Einführung in die gedruckte Elektronik

In den letzten zehn Jahren hat sich die Familie der Digitaldrucktechnologien von einem reinen Werkzeug zur Visualisierung von Informationen zu gedruckte Elektronik als Generator von Funktionalitäten entwickelt. Der Satz ′printing beyond color′ fasst diese Transformation treffend zusammen. Während diese Familie von Drucktechnologien immer noch weit verbreitet ist, um visuelle Anforderungen zu erfüllen, hat ihre Entwicklung bei der Generierung von Funktionalität, insbesondere im Bereich der gedruckten Elektronik, zu einer Explosion neuer Ideen und Fertigungsansätze geführt. Das wiederum führt zu einer schlanken Fertigung. Die Grundprämisse des Digitaldrucks, nämlich die Positionierung eines flüssigen (Tinten-)Tröpfchens oder eines festen (Toner-)Partikels mikroskopischen Volumens, das direkt mit dem Vorhandensein von Informationen an jedem Pixel des zu erzeugenden Bildes oder Textes korreliert ist, ermöglicht die wirtschaftliche Abscheidung teurer, funktioneller oder sonstiger Materialien nur an gewünschten Stellen auf einem Substrat, d.h. eine selektive Abscheidung.

In diesem Artikel stellen wir eine der wichtigsten digitalen Fertigungstechniken, dev Inkjetdruck, ausführlich vor. Da er eine der wichtigsten Basistechnologien der gedruckten Elektronik ist. Neben der Klassifizierung der Inkjet-Drucktechnologie werden verschiedene Aspekte in Bezug auf Materialien sowie die jeweiligen Vor- und Nachbehandlungsschritte diskutiert. Abschließend stellen wir eine Auswahl von Anwendungsbeispielen vor, die die vielfältigen Möglichkeiten der inkjetbedruckten Elektronik veranschaulichen.

Die Forschung und Entwicklung mit Schwerpunkt auf Funktionsmaterialien und Hightech-Druckgeräten wird fortgesetzt, was quasi täglich zu neuen Innovationen führt.

Konventioneller Druck

Die Drucktechnologie ist eine der wichtigsten Erfindungen, die den Fortschritt der Menschheit durch zuverlässige Übertragung von Wissen beschleunigt hat. Auch wenn Gutenberg′s Erfindung des Buchdrucks mit beweglichem Bleisatz seit über einem halben Jahrtausend existiert, so hat sich doch im vergangenen Jahrhundert, seit der Entwicklung der Fotografie als Grundlage für die Reproduktion von Grafiken und vor allem in den letzten Jahrzehnten seit Beginn der starken Kombination von Druck und computergestützter Informationstechnologie, das Spektrum der Drucktechnologien verzweigt und zu ihrer breiten Anwendung geführt.

Offset, Tiefdruck, Sieb- und Flexodruck sind die Haupttypen der konventionellen Drucktechnologien. Sie benötigen in der Regel ein Druckmaster oder eine Druckplatte für jede Art von Informationen (Texte, Grafiken und Bilder), die reproduziert werden sollen. Daher ist ein aufwändiger und teilweise umständlicher Prepress-Prozess erforderlich, bevor diese Technologien implementiert werden können. Nach Abschluss der Vorbehandlung können diese Technologien, mit Ausnahme des Flachbettsiebdrucks, für eine schnelle und großflächige Produktion eingesetzt werden.

Digitaldruck

Im Gegensatz zu herkömmlichen Drucktechnologien arbeitet der Digitaldruck ohne eine physische, vorgefertigte Masterdruckplatte. Er druckt ohne eine signifikante Aufprallkraft auf das Substrat oder die Unterschicht. Die Grundprämisse des Digitaldrucks ist die genaue Positionierung eines Flüssigkeitströpfchens oder Feststoffpartikels (Toner) eines mikroskopisch kleinen Volumens, das direkt mit dem Vorhandensein von Informationen an jeder binären Einheit der zu reproduzierenden Bilder korreliert. Der Digitaldruck hat daher nicht die wesentlichen Nachteile des konventionellen Drucks. D.h. komplexe Arbeitsschritte, typischerweise große Finanz- und Zeitinvestitionen, um die Master zu generieren und den Prozess einzurichten.

Obwohl der Digitaldruck im Vergleich zu konventionellen High-End-Drucktechnologien mit gewissen Nachteilen behaftet ist, liegt seine Stärke darin, dass er eine Vielzahl von Techniken und Prozessdesigns entwickelt hat, die den Druck einem breiteren Publikum zugänglich machen. Diese Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit erklärt das hohe Integrationspotenzial der Digitaldrucktechnik in bestehende Fertigungslinien etablierter Industrien (z.B. Leiterplatten), so wie sie auch industrielle Druckereien erreicht hat (für Book-on-Demand) oder den Small Office-/Home Office-Bereich mit Desktop-Druckern revolutioniert hat. Das charakteristische Merkmal der Digitaldrucktechnologien lässt sich grob in zwei Gruppen einteilen. Direkt auf das Substrat, das aus Drucktechnologien (z.B. Inkjetdruck und Thermotransferdruck) besteht, die Informationen direkt auf das Druckmedium, d.h. das Substrat, übertragen, und direkt auf die Platte, die aus Drucktechnologien (z.B. Elektrofotografie und Magnetographie) besteht, die die Informationen auf eine Druckplatte übertragen, die sie wiederum auf das Druckmedium übertragen.

Die Grundprämisse des Digitaldrucks, nämlich das Vorhandensein oder Fehlen von Informationen an jedem Pixel des zu reproduzierenden Bildes oder Textes, ermöglicht die Deposition von Materialien. Funktional oder anderweitig, nur an gewünschten Stellen auf einem Substrat, was zu einer selektiven und damit wirtschaftlichen Deposition führt.

Gedruckte Elektronik

Auch wenn die Begriffe gedruckte Elektronik und organische Elektronik manchmal austauschbar verwendet werden, müssen sie sich nicht unbedingt auf die gleiche Gruppe von Technologien beziehen. Dennoch teilen sie viele Basistechnologien und -methoden. Streng genommen bezieht sich die gedruckte Elektronik auf die Anwendung von Drucktechniken, sowohl konventionell als auch digital, zur Herstellung von elektronischen Strukturen, Vorrichtungen und Schaltungen, unabhängig davon, welche Funktionsmaterialien (Tinte) und Substrate verwendet werden. Einzige Voraussetzung ist, dass das Funktionsmaterial aus der Flüssigphase verarbeitbar sein muss.

Im gleichen Sinne beschäftigt sich die organische Elektronik mit der Anwendung organischer Materialien, z.B. leitfähiger Polymere bei der Herstellung von elektronischen Strukturen, Vorrichtungen und Schaltungen auf starren oder flexiblen Substraten. Folglich hebt die flexible Elektronik das biegsame Substrat aus Kunststoff oder Papier hervor. Auf jeden Fall hat der Fortschritt der gedruckten Elektronik neue Perspektiven eröffnet. Die wiederum zu einer Vielzahl von Möglichkeiten in der Konzeption, im Design, in der Herstellung, im Packaging und in der Anwendung von elektronischen Geräten und Schaltungen führen.

Die additive Natur der Druckverfahren, die Bandbreite der Materialien, die als Farben formuliert werden können, und die Möglichkeit, verschiedene Produktionsgrößen vom Prototyp bis zum Großformat abzudecken, sind einige der Schlüsselfaktoren. Sie ermöglichen den Einsatz von Druckverfahren in der Elektronikfertigung. Während in der gedruckten Elektronik irgendwann fast alle Drucktechnologien, insbesondere die konventionellen, eingesetzt wurden, dominieren Siebdruck und Inkjetdruck.

Es gilt der digitale Inkjetdruck aus den im nächsten Abschnitt genannten Gründen als eine Schlüsseltechnologie für die gedruckte Elektronik. Die Klassifizierung, die Besonderheiten und Anforderungen der Inkjet-Technologie werden ausführlich diskutiert, ebenso wie Anwendungsbeispiele, die die Eignung dieser Technologie für die gedruckte Elektronik veranschaulichen.

Tintenstrahldrucktechnologie (InkJet)

Die Inkjet-Drucktechnologie erzeugt Tröpfchen der im Fluidkanal enthaltenen Tinte mit Durchmessern von 10 bis 150 μm,6, die ungefähr dem Durchmesser der Düse entsprechen. Das Volumen der Tröpfchen liegt im Pikoliterbereich. Diese Technologie gilt aus folgenden Gründen als geeignet für die gedruckte Elektronik:

Es handelt sich um einen berührungslosen Prozess. Eine Vielzahl von Materialien wird selektiv und tropfenweise auf eine Vielzahl von Substraten abgeschieden.

Der Platzbedarf in der Produktion, die Anfangsinvestition sowie die Inbetriebnahmezeit für die Inbetriebnahme einer Inkjet-Druckeinrichtung sind geringer als bei den meisten anderen Drucktechnologien.

Es eignet sich für eine Vielzahl von Produktionsmaßstäben, vom Prototyping bis zur industriellen Großserienfertigung.
Der Farbverbrauch und der Materialverlust sind minimal.
Sie ist flexibel in Bezug auf ihre Positionierung innerhalb einer Prozesskette.

Sie kann strukturierte dünne Schichten erzeugen – eine wichtige Voraussetzung für die organische Elektronik. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Herstellung hochkomplexer integrierter Schaltungen (ICs) ausschließlich mit speziellen Techniken durchgeführt wurde. Techniken, die vom Standard-Tintenstrahl abweichen, um die Anforderungen an eine hohe räumliche Auflösung für ultrakurze Transistor-Kanallängen zu erfüllen.

Schließlich ist es möglich, Funktionalitäten durch Inkjet-Druck auf einem Substrat hinzuzufügen. Eines, das bereits über elektronische Strukturen und Vorrichtungen verfügt, die mit einer anderen Technologie hergestellt sind. Seine berührungslose, maskenlose und meisterlose Natur sowie die Freiheit, den Druckkopf direkt auf einer beliebigen 3D-Koordinate des Substrats zu positionieren, ermöglichen diesen Aspekt.

Klassifizierung der gedruckten Elektronik

Die Inkjet-Technologie wird nach dem Mechanismus der Tröpfchenbildung grob in zwei Kategorien eingeteilt. Sie sind Continuous Inkjet (CIJ) und Drop-on-Demand Inkjet (DOD). Der DOD-Druck wiederum wird in drei Arten unterteilt, nämlich thermischer Inkjet, Piezo-Inkjet und elektrostatischer Inkjet.

Trotz der sehr hohen Tröpfchengenerierungsfrequenzen ist der CIJ-Druck in der gedruckten Elektronik nicht weit verbreitet, da der Recyclingprozess nach der Belastung der Umwelt zu einer Kontamination der Druckfarbe führen kann. Darüber hinaus ist CIJ ein potenziell verschwenderischer Prozess. Weil er durch die kontinuierliche Erzeugung von Tröpfchen, unabhängig vom Vorhandensein oder Fehlen von Informationen, an jedem Pixel des Bildes oder des zu reproduzierenden Textes entsteht. CIJ hat jedoch seinen Vorteil, wenn es um die Bearbeitung von Substraten mit einer nicht-planaren Geometrie geht.

Was die DOD-Inkjet-Technologien betrifft, so hinken thermischer Inkjet und elektrostatischer Inkjet dem Piezo-Inkjet weit hinterher, hauptsächlich aus den folgenden Gründen:

Thermischer Inkjet kann aufgrund der zyklischen thermischen Belastung zu einem Abbau der in der Tinte vorhandenen Funktionsmaterialien führen. Der Piezo-Inkjet hingegen ist ein isothermer Prozess. Dennoch hat sich der thermische Inkjet erfolgreich für die Herstellung von Leuchtdioden auf Basis anorganischer Quantenpunkte bewährt.

Die Palette der Tintenlösungsmittel, die in Piezo-Tintenstrahldruckern verwendet werden können, ist viel breiter als der thermische und elektrostatische Tintenstrahl.

Die Investitions- und Betriebskosten für einen elektrostatischen Inkjet sind viel höher als bei einem Piezo-Inkjet. Außerdem befindet sich diese Technik noch in der Entwicklung. Sie ist in ihrer Entwicklung nicht so ausgereift wie Piezo oder thermischer Inkjet.

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