Kann Die Elektronikfertigung In Das Digitale Zeitalter Eintreten, Fragt IDTechEx

Auf die Frage, ob die Elektronik eine "digitale Technologie" ist, würde fast jeder mit "ja" antworten. Doch während Leiterplatten (PCBs) digitale Technologienermöglichen, sind die zu ihrer Herstellung verwendeten Verfahren noch weitgehend analog.

 

Der Begriff "digitale Fertigung" bezieht sich auf alle Verfahren, die direkt von einem Computer gesteuert werden - die Verwendung von Software im Entwurfsprozess zählt 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, bei dem Metall, Kunststoff oder sogar Keramik selektiv aufgetragen wird. In beiden Fällen bedeutet die direkte Computersteuerung, dass jedes hergestellte Teil ein anderes Design haben kann und dass das Design sogar noch angepasst werden kann, wenn die Fertigung bereits läuft.

 

Im Gegensatz dazu wird bei der herkömmlichen Leiterplattenherstellung ein analoger Ansatz verfolgt. 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, werden dann mit einem Ätzmittel entfernt. Dieser Ansatz ermöglicht zwar eine effiziente Produktion mit hoher Ausbeute, aber die Einführung digitaler Fertigungsmethoden würde zusätzliche Vorteile bringen.

 

 

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 werden Tintenstrahldrucker (digital) zu Hause verwendet, da in der Regel nur ein einziges Exemplar benötigt wird, während der Offsetdruck (analog) für die Massenproduktion von Zeitungen verwendet wird. In der Elektronik ermöglicht die digitale Fertigung ein schnelles Prototyping, wodurch der Designprozess beschleunigt wird. Sie erleichtert die Massenanpassung, bei der jeder Schaltkreis auf Wunsch anders gestaltet werden kann, ohne dass die Produktionskosten drastisch steigen. Darüber hinaus können hochauflösende digitale Fertigungsverfahren in Verbindung mit der herkömmlichen Fotolithografie eingesetzt werden, 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 eine Vielzahl neuer Techniken, die sowohl digital als auch additiv sind. Sie alle bieten die direkte Kontrolle der digitalen Fertigung und decken gleichzeitig eine Reihe von Durchsätzen, Auflösungen, Materialviskosität und Substratdimensionen ab.

 

 

Bei Print-then-plate wird eine dünne Schicht leitfähiger Tinte aus Silbernanopartikeln im Tintenstrahldruckverfahren aufgebracht, um das Substrat selektiv zu strukturieren. Diese "Keimschicht" wird dann durch stromlose Beschichtung vollständig metallisiert, wodurch ein Kupferschaltkreis entsteht. Diese Methode wird bereits in der Massenproduktion eingesetzt. 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) kann als eine Mischung aus Laserdirektstrukturierung (LDS) und Tintenstrahldruck angesehen werden. 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, die normalerweise für den Siebdruck verwendet werden, eingesetzt werden können. LIFT kann in Verbindung mit der R2R-Produktion eingesetzt werden und ermöglicht eine schnelle, kostengünstige Produktion von kundenspezifischen Schaltungen.

 

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, der eine Auflösung von bis zu 10 um bei einem Arbeitsabstand von bis zu 5 cm ermöglicht. Das Verfahren wird bereits bei der Herstellung von Halbleitergehäusen eingesetzt und soll bald auch für größere konforme Oberflächen wie Autoglas verwendet werden.

 

Beim elektrohydrodynamischen Druck (EHD) wird die Tinte durch ein elektrisches Feld aus einer Düse "gezogen", anstatt durch Druck "herausgedrückt" zu werden. Diese Technik, mit der bis zu 1 um schmale Spuren erzeugt werden können, wird derzeit zur Reparatur von Defekten in TFT-Backplanes eingesetzt. Ein neuer Ansatz, bei dem Hunderte von einzeln adressierbaren Düsen in einem einzigen MEMS-Chip (mikroelektromechanisches System) kombiniert werden, 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 und einen hohen Durchsatz beim Drucken auf 3D-Oberflächen verspricht, z. B. auf den Kanten von Glasrückwänden oder 2,5D-Halbleitergehäusen. Bei diesem Verfahren wird ein schneller Wärmeimpuls von einer steuerbaren Anordnung von Heizelementen verwendet, um Tinte von einer flachen "Übertragungsfläche" auf das Zielobjekt zu treiben. Da keine Düse verwendet wird, kann die Tinte gleichzeitig von der gesamten erhitzten "Übertragungsfläche" ausgestoßen werden.

 

 

Es wird prognostiziert, dass die beschriebenen digitalen Elektronikfertigungsmethoden weiter an Zugkraft gewinnen werden, 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, um Entscheidungen in der Produktentwicklung und bei der Ausweitung der Massenproduktion zu unterstützen.

 

Weitere Informationen, einschließlich Musterseiten zum Herunterladen, finden Sie unter www.IDTechEx.com/ManufacturingPE.