Funktionales Drucken

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.