Laserstrukturierung von hochpräzisen Druckformen

Die Metallisierung von Silizium-Solarzellen mit ultrafeinen Kontakten ist eine der anspruchsvollsten Disziplinen im Bereich des funktionalen Siebdrucks. Die jahrzehntelange Entwicklung hochpräziser Feingewebe-Siebe und rheologisch spezialisierter Metallpartikel-Pasten ermöglicht heute den Druck von qualitativ hochleitfähigen Kontakten mit einer Breite von bis zu <10 µm. Ein wesentlicher Einflussfaktor für den Prozess sind die hochpräzise strukturierten Feingewebe-Siebe basierend auf einem Edelstahl-Gewebe (Mesh). Dieses Gewebe besteht aus bis zu 200 Drähten pro Zentimeter bzw. 520 Drähten pro Inch mit Drahtstärken, die um den Faktor 5 bis 10 dünner sind als ein menschliches Haar. Zur Erzeugung einer druckfähigen Schablone wird dieses Gewebe mit einer flexiblen Deckschicht versehen, die mittels UV-Belichtung oder Laserablation in den zu druckenden Bereichen selektiv geöffnet wird.

Gemeinsam mit Projektpartnern hat das Fraunhofer ISE im Projekt »Laser2Screen« eine Anlage entwickelt, die auf Ultrakurzpulslaser-Technologie und hochpräziser 3D-Scantechnologie basiert. Diese innovative Laserlösung ermöglicht die Strukturierung von Feingewebe-Sieben und Metallfolien-Schablonen mit bisher unerreichter Präzision von bis zu < 2 µm. Besonders revolutionär: Der volldigitale Laserprozess ersetzt konventionelle Photolithografie-Verfahren und bietet dabei eine flexible Anpassung an Werkstückschwankungen sowie eine integrierte optische Vermessung der erzeugten Strukturen – alles in einem Gerät.

Diese nachhaltige Lasertechnologie, die ohne chemische Ätzmittel oder Photolacke auskommt, erschließt nicht nur neue Möglichkeiten für die Solarzellenmetallisierung, sondern auch für anspruchsvolle Anwendungen in der Opto-Elektronik, Halbleiterfertigung sowie in der Aufbau- und Verbindungstechnik.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Laserstrukturierung von hochpräzisen Druckformen« umfassen:

• Laserstrukturierung von Feingewebe-Sieben
• Laserstrukturierung von Metallfolien-Schablonen
• Drucktechnische Evaluierung von Sieben und Schablonen
• Mikroskopische und elektrische Analyse der Sieb-/Schablonenstrukturierung sowie der Druckergebnisse

Die präzise Lasertechnologie des Fraunhofer ISE ermöglicht die hochgenaue Strukturierung von Feingewebe-Sieben für anspruchsvollste Druckprozesse. Unsere ultrakurzen Laserpulse tragen die Deckschicht des Siebes mit höchster Präzision ab, was zu scharfen Konturen und perfekt definierten Öffnungen führt.

Besonders bei Edelstahlgeweben mit bis zu 200 Drähten pro Zentimeter, deren Drahtstärken fünf bis zehnmal dünner als ein menschliches Haar sein können, zeigt unsere Lasertechnologie ihre volle Stärke. Die laserbasierte Siebherstellung ermöglicht Druckstrukturen für die Photovoltaik, die konventionell nicht realisierbar sind. Der digitale Laser-Prozess bietet zudem die Möglichkeit, die Siebstrukturierung an jedes individuelle Gewebe anzupassen und selbst kleinste Unregelmäßigkeiten im Drahtgewebe zu berücksichtigen.

Durch enge Zusammenarbeit mit führenden Gewebeherstellern können wir FuE-Partner mit Sieben ausstatten, die dem aktuellsten Stand der Technik entsprechen. Die anschließende drucktechnische Evaluierung im eigenen Haus stellt sicher, dass die erzeugten Siebe höchsten Qualitätsstandards genügen.

Der Schablonendruck mit Metallfolien-Schablonen (Stencils) ist ein seit Jahrzehnten im Bereich der Elektronikfertigung etabliertes Verfahren, um z.B. Lotpasten, Lötstopplacke oder leitfähige Strukturen drucktechnisch zu realisieren. Mit unserer Ultrakurzpulslaser-Technologie strukturieren wir Metallfolien-Schablonen mit bisher unerreichter Präzision. Im Gegensatz zu gewebten Sieben bestehen diese Schablonen aus einer dünnen, homogenen Metallfolie, welche mithilfe des Laser-Prozesses mit feinsten Öffnungen bis zu 2 µm Breite und mit nahezu senkrechten Wänden strukturiert werden kann.

Diese Präzisions-Schablonen eröffnen völlig neue Anwendungsfelder in der Halbleiter- und Elektronikfertigung. Typische Einsatzgebiete sind die Applikation von Lotpasten, leitfähigen Klebstoffen oder funktionalen Materialien für die Mikroelektronik. In diesem Bereich sind präzise definierte Schichtstärken und exakte Kantengeometrien entscheidend.

Der digitale Laserprozess ermöglicht eine flexible Anpassung an individuelle Anforderungen und kann selbst komplexeste Strukturen realisieren. Im Vergleich zu konventionellen Ätzverfahren bietet die Laserstrukturierung nicht nur ökologische Vorteile durch den Verzicht auf Chemikalien, sondern auch höhere Präzision und eine bessere Reproduzierbarkeit.

Auf Anfrage entwickeln und fertigen wir spezialisierte Metallfolien-Schablonen für Ihre spezifischen FuE-Anwendungen und unterstützen bei der Prozessoptimierung.

Der technische Siebdruck mit funktionalen Pasten erfordert spezielle Anlagen und präzise Prozesse, um Druckergebnisse mit höchster Qualität und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Das Fraunhofer ISE verfügt über jahrzehntelange Erfahrung im Bereich des Präzisions-Siebdrucks für Photovoltaik und Elektronik-Anwendungen. Ein zentraler Aspekt ist dabei die Zusammenarbeit mit Herstellern von Präzisions-Sieben, Schablonen und Pasten, um die bestmögliche Material-Kombination für eine bestimmte Anwendung zu identifizieren.

Das Fraunhofer ISE unterstützt Sie bei der Auslegung, Evaluierung und Analyse von Präzisions-Siebdruckprozessen für alle Anwendungen im Bereich der Photovoltaik, Elektronik und weiteren Anwendungen im Bereich des technischen Siebdrucks.

Die Analyse und Bewertung von Druckergebnissen im Bereich des technischen Drucks bedarf spezieller Mess- und Analyseverfahren, um aussagekräftige und statistisch belastbare Ergebnisse zu erzielen. Häufig erfordert dies eine Kombination optischer und elektrischer Messwerte, die mithilfe wissenschaftlicher Modelle analysiert, bewertet und interpretiert werden müssen. Am Fraunhofer ISE wurden für diese anspruchsvollen Aufgaben maßgeschneiderte Modelle und Analyseverfahren entwickelt, die eine hochautomatisierte und präzise sowie statistisch belastbare Auswertung des Druckergebnisses ermöglichen. Dies erfolgt insbesondere mit Bildanalyseverfahren, um die mikroskopische Geometrie gedruckter Kontakte anhand von 3D-Mikroskopaufnahmen statistisch zu erfassen.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeit ist die Simulation von Druckprozessen mithilfe moderner Machine-Learning-Verfahren. Dies ermöglicht eine gezielte Auswahl geeigneter Parameter und Materialien (z.B. Gewebekonfiguration) sowie eine Vorhersage der elektrischen Funktionalität und der geometrischen Struktur der gedruckten Kontakte.