abschlussbericht kapitel 1 bis 5 - cleaner production · 2015. 11. 13. · barfil wr abgedeckt...
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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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 3
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 4
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 5
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 6
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 7
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 8
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 9
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 10
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 11
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)
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 12
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.
Filmtyp HD binär Nenndicke in µm
Energiedichte in mJ/cm²
Strukturbreite in µm
Energiedichte in mJ/cm²
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 13
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:
Filmtyp HD binär Nenndicke in µm
Energiedichte in mJ/cm²
Vorhaltewertin µm
Energiedichte in mJ/cm²
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 14
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 15
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 16
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 17
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“.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 18
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 19
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 20
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:
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 21
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 22
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 23
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 24
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 25
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“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 26
Bild 17: Sieb III – Struktur „Kreis“
Bild 18: Sieb III – Struktur „Kreis“
Bild 19: Sieb III – Struktur „Stern“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 27
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 28
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:
• Druckverhalten bei unterschiedlichen Siebdruckparametern
• Verhalten des Drucksiebes und der Paste bei hoher Rakelgeschwindigkeit
Substrat- Substrat- Absprung Rakel- nummer material geschwindigkeit
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 29
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 bei unterschiedlichen Siebdruckparametern
• Druckverhalten der Paste nach längeren Pausen
• Reinigungsergebnis des Siebes bei eingetrockneter Paste
Substrat- Substrat- Absprung Rakel- nummer material geschwindigkeit
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)
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 30
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 31
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 32
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 33
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 34
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 35
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 36
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 37
Bild 35: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Vias“
Bild 36: 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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 38
Bild 37: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Vias“
Bild 38: Testsubstrat AlN Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Leiterbahnstruktur „Vias“
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 39
Bild 39: Testsubstrat AL2O3 Nummer 1.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Dreieck“
Bild 40: Testsubstrat AL2O3 Nummer 2.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Dreieck“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 40
Bild 41: Testsubstrat AL2O3 Nummer 3.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Dreieck“
Bild 42: Testsubstrat AL2O3 Nummer 4.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Dreieck“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 41
Bild 43: Testsubstrat AL2O3 Nummer 5.1 – 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“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 42
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“
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 43
Bild 51: Testsubstrat AL2O3 Nummer P3.1 - Bild 52: Testsubstrat AL2O3 Nummer P5.1 – Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“ Ausschnitt aus der Teststruktur „Kreis“
Bild 53: Testsubstrat AL2O3 Nummer P10.1 - Bild 54: Testsubstrat AL2O3 Nummer P15.1 – 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)
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 44
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 45
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 46
Messungen im Bereich der Teststruktur „Stern“:
Die Messungen wurden in den farbig gekennzeichneten Bereichen durchgeführt.
Die Messwerte werden wieder in Form einer Tabelle dargestellt.
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 47
Messungen im Bereich der Teststruktur „Vias“:
Die Messungen wurden in den farbig gekennzeichneten Bereichen durchgeführt.
Die Messwerte werden wieder in Form einer Tabelle dargestellt.
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 48
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 49
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 50
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 51
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 52
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 53
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)
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 54
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)
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 55
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 56
5. Anhang 5.1 Plakat zur Präsentation des Projektes auf Messen
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 57
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 58
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 59
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
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 60
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.
Abschlussbericht, FKZ 01RV0003 Seite 61
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
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