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Flexible Leiterbahnen jetzt auch mit Plasma drucken

Mit Hilfe des Plasma-Printings entstehen solche Muster auf flexiblen Folien. Hier eine RFID-Struktur.

Auf der Fachmesse K 2010 (27. Oktober bis 3. November; Halle 3, Stand E91) in Düsseldorf präsentieren Wissenschaftler vom IST in Braunschweig erstmals eine neuartige Rolle-zu-Rolle-Technologie zur Herstellung flexibler Leiterplatten mit dem Kurznamen P3T (Plasma Printing and Packaging Technology).

Flexible Leiterbahnen, RFID-Antennen und Biosensoren auf Folien sind ein großer Wachstumsmarkt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST stellen auf der Kunststoffmesse K 2010 in Düsseldorf eine neuartige Technologie vor: Sie können Leiterbahnen aus Metall nun Energie und Material sparend und somit nachhaltiger sowie günstiger auf Kunststoff auftragen. Flexible Leiterplatten befinden sich in vielen Geräten, in denen es darauf ankommt, Elektronik Platz- und Gewicht sparend einzubauen: in Automobilen, in Foto- und Videokameras, in Kleincomputern für Sportler oder in Tintenstrahldruckern. Und der Markt wächst weiter: Die Unternehmensberatung Frost & Sullivan hat ermittelt, dass er im Jahr 2014 auf über 16 Mrd. US-Dollar weltweit ansteigen wird. 
Die Vorteile von P3T (Plasma Printing and Packaging Technology): Bei P3T sind erheblich weniger Prozessschritte nötig als bei bestehenden Verfahren und es lassen sich Rohstoffe einsparen. Die Forscher setzen nicht – wie bisher üblich – eine vollflächig metallisierte Folie als Ausgangsmaterial ein, aus der dann durch Entfernen überschüssigen Metalls die Leiterbahnen erzeugt werden. Um flexible Leiterplatten zu fertigen, bringen sie Leiterbahnen aus Kupfer auf den Folienträger auf. Für Biosensoren kommt Palladium zum Einsatz. Sie verwenden Atmosphärendruck-Plasma und Galvanik statt Vakuum- und Laserverfahren. Das macht die Fertigung kostengünstig und ressourceneffizient. 
Dr. Michael Thomas, Leiter der Forschungsgruppe am IST, erklärt: „Bei der Herstellung der Leiterbahnen einer RFID-Antenne muss man oft zwischen 50 und 80 Prozent Kupfer wegätzen. Dabei entstehen erhebliche Mengen an Kupferabfällen, die entsorgt oder mit relativ aufwändigen Verfahren wieder aufbereitet werden müssen.“ Anders am IST: Die Wissenschaftler nutzen das Additivverfahren und können damit die gewünschten Strukturen direkt auf den Folienträger aufbringen. Die ersten beiden Prozessschritte sind das Plasma-Drucken (Plasma-Printing) bei Atmosphärendruck und die Metallisierung mit bekannten galvanotechnischen Methoden. Beim Plasma-Printing kommt eine tiefgravierte Walze zum Einsatz, wie man sie aus dem konventionellen Tiefdruck kennt. In den eingravierten Vertiefungen auf der Walze werden während des Druckvorgangs auf elektrischem Wege Mikroplasmen erzeugt, die die Oberfläche der Kunststofffolie chemisch dort verändern, wo später die Leiterbahnen entstehen sollen.  Das Prozessgas, aus dem das Plasma entsteht, ist üblicherweise eine Mischung von stickstoffhaltigen Gasen. IST-Forscher Thomas betont: „Es bilden sich an der Oberfläche der Folie die benötigten chemischen Veränderungen, die dafür sorgen, dass der Kunststoff genau an diesen Stellen mit Wasser benetzbar und mit galvanotechnischen Methoden metallisierbar wird. So sparen wir erheblich Energie und Material,“ führt Thomas weiter aus. Das ist ein entscheidender Wettbewerbsfaktor: die Rohstoffpreise beispielsweise für Kupfer oder Palladium sind in den vergangenen drei Jahren um etwa 150 Prozent (!) gestiegen.  In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Verbundprojekt P3T arbeiten die Forscher derzeit intensiv daran, die Einzelprozesse zur Herstellung flexibler Leiterplatten zu verbessern. Sie nehmen alle P3T-Produktionsschritte genau unter die Lupe – vom Plasma-Printing bis hin zur Aufbau- und Verbindungstechnik und sie stimmen alle Prozesse in einer Produktionslinie miteinander ab.

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