Elektronikfertigung: Fit für das digitale Zeitalter?

• Auf die Frage, ob die Elektronik eine „digitale Technologie“ ist, würde fast jeder mit „ja“ antworten.
• Doch während Leiterplatten (PCBs) digitale Technologien ermöglichen, sind die zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren noch weitgehend analog.
• Welche Möglichkeiten ergeben sich durch die digitale Elektronikfertigung?

Die Analysten des Consulting-Unternehmens IDTechEx befassen sich mit der Frage, ob und wenn ja, mit welchen Verfahren die Elektronikfertigung In das Digitale Zeitalter eintreten kann. Der Begriff „digitale Fertigung“ bezieht sich auf alle Verfahren, die ein Computer steuert. Die Verwendung von Software im Entwurfsprozess zählt hingegen nicht dazu. Bekannte Beispiele sind die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control), ein subtraktives Verfahren, bei dem ein rotierendes Schneidwerkzeug selektiv Material abträgt, und der 3D-Druck, ein additives Verfahren, mit dem man Metall, Kunststoff oder sogar Keramik selektiv auftragen kann. In beiden Fällen bedeutet die direkte Computersteuerung, dass jedes hergestellte Teil ein anderes Design haben kann. Zudem lassen sich Design sogar noch dann anpassen, wenn die Fertigung bereits läuft.

Im Gegensatz dazu verfolgt man bei der herkömmlichen Leiterplattenherstellung einen analogen Ansatz. Das gewünschte Muster wird auf eine Maske übertragen, die für die Fotolithografie verwendet wird. Bereiche des Materials, in der Regel Kupferlaminat auf einer Leiterplatte, die nicht mit dem gemusterten Resist beschichtet sind, lassen sich dann mit einem Ätzmittel entfernen. Dieser Ansatz ermöglicht zwar eine effiziente Produktion mit hoher Ausbeute, aber die Einführung digitaler Fertigungsmethoden würde zusätzliche Vorteile bringen.

Warum brauchen wir eine digitale Elektronikfertigung?

Der Hauptvorteil der digitalen gegenüber der analogen Produktion liegt wohl darin, dass jedes Stück anders sein kann, ohne dass zusätzliche Einrichtungszeit oder -kosten anfallen. Aus diesem Grund verwendet man Tintenstrahldrucker (digital) zu Hause, da es in der Regel nur ein einziges Exemplar braucht, während der Offsetdruck (analog) für die Massenproduktion von Zeitungen Verwendung findet. In der Elektronik ermöglicht die digitale Fertigung ein schnelles Prototyping. Somit lässt sich der Designprozess beschleunigen. Sie erleichtert die Massenanpassung, bei der sich jeder Schaltkreis auf Wunsch anders gestalten lässt, ohne dass die Produktionskosten drastisch steigen. Darüber hinaus sind hochauflösende digitale Fertigungsverfahren in Verbindung mit der herkömmlichen Fotolithografie einsetzbar, um unerwünschte Schaltkreisunterbrechungen zu reparieren.

Das Interesse an digitalen Fertigungsverfahren für die Elektronik hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Während der Tintenstrahldruck die bei weitem etablierteste Methode zur digitalen Aufbringung leitfähiger Tinte ist, gibt es andererseits eine Vielzahl neuer Techniken. Diese sind sowohl digital als auch additiv. Sie alle bieten die direkte Kontrolle der digitalen Fertigung. Dabei decken sie gleichzeitig eine Reihe von Durchsätzen, Auflösungen, Materialviskosität und Substratdimensionen ab.   

Digitale Fertigungsmethoden für die Elektronik im Überblick

• Bei Print-then-plate wird eine dünne Schicht leitfähiger Tinte aus Silbernanopartikeln im Tintenstrahldruckverfahren aufgebracht, um das Substrat selektiv zu strukturieren. Diese „Keimschicht“ lässt sich dann durch stromlose Beschichtung vollständig metallisieren. Somit entsteht ein Kupferschaltkreis. Diese Methode kommt bereits in der Massenproduktion zum Einsatz. Sie kombiniert die Anpassungsfähigkeit der digitalen Fertigung, die Abfallvermeidung der additiven Fertigung und die Leitfähigkeit von Kupfermetall (anstelle von gedruckter leitfähiger Tinte). 
• Der laserinduzierte Vorwärtstransfer (LIFT) lässt sich als eine Mischung aus Laserdirektstrukturierung (LDS) und Tintenstrahldruck beschreiben. Kurz gesagt, ein Laser erhitzt leitfähige Tinte, die unter einer „Transferplatte“ aufgetragen ist, wobei verdampfende Lösungsmittel die Tinte ausstoßen. Das Fehlen einer Düse ist ein großer Vorteil, da so viskose Tinten, normalerweise prädestiniert für den Siebdruck, nutzbar sind. LIFT lässt sich in Verbindung mit der R2R-Produktion einsetzen und ermöglicht eine schnelle, kostengünstige Produktion von kundenspezifischen Schaltungen.

Neuartige Verfahren

• Der Aerosoldruck ist eine relativ etablierte Technik, die sich gut für den Druck auf 3D-Oberflächen eignet. Eine niedrigviskose Tinte wird zerstäubt und zu einem dünnen, kollimierten Strahl innerhalb einer Gasschicht geformt. Dieser ermöglicht eine Auflösung von bis zu 10 Mikrometern bei einem Arbeitsabstand von bis zu 5 cm ermöglicht. Das Verfahren setzt man bereits bei der Herstellung von Halbleitergehäusen ein. Es soll bald auch für größere konforme Oberflächen wie Autoglas Anwendung finden.
• Beim elektrohydrodynamischen Druck (EHD) wird die Tinte durch ein elektrisches Feld aus einer Düse „gezogen“, anstatt durch Druck „herausgedrückt“. Diese Technik, mit der sich bis zu 1 Mikrometern schmale Spuren erzeugen lassen, kommt derzeit zur Reparatur von Defekten in TFT-Backplanes zur Anwendung. Ein neuer Ansatz, bei dem Hunderte von einzeln adressierbaren Düsen in einem einzigen MEMS-Chip (mikroelektromechanisches System) kombinierbar sind, verspricht, den Kompromiss zwischen Auflösung und Durchsatz bei der additiven Fertigung von Elektronik in kleinem Maßstab zu überwinden.
• Der Impulsdruck ist ein innovatives Verfahren, das sich noch im Anfangsstadium der Entwicklung befindet. Es verspricht einen hohen Durchsatz beim Drucken auf 3D-Oberflächen, zum Beispiel auf den Kanten von Glasrückwänden oder 2,5D-Halbleitergehäusen. Bei diesem Verfahren macht man sich einen schnellen Wärmeimpuls von einer steuerbaren Anordnung von Heizelementen zunutze, um Tinte von einer flachen „Übertragungsfläche“ auf das Zielobjekt zu treiben. Ohne Verwendung einer Düse erfolgt der Ausstoß der Tinte gleichzeitig von der gesamten erhitzten „Übertragungsfläche“.

Elektronikfertigung: Fazit und Ausblick

Die beschriebenen digitalen Methoden für die Elektronikfertigung sollen weiter an Zugkraft gewinnen, angetrieben durch den Wunsch nach größerer Anpassungsfähigkeit, kürzeren Produktentwicklungszyklen und der Nachfrage nach 2,5D/3D-Elektronik. Der IDTechEx-Bericht „Herstellung Gedruckter Elektronik 2023-2033“ stützt sich auf 20 Jahre Erfahrung mit gedruckter und flexibler Elektronik, um diese und viele andere Technologien zu untersuchen, einschließlich der Herstellung von Rolle zu Rolle. Der Bericht stützt sich auf Informationen aus Konferenzbesuchen und Primärinterviews und skizziert die Akteure, Fähigkeiten, Trends und Anforderungen im Bereich der Herstellung gedruckter Elektronik. Somit kann er Entscheidungen in der Produktentwicklung und bei der Ausweitung der Massenproduktion unterstützen.

Weitere Informationen, einschließlich Musterseiten zum Herunterladen, unter: https://www.idtechex.com/en/research-report/manufacturing-printed-electronics-2023-2033/916

Bild: Mehrere digitale und additive Fertigungsverfahren für gedruckte Elektronik decken eine Reihe von Auflösungen ab. Quelle: IDTechEx        

Lesen Sie auch: „Automation: Kritische Daten nutzbar machen — von der Fertigungshalle bis zur Cloud“