Abschlussbericht Kapitel 1 bis 5 - Cleaner Production · 2015. 11. 13. · BarFil WR abgedeckt...

Abschlussbericht, FKZ 01RV0003

BMBF- Vorhaben: Metallisierungspasten (Phase 2)

Förderkennzeichen: 01RV0003

Teilvorhaben 3:

Siebe für wasserverdünnbare Pasten und deren Reinigung mit Wasser

Abschlussbericht

Berichtszeitraum: 01.10.2000 – 30.09.2002

Ausführende Stelle:

Koenen GmbH Maiglöckchenweg 8

85521 Ottobrunn

Projektleiter: Ralf Weber

Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 2

Inhaltverzeichnis Seite 1. Einleitung 4 2. Theorie 5 2.1 Beschreibung der Siebstrukturierung 5 2.2 Besonderheiten wasserfester Kopierschichten 7 3. Entwicklungsarbeiten (Arbeitspaket 7.6.1.) 8 3.1 Entwicklung von Sieben und Schablonen 8

3.1.1 Auswahl geeigneter Materialien und deren Wasserbeständigkeit, 8 Entschichtungsverhalten der Kopierschichten

3.1.1.1 Rahmenverklebungen 8

3.1.1.2 Filmsystem, Siebfüller, Hilfsmittel 8

3.1.2 Belichtungsversuche 10

3.1.2.1 Optimierung der Ausleuchtung des Belichtungsgerätes 10

3.1.2.2 Optimierung der Belichtungszeiten 11

3.1.2.3 Ermittlung der realisierbaren Strukturbreiten 12

3.1.2.4 Ermittlung von Vorhaltewerten 13

3.1.2.5 Verringerung der Grenzauflösung durch weitere 13 Belichtungsoptimierung

3.1.2.6 Belichtungsversuche mit einem Galliumbrenner 14

3.1.3 Untersuchung von Siebverzügen: 14 Einfluss der Rahmengröße und des Gewebetyps

3.1.4 Auftragshöhen der Pasten, Schichtdicke über Gewebe 15

3.2 Siebdrucktechnische Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen 17 Arbeitspaket (7.6.1.1)

3.2.1 Entwurf eines Testlayouts 17

3.2.2 Auswahl und Beschichtung der Drucksiebe 20

3.2.3 Optische Beurteilung der Beschichtung vor dem Drucken 20

3.2.4 Drucken der Testsubstrate 27

3.2.5 Optische Beurteilung der Siebbeschichtung nach dem Reinigen 30

3.2.6 Optische Beurteilung der Testdrucke 34

3.2.7 Messtechnische Auswertung der Testdrucke 44


3.3. Reinigung mit der Siebwaschanlage (Arbeitspaket 7.6.1.2) 48

3.3.1 Funktionsweise der Siebwaschanlage am Beispiel einer 48 Typ 355/Ex der Fa. Koenen

3.3.2 Entwicklung eines Universal-Waschkorbes 49

3.3.3 Reinigungsversuche 50

3.3.4 Beständigkeit der Materialien 51

3.4 Verwertung des Projektes (Arbeitspaket 7.6.1.3) 52

3.4.1 Präsentation des Projektes auf den Fachmesse 52 Productronica 2001 und SMT/Hybrid/Packaging 2002

3.4.2 Veröffentlichung eines Fachartikels 52

3.4.3 Vorstellung des Projektes als Gesamtkonzept auf der 52 Fachmesse SMT/Hybrid/Packaging 2002

3.4.4 Vorstellung wasserresistenter Siebe beim Kunden 53

3.4.5 Zusammenstellung der Werbeaktivitäten aller Projektpartner 53

3.4.5.1 Messeaktivitäten 53

3.4.5.2 Vorträge 53

3.4.5.3 Publikationen 54

3.4.5.4 Internet 54

3.4.6 Allgemeine Anmerkungen 54

4. Zusammenfassung 55

5. Anhang 56

5.1 Plakat zur Präsentation des Projektes auf Messen 56

5.2 Fachartikel EPP Oktober 2002 57

5.3 Vorstellung des Projektes als Gesamtkonzept 61


1. Einleitung Beim Siebdruck werden derzeit in allen Reinigungsvorgängen große Mengen organischer

Lösemittelgemische eingesetzt. Diese Stoffe sind gesundheitsgefährdend und auf Grund einer

hohen CO2-Emission beim Recycling umweltbelastend. Ziel des BMBF-Projektes war es, eine

umweltschonendere und wirtschaftlichere Lösung zu erarbeiten. Dabei wurde ein umfassendes

Konzept entwickelt, bei dem in allen Teilbereichen des Herstellungsprozesses gedruckter

Schaltungen Wasser verwendet wird.

Wenn Pasten und Farben auf Wasserbasis verwendet werden, wie z. B. im grafischen

Siebdruck zum Bedrucken von Stoffen, wurden die Siebe bisher mit Direktschichten strukturiert.

In der Elektronikindustrie werden an die Druckvorlagen in bezug auf Linienbreiten,

Schichtdicken und Kantenschärfe sehr viel höhere Qualitätsanforderungen gestellt, die mit

Direktschichten nicht zu realisieren sind. Es wurden geeignete Filmmaterialien, Kleber und

Hilfsmittel ausgewählt und auf Wasserbeständigkeit untersucht. Anschließend wurden die

Parameter der Siebbelichtung optimiert, da dieser Prozess den größten Einfluss auf die Sieb-

und somit auf die Druckqualität hat.

Bei den Versuchen mit der vom Fraunhofer IKTS hergestellten Silber-Palladiumpaste

FK 1205 W wurde eine Teststruktur mit unterschiedlichen Gewebe-Filmkombinationen gedruckt

und die Druckergebnisse unter Berücksichtigung auf Druckverhalten, Kantenschärfe der

Strukturen, Bahnbreiten und Reinigung der Siebe verglichen.

Eine bereits verfügbare Siebwaschanlage ist mit einem neu entwickelten Universalwaschkorb

ausgestattet worden und dem Fraunhofer Institut für Waschversuche mit Wasser zur Verfügung

gestellt worden.

Durch die Benutzung der Siebwaschanlage konnte die Materialienbeständigkeit analysiert und

die Fällung der Schwebstoffe zum Erhalt von Abwasser in Vorfluterqualität erreicht werden.

Zudem wurde ein Konzept für eine optimale Siebwaschanlage (3-Kammer-Waschanlage)

erarbeitet.

Das ausgereifte Projekt wurde auf Messen mit Plakaten und Flyern, mit Fachartikeln und bei

Gesprächen mit potentiellen Kunden vorgestellt.


2. Theorie 2.1 Beschreibung der Siebstrukturierung Für die Strukturierung der Siebdruckschablone wird der mit Edelstahl- oder Polyestergewebe

bespannte Siebdruckrahmen mit einem fotoempfindlichen Material beschichtet. Nach dem

Trocknen wird diese Beschichtung mit UV-Licht belichtet. Als Kopiervorlage dient ein Diapositiv.

Die belichteten Stellen härten aus, die unbelichteten Stellen bleiben wasserlöslich. Das Sieb

wird mit Wasser entwickelt. Die Strukturbereiche, durch die Paste gedruckt wird, werden dabei

geöffnet. Nach einem weiteren Trocknungsvorgang wird das Sieb kontrolliert, retuschiert und

nicht benötigte Strukturbereiche werden abgedeckt. Die Siebdruckschablone ist druckfertig.

Die einzelnen Arbeitsschritte werden nachfolgend genauer beschrieben.

Gewebevorbehandlung Um eine einwandfreie Beschichtung der Siebdruckgewebe zu gewährleisten, ist eine sorgfältige

Gewebepräparation erforderlich. Dabei werden Staub, Verunreinigungen und fettige

Rückstände entfernt. Die Gewebe müssen vollständig entfettet sein, um eine optimale Haftung

der Siebbeschichtung zu gewährleisten. Als Nebeneffekt wird für die kapillare

Beschichtungsmethode eine gute Oberflächenbenetzung und ein gleichmäßiger Wasserfilm

erzeugt.

Siebbeschichtung Zur Beschichtung werden lichtempfindliche Filme und Emulsionen eingesetzt. Sie haben die

gleiche chemische Zusammensetzung, jedoch wurde bei der Filmherstellung flüssige Emulsion

auf ein Trägermaterial aufgegossen und getrocknet.

In der Elektronikindustrie haben sich die Fotopolymer-Verbindungen als lichtempfindliche

Systeme durchgesetzt. Sie sind folgendermaßen aufgebaut:

Die lichtempfindliche Komponente SBQ (Stil-Bazole-Quarternized) ist im Bindemittel

Polyvinylalkohol (PVA) integriert. Beim Belichten mit UV-Licht (siehe Bild) werden die einzelnen,

losen Molekülketten chemisch miteinander verknüpft, die unbelichteten Bereiche bleiben

wasserlöslich. Beim Fotopolymer-System reagieren nur die belichteten Bereiche, wodurch eine

sehr hohe Kantenschärfe erreicht wird.

Die chemische Vernetzung erfolgt durch die im Molekül reagierenden Doppelbindungen sehr

schnell. Durch diese kurzen Belichtungszeiten wird der Unterstrahlungseffekt durch Streulicht

minimiert, was zu einer hohen Auflösung und Kantenschärfe führt.

Vorgang beim Belichten von

Fotopolymer-Verbindungen


Für den technischen Siebdruck kommen drei Beschichtungsmethoden zum Einsatz:

• Direktbeschichtung

Eine fotoempfindliche Emulsion wird auf das Gewebe direkt übertragen.

• Direkt-indirekte Beschichtung

Ein Siebdruckfilm wird mittels Emulsion auf das Gewebe laminiert. Beide Komponenten

müssen die gleiche Empfindlichkeit besitzen.

• Kapillarbeschichtung

Ein Siebdruckfilm wird auf das mit Wasser benetzte Gewebe aufgezogen.

Die direkt-indirekte Beschichtungsmethode ist zu bevorzugen, da sie optimal reproduzierbare

Schichtdicken liefert und damit hohe Standzeiten der Siebdruckschablonen erreicht werden.

Belichten Nach dem Beschichtungsvorgang mit anschließender Trocknung wird die fotoempfindliche

Beschichtung belichtet. Dazu wird ein Diapositiv im Maßstab 1:1 benötigt.

Beim Belichtungsvorgang erfolgt die chemische Vernetzung der Molekülketten.

Weitere Details sind im zweiten Zwischenbericht beschrieben.

Dimerisiertes PVA/SBQ

Zwei Molekülketten sind dreidimensional verknüpft


Entwickeln Der Entwicklung der belichteten Beschichtung erfolgt mit Wasser. Dabei werden die nicht

belichteten Strukturbereiche ausgewaschen. Dieser Vorgang erfolgt mit einem Hochdruckstrahl

(20-30 bar), damit keine Maschen durch Kopierschichtbestandteile geschlossen bleiben und eine

hohe Kantenschärfe erreicht wird. Das Sieb wird anschließend getrocknet.

Kontrolle, Retuschieren, Abdecken Jedes Sieb wird mit einem Mikroskop auf einem Leuchttisch kontrolliert.

Offene Stellen können mit Siebfüllern retuschiert werden. Nach der Kontrolle werden die Bereiche

der Siebdruckschablone, die nicht gedruckt werden sollen, mit einem Siebfüller vollständig

abgedeckt. Nach dem Trocknen ist das Sieb druckfertig.

Entschichten Bei Layoutänderungen können unbeschädigte Siebdruckschablonen entschichtet werden. Hierzu

wird auf das belichtete Sieb eine Entschichterlösung aufgetragen, die nach einer Einwirkzeit mit

Wasser abgespült wird. Das Gewebe bleibt erhalten, und es kann eine neue Siebdruckkopie

angefertigt werden.

2.2 Besonderheiten wasserfester Siebdruckschablonen Bei wasserfesten Fotopolymer-Verbindungen bestehen ca. 25% des Kunstharzanteils (PVA)

aus Polyvinylacetat (PVAc). Diese Komponente bewirkt die Wasserbeständigkeit. Da bei der

Belichtung jedoch nur 95% aller Bindungen verknüpft werden können, bleibt eine gewisse

Restsensibilität gegenüber Wasser bestehen. Durch einen Nachbelichtungsvorgang nach dem

Entwickeln und Trocknen können weitere 2% vernetzt werden. Durch eine chemische Härtung

mit Säure werden auch die restlichen freien Bindungen vernetzt, die Fotopolymerschicht ist

dann vollständig wasserresistent. Dabei wird die Schicht jedoch auch unentschichtbar.


3. Entwicklungsarbeiten (Arbeitspaket 7.6.1.) 3.1 Entwicklung von Sieben und Schablonen (Arbeitspaket 7.6.1.1) 3.1.1 Auswahl geeigneter Materialien und deren Wasserbeständigkeit, Entschichtungsverhalten der Kopierschichten 3.1.1.1 Rahmenverklebungen Bei der Herstellung von Siebdruckkopien kommen die Verklebungen nur kurz in Kontakt mit neutralem, leicht alkalischem oder saurem Wasser (Entwickeln, Entfetten, Entschichten). Gegen diese Bedingungen sind die im Hause Koenen verwendeten Kleber resistent. Da auch zum Reinigen der Siebe nur neutrales Wasser eingesetzt werden soll, können die bisher verwendeten Standardkleber weiter angewendet werden. Zum Schutz gegen aggressive alkalische Siebreiniger, die zur Reinigung von SMD-Metallschablonen entwickelt wurden, kann die Verklebung mit einem Schutzlack passiviert werden. Dieses Verfahren wird bei Koenen bereits erfolgreich praktiziert. Ablöseerscheinungen sind bei solchen Verklebungen von den Anwendern nicht zu beobachten. 3.1.1.2 Filmsystem, Siebfüller, Hilfsmittel In einem Auswahlverfahren fiel die Entscheidung für den Lieferanten für Materialien zum

Herstellen von wasserfesten Siebdruckkopien auf die Firma Barchem Chemieprodukte GmbH.

Sie verfügt über ein fundiertes, langjähriges Wissen in der Produktion und Anwendung von

Siebdruckmaterialien. Ihre Produkte sind seit Jahren am Markt erhältlich und bewährt.

Filmsystem Zum Einsatz kommt der Siebdruckfilm PolyCap HD binär, der für eine optimale Standzeit und

Wasserbeständigkeit im Beschichtungsverfahren direkt-indirekt mit der Übertragungsemulsion

BarCoat WT auflaminiert wird.

Der Film kann in folgenden Stärken geliefert werden: 20, 25, 40, 50, 70 µm.

Der Beschichtungsvorgang entspricht dem der lösemittelfesten Filmsysteme. Die Kantenschärfe

und Maschenüberquerung der so gefertigten Siebe erreichen den bekannten hohen

Qualitätsstandard. Das angestrebte Resultat der Wasserresistenz wurde erreicht. Das

druckfertige Sieb wurde 5 Stunden einem Wasserbad ausgesetzt, wobei keine Filmablösungen

beobachtet werden konnten. Auch während des gesamten Vorhabens zeigte kein Sieb, das


beim Fraunhofer IKTS und bei der Fachhochschule München eingesetzt wurde,

Ablöseerscheinungen der Beschichtung.

Wasserfeste, teilweise nachgehärtete Siebe (Säurehärtung) wurden bereits von einigen

Anwendern mit großem Erfolg getestet. Selbst beim Drucken von aggressiven Pasten (Wasser

in Kombination mit Kohlenwasserstoffgemischen) zeigte sich eine ausreichende Beständigkeit.

Härtemittel Für die oben beschriebene Säurehärtung kann der Härter WT verwendet werden, der aus

einem Mineralsäure-Alkoholgemisch besteht. Dieses Verfahren wird jedoch nur angewandt,

wenn die im Standardverfahren beschichteten Siebe nicht ausreichend beständig wären, da

durch diese Aushärtung ein Entschichtbarkeit ausgeschlossen wird. Zum Härten wird das Sieb

mit der Beschichtung nach unten 2 Minuten in eine mit Härtemittel gefüllte Wanne gelegt.

Anschließend werden die Gewebemaschen mit Druckluft freigeblasen und das Sieb bei 40°C

getrocknet.

Laminierlösung Die Filme lassen sich übereinander mit der Laminierlösung BarTix auflaminieren, die aus einer

wässerigen Lösung aus einwertigen Alkoholen und Netzmittel besteht und die Aufgabe hat,

einen gleichmäßigen Wasserfilm auf der Oberfläche zu erzeugen.

Auf diese Weise können auch Schichtdicken realisiert werden, die als Standardfilm nicht

erhältlich sind. Außerdem können mit diesem Verfahren auch dicke Siebe (z. B. 150 µm) für das

Bedrucken von Lotpaste in der SMD-Technik hergestellt werden.

Siebfüller Bereiche der Siebdruckschablone, die nicht gedruckt werden sollen, können mit dem Siebfüller

BarFil WR abgedeckt werden. Dieser besteht aus einer wässerigen Polyvinylalkohollösung mit

Zusätzen und ist physikalisch trocknend. Solche Siebfüller sind zu ca. 90% wasserfest. In

einem Versuch wurde ein Sieb über 5 Stunden einem Wasserbad ausgesetzt, ohne dass sich

der Siebfüller abgelöst hat, was für die geforderte Anwendung zufriedenstellend ist.

Für eine absolute Wasserbeständigkeit wird anstelle des Siebfüllers die Übertragungsemulsion

BarCoat WT aufgebracht, belichtet und bei Bedarf nachgehärtet.

Siebentschichter Die Filmmaterialien können, sofern sie nicht nachgehärtet wurden, mit der Entschichterlösung

BarSol entfernt werden. Diese besteht aus einer wässerigen Lösung von Perjodaten (starke

Oxidationsmittel). Die beim Belichten entstandenen Bindungen werden durch den

Entschichtungsvorgang aufgebrochen. Der Film kann mit Wasser abgewaschen werden.


Gegenüber herkömmlichen lösemittelfesten Filmmaterialien muss die Einwirkzeit deutlich

erhöht werden, eine vollständige Entschichtung (alle Maschen geöffnet) wird jedoch erreicht.

3.1.2 Belichtungsversuche 3.1.2.1 Optimierung der Ausleuchtung des Belichtungsgerätes Für sämtliche Versuche wurden die Siebdruckkopien mit dem Belichtungsgerät Variocop S

3500 der Firma Technigraf gefertigt, als Belichtungsquelle wurde ein eisendotierter Brenner

verwendet. Mit einem Belichtungsvorgang werden im Produktionsbetrieb häufig mehrere Siebe

gleichzeitig belichtet, um die gesamte Kopierfläche optimal auszunutzen. Deshalb ist beim

Belichten eine gleichmäßige Ausleuchtung über die gesamte Belichtungsfläche anzustreben.

Die Lichtintensität wurde mit einem UV-Integrator bestimmt. Durch dieses Messgerät erhält man

Messwerte die vom Belichtungsgerät (Lampenalterung, Lampenabstand) unabhängig sind.

Es wurden 5 Stellen auf einer Fläche von 80 x 60 cm2 gemessen. In der Mitte zeigte sich eine

Lichtintensität, die um den Faktor 2,3 höher lag als an den 4 Eckpunkten.

Um die Intensität in der Mitte zu verringern wurde über dem Reflektor eine ovale

Edelstahlblende (siehe Zeichnung), die an zwei Haltestangen befestigt ist, eingebaut. Diese

Blende deckt den Brenner vollständig ab. Eine erneute Messung ergab, dass die Lichtintensität

in der Mitte der Belichtungsfläche ca. 15% geringer ist als in den Randbereichen.

Diese Ausleuchtung ist ausreichend, da sie im Belichtungsspielraum von fotoempfindlichen

Materialien liegt.

Technische Zeichnung für die Montage der Ausleuchtungsblende


3.1.2.2 Optimierung der Belichtungszeiten

Prinzip Belichtungsversuch Die Belichtungszeit muss so gewählt werden, dass die Filmschicht eine ausreichende

mechanische Festigkeit aufweist. Zur Ermittlung der Belichtungszeit wird ein sogenannter

Belichtungskeil (siehe Bild) eingesetzt. Bei diesem Testdia ist an acht Punkten ein optischer

Filter aufgebracht, der eine unterschiedliche Belichtungsintensität bewirkt.

Ein vorbeschichtetes Sieb wird mit diesem Testdia belichtet. Als Belichtungszeiten werden für

diesen ersten Kopiervorgang bisherige Erfahrungswerte zugrunde gelegt. Nach dem

Auswaschen mit Wasser werden die entwickelten Punkte ausgewertet.

Ist die Belichtungsintensität optimal, ist mindestens Punkt 4 und maximal Punkt 5 einwandfrei

entwickelt. Bleiben Punkt 6 bis 10 auf dem Gewebe stehen, ist die Belichtungszeit zu lang,

bleiben nur Punkt 1 bis 3 stehen, ist sie zu kurz. Um die korrekte Belichtungszeit zu ermitteln,

wertet man das fertige Sieb aus und korrigiert die Belichtungszeit folgendermaßen:

• zu kurze Belichtung (Punkte 1, 2, 3)

Belichtungszeit wird mit Faktor 4 multipliziert und durch die Zahl des letzten entwickelten

Punkts dividiert

z. B. Belichtungszeit = 3 Minuten; Punkt 2 blieb stehen

neue Belichtungszeit = 3 Minuten x 4 ÷ 2 = 6 Minuten

• zu lange Belichtung (Punkte 6, 8, 10):

Belichtungszeit wird mit Faktor 5 multipliziert und durch die Zahl des letzten entwickelten

Punkts dividiert.

z. B. Belichtungszeit = 2 Minuten; Punkt 8 blieb stehen

neue Belichtungszeit: 2 Minuten x 5 = 10 ÷ 8 = 1,25 Minuten

Testdia zum Ermitteln der Belichtungszeit (Belichtungskeil)


Belichtungstabelle Für alle Filmstärken wurden die optimalen Belichtungszeiten wie oben beschrieben ermittelt.

Die Beschichtung der Filme erfolgte direkt-indirekt. Die Einstellung am Belichtungsgerät erfolgt

in Taktungen. 100 Taktungseinheiten entsprechen 50 mJ/cm².

Filmtyp HD binär Nenndicke in µm

Belichtungszeit in Taktungseinheiten

Energiedichte in mJ/cm²

20 3400 1700 25 4000 2000 40 7000 3500 50 10000 5000 70 15000 7500

3.1.2.3 Ermittlung der realisierbaren Strukturbreiten Werden die oben ermittelten Zeiten eingehalten, hat der Film die optimale mechanische

Festigkeit für den Siebdruckprozess. Soll jedoch die maximale Auflösung, z. B. für

Leiterbahnen, erzielt werden, müssen die realisierbaren Strukturbreiten bestimmt werden. Dazu

wird der Film nur so lange belichtet, dass die mechanische Festigkeit gerade noch zum

Auswaschen reicht. Bei Verwendung des Filmes HD binär wird diese Festigkeit bei 50 % der

vorher bestimmten Belichtungszeit erreicht. Mit einem Nachbelichtungsvorgang kann die

Filmschicht ausgehärtet werden. Bei dieser Art der Siebherstellung wird eine verminderte

Kantenschärfe gegenüber dem Standardprozess erreicht.



Strukturbreite in µm


Strukturbreite in µm

20 1700 80 850 70 25 2000 100 1000 90 40 3500 150 1750 150 50 5000 > 500 2500 > 500 70 7500 > 500 3750 > 500

Für die Ermittlung der realisierbaren Strukturbreiten bei Siebdruckfilmen von 50 und 70 µm

stand kein geeignetes Testlayout (Bahnen > 500 µm) zur Verfügung. Diese Filmstärken werden

üblicherweise nur zum Strukturieren größerer Flächen eingesetzt, bei denen Toleranzen

unkritisch sind. Bei entsprechendem Anwendungsfall müssen diese Messwerte ermittelt

werden.


3.1.2.4 Ermittlung von Vorhaltewerten Beim Belichten der Filme kommt es vor allem mit zunehmender Belichtungszeit zu

Unterstrahlungseffekten. Dadurch sind die Bahnbreiten auf dem druckfertigen Sieb immer

schmaler als auf der Diavorlage. Dem kann entgegengewirkt werden, indem bei der Herstellung

des Dias ein Vorhaltewerte eingerechnet wird, der von der Belichtungszeit abhängt.

Folgende Vorhaltewerte wurden ermittelt:



Vorhaltewertin µm


Vorhaltewert in µm

20 3400 25 1700 10 25 4000 20 2000 10 40 7000 10 3500 10 50 10000 5000 70 15000 7500

Wie im vorhergehenden Kapitel bereits beschrieben stand für die Ermittlung der Vorhaltewerte

für Siebdruckfilme von 50 und 70 µm kein geeignetes Testlayout (Strukturen > 500 µm) zur

Verfügung. Bei entsprechendem Anwendungsfall müssen diese Werte ermittelt werden.

3.1.2.5 Verringerung der Grenzauflösung durch weitere Belichtungsoptimierung Der Filmtyp HD 20 ist der dünnste in der Produktlinie und wird für die Realisierung feinster

Strukturen eingesetzt. Bei diesen Versuchen sollte die Grenzauflösung weiter gesenkt werden.

Die bereits ermittelte Belichtungszeit betrug 1700 mJ/cm2 (= 3400 Taktungseinheiten). Sie

konnte auf 1400 mJ/cm2 gesenkt werden, wodurch sich die Grenzauflösung von 70 µm auf 60

µm reduzierte. Durch diese neuen Belichtungszeiten werden die Strukturen auf dem Sieb nur

mit geringen Abweichungen gegenüber dem Dia abgebildet, Vorhaltewerte bei der Diaerstellung

können entfallen. Folgende Tabelle zeigt die gemessenen Strukturbreiten mit den

dazugehörigen Sollwerten und die erzielten Schichtdicken über Gewebe. Für diesen Versuch

wurde das Testlayout der FH München mit unterschiedlichen Bahnbreiten verwendet.

Sieböffnung in µm Gewebetyp

Soll 255 Soll 115 Soll 60

Dicke über Gewebe in

µm VA 400-0,018 252 115 59 11,0 VA 350-0,020 255 115 60 8,0 VA 325-0,030 255 114 60 8,5 VA 325-0,024 255 114 57 8,0 VA 250-0,040 253 110 52 0 3.1.2.6 Belichtungsversuche mit einem Galliumbrenner


Um die Siebqualität, d. h. vor allem die Kantenschärfe und das Auflösungsvermögen, zu

verbessern, wurden Belichtungsversuche mit einem neuen Belichtungsgerät durchgeführt.

Dieses Gerät ist mit einem Kombinationsbrenner ausgestattet, der gallium- und eisendotiert ist.

Die Filme wurden mit den unter Kapitel 3.1.2.2 ermittelten Lichtmengen belichtet. Dabei zeigt

sich, dass die Belichtungszeiten für ein optimales Ergebnis deutlich zu lang sind. Der

Lichtmengenmesser kann das Lichtwellenspektrum des Gallium-/Eisenbrenners nicht in allen

Bereichen messen, was zu einer ungenauen Anzeige der Belichtungstaktung führt. Alle

Belichtungszeiten müssten aus diesem Grund vollkommen neu ermittelt werden. Das Verfahren

mit dem Belichtungskeil zeigt sich ebenfalls als nicht geeignet. Wenn von einer optimalen

Belichtungsintensität bei einem entwickelten Punkt 4 ausgegangen wird, würde bei Verwendung

eines gallium- und eisendotierten Kombibrenners eine Überbelichtung eines gängigen Layouts

erfolgen, d.h. nur Leiterbahnen mit einer Breite von ≥ 200 µm lassen sich entwickeln. Die

Belichtungsversuche mussten deshalb mit einem Testlayout, auf dem Bahnen mit

unterschiedlichen Breiten und in unterschiedlichen Winkellagen angebracht sind, durchgeführt

werden. Das Ergebnis wurde mit Hilfe eines Mikroskops beurteilt. Nach umfangreichen

Belichtungsversuchen hat sich gezeigt, dass der hier getestete Brennertyp vollkommen

ungeeignet für Filme des Typs HD binär ist. Kantenschärfe, Auflösungsvermögen und

mechanische Festigkeit waren deutlich schlechter als bei den Sieben, die mit einem

eisendotierten Brenner belichtet wurden. Es konnten keine geeigneten Belichtungszeiten

gefunden werden, um ein Sieb von optimaler Qualität herzustellen.

3.1.3 Untersuchung von Siebverzügen: Einfluss der Rahmengröße und des Gewebetyps Die für das Projekt beantragte Messmaschine der Fa. Siemens erwies sich als technisch

ungeeignet. Eine alternative Messmaschine konnte für dieses Projekt aufgrund der extremen

Kostensteigerung nicht beschafft werden. Außerdem wäre eine Lieferung bis Ende des

Projektes nicht mehr möglich gewesen. Der Siebverzug war im Rahmen dieses Projektes

außerdem irrelevant, da Multilayer-Schaltungen in LTCC-Technik, die extrem hohe

Genauigkeiten (Siebtoleranzen von +/- 10 µm) erfordern, nicht hergestellt wurden.


3.1.4 Auftragshöhen der Pasten, Schichtdicke über Gewebe Das theoretische Farbvolumen Vth (siehe Bild) ist das Volumen der offenen Gewebemaschen,

umgerechnet auf die Substratfläche. Vor allem in der grafischen Anwendung dient es zur

Ermittlung des Pastenverbrauchs (cm³) pro Fläche (m²). Es berechnet sich folgendermaßen:

Entsprechend gibt das theoretische Farbvolumen auch die theoretisch zu druckende

Nassschichtstärke einer Siebdruckpaste in µm an, die mit einem bestimmten Gewebe,

kombiniert mit einem Siebdruckfilm, erzielt werden kann. In Abhängigkeit von der zu

druckenden Strukturbreite, bei der es sich um einen Erfahrungswert handelt, kann die

Nassschichtstärke folgendermaßen errechnet werden:

• Strukturbreiten > 4 mm

Die Nassschichtstärke hängt hier nur vom Gewebeparameter ab, da bei diesen

Strukturbreiten der Siebdruckfilm nicht als Abstandshalter zwischen Substrat und Gewebe

dient und somit keinen Einfluss auf den Pastenauftrag hat.

z. B. Gewebe 325 mesh, Draht-Ø 0,030 mm

Vth des Gewebes 25 cm³/m² = theoretische Nassschichtstärke 25 µm

• Strukturbreiten < 1 mm

Die Nassschichtstärke hängt zusätzlich noch von der Beschichtungsstärke über dem

Gewebe ab, da der Siebdruckfilm als Abstandshalter wirkt.

z. B. Gewebe 325 mesh, Draht-Ø 0,030 mm, Beschichtung mit Filmstärke 25 µm

Vth des Gewebes 25 cm³/m² + Schichtstärke über Gewebe 13 µm

= theoretische Nassschichtstärke 38 µm

• Strukturbreiten > 1 mm < 4 mm

In diesem Bereich kann die Nassschichtdicke nicht genau berechnet werden.

In Abhängigkeit von den Druckparametern (Rakeldruck, Rakelhärte) wirkt der Film nur in

den Randbereichen als Abstandshalter, in der Mitte der zu druckenden Struktur hat nur das

Gewebe einen Einfluss auf die Pastenauftragsstärke. Hohe Filmaufbauten sollten

vermieden werden, da dies zu inhomogenen Nassschichtstärken im Randbereich

(Randwülsten) führt.

w 2 Vth [cm³/m²] = ( w+d ) x D

w, d, D in µm

Bild 7 Berechnung des theoretischen Farbvolumens


Schichtdicke über Gewebe in µm Filmtyp HD binär - direkt-indirekt in µm Gewebetyp

20 25 40 50 70 VA 400-0,018 11,0 15,0 VA 350-0,020 8,0 14,0 VA 325-0,030 8,5 14,5 29 VA 325-0,024 8,0 13,5 VA 280-0,025 9,0 15,0 31,0 45,0 67,0 VA 270-0,036 5,0 11,0 VA 250-0,040 0 3,5 22,0 38,5 VA 200-0,040 0 3,0 21,0 34,0 VA 165-0,050 0,5 18,0 33,0 VA 80-0,065 30,0 50,0 VA 80-0,065 - 2 Filme 87,0 VA 80-0,065 - 3 Filme 142,0

Die praktisch erzielbare Pastenauftragshöhe wurde nicht untersucht. Diese ist stark vom

Druckbild (Layout) abhängig und kann somit nur bei der Herstellung einer konkreten

elektrischen Schaltung ermittelt werden.


3.2 Siebdrucktechnische Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen (Arbeitspaket 7.6.1.1) Die siebdrucktechnische Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen erfolgte mit der

Silber-Palladium-Siebdruckpaste FK 1205 W des Fraunhofer IKTS. Dabei wurde sowohl das

Druckverhalten der Paste als auch die Qualität und Wasserbeständigkeit der Siebe beim Druck

näher untersucht. Diese Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule

München (FHM) durchgeführt.

Die Arbeiten zur siebdrucktechnischen Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen

gliederten sich wie folgt:

• Entwurf eines Testlayouts

• Auswahl und Beschichtung der Drucksiebe

• Optische Beurteilung der Siebbeschichtung vor dem Drucken

• Drucken von Testsubstraten

• Optische Beurteilung der Siebbeschichtung nach dem Reinigen

• Optische Beurteilung der Testdrucke

Die entworfene Teststruktur wird nachfolgend näher beschrieben. Die Auswahl der Siebe wurde

von Herrn Kieninger (technischer Leiter des Labors Mikroelektronik / Technologie der FHM) und

Herrn Weber (Projektleiter Firma Koenen) gemeinsam getroffen. Dabei wurde ein besonderes

Augenmerk auf die Verwendung der AgPd-Paste FK 1205 W des Fraunhofer Instituts IKTS

gelegt. Die AIN-Substrate wurden von der Firma ANCeram zur Verfügung gestellt. Die Siebe

wurden von der Firma Koenen mit einer direkt-indirekten Beschichtung hergestellt: Film Polycap

HD binär, Emulsion BarCoatWT.

Alle weiteren Versuche wurden im Labor Mikroelektronik / Technologie der FHM durchgeführt.

Die Arbeitsergebnisse wurden von Herrn Kieninger ausgewertet und beurteilt.

3.2.1 Entwurf eines Testlayouts Beim Entwurf des Testlayouts wurde besonders auf die Abbildungsgenauigkeit unterschiedlich

breiter Leiterbahnen geachtet. Zudem sollte die Auflösung von Leiterbahnen unterschiedlicher

Winkellagen in bezug auf den Fadenwinkel des Siebes berücksichtigt werden. Bild 1 zeigt das

Testlayout im Maßstab 1:1. Der Druck erfolgte auf Substrate der Größe 2“x2“.


Bild 1: Testlayout für Leiterbahndruck

Teststruktur „Dreieck“

In der Dickschicht-Hybridtechnik werden Leiterbahnstrukturen normalerweise parallel zu den

Substratkanten gelegt. Da in der Regel Siebe mit einem Fadenwinkel von 45° eingesetzt

werden, liegen horizontale und vertikale Strukturen dann immer unter dem gleichen Winkel zu

den Maschen des Siebes. Mit der entworfenen Dreiecksstruktur lässt sich gleichzeitig eine

Abbildung von Linien parallel zum 45° Fadenwinkel des Siebes beurteilen.

Bereich FBereich E

Bereich CBereich BBereich A

Bereich G

Bild 2 : Detaildarstellung der Teststruktur “Dreieck”

Bereich

ABCDEFG

Bahnbreite Bahnabstand

200µm 200µm250µm 250µm

150µm 150µm125µm 125µm100µm 100µm80µm 120µm60µm 140µm

Tabelle 1 : Sollbreiten und Sollabständeder Teststruktur “Dreieck”

Teststruktur „Kreise“

Gerade für Hochfrequenzanwendungen werden häufig kreisförmige Leiterbahnstrukturen

benötigt. Dabei stellt sich bei der Siebstrukturierung primär das Problem von maschen-

querenden Strukturen sehr unterschiedlicher Größe zwischen freier Fläche im Sieb und

strukturiertem Bereich der Masche des Siebes.

Zur Beurteilung wurde die Teststruktur „Kreise“ entworfen, die in Bild 3 gezeigt wird. Tabelle 2

beschreibt Leiterbahnbreite und -abstand.


Bild 3 : Detaildarstellung der Teststruktur “Kreise”

Bereich Bahnbreite Bahnabstand

A 200µm 200µm

B 150µm 150µm

C 125µm 125µm

D 100µm 100µm

E 60µm 140µm

Tabelle 2 : Sollbreiten und Sollabständeder Teststruktur “Kreise”

Teststruktur „Stern“

Um die Qualität der Abbildung von Leiterbahnstrukturen in Hinblick auf den Fadenwinkel des

Siebes korrekt beurteilen zu können, wurden sternförmig angeordnete Leiterbahnzüge

entworfen. Dabei liegen die einzelnen Leiterbahnzüge jeweils in einem Winkel von 15°

zueinander.

Bild 4 zeigt die Zuordnung, Tabelle 3 beschreibt die Bahnbreiten

Bild 4 : Detaildarstellung der Teststruktur “Stern” Tabelle 3 : Sollbreiten und Sollabständeder Teststruktur “Stern”

Bereich Bahnbreite

A

200µm

B

150µmC

125µmD

100µm

E

80µm

Teststruktur „Vias“

Häufig müssen in einer großen geschlossen gedruckten Fläche kleine Aussparungen,

sogenannte Vias, realisiert werden, die z.B. eine Durchkontaktierung zwischen zwei

Leiterbahnebenen ermöglichen. Diese Aufgabe stellt sich zwar häufig beim Drucken von

Isolationsschichten, nicht aber bei der Verarbeitung von Leiterbahnpasten. Um diese

Druckproblematik dennoch im Hinblick auf die Qualität der getesteten Siebstrukturierung

beurteilen zu können, wurde die Teststruktur „Vias“ entworfen, die in Bild 5 im Detail dargestellt

ist. Tabelle 4 beschreibt die Größe der Vias.


Bereich Viagröße

A

B

C

D

E

F

500µm

400µm

300µm

250µm

200µm

150µm

Bild 5 : Detaildarstellung der Teststruktur “Vias” Tabelle 4 : Sollbreiten und Sollabständeder Teststruktur “Vias”

3.2.2 Auswahl und Beschichtung der Drucksiebe

Die Testdrucke wurden auf Substraten der Größe 2“x2“ durchgeführt. Als Richtwert sollte ein

Drucksieb so gewählt werden, dass die Siebbreite mindestens zweimal der Substratbreite und

die Sieblänge mindestens dreimal der Substratlänge entspricht. Deshalb wurde der Rahmen

Typ-2 (10“x8“) der Firma Koenen. verwendet.

Als Gewebetypen wurden ausgewählt:

Gewebefeinheit Drahtdurchmesser Bespannungswinkel

Sieb I 325 mesh 0,030 mm 22,5°

Sieb II 350 mesh 0,020 mm 45°

Sieb III 400 mesh 0,018 mm 45°

Alle Drucksiebe wurden einheitlich beschichtet. Als Siebbeschichtungsverfahren wurde die

direkt-indirekte Methode angewandt. Es wurde eine Filmstärke von 20 µm verwendet.

3.2.3 Optische Beurteilung der Siebbeschichtung vor dem Drucken

Alle Drucksiebe wurden vor dem Druck optisch beurteilt, wobei besonderes Augenmerk auf die

Qualität der Abbildungsgenauigkeit und die Maschenquerung der Strukturen gelegt wurde. Teile

der Siebstrukturierung wurden mittels eines Messmikroskops vermessen und fotografiert.

Nachfolgend werden die Ergebnisse an Hand der Bilder beurteilt:


Sieb I (325 mesh –0,040 mm D-Ø x 22,5°):

Bild 6: Sieb I – Teststruktur „Dreieck“

Bild 6 zeigt den inneren Bereich der Teststruktur “Dreieck”. Dabei liegt die Linienbreite der

Struktur im Bereich der Maschenweite des Gewebes. Trotzdem wurde eine einwandfreie

Siebstrukturierung erreicht. Maßabweichungen im Bereich < 20 µm resultieren zum einen aus

einer Kantenunschärfe des verwendeten Dias und zum anderen aus Streubelichtungseffekten

bei der Siebbelichtung.

Bild 7: Sieb I – Teststruktur „Kreis“ Bahnbreite/Bahnabstand 125 µm/125 µm


Bild 8: Teststruktur „Kreis“ - Teststruktur „Kreis“ Bahnbreite/Bahnabstand 60 µm/140 µm

Die Maschenquerung bei den kreisförmigen Strukturen ist ausgezeichnet. Die Abbildungsfehler

liegen in der selben Größenordnung wie bei den Bahnen der Dreiecksstruktur. Im Bild 8 ist

deutlich zu sehen, dass einzelne Öffnungen der runden Bahnen kleiner als die Maschenweite

sind.

Bild 9: Sieb I - Teststruktur „Stern“ Bahnbreite 100 µm


Bild 10: Sieb I - Teststruktur „Stern“ Bahnbreite 200 µm

Bei der Teststruktur „Stern“ interessierte vor allem der innere Bereich des Sterns. In diesem

Bereich laufen die einzelnen Bahnen so zusammen, dass zwischen den Bahnen „spitze“ Keile

entstehen. Diese spitz auslaufenden Strukturen finden im Gewebe nur sehr wenig Halt. Die

Bilder 9 und 10 zeigen sehr schön die Qualität der Siebstrukturierung dieser Problembereiche.

Bild 11: Sieb I – Teststruktur „Vias“ Größe 400 µm


Bild 12: Sieb I – Teststruktur „Vias“ Größe 150 µm

Gute Ergebnisse wurden bei den Vias der Größe 500 µm und 400 µm erzielt. Im Bereich 300

µm und 250 µm sind die Ergebnisse noch befriedigend, im Bereich < 250 µm lassen die

Ergebnisse keine reproduzierbaren Druckergebnisse erwarten.

Auf Bild 11, das Vias der Größe 400 µm zeigt, ist deutlich zu sehen, dass mehrere Maschen

geschlossen wurden und die Kante der Siebstrukturierung noch gut erkennbar ist.

Auf Bild 12, das mehrere Vias mit der Sollgröße 150 µm zeigt, ist deutlich zu sehen, dass die

vorgegebene quadratische Geometrie des Vias nicht erreicht werden konnte.

Ebenso wie Sieb I wurden auf die Siebe II und III ausgewertet.

Auffallend dabei war, dass der in der Fachliteratur vielfach beschriebene Zusammenhang

zwischen Linienauflösung und Feinheitsgrad des Gewebes nicht in dem Maße ausgeprägt

erkennbar war, wie dies erwartet wurde. Um dies zu verdeutlichen werden die selben

Strukturen der Siebe I, II und III im direkten Vergleich gezeigt.

Bild 13: Sieb I – Teststruktur „Kreis“ Bahnbreite/Bahnabstand 100 µm/100µm


Bild 14: Sieb II – Teststruktur „Kreis“ Bahnbreite/Bahnabstand 100 µm/100µm

Bild 15: Sieb III – Teststruktur „Kreis“ Bahnbreite/Bahnabstand 100 µm/100µm

Zwar ist auf den Bildern 13,14 und 15 klar zu erkennen, dass mit zunehmendem Feinheitsgrad

des Siebgewebes die Größe der offenen Siebfläche zunimmt, die optische Qualität der

Siebstrukturierung aber gleichbleibend gute Ergebnisse aufweist.

Nachfolgend werden Bilder von Ausschnitten der Siebbeschichtung, aufgenommen mit 100-

facher Vergrößerung, gezeigt. Diese Bilder verdeutlichen, mit welcher Kantenschärfe die

Strukturen erzeigt wurden und mit welch guter Qualität die Maschenquerung erreicht wurde.

Bild 16: Sieb III – Innere Linien (60 µm) der Struktur „Dreieck“


Bild 17: Sieb III – Struktur „Kreis“

Bild 18: Sieb III – Struktur „Kreis“

Bild 19: Sieb III – Struktur „Stern“


Bild 20: Sieb III – Struktur „Vias“

3.2.4 Drucken der Testsubstrate

Es wurden mehrere Testreihen mit den Sieben I, II und III durchgeführt.

Dabei wurden insgesamt ca. 300 Testsubstrate bedruckt.

Testdrucke mit Sieb I (325 mesh – 0,030 mm D-Ø x 22,5°)

Ziel der Testreihe:

• Druckverhalten bei unterschiedlichen Siebdruckparametern

• Wiederholgenauigkeit beim Siebdruck

• Untersuchung der Veränderung der Drucke bei mehrmaligem Reinigen der Siebe

Substrat- Substrat- Absprung Rakel- nummer material geschwindigkeit

1.1/1.2 AIN 500 µm 15 mm / s

1.3/1.4 AIN 550 µm 20 mm / s

1.5/1.6 AIN 600 µm 25 mm / s

1.1…1.5 AL2O3 500 µm 15 mm / s

1.6…1.10 AL2O3 550 µm 20 mm /s

1.11…1.15 AL2O3 600 µm 25 mm /s

Es erfolgte die erste Reinigung des Siebes.

2.1...2.5 AL2O3 500 µm 15 mm / s

2.6…2.10 AL2O3 550 µm 20 mm / s

2.11…2.15 AL2O3 600 µm 25 mm / s


Es erfolgte die zweite Reinigung des Siebes.

3.1..3.5 AL2O3 500 µm 15 mm / s

3.6..3.10 AL2O3 550 µm 20 mm / s

3.11…3.15 AL2O3 600 µm 25 mm / s

Es erfolgte die dritte Reinigung des Siebes.

4.1..4.5 AL2O3 500 µm 15 mm / s

4.6…4.10 AL2O3 550 µm 20 mm / s

4.11…4.15 AL2O3 600 µm 25 mm / s

Es erfolgte die vierte Reinigung des Siebes.

5.1..5.5 AL2O3 500 µm 15 mm / s

5.6…5.10 AL2O3 550 µm 20 mm / s

5.11…5.15 AL2O3 600 µm 25 mm / s

Es erfolgte die fünfte Reinigung des Siebes.

Die Aufnahmen zur Beurteilung der Siebstrukturierung nach dem Reinigen wurden alle nach der

fünften Reinigung ausgemacht. Diese werden im Kapitel „Beurteilung der Siebbeschichtung

nach dem Reinigen“ diskutiert.

Testdrucke mit Sieb II (350 mesh – 0,020 mm D-Ø x 45°)

Ziel der Testreihe:


• Verhalten des Drucksiebes und der Paste bei hoher Rakelgeschwindigkeit


1.1/1.2 AIN 600 µm 15 mm / s

1.3/1.4 AIN 600 µm 20 mm / s

1.5/1.6 AIN 600 µm 25 mm / s

1.7/1.8 AIN 600 µm 30 mm / s

1.9./1.10 AIN 600 µm 34 mm / s 1.11/1.12 AIN 600 µm 38 mm / s


Substrat- Substrat- Absprung Rakel- nummer material geschwindigkeit 1.1/1.2 AL2O3 600 µm 15 mm / s

1.3/1.4 AL2O3 600 µm 20 mm / s

1.5/1.6 AL2O3 600 µm 25 mm / s

1.7/1.8 AL2O3 600 µm 30 mm / s

1.9/1.10 AL2O3 600 µm 34 mm / s

1.11/1.12 AL2O3 600 µm 38 mm / s

Testdrucke mit Sieb III (400 mesh – 0,018 mm D-Ø x 45°)

Ziel der Testreihe:


• Druckverhalten der Paste nach längeren Pausen

• Reinigungsergebnis des Siebes bei eingetrockneter Paste


1.1/1.2 AIN 750 µm 15 mm / s

1.3/1.4 AIN 750 µm 20 mm / s

1.5/1.6 AIN 750 µm 25 mm / s

1.1…1.5 AL2O3 750 µm 15 mm / s

1.6…1.10 AL2O3 750 µm 20 mm / s

1.11…1.15 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die erste Druckpause (Dauer 1 Minute) P1.1...P1.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die zweite Druckpause (Dauer 2 Minuten) P2.1...P2.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die dritte Druckpause ( Dauer 3 Minuten) P3.1...P3.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die vierte Druckpause (Dauer 5 Minuten) P5.1...P5.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die fünfte Druckpause ( Dauer 10 Minuten) P10.1...P10.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

Es erfolgte die sechste Druckpause ( Dauer 15 Minuten)


P15.1...P15.5 AL2O3 750 µm 25 mm / s

3.2.5 Optische Beurteilung der Siebbeschichtung nach dem Reinigen

Nach dem Drucken der Testsubstrate wurden die Drucksiebe gereinigt. Die Siebreinigung

erfolgte von Hand. Dabei wurde zuerst die nicht verarbeitete Paste mit Hilfe einer Handrakel

grob aus dem Sieb entfernt. Die verbleibenden Pastenreste wurden mit Wasser angelöst und

mit Papiertüchern aus dem Gewebe entfernt. Dieser Vorgang wurde mehrfach wiederholt. Am

Ende wurde das Sieb noch mit einem starken Wasserstrahl ausgewaschen. Dieses

abschließende Waschen des Siebes entsprach in etwa dem Prozess der Siebentwicklung bei

der Strukturierung der Drucksiebe.

Um die Ergebnisse beurteilen zu können wurden Aufnahmen mit Hilfe eines Mikroskops mit

Fotoeinrichtung gemacht. Dabei wurde eine 100-fache Vergrößerung gewählt, um so eventuell

im Sieb befindliche Pastenreste erkennen zu können.

Bild 21: Sieb III – Leiterbahnstruktur Breite 60 µm nach der 5. Reinigung

Die Paste wurde restlos aus dem Drucksieb entfernt. Es konnten keine Ablösungen der

Siebbeschichtung im Bereich Teststruktur „Dreieck“ festgestellt werden. Die Kantenschärfe ist

unverändert gut.


Bild 22: Sieb III – Ausschnitt Bahnbreite/Bahnabstand 100 µm/100 µm nach dem Eintrocknen der Paste

Bild 23: Sieb III – Teststruktur „Stern“ Bahnbreite 125 µm nach der 5. Reinigung

Im inneren Bereich des Testlayouts „Stern“ ergeben sich durch die sternförmig

zusammenlaufenden Leiterbahnen sehr spitz zulaufende Teile der Siebstrukturierung. Selbst

nach mehrmaligem Reinigen des Drucksiebes ergeben sich nur minimale Ablösungen, die nur

unwesentlich größer sind als vor Beginn des Druckes.


Bild 24: Teststruktur „Kreise“ nach der 5. Reinigung

Bild 25: Teststruktur „Kreise“ nach dem Eintrocknen der Paste

Unabhängig davon, ob mehrmals gereinigt wurde oder die Paste bereits eingetrocknet war,

konnten die Kreisstrukturen vollständig gereinigt werden, ohne dass die Siebbeschichtung

beschädigt wurde. Die Paste ließ sich selbst aus den durch die maschenquerende

Siebstrukturierung entstehenden sehr kleinen Öffnungen im Sieb vollständig entfernen.


Bild 26: Teststruktur „Vias“ nach der 5. Reinigung

Bild 27: Teststruktur „Vias“ nach der 5. Reinigung

Wie schon bei den anderen Teststrukturen ergaben sich auch im Bereich der „Vias“ sehr gute

und zufriedenstellende Ergebnisse bei der Siebreinigung.


3.2.6 Optische Beurteilung der Testdrucke

Von den rund 300 gedruckten Testsubstraten wurden alle einer groben optischen Kontrolle

unterzogen. Diese Kontrolle wurde durchgeführt um alle die Druckfehler zu finden, die allein mit

dem bloßen Auge erkennbar sind. Auf den ALN-Substraten zeigte sich diese Kontrolle

schwieriger als auf den AL2O3--Substraten, da der Kontrast zwischen Leiterbahn und Substrat

bei ALN geringer ist.

Von einer Vielzahl von Substraten wurden Mikroskopaufnahmen gemacht. Alle Bilder sind im

Anhang „Bildkatalog“ zusammengestellt. An Hand einzelner ausgewählter Bilder werden die

Ergebnisse der optischen Beurteilung nachfolgend erörtert:

Bild 28: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Dreieck“

Bild 28 zeigt das erste gedruckte Testsubstrat. Dabei liefern die Leiterbahnen im inneren

Bereich der Dreieckstruktur zusammen (siehe gekennzeichneter Bereich A). Dieser Druckfehler

trat ausschließlich bei diesem Substrat auf. Bei keinem weiteren Testsubstrat kam es zu

Kurzschlüssen zwischen den Leiterbahnen im Bereich „Dreieck“. Auffällig sind weiterhin die

Verdickungen der Leiterbahnen in dem mit „B“ gekennzeichneten Bereich. Dieser Effekt ist zum

einen auf nicht optimale Druckparameter, zum anderen auf einen Maschinenfehler

zurückzuführen.


Bild 29: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Bild 30: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Kreis“ Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Kreis“

Bild 31: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Kreis“

Die Bilder 29,30 und 31 zeigen Ausschnitte aus der Teststruktur „Kreis“. Dabei betragen die

Sollbahnbreiten und Sollbahnabstände im Bild 29 150 µm, im Bild 30 100 µm und im Bild 31

60 µm/140 µm. Sehr gut ist zu sehen, dass die Leiterbahnzüge vollständig gedruckt sind und

die Leiterbahnen nicht zusammen gelaufen sind. Allerdings ist im Bild 30 zu sehen, dass das

Verlaufen der Paste zu einer erheblichen Abnahme des Sollabstandes geführt hat. Damit ist

etwa die Grenze der Auflösung erreicht. Im Bild 31 ist gut zu sehen, dass selbst sehr schmale

Leiterbahnen (60 µm) als durchgängiger Leiterbahnzug gedruckt werden können.


Bild 32: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Bild 33: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Stern“ Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Stern“

Bild 34: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Stern“

Die Bilder 32,33 und 34 zeigen Ausschnitte aus der Teststruktur „Stern“. Dabei betragen die

Sollbahnbreiten im Bild 32 200 µm, im Bild 33 100 µm und im Bild 34 80 µm.

Alle Leiterbahnzüge sind vollständig gedruckt. Optisch sind nur sehr geringfügige Unterschiede

bei der Abbildung der Leiterbahnzüge zu erkennen. Der Einfluss der Lage der Bahnen in Bezug

zum Fadenwinkel des Siebs ist unerheblich. Auch der Innenbereich der Teststruktur wird gut

abgebildet.


Bild 35: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Vias“


Die Bilder 35 und 36 zeigen Ausschnitte der Teststruktur „Vias“. Dabei beträgt die Sollgröße

des Vias im Bild 35 500 µm und im Bild 36 300 µm. Die Vias in Bild 35 sind vollständig geöffnet

und in der vorgegebenen quadratischen Form gut abgebildet. Im Bild 36 ist zu sehen, dass die

Vias zuzulaufen beginnen. Die Abbildung ist nicht mehr klar als Quadrat zu erkennen.




Die Bilder 37 und 38 zeigen Ausschnitte der Teststruktur „Vias“. Dabei ist die Sollgröße der Vias

in Bild 37 250 µm und in Bild 38 200 µm. Auf Bild 37 ist zu sehen, dass die Vias fast bis

vollständig zugelaufen, in Bild 38 zeigt sich, dass so gut wie keine Öffnung der Vias mehr

erreicht werden konnte. Die Grenze der Viaauflösung ist bei etwa 300 µm erreicht.

Nachfolgend ist der Vergleich von Testsubstraten nach wiederholtem Reinigen des Drucksiebes

zu sehen. Dabei werden immer die selben Ausschnitte betrachtet.


Bild 39: Testsubstrat AL2O3 Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Dreieck“




Bild 44: Testsubstrat AL2O3 Nummer 1.1 - Bild 45: Testsubstrat AL2O3 Nummer 2.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“ Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“

Bild 46: Testsubstrat AL2O3 Nummer 3.1 - Bild 47: Testsubstrat AL2O3 Nummer 4.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“ Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“


Bild 48: Testsubstrat AL2O3 Nummer 5.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“

Die Ergebnisse zeigen, dass mehrmaliges Reinigen des Drucksiebes keine Veränderung der

Qualität des Druckbildes zur Folge hat. Die Abbildung der Leiterbahnstrukturen ist in allen

Fällen als gut zu bewerten. Die in Bild 46 mit „A“ gekennzeichnete Fehlstelle im Druckbild ist

nicht auf einen Fehler in der Siebbeschichtung zurückzuführen, sondern auf ein Schmutzteil.

Als Ergebnis lässt sich der Schluss sehr gut belegen, dass die Siebbeschichtung mehrmaliges

Reinigen schadlos aushält.

Nachfolgend ist der Vergleich von Testsubstraten zu sehen, die nach längeren Druckpausen

angefertigt wurden

Bild 49: Testsubstrat AL2O3 Nummer P1.1 - Bild 50: Testsubstrat AL2O3 Nummer P2.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“ Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“




Die Bilder 49 bis 54 zeigen immer den selben Ausschnitt der Teststruktur „Kreis“. Die Substrate

wurden nacheinander bedruckt, wobei zwischen den einzelnen Drucken Pausen gemacht

wurden. Dabei sollte festgestellt werden, wann die zur Verfügung gestellte Paste im Sieb

eintrocknet und wie sich das Drucksieb anschließend reinigen lässt.

Erst nach einer Druckpause von 15 Minuten war ein Eintrocknen der Paste feststellbar. Die

anschließende Reinigung des Drucksiebes zeigte sehr gute Ergebnisse (siehe Abschnitt –

optische Beurteilung der Siebreinigung)


3.2.7 Messtechnische Auswertung der Testdrucke

Mit Hilfe eines Messmikroskops wurden die gedruckten Leiterbahnen und Abstände vermessen.

Die nachfolgend angegebenen Werte stellen gemittelte Werte dar. Einzelne Werte, die stark

von den üblichen gemessenen Werten abweichen, wurden gekennzeichnet.

Die Messung der Bahnbreite wurde sowohl in den rot gekennzeichneten Bereichen als auch

entlang der grünen bzw. blauen Linie durchgeführt. Es wurden Substrate aller gedruckten

Testreihen vermessen. Alle Messwerte bewegten sich in den in der Tabelle angegebenen

Grenzen. Es konnten keine signifikanten Unterschiede gemessen werden. Die in Klammer

gesetzten Werte stellen Ausnahmen dar.

Bereich FBereich E

Bereich CBereich BBereich A

Bereich G

Bereich

ABCDEFG

Bahnbreite Bahnabstand

270..290µm 210..230µm

210..220µm 180..190µm

130..150µm 150..170µm

120..150µm 100..130µm

110..120µm (70) 80..90µm

80..100µm 100..130µm

(40) 60..90µm 120..150µm


Messungen im Bereich der Teststruktur „Kreis“:

Die Messungen wurden in den farbig gekennzeichneten Bereichen durchgeführt.

Die Messwerte werden wieder in Form einer Tabelle dargestellt.

Bereich Bahnbreite Bahnabstand

A

B

C

D

E

250 310300 350

150 90100 50

170 190

210 210

130 110

100 90150 170

170 180

90 90

80 80100..140 180

130..150 160

50..90 20..30

40..60 30..5050..70 100

100 110

130 100

100 90


Messungen im Bereich der Teststruktur „Stern“:



Bereich Bahnbreite

A

B

C

D

E

130..140

130..140

100..130

120..140

130..140

130..140

100..130

110..130

100..110 90..100 90..100 90..100

90..110 100..110 90..100 90..100

160..170 170..180 160..170 160..170

150..160 160..170 160..170 150..160

140..150 150 150 140

160 150..160 150 150..160

230..240 230..240 230 220

230 220..240 230 220


Messungen im Bereich der Teststruktur „Vias“:



Bereich Viagröße

A

B

C

D

E

F

400 400 320 440380 350 400 400250 280 250 270240 220 280 240150 150 140 70150 50 150 100100 70 30120 70 90 60

--

*1

*2

*3

Angabe von Meßwerten nicht sinnvoll - Vias in der Regel schlecht ausgebildet und meist zugelaufen

Angabe von Meßwerten nicht möglich - Vias in der Regel zugelaufen

*1*2*3

schlechte Abbildung der Eckenkeine definierte Ausbildung der Eckenteilweise stark zugelaufen und sehr ungleichmäßige Abbildung


3.3 Reinigung mit der Siebwaschanlage (Arbeitspaket 7.6.1.2) 3.3.1 Funktionsweise der Siebwaschanlage am Beispiel einer Typ 355/Ex der Firma Koenen

Die Schablone bzw. das Sieb (7) wird seitlich in den Mutterrahmen (6) geschoben.

Die Reinigung erfolgt durch Vollkegeldüsen von beiden Seiten über die gesamte Fläche. Je

nach Verschmutzung ist der Reinigungsvorgang nach ca. 2 bis 5 Minuten abgeschlossen.

Über einen 3-Wege-Hahn (17) kann der Reinigungszyklus gesteuert werden. In der ersten

Position wird das Sieb direkt über die Düsen gereinigt, in der zweiten Position erfolgt ein

Nachspülvorgang über eine Filtereinheit (11).

1

2

4

5

6

8 9

10

11

13 14

15

17

12

16

7

3

Siebwaschanlage Typ 355/Ex - geöffnet


Die verschmutzte Filterkerze (12) muss als Sondermüll entsorgt werden oder kann, wenn z. B.

Edelstahlpasten beim Druck zum Einsatz kommen, zur Rückgewinnung gebracht werden.

Partikel ab einer Größe von 3 - 5 µm werden ausgefiltert.

Das Reinigungsmittel läuft über den Schrägboden der Waschkammer in ein Absetzfach (3), in

dem sich die Pastenrückstände zum Teil sammeln. Die Flüssigkeit gelangt zurück in die

Reinigungsmittelkammern. Das Reinigungsmedium kann über eine Einfüllöffnung mit Klappe (2)

leicht in die Reinigungsmittelkammer eingegossen werden. Über einen an der tiefsten Stelle

des Unterbodens angebrachten Ablaufstutzen (1), kann die Anlage entleert werden.

Das Sieb wird über eine Drucklufteinrichtung (4) getrocknet. Durch Schlitzdüsen strömt

Druckluft von beiden Seiten über das Sieb und bläst dabei die Flüssigkeit ab. Der dabei

entstehende Überdruck wird über den Abluftstutzen (8) abgeführt.

3.3.2 Entwicklung eines Universal-Waschkorbes Das Sieb bzw. die Schablone wird zum Reinigen wie oben beschrieben in einen Mutterrahmen

(siehe Bild) eingeschoben. Viele Anwender haben unterschiedliche Siebrahmengrößen im

Einsatz, und benötigen für jede Rahmengröße einen eigenen Mutterrahmen. Durch die

Entwicklung des Universalwaschkorbes (siehe Bild) kann jede Rahmengröße bis zu einem

maximalen Format von 355 x 355 mm adaptiert werden, da die Auflagefläche mittels zweier

Rändelschrauben in der Höhe verstellt werden kann.

Mutterrahmen für Waschanlage Typ 355/Ex

Universal-Waschrahmen für Waschanlage Typ 355/Ex


Das Fraunhofer IKTS hat sich davon überzeugt, dass der Universal-Waschkorb problemlos

verstellbar und zum Reinigen aller Rahmengrößen geeignet ist.

3.3.3 Reinigungsversuche Für Reinigungsversuche mit Wasser wurde dem Fraunhofer IKTS eine Siebwaschanlage Typ

355/Ex zur Verfügung gestellt. Die detaillierten Versuchergebnisse werden in deren Bericht

beschrieben.

Die Siebwaschanlage wurde mit deionisiertem Wasser befüllt, um Kalkablagerungen zu

verhindern, die den Siebdruckprozess beeinflussen könnten. Selbst nach einer Reinigungszeit

von 5 Minuten (Standard: 2-3 Minuten) mit reinem Wasser ist das Ergebnis nicht

zufriedenstellend. Es bleibt immer ein festhaftender, schmieriger Belag auf dem Film und dem

Gewebe zurück, der nur mit einem mit Reinigungsmittel benetztem Tuch entfernt werden kann.

Um ein verbessertes Reinigungsergebnis zu erreichen, wurde dem Wasser 0,5 % eines

Zusatzes für Sprühreinigungsanlagen der Firma ALSA Chemie zugesetzt. Das Mittel mit der

Bezeichnung ALSAR 223 ist ein mildalkalisches Gemisch aus anionischen und nichtionogenen

Tensiden, Phosphaten, Aminen, Lösungsvermittlern und Wasser. Um nach der Reinigung alle

Rückstände vollständig von der Oberfläche zu entfernen, werden die Siebe in 2 Stufen mit

klarem Wasser in Entwicklerschalen nachgespült. Pastenrückstände wurden vor der Reinigung

mit einem Spachtel entfernt. Die Reinigungszeit betrug 2 Minuten.

Folgende Erkenntnisse konnten gewonnen werden:

• Selbst nach der Reinigung von ca. 180 Sieben war das Reinigungsergebnis immer noch

einwandfrei.

• Der Siebdruckfilm quillt bei der Reinigung auf, die Strukturen lösen sich jedoch nicht vom

Gewebe ab. Nach einer Trockenzeit von 2 Minuten bei 60-70°C im Trockenschrank ist die

Filmoberfläche wieder fest.

• Die Absetzschublade ist für Dickschichtpasten unnötig, da nur geringe Pastenmengen

gesammelt werden, der Rest wird in die Flüssigkeitskammer gespült.

• Die Trockeneinrichtung der Siebwaschanlage wurde nicht getestet, da ein

Trockenprozess vor einem Nachspülvorgang natürlich unzweckmäßig ist.

• Die Wirkung des angebauten Filters wurde nicht getestet.

• Das verbrauchte Reinigungsmittel kann mit dem Fällungsmittel ALSAR RTM behandelt

werden. Dabei werden die in der Lösung dispergierten Partikel adsorptiv gebunden, der

Metallgehalt der Lösung verringert sich um das 50-fache und beträgt nur noch ca.

2,2 mg/l. Der entstehende Schlamm kann getrocknet werden und dem Recyclingprozess

zugeführt werden. Die überstehende Lösung kann als Abwasser in die Kanalisation


abgeführt werden. Eine detaillierte Auswertung wurde durch das Fraunhofer IKTS

durchgeführt.

• Die Versuche haben gezeigt, dass für die Reinigung mit Wasser eine 3-Kammer-

Siebwaschanlage optimal wäre.

Die erste, mit Wasser und einem Zusatzmittel befüllte Kammer, dient der Hauptreinigung.

Die Zweite Kammer wird für einen ersten Nachspülvorgang mit Wasser befüllt und mit

einem Überlauf versehen.

Die dritte Kammer dient zum Klarspülen mit frischem, destilliertem Wasser, wobei

überlaufendes Wasser in die zweite Kammer gelangt und zur Regeneration dieses

Spülwassers dient. Überlaufendes Wasser aus der zweiten Kammer kann mit einem

Fällungsmittel behandelt und in die Kanalisation (Vorfluterqualität) geleitet werden

3.3.4 Beständigkeit der Materialien

Folgende Teile bzw. Materialien kommen in der Siebwaschanlage mit dem Reinigungsmittel in

Kontakt:

Korpus Siebwaschanlage: Edelstahl 1.4301

Universal-Waschrahmen: Edelstahl 1.4301

Filtergehäuse: Edelstahl 1.4301

Pumpenrohr: Edelstahl

Dichtungen Pumpenrohr: Kalrez (ähnlich Teflon)

Deckeldichtung: Moosgummi

Dichtung Füllklappe: Moosgummi

Pressluft- und Flüssigkeitsdüsen: Messing

Ablasshahn: Messing

Drei-Wegehahn: Messing

O-Ring Filtergehäuse: EPDM

Flachdichtung Filterkerze: EPDM

Diese Materialien sind alle beständig gegen das leicht alkalische Reinigungsmittel (Wasser +

Alsar 223). Es konnten innerhalb des Vorhabens kein Angriff auf die Materialien beobachtet

werden.


3.4 Verwertung des Projektes (Arbeitspaket 7.6.1.3) 3.4.1 Präsentation des Projektes auf den Fachmesse Productronica 2001 und SMT/Hybrid/Packaging 2002 Für die Fachmesse Productronica 2001 und SMT/Hybrid/Packaging 2002, auf der die Firma

Koenen ausgestellt hat, wurde ein Plakat angefertigt, das das Projekt vorstellen sollte.

Bei dieser ersten Bekanntmachung wurde vor allem auf den ökologischen Nutzen und die

besonders hochwertige Qualität, die von der Hightech-Industrie gefordert wird, aufmerksam

gemacht. Ebenso wurde die Komplettlösung und die Zusammenarbeit der Projektpartner

herausgestellt.

Das Plakat (siehe Anhang) wurde aufgrund des Internationalen Publikums und der geplanten

weltweiten Vermarktung des Produktes in englischer Sprache gestaltet.

3.4.2 Veröffentlichung eines Fachartikels Die Ergebnisse des siebdrucktechnischen Experiments, die von der Fachhochschule in

München ermittelt wurden, wurden in Form eines Fachartikels (siehe Anhang) in der Ausgabe

Oktober 2002 (Kennziffer 164) der Fachzeitschrift EPP (=Elektronik Produktion & Prüftechnik)

veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Herrn Kieninger / FH München in Zusammenarbeit mit der Koenen

GmbH verfasst.

3.4.3 Vorstellung des Projektes als Gesamtkonzept auf der Fachmesse SMT/Hybrid/Packaging 2002 Das Gesamtkonzept dieses Projektes wurde in Form eines Plakates bereits auf der Fachmesse

Productronica 2001 vorgestellt. Auf der Fachmesse SMT/Hybrid/Packaging 2002 in Nürnberg

von 18. bis 20.06.02 wurde neben diesem Plakat ein Flyer (siehe Anhang) in einem

Prospektständer auf dem Messestand der Firma Koenen bereitgelegt. Sowohl der Flyer als

auch das Plakat sind in englischer Sprache verfasst.

Der Flyer ist im Anhang (Kapitel 5.3) dargestellt.


3.4.4 Vorstellung wasserresistenter Siebe beim Kunden Bisher gibt es keine Anfragen über diese wasserresistenten Siebe aus dem ursprünglichen

Zielbereich Hybridtechnik auf AlN-Keramiken. Dennoch wird seit Beginn dieses Projektes eine

erhöhte Nachfrage nach wasserresistenten Sieben für verschiedene Spezialanwendungen

verzeichnet, wie der Verwendung wasserhaltiger Druckpasten oder der Reinigung mit

wasserhaltigen Mitteln aus Umweltschutzgründen. Aufgrund der Erfahrungen aus dem

Forschungsprojekt können diese Anforderungen einfach realisiert werden.

Einige Kunden der Koenen GmbH arbeiten bereits mit wasserresistenten Sieben: z. B. FCI

Microelectronics, Kostal, Osram, PI Ceramic, Siemens, Vishay

Während eines Kundenmeetings wurde dem Siebdruckmaschinenhersteller Ekra, einem

Partnerunternehmen der Koenen GmbH, das Projekt erläutert. So kann das Projekt einem

größeren Bereich von Anwendern in der Hybridtechnik zugänglich gemacht werden. 3.4.5 Zusammenstellung der Werbeaktivitäten aller Projektpartner

3.4.5.1 Messeaktivitäten

Werbung über Plakate, Exponate und persönliche Kundenkontakte PCIM 2001, Nürnberg

SMT 2001, Nürnberg

IMAPS 2001, Baltimore (USA)

Productronica 2001, München

PCIM 2002, Nürnberg

SMT 2002, Nürnberg

Electronica 2002, München

IMAPS Europe 2003, Friedrichshafen

SMT 2003, Nürnberg

3.4.5.2 Vorträge Dr. B. Mussler, Dr. P. Otschik, Dr. C. Kretzschmar, Dr. W. Schaffrath,

"Water soluble metallization pastes for AlN - a new ecological approach",

Vortrag gehalten von B. Mussler auf der Messe/Kongress SMT/ES&S/Hybrid 2000,

Nürnberg, 28.06.2000.

Dr. P. Otschik,

"Electronic goes green"

Berlin 2000 (IKTS-Poster)


Dr. S. Stolle,

IMAPS 2001

IKTS, IMAPS Europa 2003, Friedrichshafen

3.4.5.3 Publikationen Dr. B. Mussler, Dr. P. Otschik, Dr. C. Kretzschmar, Dr. W. Schaffrath,

"Water soluble metallization pastes for AlN - a new ecological approach",

VDE-Verlag, Proceedings SMT/ES&S/Hybrid 2000, Nürnberg, 419-426, Juni 2000.

Fraunhofer Gesellschaft, IKTS

Jahresbericht 2000

Fachhochschule München, K. Kieninger

Siebdrucktechnische Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen

EPP Oktober 2002 (Kennziffer 164)

IKTS

IMAPS Europa 2003, Friedrichshafen

3.4.5.4 Internet Hinweise auf das Vorhaben und Artikel unter: www.anceram.de www.koenen.de www.fhg.ikts.de 3.4.6 Allgemeine Anmerkungen • Eine Vermarktung kann nur für Nischenprodukte (AlN) erfolgen. Eine Ausweitung auf andere

Systeme (z. B. Al2O3) ist aus wettbewerbsrechtlichen Gründen nicht zulässig.

• Bei folgenden Firmen wurden die im Vorhaben hergestellten Pasten, Siebe und

Fertigprodukte untersucht und beurteilt:

Radeberger Hybridelektronik (AlN-Pasten)

Via Elektronik (LTCC-Pasten)

Kerafol (SOFC-Pasten)


ANCeram (AlN-Pasten, Cofiring-Pasten für AlN-Folien, AMB-Paste)

Lust Hybridtechnik (AlN-Pasten)

Elbau (AlN-Pasten)

Koenen (Siebtechnik generell)

Siemens A&D (AlN-Fertigprodukte)

Aufgrund der durchweg positiven Beurteilungen zeigten diese Firmen ein reges Interesse an

den neuen Produkten und wollen diese bei zukünftigen Anwendungen einsetzen.

• Eine Einführung der Produkte in den Pastenmarkt ist möglich durch:

Lizenzvergabe an Pastenfirmen, Firmenausgründung aus FhG.

• Die Firma Koenen ist in der Lage, wasserbeständige Siebe anbieten zu können.

• Die Ergebnisse Untersuchungen und die aktuellen Pastenformulierungen werden bei

zukünftigen Neuentwicklungen am IKTS weitgehendst favorisiert Anwendung finden.

• Ein beträchtlicher Anteil der AlN-Pasten wird bei ANCeram im Eigeneinsatz verbraucht

werden.

• Es ist geplant entsprechende Querverweise (Links) zu den Projektpartnern auf den Internet-

Seiten permanent zu etablieren. Hier sollen auch Links auf die Web-Seite der Firma Müller-

BBM erfolgen. Auf der Seite www.MuellerBBM.de soll eine übersichtliche Fassung der

Ökobilanzierung dargestellt werden. Im Internet soll auch auf die entsprechenden anderen

Publikationen hingewiesen werden.

4. Zusammenfassung Nach Abschluss des Projektes können ausreichend wasserbeständige Siebe mit optimaler Qualität hergestellt werden, die für den anspruchsvollen technischen Siebdruck geeignet sind. Sie zeigen ein gutes Druckverhalten, was am Beispiel der Leiterbahnpaste FK 1205 W des Fraunhofer IKTS bewiesen wurde. Somit ist es möglich, eine komplette Hybridschaltung mit einem wasserbasierenden Pastensystem auf AlN-Substraten herzustellen. Durch den Verzicht von organischen Lösemitteln bei der Reinigung wird eine bessere Umweltverträglichkeit erreicht. Das Gefährdungspotential wird minimiert, Energie und Ressourcen werden eingespart. Eine detaillierte ökologische Bilanz wurde durch das Fraunhofer IVV erstellt. Durch geeignete Werbemaßnahmen seitens aller Projektpartner muss die nächsten Jahre diese neue Technologie am Markt vorgestellt und weiter verbreitet werden. Dies wird auf vor allem durch Messen und Gespräche mit potentiellen Kunden erreicht.


5. Anhang 5.1 Plakat zur Präsentation des Projektes auf Messen


5.2 Fachartikel EPP Oktober 2002 Klaus Kieninger, Fachhochschule München Siebdrucktechnische Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen

Im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes "Metallisierungspasten (Phase 2), Förderkennzeichen 01RV0001-3", das zusammen mit verschiedenen Fraunhoferinstituten (IKTS, IVV, IUCT) und der Fa. ANCeram durchgeführt wird, entwickelt die Firma Koenen Siebdrucktechnik GmbH Siebe für wasserverdünnbare Pasten und untersucht deren Reinigung mit Wasser. Bei dem Gesamtvorhaben geht es in erster Linie darum, umweltschädliche Lösungsmittel durch Wasser zu ersetzen und dabei toxische Potentiale weitestgehend auszuschalten. In Kooperation zwischen KOENEN und dem Labor Mikroelektronik/Technologie der Fachhochschule München wurde die siebdrucktechnische Erprobung der Siebbeschichtungen unter Praxisbedingungen durchgeführt.

Entwurf einer Teststruktur Beim Entwurf des Layouts für eine Teststruktur wurde besonderes Augenmerk auf die Abbildungsgenauigkeit unterschiedlicher Leiter-bahnbreiten gelegt. Zudem sollte die Auflösung von Leiterbahnen unterschiedlicher Winkel-lagen in Bezug zum Fadenwinkel des Siebes Berücksichtigung finden. Bild 1 zeigt das Testlayout. Die Aufteilung in vier Bereiche (Dreiecke, Kreise, Sterne und Vias) entspringt unterschiedlichen Problemstellungen beim Siebdruck. In der Dickschicht-Hybridtechnik werden Leiterbahnstrukturen in der Regel parallel zu den Substratkanten gelegt. Da meist Siebe mit einem Fadenwinkel von 45° eingesetzt werden, liegen die horizontalen und die vertikalen Strukturen dann unter einem Winkel von 45° zu den Maschen des Siebes,

Bild 1: Testlayout für Leiterbahndruck

während Leiterbahnen die im Winkel von 45° angelegt sind, dann parallel zu den Fäden des Siebes verlaufen. Dies stellt sowohl für die Siebstrukturierung als auch für den späteren Siebdruck sehr unterschiedliche Bedingungen dar. Um dies genauer untersuchen zu können, wurde der Bereich "Dreieck" entworfen. In diesem Bereich sind Leiterbahnen mit variierenden Abständen von 60 µm bis 250 µm angeordnet. Da beispielsweise in der Hochfrequenztechnik häufig runde bzw. kreisförmige Strukturen benötigt werden, wurden auch "Kreise" mit unterschiedlichen Bahnbreiten und Bahnabständen entworfen. Bei diesem Layout entstehen maschenüberquerende Strukturen unterschiedlicher Größe, was bei der Siebherstellung eine besondere Problematik darstellt. Um die Qualität der Abbildung von Leiterbahnstrukturen im Hinblick auf den Fadenwinkel des Siebes noch besser beurteilen zu können, wurden sternförmig angeordnete Leiterbahnzüge („Stern“) entworfen. Dabei liegen die einzelnen Leiterbahnen in einem Winkel von 15° zueinander. Die entworfenen Bahnbreiten liegen zwischen 200 µm und 80 µm. Siebdrucktechnisch stellt die Realisierung von Durchkontaktierungen, sogenannten Vias, unter Umständen ein Problem dar. Diese Schwierigkeiten beruhen zwar primär auf den Eigenschaften der zum Druck verwendeten Dickschichtpaste und der Einstellung der Druckparameter, weniger auf den Eigenschaften der Siebstrukturierung. Trotzdem wurde im Layout der Teststruktur ein Bereich („Vias“) aufgenommen, mit dem diese drucktechnische Problematik beurteilt werden kann. Dabei wurden Vias im Bereich von 500x500 µm² bis 150x150 µm² vorgesehen.


Auswahl und Beschichtung der Drucksiebe Die Drucksiebe wurden von der Firma Koenen ausgewählt und hergestellt. Es wurde ein Rahmen mit einem Innenmaß von 8x10 Zoll (Koenen Typ-2) verwendet. Folgende Edelstahldrahtgewebe kamen zum Einsatz: • 325 mesh - 0,030 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 22,5° • 350 mesh - 0,020 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 45° • 400 mesh - 0,018 mm Drahtdurchmesser, Bespannungswinkel 45° Die Siebstrukturierung erfolgte in der direkt/indirekten Beschichtungstechnik mit einer Filmstärke von 20 µm. Optische Beurteilung der Siebbeschichtung vor dem Drucken Die Drucksiebe wurden vor dem Siebdruck optisch beurteilt. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Qualität der Abbildungs-genauigkeit und der Maschenüberquerung der Strukturen gelegt. Teile der Siebstrukturierung wurden mittels eines Messmikroskops vermessen und zur Dokumentation fotografiert. Bild 2 zeigt den inneren Bereich der Teststruktur „Dreieck“. Dabei liegt die kleinste Linienbreite der Struktur im Bereich der Maschenweite des Gewebes. Trotzdem ist eine einwandfreie Siebstrukturierung erreicht.

Bild 2: Ansicht der Teststruktur „Dreieck“

Maßliche Abweichung im Bereich kleiner 20 µm von der entworfenen Linienbreite resultieren zum einen aus einer Kantenunschärfe des verwendeten Dias und zum anderen aus Streulicht-effekten bei der Siebbelichtung. Die Maschenüberquerung der kreisförmigen Strukturen ist, wie in Bild 3 zu sehen, ausgezeichnet. Die Abbildungsfehler der Bahnbreiten und Bahnabstände liegen dabei in der gleichen Größenordnung (< 20 µm) wie bei den Bahnen im Bereich „Dreieck“. Selbst wenn die einzelnen Öffnungen der Siebstrukturierung kleiner sind als die Maschenweite des Siebes, sind diese Öffnungen klar und sauber ausgebildet.

Bild 3: Teststruktur „Kreis" Bahnbreite/Bahnabstand 125 µm/125 µm

Bild 4: Teststruktur „Stern" Bahnbreite/Bahnabstand 60 µm/140 µm


Bei der Teststruktur „Stern“ interessierte vor allem der innere Bereich des Sterns. In diesem Bereich laufen die einzelnen Leiterbahnen so zusammen, dass zwischen den Bahnen pfeilförmige Keile entstehen. Diese sehr spitz auslaufenden Strukturen finden im Gewebe nur sehr wenig Halt. Im Bild 4 ist deutlich zu sehen, dass die Keile trotzdem gut ausgebildet erscheinen und nur minimale Verformung an der Spitze aufweisen. Gute Ergebnisse wurden bei den Vias der Größe 500 µm und 400 µm erzielt (siehe Bild 5). Deutlich ist zu erkennen, dass die vorgegebene quadratische Form des Vias von der Siebbeschichtung wiedergegeben wird. Ab einer Viagröße von 200 µm und kleiner wird diese klare Form nicht mehr gezeichnet. Im Bild 7 sind Vias der Sollgröße 150x150 µm2 abgebildet. Es ist vorhersehbar, dass mit dieser Siebstrukturierung keine klaren und reproduzierbaren Druckergebnisse erzielt werden können. Beim Drucken der Testsubstrate wurden mehrere Testreihen (mehr als 300 Substrate, Größe 2"x2") mit den Sieben durchgeführt.

Bild 5: Teststruktur „Vias“ Größe 150 x 150 µm²

Die einzelnen Testreihen hatten unterschiedliche Problemstellungen als Hintergrund. So sollte das Druckverhalten der Siebe und der Paste bei unterschiedlichen Druckparametern untersucht werden. Weitere Ziele waren die Untersuchung der Reproduzierbarkeit beim Siebdrucken, das Verhalten des Drucksiebes und der Paste bei hoher Rakelgeschwindigkeit, das Druckverhalten der Paste nach längeren Druckpausen, die Veränderung der Drucke nach mehrmaligem Reinigen des Drucksiebes sowie das Reinigungsergebnis nach dem Eintrocknen der Paste.

Bild 6: Teststruktur „Kreis“ nach der Reinigung

Bild 7: Teststruktur „Stern“ nach der Reinigung

Optische Beurteilung der Siebbeschichtung nach dem Reinigen Nach dem Drucken der Testsubstrate wurden die Drucksiebe gereinigt. Die Siebreinigung erfolgte von Hand. Dabei wurde zuerst die nicht verdruckte Paste mit Hilfe einer Handrakel weitgehend aus dem Sieb entfernt. Die verbleibenden Pastenreste wurden mit Wasser angelöst und mit Papiertüchern aus dem Gewebe entfernt. Dieser Vorgang wurde mehrfach wiederholt. Anschließend wurde das Sieb mit einem scharfen Wasserstrahl ausgewaschen. Dieses abschließende Waschen des Siebes ist vergleichbar mit dem Entwicklungsprozess bei der Siebstrukturierung. Um die Ergebnisse der Reinigung beurteilen zu können, wurden die Siebe


mit Ablösungen der Siebbeschichtung erkennbar. Wie gut die Paste selbst aus kleinsten Öffnungen des Siebs entfernt wurde, ist noch deutlicher in Bild 6 erkennbar. Durch die Maschenüberquerung der Druckstruktur entstehen Öffnungen in der Siebbeschichtung, die nur einen kleinen Teil einer Masche freigeben. Auch aus diesen Bereichen ist die Paste rückstandslos entfernt. Trotz mehrmaligem Reinigen des Drucksiebes mit Hilfe von Papiertüchern und scharfem Wasserstrahl haben sich die inneren Teile der Teststruktur „Stern“ nicht abgelöst. Dies ist im Bild 7 sehr gut zu sehen. Dass die Siebbeschichtung dem Reinigungsprozess auch in diesem Bereich auf eine hervorragenden Art und Weise standhält, hat alle Beteiligten an den Arbeiten zur drucktechnischen Erprobung der wasserbeständigen Siebstrukturierungen nachhaltig beeindruckt.

Zusammenfassung Die Ergebnisse der siebdrucktechnischen Erprobung wasserbeständiger Siebbeschichtungen in Hinblick auf die Siebstrukturierung lassen sich wie folgt zusammen fassen: • Die Siebbeschichtung zeigt ein hohes Auflösungsvermögen und sehr gute Maßhaltigkeit. • Das manuelle Reinigen der Drucksiebe zeigt gute Ergebnisse und beschädigt die

Siebbeschichtung nicht. • Auch wenn die Dickschichtpaste bereits in das Sieb eingetrocknet ist, lässt sich das Sieb gut

reinigen. • Das mehrmalige Reinigen der Drucksiebe hat keinen merklichen Einfluss auf die

Reproduzierbarkeit der Druckergebnisse.


5.3 Vorstellung des Projektes als Gesamtkonzept

Water-soluble pastes – a new ecological approach FhG-IKTS, Koenen GmbH, ANCeram GmbH, FhG-IVV

This project was supported by the German Federal Ministry BMBF (01-ZV943B/8)

Objectives • Cleaning with water (water-soluble polymer) • Avoidance of toxic/hazardous paste ingredients • Same paste characteristics • Use of current screening equipment • Ecological/environmental advantages • Cost efficiency

Results

Water-soluble AgPd-paste on AlN

Ecology

2,55

0,00012

1,20

0,00807

1,95

0,00000

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

A B C

Standard Paste FK1205Watersoluble Paste FK1205W

[100 MJ/kg] [10 kg CO /kg] [g/kg]2 A: Energy consumption for the cleaning agents B: Global warming potential by combustion of cleaning agents and paste ingredients C: Critical waste of the pastes

Watersoluble Paste Systems with Waterresistant Screens • Pastes for AlN AgPd conductor paste RuO2 resistor pastes Encapsulating paste • Pastes for LTCC Via paste Innerlayer paste Conductor paste • Pastes for SOFC (Cathode, Anode) • Active Metal Brazing (AMB) Paste

1

10

100

1000

10000

100000

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000share rate (1/s)

visk

osity

(Pa

s

FK 1205

FK 1205 W (water-soluble)FK 1205 W after6 months

FK 1205 W after12 months

Film properties FK 1205 FK1205Wnew

FK1205W12 months

thickness [µm] 13-15 17 18 resistivity [mOhm/sq] < 25 22 21 adhesion* [N/4mm2]

initial > 30 33 33 100h/150°C > 20 17 19 * wire peel test

Abschlussbericht Kapitel 1 bis 5 - Cleaner Production · 2015. 11. 13. · BarFil WR abgedeckt...

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