PRONTO-DRUSYM. Bernhard Polzinger Stuttgart,

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1 PRONTO-DRUSYM Bernhard Polzinger Stuttgart,

2 Projektüberblick Projektname: PRONTO-DRUSYM - Drucktechniken für Sensoren Projektlaufzeit: Drucken von low-cost -Sensoren für Fluidanwendungen Temperatur Druck Durchfluss Herstellung eines 2-lagigen Umverdrahtungsträgers für eine Prüfkarte zum Test von Chips auf Waferebene Clusterkonferenz April

3 Projektpartner Clusterkonferenz April

4 Projektziele Erkenntnisse zur Auslegung von gedruckten Fluidsensoren Erkenntnisse zu Prozessen und Materialien für das Drucken von Sensorstrukturen Erarbeitung und Erprobung eines Demonstrators für gedruckte Fluidsensorik Konzept für die industrielle Umsetzung der Drucktechniken für Sensorstrukturen Erkenntnisse zur Realisierung eines zweilagigen Umverdrahtungsträgers für Prüfkarten mit feinem Leiterbahnpitch Erarbeitung und Erprobung eines Demonstrators für einen zweilagigen Umverdrahtungsträger als Bestandteil einer Prüfkarte Aufbereitung allgemeingültiger übertragbarer Erkenntnisse zu Fertigung, Schnittstellen und Qualität sowie deren Implementierung in die PRONTO Plattform. Clusterkonferenz April

5 Konzepte Temperatursensor Temperaturmessung mittels gedruckter Widerstandsstrukturen Sensitives Material: Inkjet gedruckte Silbertinte Substratmaterial Thermoplaste (z.b.: PA6/6T) Stahl mit gedruckter Isolationsschicht Keramik (Al 2 O 3 ) Gedruckte Widerstandsstruktur auf PA6/6T

6 Widerstand [ ] 20 mm Widerstand inkjetgedruckter Silberstrukturen in Abhängigkeit von der Aushärtetemperatur 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 n= C 200 o C 250 C 250 o C 300 C 350 C 400 C Glas PET+PBT Glas PET+PBT Glas Glas Glas Aushärtetemperatur Substratmaterial Layout Clusterkonferenz April

7 Charakterisierung inkjetgedruckter Silberstrukturen: REM-Analyse 200 C Variation der Sintertemperatur 250 C 300 C Höhere Sintertemperatur Bessere Versinterung der Nanopartikel Clusterkonferenz April

8 relative Widerstandsänderung Messfehler gedruckter Temperatursensor [ C] Temperatur C Temperaturkennlinie inkjetgedruckter Silberstrukturen Temperaturkennlinie Fehler der Temperaturkennlinie 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0, x o C Aushärtetemp. x 220 o C Aushärtetemp. x 250 o C Aushärtetemp. C ---- Temperatur , , , Temperatur [ C] Zeit [min] Temperaturkoeffizient : α T = 1 1,5x10-3 1/K Widerstandswert der gedruckten Silberstrukturen driftet Clusterkonferenz April

9 DSC-Analyse der verwendeten Silbertinte Verdampfung der Lösungsmittel Sinterung der Silbertinte bei 250 C nicht abgeschlossen Untersuchung weiterer Silbertinten Clusterkonferenz April

10 Konzepte Drucksensor Druckmessung mittels gedruckter Dehnungssensoren auf einer Membran (Wheatstone sche Brücke) Sensitives Material Inkjet gedrucktes Silber Substratmaterial Stahlmembran mit gedruckter Isolationsschicht Clusterkonferenz April

11 Widerstandsänderung [%] Spannung [N/mm²] Dehnungskennlinie gedruckter DMS Substrat: Edelstahlzugstab Isolationsschicht: Siebgedruckter Lack (d~10µm) Sensorstruktur: Inkjetgedruckte Mäanderstruktur 0,2 0,15 0,1 Maximale Dehnung ~ 0,075% , Gedruckter DMS F F -0, Zeit [s] Widerstandsänderung (korrigiert) Messaufbau zur Charakterisierung der gedruckten DMS Spannung Clusterkonferenz April

12 Konzepte zur Kontaktierung von gedruckten Strukturen Temperatursensor Press-Fit Kontaktierung Überdrucken umspritzter Metallelemente Drucksensor Überdrucken umspritzter Metallelemente Federkontaktstifte Kontaktierung durch Leitgummis Metallfeder Kontaktierung Gedruckte Struktur Einlegebuchsen Umspritzte Kontaktpins Gedruckte Struktur Clusterkonferenz April

13 Drucksystementwicklung: Druckkopfmodul für den Inkjetdruck Produktionsfähiges Druckkopfmodul für Nano-Silber Tinten aufgebaut und getestet Hohe Stabilität durch Side-Shooter Prinzip Integrierte Durchfluss- und Temperaturregelung Einsatz von 6pl Druckköpfen Druckauflösung von 1016x1080dpi Tropfenbreiten auf Substrat 35-40µm Erprobung im Langzeittest Druckkopfmodul für den Inkjetdruck Clusterkonferenz April

14 Druckversuche bei erhöhtem Druckabstand Drucktechnik: Inkjet mit neuem Druckkopfmodul Nominaldruckabstand: 1mm Druckgeschwindigkeit: 50 mm/s Tinte: Nanopartikulare Silbertinte 150µm Ergebnis Drucke bis zu 4mm Druckabstand in ansprechender Qualität möglich Vermeidung von Windeffekten bei erhöhtem Druckabstand (z.b. Absaugung, äußerer Einfluss) Druck über 3mm Abstand Druck über 4mm Abstand Clusterkonferenz April

15 Druckversuche über Rampe Rampenhöhe: 1.5 mm Druckabstand 1,5-3 mm Substrattemperatur: RT h Ergebnis Kein Verlaufen über die schräge Fläche zu erkennen Gute Druckergebnisse auf kaltem Substrat Weitere Verbesserung durch Verwendung einer Substratheizung erwartet Druck über Rampe (h=1,5 mm) Fazit: Neues Druckkopfmodul ist für die Produktion geeignet Clusterkonferenz April

16 Schematischer Aufbau einer Prüfkarte für den Test von Chips auf Waferebene Umverdrahtungsträger ViP-Head Leiterplatte Wafer Anforderungen an den Umverdrahtungsträger Keramik 2-lagig Leiterbahnen: 20 µm lines/spaces Isolationswiderstand <5nA bei 4V (>0,8GΩ) Leiterbahnwiderstand <1 Ω/cm Gold an den Kontaktstellen Einfache, sichere Verbindung zum PCB: Bonden, Kleben,... Clusterkonferenz April

17 Konzept Umverdrahtungsträger 1. PVD-Beschichtung Cr/Cu 2. Außenstromlos chemische Cu-Abscheidung (ca. 8 µm) 3. Laserablation Cu 4. Reinigungsprozess 5. Drucken einer Isolatorschicht 6. Herstellung von Öffnungen in der Isolationsschicht (Laser) 7. PVD-Beschichtung Cr/Cu 8. Außenstromlos chemische Cu-Abscheidung (ca. 8 µm) 9. Galvanisch Hartgold (ca. 2 µm) 10. Laserablation von Hartgold + Cu (anteilig) 11. Ätzen der Cu-Reste in den Isolationsgräben 12. Reinigungsprozess Keramik (Al 2 O 3 ) Cu Isolationsschicht Hartgold Clusterkonferenz April

18 Laserablation der ersten Metalllage Bisher: Laser mit 355nm Fokusdurchmesser 25 µm 30 µm lines/ spaces realisiert Neu: Pikosekunden-Laser (512nm) Fokusdurchmesser 10 µm <20 µm lines/ spaces realisiert Laserstrukturierte Kupferschicht (d=8µm) auf Al 2 O 3 Isolationswiderstand > 8 MΩ Leiterbahnwiderstand < 1 Ω/cm Keine Leiterbahnunterbrechungen Keine Kurzschlüsse Haftung: Tape Test bestanden Clusterkonferenz April

19 Untersuchung Aufbringung 2. Metalllage 1. Substrat: Keramik (30x30x1mm³) 2. Drucken Isolationsschicht Inkjet (epoxid-, acrylbasiert) Siebdruck (epoxid-, polyimidbasiert) 3. Sputtern von Cr/Cu 4. Nachverstärkung der Sputterschicht Außenstromlos chemisch Cu Galvanisch Cu Clusterkonferenz April

20 Untersuchung Abscheidung 2. Metalllage Variante 1: PVD Cr/Cu Außenstromlos chemisch Cu (ca. 5µm) Auf Siebdrucklack Variante 2: PVD Cr/Cu Galvanisch Cu (ca. 5 µm) Auf Siebdrucklack Auf Inkjetlack Auf Inkjetlack Blasenbildung an der gesputterten Cu-Schicht Tapetest wird nicht bestanden Keine Blasenbildung Tapetest wird bestanden Clusterkonferenz April

21 Weiteres Vorgehen Fluidsensorik Evaluierung weiterer Silbertinten für die Sensorstrukturen Umspritzen gedruckter Leiterbahnstrukturen Kontaktierung der gedruckten Sensorstrukturen Optimierung der gedruckten Sensoren (Widerstand, Genauigkeit, Querempfindlichkeit) Umverdrahtungsträger Laserbohren der Durchkontaktierungen Strukturierung der 2. Metalllage Kontaktierung der Umverdrahtungsträger mit der Leiterplatte Clusterkonferenz April

22 Kontaktdaten Bernhard Polzinger Leiter Drucktechnik HSG-IMAT Allmandring 9b Stuttgart Fon: Fax: Web: Clusterkonferenz April