Willkommen in der Fakultät

Transkript

1 Willkommen in der Fakultät Quelle: microdrop Quelle: microdrop 1

2 Übersicht Kurzvorstellung von und Fakultät efi Funktionaler Inkjet Druck Motivation Grundlagen Forschungsergebnisse Vorstellung LP-Endoberfläche SELECTIN 2

3 Organisation in der Lehre 12 Fakultäten in 4 Ausbildungsrichtungen Allgemeinwissenschaften Architektur Bauingenieurwesen Betriebswirtschaft Design Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik Informatik Maschinenbau und Versorgungstechnik Sozialwissenschaften Technische Chemie Verfahrenstechnik Werkstofftechnik 3

4 Kompetenzfelder im Überblick (alphabetisch) Akustik und Schwingungen Automatisierungstechnik Elektrische Energietechnik Elektronische Systeme Feinwerktechnik / Mechatronik Informationstechnik Kommunikationssysteme Medizin- und Rehatechnik Multimedia Photonik Verbundwerkstoffe 34 Labore stehen für Lehre und angewandte Forschung und Entwicklung zur Verfügung weitere sind in Planung 4

5 Bachelor-Studiengänge: Elektrotechnik / Informationstechnik Mechatronik / Feinwerktechnik Medizintechnik Media Engineering Master-Studiengänge: Elektronische und Mechatronische Systeme Applied Research Master-Weiterbildungsstudium: Software-Engineering und Informationstechnik auslaufend: Diplom-Studiengänge: Elektrotechnik / Informationstechnik Feinwerktechnik / Mechatronik Bachelor-Studiengang: Informationstechnik 5

6 Die Fakultät efi An der Fakultät arbeiten im SS11 (WS10/11): 1303 (1426) Studierende 46 (45) Professoren 26 (26) Mitarbeiter 65 (64) Lehrbeauftragte Fakultätsleitung: Prof. Dr. Reinhard Janker Prof. Dr. Jürgen Bäsig (Dekan) (Prodekan) 6

7 Entwicklung der Studentenzahlen in der Fakultät efi 7

8 Vom Tintenklecks zur Gedruckten Scha 6 Jahre Forschung elektrisch funktionaler Inkjet-Druck Naber Lesyuk Grigorieva Pimenta Plura Wagner Panin Nosayeva Zhang Rudolph Bibelriether Pfänder Ciolek Hofmann Mühlbauer

9 Warum Inkjet Druck für die Strukturierung von Leiterplatten statt etablierte galvanische, Lithografie- und Ätzprozesse? 9

10 Fertigungsschritte zur Herstellung einer Leiterplatte in Metallresist Subtraktivtechnik mit HAL - Oberfläche CAD Layout Löcher bohren Ätzen Bekeimung Stromlos Kupfer Dekapieren Galvanisch Kupfer Laminieren Galvanoresist Belichtung Entwicklung Galvanisch Kupfer Galvanisch Zinn Strippen Galvanoresist Ätzen Kupfer Strippen Zinn Oxidieren Kupfer Drucken Lötstopplack Desoxidieren Kupfer Hot Air Levelling Reinigung 10

11 Fertigungsschritte für Inkjet gedruckte Leiterplatten CAD Layout Löcher Bohren Primern Ink-jet Druck Temperung (Sintern) Vorteile des Inkjet Drucks für die Herstellung von Leiterplatten: Maskenlos sehr flexibel Wenige Fertigungsschritte Extreme Miniaturisierung mit Linienbreiten << 100 µm möglich Einsatz auf starren oder flexiblen Substraten (Rolle zu Rolle Fertigung) Integration passiver Bauteile möglich Integration einfacher aktiver Bauteile möglich Einsatz reaktiver Tinten möglich Hoher Automatisierungsgrad Chance für Fertigung in Deutschland Beschleunigungspotenzial durch Parallelisierung von Düsen 3 D Aufbauten möglich Kombination mit mech. Rapid Prototyping Volladditiv kein Abfall Nachteile: Teure Silbertinten Nachweis der Zuverlässigkeit steht noch aus optional 11

12 Inkjet Parameter Tinte Partikelgröße Trägerflüssigkeit Feststoffkgehalt Dispergiermittel Temperatur Drucker Düsendurchmesser Abstand Düse - Substrat Tropfenfrequenz Pulsbreite Pulsamplitude Geschwindigkeit Druckkopf Oberfläche Werkstoff Rauheit Vorbehandlung Temperatur 12

13 Zusammensetzung von Tinten mit Nanopartikeln Tinten mit Nanopartikeln bestehen aus 4 Komponenten: Organische oder wässrige Trägerflüssigkeit, beeinflußt Viskosität, Benetzungseigenschaften und Haftfestigkeit auf Substrat Dispergiermittel, beeinflußt Viskosität und Stabiltät Organisches Coating, verhindert das Agglomerieren und Sedimentieren der Partikel Nanopartikel < 50 nm, zeigen den Nanoeffekt, d.h. drastische Absenkung des Schmelzpunktes mit abnehmender Partikelgröße Das organische Coating um die Nanopartikel ist elektrisch isolierend und muß beim oder nach dem Ink-jet Druck entfernt werden 13

14 Mit abnehmender Partikelgröße nimmt die Gesamtoberfläche drastisch zu Beispiel: Nanotechnik ist Oberflächentechnik Ein kompakter Würfel von 10*10*10 cm 3 hat eine Oberfläche von 0,06 m 2, was ungefähr einem DIN A 4 Blatt entspricht. Setzt sich der Würfel aus Nanopartikeln der Größe 10*10*10 nm 3 zusammen, so weisen die Nanopartikel eine Gesamt- fläche von m 2 auf, was ca. 85 Fußballfeldern entspricht. 14

15 Der Nano-Größeneffekt: Schmelzpunkt = f (Partikelgröße) Schmelzpunkt Massiver Werkstoff Δ T o C Nanopartikel Schmelze 10 nm Partikelgröße 15

16 Benetzungsverhalten Quelle: microdrop 16

17 Benetzungswinkel θ θ θ Benetzungswinkel θ θ = 180 o Keine Benetzung θ = 90 o Benetzungsbeginn θ < 15 o Sehr gute Benetzung σ SV σ LV θ σ SL σ SV : Oberflächenspannung Festkörper - Atmosphäre σ LV : Oberflächenspannung Flüssigkeit - Atmosphäre σ SL : Oberflächespannung Festkörper - Flüssigkeit σ SV = σ SL + σ LV cosθ Young (1805) 17

18 4 Drucksysteme: Drucksysteme und Tinten Einzeldruckkopf microdrop, Düsendurchmesser 100 µm, Plotter Epson D 88, 2 x 180 Düsen, Durchmesser 25 µm Epson R 800, Düsendurchmesser 13 µm Printolux mit Epson R 1800 Druckkopf, Düsendurchmesser 13 µm Tinten: Silbertinte A, Partikelgröße ca nm, organische Trägerflüssigkeit Silbertinte B, Partikelgröße ca nm, wässrige Trägerflüssigkeit CNTs doppelwandig, wässrige Trägerflüssigkeit, 2 Hersteller, 3 Chargen Kupfertinte, wässrige Trägerflüssigkeit Epson Glossy Tinte.. 18

19 Experimenteller Aufbau Plotter Druckkopf- Steuerung Manuelle Plotter-Steuerungl Traverse Source: microdrop [4] 19

20 Experimenteller Aufbau Druckkopf 3 Lamp Cluster Capillary Tube Ink Reservoir 20

21 Einfluß der Druckgeschwindigkeit Silbertinte Typ A, microdrop-system, Raumtemperatur Ergebnis: Keine Überlappung der Tropfen mit Ausnahme für die geringste Geschwindigkeit von 5 mm/sec 21

22 Einfluß der Substratheizung Silbertinte Typ A, microdrop-system, Druckgeschwindigkeit 5 mm/sec T = 150 o C S T = 175 o q = 47 % C S q = 60 % T = 200 o C S T = 250 o q = 65 % C S q < 30 % Druckqualität S q = (w min /w max )*100 % Ergebnisse: Verbesserte Druckqualität durch Substratheizung, aber Satellitentropfen bei T > 200 o C 22

23 Satellitentropfen Satellitentropfen werden verursacht durch: Spritzer wegen zu hoher Substrattemperatur Spritzer wegen zu hoher Tropfengeschwindigkeit Teilweise verstopfte Düse 23

24 Inkjet gedruckte Kupferpartikel Ergebnis: gute Druckqualität aber keine elektrische Leitfähigkeit 24

25 Sinterung Nach dem Inkjet Druck bei Raumtemperatur weisen die Strukturen eine glatte, metallisch glänzende Oberfläche auf, zeigen aber keine elektrische Leitfähigkeit. Die Silber-Nanopartikel sind mit einem organischen Coating versehen, welches ihre Agglomeration und Sedimentation in der Tinte verhindert, aber die Partikel elektrisch voneinander isoliert. Das Coating kann entfernt werden durch: Temperung (Infrarotstrahlung oder Umluftofen) Licht hoher Energie Mikrowellenstrahlung Plasma Induktiv (Wirbelstrom) Mit der Entfernung des Coatings ist nicht nur eine Änderung der elektrischen sondern auch der mechanischen Eigenschaften (z.b. Mikrohärte) verbunden, d.h. es kommt zu einer Gefügeänderung (Sinterung) 25

26 Vergleich Sinterverhalten Silbertinten auf Polyimid Widerstand [Ohm] Tinte B 250 o C Tinte B 200 o C Tinte B 150 o C Tinte A 150 o C Tinte A 250 o C Tinte A 200 o C Sinterzeit [sec] 26

27 Experimenteller Aufbau Epson Stylus D 88 Modifizierung durch CNT-Keramik- heizung ermöglicht Substrattempe- ratur bis 200 C Einfache Handhabung durch Nachfülltanks Daten aus CAD System (Gerber File) oder Office-Programmen (bmp, jpeg ) Druckdichte steuerbar durch Drucker- treiber und/oder Sättigungsparameter im Office-Programm 20 V/ 0,8 A Keramik Silber CNT 27

28 Sinterverhalten Silbertinte auf Fotopapier 28

29 R [Ω] Fakultät efi Flächenwiderstand Silbertinte A auf FR 4 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Anzahl No. of Drucke Prints A 150C30minhorizon 200C30minhorizon 150C30minvert 200C30minvert B 29

30 Temperatur [ o C] Temperature [C] 0,7 Fakultät efi Stromtragfähigkeit von Silber-Leiterbahnen auf Fotopapier Tinte A, 3x Druck 200 o C, 4 min Strom Current [ma] 30

31 Modifikationen des Kohlenstoffs Quelle: Wikipedia Diamantstruktur: elektr. Isolator Quelle: Uni Erlangen 31

32 Widerstand [Ohm] 9 mm Fakultät efi Widerstand von CNT auf Kopierpapier M 5 mm 10 M M 100 k 100 Ω R eihe 4 R eihe 3 R eihe 2 R eihe 1 Mittelwert 10 k Anzahl Drucke 32

33 Flächenwiderstand [Ohm] Fakultät efi ,0 Druckervergleich CNTs auf Fotopapier Flächenwiderstand in Abhängigkeit des Mischungsverhältnis CNT- Dispersion: dest. Wasser = 1 : 100 Flächenwiders Druckers tand in kohm 100 M 10000,0 10 M 1000,0 1 M 100,0 100 k 10,0 10 k 1 k 1, , Druckanzahl HP Deskjet 960c Epson Stylus Photo R800 Canon i550 33

34 Inkjet gedruckte mehrwandige CNTs nach Trocknung 34

35 Bauteilmontage Standard für Inkjet gedruckte Strukturen : Isotroper Leitkleber Vorteile: niedrige Aushärtetemperatur kein Ablegieren von Bauteilmetallisierungen keine Flußmittelrückstände Nachteile: Benetzung nicht werkstoffspezifisch, Gefahr von Kurzschlüssen unterhalb kleiner Bauteile schwierige Handhabung, Lagerung bei << 0 o C geringe Topfzeit feuchteempfindlich Reflow Löten??? Erste Tests auf Fotopapier Geklebte Bauteile auf Polyimidfolie Reflowl Lötung mit Sn37Pb Lot auf Fotopapier, Spitzentemperatur 245 o C 35

36 UKW Radio als Demonstrator Ein UKW Radio in SMD-Technik wird von Studenten der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Nürnberg im Rahmen eines Praktikums in Standardtechnologie (Metallresist- Subtraktivtechnik mit Reinzinnober- fläche) gefertigt Die zweiseitige FR 4 Platine hat eine Größe von ca. 40 x 40 mm SMDs werden reflow-, einzelne bedrahtete Bauteile manuell gelötet Dieses Ohm-Radio wird als Demonstrator für die Inkjet Technologie verwendet 36

37 Inkjet gedrucktes Ohm-Radio Durchkontaktierte LP mit 0,3 mm Vias Substrat: Polyimid, 125 µm dick Tinte: Silber Nanopartikel 5-10 nm Leiterbahnbreite: µm Leiterbahndicke: 3-4 µm Sinterung: 250 o C, 30 Minuten Bauteilbefestigung: Silberleitkleber 37

38 Auflösung Silbertinte A gedruckt mit Epson D 88 38

39 Neuentwicklung: MP 3 + Radio + Micro SD Card im gleichen Ohm-Radio Gehäuse 39

40 Inkjet-Druck eines 20-Lagen Multilayers Quelle: Epson 40

41 Eine Struktur 3 Funktionen Die Inkjet Technologie erlaubt die einfache Einbettung passiver Bauteile in die Oberflächen von Leiterplatten ( embedded components ) Konventioneller Aufbau: Inkjet gedruckter Widerstand: Durch Mischung von Metall-/Metalloxidpartikeln oder den R Einsatz von CNTs können Leiterbanhnen als Widerstände gedruckt werden. Dabei ist es sogar möglich innerhalb der Leiterbahnlänge den lokalen Widerstand systematisch zu verändern, was z.b. für Höchstfrequenzanwendungen relevant sein kann. Inkjet gedruckter Widerstand/Kondensator: Mit überlappenden Leiterbahnen/Widerständen die durch ein Dielektrikum voneinander getrennt werden, lassen sich Strukturen herstellen, die 3 elektrische Funktionen erfüllen. Dielektrikum 41

42 Multilayer Strukturen Weitere Forschungsvorhaben verifiziert am Beispiel des Ohm-Radios Integration von Widerständen mit CNTs Integration kleiner Kondensatoren Kupfertinten Automatisierung von Druck und Sinterung Reflow Löten Substratauswahl: FR4, Polyimid, Polycarbonat, Papier, Aluminum, Holz Zuverlässigkeitsuntersuchungen 42

43 SELECTIN Oberfläche Galvanisch selektiv verzinnte Pad-Oberfläche Entwicklung der Ziele: glatte, beliebig dick galvanisch verzinnte Pad-Oberflächen Einsatz von Standard-Prozessen Alternative zum Druck von Lötstopplack wenig Abfälle 43

44 Prozessfolge SELECTIN 1. Seeding Sn/Pd 6. Print 2nd µm Galvano Resist 2. Electroless Cu.5 µm µm Electroplate Sn 3. Electroplate Cu 3 µm 8. Strip Both Resists 4. Print 1st Galvano Resist µm 9. Differential Etch Cu - 15 µm 5. Electroplate Cu µm 10. Passivate Cu.1 µm 44

45 SELECTIN vor und nach Passivierung SELECTIN PCB before passivation treatment SELECTIN PCB after passivation treatment 45

46 SELECTIN - Laser Profile 46

47 SELECTIN - Lötverhalten Reflow soldered SELECTIN PCB Wave soldered SELECTIN PCB 47

48 SELECTIN Lötverhalten (2) IC lead reflow soldered IC pads reflow soldered 48

49 SELECTIN - Lötbarkeit Zinnoberfläche Force Sn 30 sec passivated Sn untreated Sn 60 sec passivated Sn 90 sec passivated Time Cu 60 sec passivated 49

50 Vorteile: SELECTIN Vor- und Nachteile Planare Padoberflächen mit sehr guter Lötbarkeit Keine Zinnüberhänge an Leiterbahnen Kupferdicke in Durchkontaktierungen größer als auf Leiterbahnen Padniveau höher als Leiterbahnniveau, Druckschablone liegt auf Pad auf, dadurch geringere Unterschmierung beim Lötpastendruck Passivierung kann Lötstopplack ersetzen oder ergänzen Optionale Passivierung von Durchkontaktierungen erlaubt hole in pad Ausschliesslich Standardverfahren und Chemikalien d.h. geringes Risiko Kein Invest erforderlich Nur Kupfer- keine Zinnabfälle Hohe Flexibilität, anwendbar für alle galvanisch abscheidbare Metalle Nachteile: 2 Galvanikmasken erforderlich Verlängerte Badzeit für Kupfer Neu 50

51 Die Institute und die Labore der Fakultät efi werden sich wieder mit mehreren Stationen beteiligen. 51