Gedruckte Elektronik Druckpräzision entscheidend gesteigert

Problemlösungen bei Schaltgeschwindigkeiten der organisch-chemischen Halbleitern
Erhardt + Leimer konnten den Druckprozess von Transistoren deutlich verbessern.

Gedruckte Transistoren aus organisch-chemischen Halbleitern haben noch unzureichende Schaltgeschwindigkeiten: Einerseits ist die Ladungsträgerbeweglichkeit im Material zu gering, andererseits ist die Kanallänge zu groß. Bei letzterem ist jetzt ein bedeutender Fortschritt zu vermelden.

Wäre es nur eine Schicht, die auf die Trägerfolie gedruckt werden müsste, dann wäre alles relativ einfach. Hier lassen sich mittlerweile Strukturgrößen bis herab zu einigen µm erreichen. Für Transistoren braucht man aber vier Schichten: 1. untere Elektroden aus Metall (z.B. Silber), 2. Halbleiterschicht (z.B. PEDOT:PSS), 3. Isolatorschicht (Polymer), 4. obere Elektroden aus Metall (z.B. Kupfer). Alle werden nacheinander aufgedruckt, und dabei ist es kaum zu vermeiden, dass ein gewisser Versatz entsteht. Dieser hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften der Transistoren. Je größer, desto weiter laufen die tatsächlichen Kennlinien von den Soll-Kennlinien weg. Irgendwann bricht die Funktion komplett zusammen. Die Kunst beim Drucken ist es also, die einzelnen Lagen so präzise wie möglich aufeinander auszurichten.

Das Problem ist weit älter als alle gedruckte Elektronik. Es bestand schon beim Vierfarbdruck für Zeitungen und Bücher. Hier genügt eine Toleranz von 0,1 bis 0,2 mm. Bei von Rolle zu Rolle durchlaufenden Bahnen hat man eine Korrekturvorrichtung eingebaut: vier 90°-Umlenkrollen, von denen zwei in einem schwenkbaren Rahmen sitzen (Bild).

Ein Sensor - Infrarot-Quelle plus CCD-Zeilensensor oder auch Ultraschall - tastet die Kante der Bahn ab, wobei eine Auflösung von etwa 10 bis 20 µm erreichbar ist. Der Messwert steuert einen Aktor, der den Rahmen mit den Rollen um einen kleinen Winkel verdreht und so eine seitliche Bahnkorrektur bewirkt. Diese Technik ist seit Langem bewährt und erlaubt einen hochwertigen Vierfarbdruck auf Papier.

Für elektronische Schaltungen reicht das aber noch nicht. Erstens wird hier auf transparente Folie gedruckt. Eine optische Erfassung der Kante funktioniert damit nicht. Deshalb wird auf die Folie in der Nähe jeder Kante zuerst eine Referenzlinie aufgedruckt. Zweitens ist die Auflösung noch zu grob. Hier haben jetzt Ingenieure bei der Firma Erhardt + Leimer in Augsburg eine wesentliche Verbesserung ersonnen. An die Stelle der niedrig auflösenden CCD-Zeilen treten hochauflösende mit 5150 Pixeln, an jeder Seite eine. Zwischen diesen wird dann noch zusätzlich eine achtstufige Interpolation vorgenommen, das heißt eine analoge Auswertung der einzelnen Pixelsignale und Umrechnung in ein Achtel der Distanz zwischen zwei Pixeln.

Der Messbereich der CCD-Kamera von 20 mm geteilt durch 5150 ergibt 3,9 µm. Dazu kommt die besagte Subpixel-Auswertung, sodass eine Messauflösung von etwa 0,5 µm erzielt wird. Wegen unvermeidlichen mechanischen Spiels der Maschine, thermischer Ausdehnung und anderer Effekte ist dieser Wert beim Drucken nicht zu halten; letztlich verbleibt eine Positioniertoleranz von ±5 µm: Immer noch ein Rekord, um einen Faktor 20 bis 40 besser als das, was normalerweise in der Druckindustrie benötigt wird. In Längsrichtung der Bahn ist natürlich die gleiche Präzision erforderlich. Hier findet eine sogenannte Registerregelung mit Orientierung an Druckmarken Anwendung, die der jeweilige Anwender der Maschine selbst konzipiert, nicht ihr Hersteller. Die maximale Durchlaufgeschwindigkeit liegt bei 60 m/min, im praktischen Betrieb bei 40 bis 50 m/min.

Das erste System dieser Art läuft derzeit bei einer koreanischen Firma im Versuchsstadium, noch unter Ausschluss der Öffentlichkeit. Welche Eigenschaften die damit gedruckten Transistoren haben, ist nicht zu erfahren, nicht einmal für Erhardt + Leimer. Zumindest kam aber die Rückmeldung, dass man mit der Anlage hochzufrieden sei. Das lässt den Schluss zu, dass damit wesentliche technologische Verbesserungen möglich sind. Bei Erfolg wird man vielleicht auf der LOPEC (5.-7. April 2016 in München) davon hören.