Anspruchsvolle funktionale Druckanwendungen

Hochpräzise Drucktechnologien für die Entwicklung funktionaler Materialien und innovativer Verfahren.

Funktionales Drucken

Ausgestattet mit exzellenter Infrastruktur und langjähriger Expertise bietet das Fraunhofer ISE eine Vielzahl von Dienstleistungen für anspruchsvolle funktionale Druckanwendungen wie Silicium-Solarzellen, Leiterplatten, Brennstoffzellen, Batterien, Sensoren, elektronische Geräte und mehr. Wir unterstützen Material- und Gerätehersteller bei der Auswahl geeigneter Drucktechnologien, der Entwicklung funktionaler Materialien oder innovativer Verfahren. Wir bieten eine breite Palette von Charakterisierungsmethoden an, die alle relevanten Aspekte von der Material- und Oberflächencharakterisierung bis zur eingehenden Analyse der elektrischen, optischen und funktionellen Eigenschaften abdecken.

Siliciumsolarzellen sind ein bekanntes Beispiel für die Herstellung gedruckter Elektronik auf industriellem Niveau. Das Drucken von ultrafeinen Linienkontakten mit guter Leitfähigkeit auf strukturierten Siliciumoberflächen stellt im Bereich des funktionalen Drucks eine der herausfordernsten Disziplinen dar, in der das Fraunhofer ISE jahrzehntelange Erfahrungen gesammelt hat.

 

Das Fraunhofer ISE verfügt über eine breite Palette hochpräziser Anlagen für Druck, Beschichtung und Trocknung, mit denen sich unterschiedlichste Prozesse durchführen lassen. Diese Anlagen verfügen über eine hochpräzise optische Ausrichtung, welche die Realisierung komplexer Strukturen auch in mehreren Druckschritten ermöglicht. Simulation und Charakterisierung spielen in unserem Leistungsangebot ebenfalls eine wichtige Rolle.

Unser PV-TEC – Photovoltaic Technology Evaluation Center bietet eine Vielzahl von Drucktechnologien wie:

  • Flachbett- und Schablonendruck
  • Rotationssiebdruck
  • Flexodruck
  • Inkjet-Druck
  • multi-nozzle parallel dispensing
  • FlexTrail

Die Aktivitäten im Bereich Multi-Düsen-Dispensen werden von unserer Ausgründung HighLine Technology GmbH erfolgreich vermarktet.

Unsere Expertise und Services im Bereich »Funktionales Drucken«:

Sieb- und Schablonendruck

Hochpräzise Dickfilm-Beschichtung feinster Strukturen

Multi-Düsen Dispensen

Effizient, flexibel und bereit für hohe Durchsätze.

Rotationsdruck

Hochdurchsatz-Rotationsdruckplattform und Shuttle-Transport für Rotationssiebdruck und Flexodruck

Inkjet- und FlexTrail-Technologie

Innovative FlexTrail-Technologie für ultrafeine Linienstrukturen unter 10 µm.

Trocknungs- und Sintertechnologie

Inline- und Offline-Trocknung, Curing- und Sintergeräte für Niedrig- und Hochtemperatursinterpasten .

Charakterisierung

Eingehende Analyse aller Prozessschritte unter Berücksichtigung aller relevanten Parameter.

Sieb- und Schablonendruck

Extrem feiner siebgedruckter Kontaktfinger
© Fraunhofer ISE
Extrem feiner siebgedruckter Kontaktfinger auf texturierter Siliziumoberfläche.

Flachbett-Siebdruck und Schablonendruck wird seit Jahrzehnten erfolgreich in vielen Bereichen des technischen Drucks eingesetzt. Konkrete Anwendungsbeispiele sind die Metallisierung von Silicium-Solarzellen, der Druck von Lotpaste für die SMT-Bestückung von Leiterplatten oder der Druck von Antennen für Fahrzeuge. Die Besonderheit, selbst sehr feine Stukturen mit hoher Schichtdicke auf verschiedenste Substrate zu übertragen, machen den Sieb- und Schablonendruck gegenüber anderen Verfahren einzigartig. Am Fraunhofer ISE konnten kürzlich Feinlinien-Kontaktfinger mit einer Breite von 19 µm auf Silicium-Solarzellen im Siebdruck realisiert werden.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für Sieb- und Schablonendruck:

  • Hochautomatisierte industrielle Siebdrucklinien für hochpräzise Dickfilm-Beschichtung feinster Strukturen (z.B. Solarzellenmetallisierung, Funktionsschichten)
  • Inline-Inspektionssystem mit hochpräziser Erkennung der Druckqualität
  • Halbautomatische Präzisions-Siebdruckanlage
  • Entwicklung und Herstellung eigener Siebdruckschablonen

Multi-Düsen Dispensen

Spitze einer Dispenserdüse
© Fraunhofer ISE
Finite-Elemente-Simulation der Spitze einer Dispenserdüse.

Dispensing wird in vielen Bereichen der industriellen Fertigung als Verfahren zur präzisen Dosierung und positionsgenauen Applizierung von Fluiden eingesetzt. Dispensing erfordert eine hochpräzise Fertigung der Düsen, eine schnelle und mikrometergenaue Steuerung des Dispenskopfes über das Substrat und eine intensive rheologische Optimierung der eingesetzten Fluide. Mittels Dispensing lassen sich sehr homogene Strukturen mit nahezu perfekter Form und Gleichmäßigkeit erzeugen, beispielsweise ideale Leiterstrukturen mit feinster Linienbreite und minimalen Abweichungen. Eine Besonderheit ist das Multi-Düsen-Dispensing, welches die Vorteile des Dispensprozesses im Hinblick auf Präzision mit einem hohen Durchsatz verbindet. Im Multi-Düsen-Dispensverfahren können feinste Kontaktfinger z.B. für die Vorderseitenmetallisierung von Silicium-Solarzellen mit perfekter Geometrie und hohem Durchsatz hochparallel übertragen werden. Das Verfahren bietet jedoch auch für andere Anwendungen großes Potential. Das Multi-Düsen-Dispensing wurde am Fraunhofer ISE mithilfe von CFD-Simulationen entwickelt und wird seit 2020 von der Firma Highline Technology – einer Ausgründung des Fraunhofer ISE – kommerzialisiert.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für Multi-Düsen Dispensen:

  • Industrielle Plattform mit hochpräzisem 3-Achs-Positioniersystem und Multi-Düsen Dispensdruckkopf
  • Hochdurchsatz Inline-Dosiereinheit mit mehreren Düsen
  • Laborgeräte für Ein- und Mehrfachdüsendosierung

Rotationsdruck

Kontaktfinger im Flexodruckverfahren
© Fraunhofer ISE
Applikation feinster Kontaktfinger im Flexodruckverfahren.

Rotationsdruckverfahren wie Flexodruck, Rotationssiebdruck und Tiefdruck werden in einer Vielzahl industrieller Anwendungen im grafischen und technischen Bereich seit Jahrzehnten eingesetzt. Rotationsdruckverfahren sind einzigartig im Hinblick auf Geschwindigkeit, Präzision und Flexibilität. Üblicherweise werden mit Rotationsdruckverfahren bahnförmige Substrate bedruckt. Wesentlich anspruchsvoller ist hingegen der Druck auf nicht-biegsames Stückgut wie z.B. Silicium-Solarzellen, Leiterplatten, elektronische Bauelemente oder Chipkarten. Die Beschichtung solcher Substrate mit hoher Druckgeschwindigkeit erfordert ein hochpräzises Transportsystem und eine genaue Ausrichtung der Rotationsdruck-Einheiten.
Eine solche Technologie wurde am Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Projektpartnern im Rahmen des Forschungsprojekts »Rock-Star« entwickelt. Die innovative Rotationsdruck-Demonstratoranlage im PV-TEC des Fraunhofer ISE ermöglicht die hochpräzise Übertragung feinster Strukturen im Flexo- und Rotationssiebdruck mit hohem Durchsatz. Neben der Metallisierung von Silicium-Solarzellen bietet diese Technologie ein großes Potential für verschiedenste Anwendungen im Bereich des funktionalen Drucks.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für Rotationsdruck:

  • Hochdurchsatz-Rotationsdruckplattform
  • Shuttle-Transport für Rotationssiebdruck und Flexodruck
  • Labordruckgerät für Flexo-, Rotationssieb- und Tiefdruck

Inkjet- und FlexTrail-Technologie

Punktförmige Teststruktur-Matrix
© Fraunhofer ISE
Punktförmige Teststruktur-Matrix, gedruckt mit Hotmelt-Wachs im Inkjet-Verfahren.

Inkjet ist ein digitales Druckverfahren, welches die kontaktlose und äußerst präzise Applikation von Tropfen unterschiedlichster Art ermöglicht. Das Fraunhofer ISE hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Druckprozessen, bspw. mit Tinten auf Basis von nano-skaligen Metallpartikeln, wachsartige Ätzmasken (auch UV-härtende) und Dotierstoffen. Zwecks adäquater Benetzung von Tinten auf Substraten bietet das Fraunhofer ISE das vollständige Portfolio für die Charakterisierung von Medien hinsichtlich Viskosität und Oberflächenspannung an. Durch den Einsatz von Inkjet-Druckern in Glove-Boxen kann die Umgebung hinsichtlich Benetzung angepasst werden. Zudem bietet das Fraunhfoer ISE Plasma-unterstützte Vorprozesse für die Aktivierung von Oberflächen.

Ultrafeiner Kontaktfinger
© Fraunhofer ISE
Ultrafeiner Kontaktfinger, gedruckt mit leitfähigem Ag-Druckfluid im FlexTrail-Verfahren.

Das FlexTrail Verfahren befindet sich derzeit in der Entwicklung und ermöglicht die präzise Applikation von Medien unterschiedlichster Viskosität mit einer äußerst präzisen minimalen Strukturbreite. So konnten bereits stabil Leiterbahnen mit einer minimalen Strukturbreite von weniger als 10µm auf glatte Substrate gedruckt werden.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für Inkjet- und FlexTrail-Technologie:

  • Industrielle Inkjet-Druckanlage mit Modifikation zur Integration verschiedener Druckköpfe
  • Kundenspezifische Entwicklung von Lösungen für spezielle Inkjet-Anwendungen
  • Innovative FlexTrail-Technologie für ultrafeine Linienstrukturen unter 10 µm

Trocknungs- und Sintertechnologie

Kontaktfeuerprozess
© Fraunhofer ISE / Dirk Mahler
Kontaktfeuerprozess zur Kontaktierung von Silicium-Solarzellen.

Der Druck funktionaler Fluide erfordert nicht nur hochpräzise Druck- und Beschichtungsprozesse, sondern auch geeignete Trocknungs- und Sinterprozesse. Am Fraunhofer ISE stehen hierfür verschiedene hochspezialisierte Trocken- und Sintertechnologien zur Verfügung. Neben klassischen Durchlauftrocknern auf Basis von IR-Strahlung und Konvektion können Hochtemperatur-Sinterprozesse (Kontaktfeuern) sowie innovative Prozesse wie Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VSCEL) und Intense Pulsed Light (IPL) im PV-TEC – Photovoltaic Technology Evaluation Center des Fraunhofer ISE realisiert werden.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für Trocknungs- und Sintertechnologie:

  • Inline- und Offline-Trocknung, Curing- und Sintergeräte für Niedrig- und Hochtemperatursinterpasten sowie inertem  Hochtemperatur-Sinterofen
  • Feuerofen mit erweiterter Peak-Einbrennzone und integrierter IR-Kamera zur Prozessüberwachung
  • spezielle Trocknungs-/Feuertechnologie (UV, Intensive Pulsed Light (IPL) und VCSEL-Technologie). Detaillierte Simulationsservices.

Charakterisierung

Bildanalysetool zur 3D-Charakterisierung für Vorderseitenkontakte
© Fraunhofer ISE
Am Fraunhofer ISE entwickeltes Bildanalysetool zur 3D-Charakterisierung für Vorderseitenkontakte.

Die Analyse der geometrischen und elektrischen Qualität funktionaler Strukturen wie z.B. Leiterbahnen erfordert spezielle Charakterisierungsverfahren sowie entsprechendes Know-How für die korrekte Durchführung von Messungen und Beurteilung der Ergebnisse. Am Fraunhofer ISE stehen für die Analyse des Druckprozesses und der Qualität der gedruckten funktionalen Strukturen eine Vielzahl spezieller Charakterisierungsverfahren wie z.B. 3D-Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Hochgeschwindigkeitskameras zur direkten optischen Druckprozessanalyse zur Verfügung. Des Weiteren kann das Fließverhalten relevanter Druckmedien mit hochmodernen Messgeräten der Rheologie untersucht und anschließend modelliert werden. Das Schließlich können basierend auf diesen Modellen ganze Druckprozesse im Rahmen von CFD-Simulation vollautomatisiert optimiert werden.

Unsere Infrastruktur und Serviceleistungen für die Charakterisierung funktionaler Druckverfahren:

  • Eingehende Analyse aller relevanten rheologischen Parameter unter Verwendung eines Rotationsrheometers und eines Kapillarviskosimeters
  • Kontaktwinkelmessung
  • Laserstrahlreflexion zur Messung der Partikelgröße
  • statistische Analyse der 3D-Geometrie gedruckter Strukturen mit Laser-Scanning-3D-Mikroskopie und Bildanalyse-Algorithmen
  • Optische Mikroskope für alle Arten von Anwendungen
  • Rasterelektronenmikroskop (REM) mit EDX-Detektor und FIB (Focused Ion Beam)
  • Statistische Messung des Metall-Halbleiter-Kontaktwiderstands und des lateralen Leitungswiderstands