Inkjet-Druck von Pd-Keimen als Aktivator für die außenstromlose Metallisierung zur voll additiven Herstellung von Leiterbahnstrukturen (Karamell)

Abstract

Im Forschungsvorhaben „Karamell“ wurde eine Prozesskette zur Erzeugung von Leiter- und Sensorstrukturen durch die Kombination von Inkjet-Druck und außenstromloser Metallisierung entwickelt. Dabei wurden polare und unpolare Tintensysteme entwickelt, um sowohl polare als auch unpolare Substrate zu bedrucken und zu metallisieren. Diese Prozesskette ermöglicht eine kostengünstige Metallisierung auf zahlreichen Substraten, inklusive temperatursensiblen und transparenten Thermoplasten. Für die polaren Tintensysteme wurden PVP-stabilisierte Pd-Keime erfolgreich hergestellt. Diese entsprachen hinsichtlich der Partikelgröße und der Aktivität im stromlosen Kupferbad kommerziellen Pd-Aktivatoren. Es wurden Tintenformulierungen auf Basis von Ethylenglycol, Hexylenglycol und Terpineol entwickelt, wobei die auf Ethylenglycol basierenden Tinten besonders vielversprechend waren. Eine gleichmäßige Verteilung der Pd-Keime in den gedruckten Strukturen, und damit eine homogene Metallisierung mit Kupfer, wurde durch sequentielles Drucken im Schachbrettmuster, separates Drucken der Kontaktpads, Variation des Tropfenabstands sowie Plasmavorbehandlungen erreicht. Die Haftfestigkeit der Metallisierung wurde durch die Integration eines UV-vernetzbaren Polymers in die Tinte und anschließender UV-Behandlung verbessert. Die Qualität der Metallisierung hing einerseits von der Pd-Keimkonzentration, welche durch die Anzahl der gedruckten Schichten variiert wurde, und andererseits vom Elektrolyten und den jeweiligen Reaktionsparametern ab. Mit Pd/Au wurde erfolgreich eine homogene und haftfeste Edelmetallschicht auf den gedruckten Strukturen abgeschieden. Im Bereich der medizinischen Analysesysteme werden oft reine Edelmetallelektroden ohne organische Bestandteile benötigt, da diese die Funktion beeinträchtigen können. Daher wurde als Technologiedemonstrator ein Mikrofluidikchip erfolgreich bedruckt und selektiv mit Pd/Au-Elektroden metallisiert. Die erzielten Ergebnisse sind sehr vielversprechend für Anwendungen in der Medizintechnik, wie z.B. der Point-of-Care-Diagnostik. Als Basis für unpolare Tintenformulierungen wurde ein kommerzielles 2K-System aus Monomeren/Vernetzern und Initiatoren verwendet. Die PVP-stabilisierten Keime konnten in die unpolare Tintenformulierung eingebracht werden. Für die Metallisierung der gedruckten und vernetzten Strukturen war eine Verdünnung des Tintensystems mit einem geeigneten Lösungsmittel erforderlich. Durch eine Substratvorbehandlung und Variation des Tropfenabstands konnten die unpolaren Tintenformulierungen erfolgreich verdruckt werden. Eine Erhöhung der Pd-Keimkonzentration in den Tintensystemen führte zur Abscheidung einer leitfähigen und gut haftenden Kupferschicht auf COC. Datei-Upload durch TIB