Mikrostrukturen für organische Elektronik und Solarzellen Neuer Siebdruckprozess für feinste Leiterbahnen mit hoher Schichtdicke

Mit den Drucker SP900-S von Essemtec können nun im Siebdruckverfahren Strukturen gedruckt werden, die eine Breite von 50 µm und eine Höhe von 40 µm oder mehr haben.

Essemtec ist es erstmals gelungen, feinste Leiterbahnen mit 50 µm Breite im Siebdruckverfahren herzustellen. Der Siebdruck ist günstiger als der bisher übliche Offset- oder Flexo-Druck und erlaubt den Aufbau sehr hoher Schichtdicken.

OLEDs, organische Batterien, Solarzellen, Plasma-Displays oder Brennstoffzellen: Diese Produkte benötigen für die Herstellung mehrschichtige Hochpräzisions-Druckprozesse. Bisher waren die Anwendungen jedoch durch die Druckverfahren begrenzt, mit denen nur dünne Schichten herstellbar waren. Industriestandard beim Sieb- und Schablonendruck waren bisher Leiterbahnen mit einer Breite von 100 bis 150 µm und einer Höhe von etwa 12 µm. Der neue Drucker SP900-S von Essemtec druckt Strukturen, die eine Breite von 50 µm und eine Höhe von 40 µm oder mehr haben: Möglich machen das Nanopasten und ein neuartiger Druckprozess. Damit sind Mikrostrukturen, die sich in mehreren Lagen zu hohe Dicken aufbauen lassen, nun auch im günstigen Siebdruck herstellbar »Der Siebdruck dringt damit in ganz neue Bereiche vor«, sagt Joachim Biegel, Produktmanager bei Essemtec. Biegel hat den Prozess und die neue Maschine mitentwickelt, in enger Zusammenarbeit mit dem Photovoltaics and Thin Film Electronics Laboratory (PV-Lab) des Schweizer Institute de Microtechnique Neuchâtel. Das PV-Lab erforscht und entwickelt organische Solarzellen auf Basis halbleitender Polymer-Fulleren-Heterogemische, auch bezeichnet als Heterojunction-Solarzellen. Die Leiterbahnen auf der Solarzelle sollen so schmal wie möglich sein, um möglichst wenig Zellenfläche zu bedecken. Sie müssen aber auch einen großen Querschnitt haben, damit der Innenwiderstand der Zelle gering bleibt. Mit dem neuen Druckverfahren von Essemtec erreichen diese Solarzellen laut Angaben des PV-Lab einen um mehrere Prozent höheren Wirkungsgrad als die im klassischen Druckverfahren hergestellten Zellen.

Die Schichten müssen exakt aufeinander passen - ähnlich wie beim Papierdruck

Doch nicht nur in der Solarindustrie bringt diese Technik Vorteile. Das Siebdruckverfahren kann seine Vorteile überall dort ausspielen, wo dünne Leiterbahnen mit hohem Leitungsquerschnitt erforderlich sind. Schmale, hohe Leiterbahnen werden in einzelnen Schichten übereinander gedruckt, bis die gewünschte Höhe erreicht ist. »Diese Idee ist nicht neu, aber niemand konnte bisher so feine Strukturen so präzise übereinander positionieren, wie unser SP900-S«, erklärt Biegel. »Man kann sich den Prozess ähnlich wie beim Zeitungsdruck vorstellen. Beim Vierfarbendruck müssen die einzelnen Farben auch exakt zueinander liegen, sonst gibt es kein exaktes Bild.« Eine Papier-Druckmaschine nutzt Passermarken, um die Farben auszurichten. Doch genau da liegt Unterschied: Auf vielen Elektronik-Produkten ist kein Platz für solche Marken. Deshalb muss sich der SP900-S an den Strukturen auf dem Substrat selbst orientieren. Beim ersten Druck sind dies vor allem die Kanten und Ecken. Beim Drucken einer weiteren Lage muss das Sieb auf die bereits gedruckten Strukturen ausgerichtet werden. Das Vision-System des SP900-S kann beides. Sieb und Substrat werden mit einer Genauigkeit von ±8 µm zueinander positioniert.

Früher versuchte man, hohe Leiterbahnen mit der Technik der »reduzierten Blende« zu drucken. Man verwendete für die obere Lage ein Sieb mit kleineren Blenden, die beim Druck auf den bereits bestehenden Strukturen auflagen. »Dabei lief aber seitlich immer wieder Material an der bestehenden Struktur herunter. Zudem war die Herstellung von zwei verschiedenen Sieben teuer«, weiß Biegel.

Der neue Prozess von Essemtec nutzt dagegen das gleiche Sieb für die erste und die zweite Schicht. Für den zweiten Druck wird das Sieb um einige Mikrometer nach oben verschoben oder das Substrat nach unten. Der Druckkopf regelt nicht mehr wie früher auf einen vorgegebenen Rakeldruck respektive eine Aufpresskraft, sondern auf eine genau definierte Wegstrecke in der Vertikalen. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen Sieb und Substrat mikrometergenau regelbar. Es gibt kein seitliches »Auslaufen« mehr, und die Schichtdicke ist kontrollierbar. »Natürlich erfordert dieser Prozess eine perfekte Planparallelität von Rakel, Sieb und Substrat, und er stellt auch besondere Anforderungen an den Vertikalantrieb des Druckkopfes«, betont Biegel. »Normale Drucker sind dafür nicht geeignet.«

Zusammen mit dem PV-Lab hat Essemtec verschiedenste Materialien auf ihre Prozessfähigkeit hin untersucht, so auch die Drucksiebe. »Zum Druck von 50-µm-Strukturen sind Gewebe erforderlich, die sehr feinmaschig sind und die sich unter Druck nicht verformen. »Mit dem Vecry-Gewebe haben wir die besten Erfolge erzielt«, so Biegel. »Dieses Spezialgewebe vereint Vorteile von Edelstahl und synthetischen Fasern.«

Mit dieser Entwicklung ist das Ende der Fahnenstange aber laut Biegel noch nicht erreicht: »Wir arbeiten bereits an einer weiteren Halbierung der Strukturbreite auf  25 µm. Damit werden Produkte möglich, die man bislang nur mit Offset- oder Gravur-Druck herstellen konnte.«