsaufnahme der Strukturen und
somit zu einer geringeren Widerstandsänderung führen kann.
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Widerstandsänderung [%]
80
70
3 Tage
60
11 Tage
50
40
30
20
10
0
Referenz
0,4 A
0,6 A
0,8 A
Laserleistung
Abb. 71: Vergleich von thermisch (Referenz) und mit lasergehärteten Widerständen nach Lagerung
bei Raumklima.
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
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IGF Vorhaben Nr. 15663N
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Danksagung
Das IGF-Vorhaben Nr. 15663 N der Forschungsvereinigung Hahn-SchickardGesellschaft für angewandte Forschung e. V. -HSG, Wilhelm-Schickard-Straße 10,
78052 Villingen-Schwenningen wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur
Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung sei gedankt.
Dem Projektbegleitenden Ausschuss sei für die Unterstützung und die Hinweise aus
den zahlreichen Diskussionen gedankt. Namentlich sind dies:
A. Raymond GmbH & Co. KG
Binder Elektronik GmbH
Harting AG Mitronics
H.C. Starck GmbH
Lackwerke Peters GmbH & Co. KG
Micro-Hybrid Electronic GmbH
MicroMountains Applications AG
Neotech Services MTP
Robert Bosch GmbH
Schmid Technology GmbH
Würth Elektronik GmbH & Co. KG
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