Projekt 35421/01

Umweltschonende Metallpasten zur additiven Fertigung integrierter Leiterbahnen

Projektdurchführung

GSB Wahl GmbH
Buchenteich 1
73773 Aichwald

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel dieses Projektes ist es, umweltschonende neue Herstellungsprozesse zu realisieren. Dazu werden Metallpasten für den Siebdruck entwickelt, die möglichst wenig Kupfer und fast kein Silber enthalten, aber auf Grund von hybrider Kombination aus organischen Schichten, Metall- und Kohlenstoffpartikeln und deren Selbstanordnung in dichte Schichten dennoch sehr gut leitfähig sind.
Ziel sind Materialinnovationen, mit denen der Resourcenverbrauch von gedruckten Elektronischen Strukturen und die Rückgewinnung der Metalle erleichtert wird.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Arbeitspaket 1 wird die Auswahl geeigneter Silber- und Kupfermaterialien ausgewählt, die sich zur Einarbeitung in einer Siebdruckpaste eignen.

In den Arbeitspaketen 2 – 5 werden die ausgewählten Partikel beim INM auf die Eigenschaften (Partikelgröße, Leitfähigkeit, Sinterverhalten) für eine Formulierung untersucht. Bei GSB werden Formulierungen für den Siebdruck entwickelt, in denen die leitfähigen Partikel Einsatz finden.
Die leitfähigen Pasten werden beim INM auf die Leitfähigkeit, Verdruckbarkeit, Haftung auf Glas und Folien untersucht. Die Ergebnisse fliesen in weitere Formulierungen bei GSB ein, um optimierte Pasten zu erhalten.
Das Sinterverhalte der einzelnen Pasten/Partikel wird beim INM untersucht und charakterisiert. Dabei wird die Korrelation von Temperatur und Zeitdauer ermittelt, wann der Prozess des Sinterns zum Endstand kommt. Die Ermittlung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Zeitdauer und der eingesetzten Temperaturen ist ein wichtiger Teil dieses Projektes.
Im Anschluss an diese Untersuchungen wird die Extrahierbarkeit der Pasten untersucht.
Die so gewonnenen Metallpartikel werden in neue Formulierungen eingesetzt und die Leitfähigkeit und weitere Eigenschaften untersucht. Es wird versucht die Sintertemperaturen zu reduzieren, um trotzdem noch eine gute Leitfähigkeit der Pasten zu erhalten.

Der Metallanteil konnte zu 90% aus den gedruckten Schichten wiedergewonnen und konnten zu neuen Formulierungen in Siebdruckpasten eingesetzt werden. Bei der Untersuchung für Kupferpartikel gab es erhebliche Probleme in den Formulierungen durch Oxidation der geruckten Schichten, so dass die Leitfähigkeit nicht mehr vorhanden war. Dieser Teil wurde im Vorhaben nicht weiterverfolgt.
Ausnahme waren Silberummantelte Kupferpartikel, die annähernd an industriell relevante Leitfähigkeiten bei niedrigen Temperaturen herankamen.



Ergebnisse und Diskussion

Es gibt beträchtliche wirtschaftliche und ökologische Anreize, die Menge des verwendeten Silbers zu reduzieren und Silber aus gedruckter Elektronik zurückzugewinnen. Die Verringerung der in elektronischen Anwendungen verwendeten Silbermenge kann durch die Optimierung der Leitfähigkeit von Drucken auf Silberbasis erreicht werden. Ein zusätzlicher Anreiz zur Senkung der Prozesskosten und zur Auswahl einer breiten Palette flexibler Substrate ist die Verwendung einer niedrigen Sintertemperatur. In dieser Arbeit untersuchten wir den Mechanismus der Sinterung von Silbermikropartikeln und nutzten dieses Wissen, um Silbermikropartikel auszuwählen, die hohe Leitfähigkeiten bei niedrigen Sintertemperaturen erreichen können.
Wir fanden heraus, dass gefällte Silbermikropartikel (zerstäubte Silbermikropartikel) bei niedrigeren Temperaturen zu sintern besser geeignet sind, eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen.
Um sowohl die Materialkosten als auch die ökologischen Auswirkungen der Verwendung von Silber zu reduzieren, haben wir eine Strategie entwickelt, um das in den gedruckten Strukturen verwendete Silberpulver wiederzuverwenden und es für die Herstellung neuer gedruckter Strukturen erneut eizusetzen.
In diesem Projekt haben wir festgestellt, dass silberbeschichtete Kupferpartikel ein interessanter Kandidat für den Ersatz von Silber sein können. Die für die Herstellung solcher Pulver verwendete Silbermenge beträgt 10 % des reinen Silbers, was sowohl die Kosten als auch den Silberverbrauch erheblich reduziert.
Mit silberbeschichteten Leiterbahnen auf Kupferbasis konnten industriell relevante Leitfähigkeiten bei niedrigen Temperaturen erreicht werden.



Fazit

Die umfangreichen Untersuchungen verschiedener Silber- und Kupferpartikel beim INM und die Formulierungen der einzelnen Partikel und Kombinationen der Partikel für Siebdruckpasten bei GSB zeigte, dass das Sinterverhalten sehr unterschiedlich ist. Bei den Sintertemperaturen zeigte sich ab einem bestimmten Temperaturpunkt, dass die Partikel nicht weiter gesintert werden können und das Maximum erreicht ist.
Das Ziel verschiedene Silberpartikel, die sich in der Struktur und Größe unterscheiden zu kombinieren und dadurch eine bessere Leitfähigkeit zu erzielen konnte nicht erreicht werden. Eine Reduzierung des Silberanteils für eine vergleichbare Leitfähigkeit war nicht gegeben, trotz Einsatz verschiedener Rohwaren in den Formulierungen.
Jedoch erreichten Schichten bestimmter Partikeltypen fast unabhängig von ihrem Durchmesser Leitfähigkeiten > 20% des theoretisch erreichbaren Wertes.

Das Ziel, eine umweltfreundliche Formulierung konnte dahingehend realisiert werden, dass keine Lösemittel eingesetzt wurden und die Grundbasis der Formulierung auf wasserbasierenden Rohwaren aufgebaut werden konnte. Das heißt, es wurden leitfähige Siebdruckpasten, die eine gute Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Sintertemperaturen aufweist, entwickelt.
Bei der Recyclingmethode wurde zuerst eine einfache Methode angewandt, die Silberpartikel mechanisch von Glas/Folie zu entfernen.
Es konnte aufgezeigt werden, dass die abgelösten Silberteile weiter leitfähig sind und in einer erneuten Formulierung wieder eingesetzt werden können.
Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass die recycelten Silberpartikel in einer neuen Formulierung dieselbe Leitfähigkeit wie die Originalpartikel besitzen.
Zusammengefasst konnte in diesem Projekt gezeigt werden, dass leitfähige Siebdruckpasten aus bestimmten Silber-Pulvern bei geringen Temperaturen zu gut leitfähigen Sichten versintert werden können. Diese Schichten sind Recyclingfähig: das Metall kann als Pulver zurückgewonnen und direkt wieder in Pasten formuliert werden.