Siebdruck keramischer Mehrlagenschaltungen

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Fraunhofer IWM: Keramischer Mehrlagenschaltungen werden u.a. für Kommunikationsanwendungen eingesetzt
Keramischer Mehrlagenschaltungen werden u.a. für Kommunikationsanwendungen eingesetzt (hier: spannungsgesteuerte Oszillatoren, Filter und Mischer mit Arbeitsbereich 20 GHz für Satellitenanwendung; Design TU Hamburg-Harburg, Quelle: Micro Systems Engineering).

Keramische Mehrlagenschaltungsträger (sog. Low Temperature Co-Fired-Ceramics, LTCCs) sind u.a. in Mikrowellen-Schaltkreisen, medizintechnischen Produkten wie Herzschrittmachern, Sensoren, Sende- und Empfangseinheiten, sowie in WLAN-Einheiten zu finden. Die Leiterbahnen im Mikrometermaßstab, Widerstände und andere Komponenten befinden sich auf den Keramikfolien, die dicht aufeinander gepackt sind.
 
Die feinen Leiterbahnen werden durch Siebdruck auf die Platinen aufgebracht. Dazu wird eine Metallpaste, die feine Aluminium- oder Silberpartikel enthält, durch eine Schablone entsprechend der gewünschten Form auf eine Oberfläche gedruckt und danach bei relativ niedriger Temperatur zusammen mit den Keramikfolien gesintert.

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Problemstellung

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekts NanoSieb (Förderkennzeichen: 02PG2291, Projektträger: Forschungszentrum Karlsruhe) sollte das Ablöseverhalten der Paste vom Sieb durch Verwendung hydrophober Siebbeschichtungen verbessert und somit die Druckauflösung gesteigert werden. 

Fraunhofer IWM: Am Fraunhofer IWM beschichtetes Sieb mit verbesserter Pastenablösung durch eine hydrophobe Beschichtung
Am Fraunhofer IWM beschichtetes Sieb mit verbesserter Pastenablösung durch eine hydrophobe Beschichtung.

Zu Projektbeginn war allerdings noch nicht bekannt, welche Eigenschaften eine Beschichtung der Sieboberfläche aufweisen muss, um die Druckauflösung zu verbessern und inwieweit eine Anpassung der bestehenden Pastensysteme notwendig ist. Anstelle aufwändiger Trial-and-Error-Versuche sollte deshalb am Fraunhofer IWM auf Basis von SimPARTIX® ein Simulationsmodell entwickelt werden, mit dem sich der gesamte Siebdruckprozess am Computer beschreiben lässt. Mit diesem Simulationsmodell sollten dann gezielte Parameterstudien durchgeführt werden, um Zeit bei der Entwicklung von Beschichtungen und daran angepasster Pasten einzusparen.

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Ergebnisse

Fraunhofer IWM: Simulation des Rakelvorgangs mit SimPARTIX®: Vor dem Rakel bildet sich ein Strömungswirbel aus (braune Stromlinien) – die Paste rollt sich auf.
Simulation des Rakelvorgangs mit SimPARTIX®: Vor dem Rakel bildet sich ein Strömungswirbel aus (braune Stromlinien) – die Paste rollt sich auf. An der Auflagefläche der Paste auf dem Sieb ist die resultierende Scherung am höchsten.

Das auf Basis von SimPARTIX® in diesem Projekt entwickelte Modell für Siebdruckpasten basiert auf der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH). Dazu wurde diese Methode so erweitert, dass  auch Strukturviskosität (reversible Absenkung der Viskosität unter zunehmender Scherbelastung) und Thixotropie (Veränderung der Viskosität in zeitlicher Verzögerung zur Scherbelastung) simuliert werden können. Die Modellparameter wurden durch Vergleich mit experimentellen Daten des Projektpartners TU Dresden für eine Silber-Referenzpaste von Heraeus bestimmt. Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung. 
 
Zusammen mit einem Mehrphasen-Modell zur Berücksichtigung des Benetzungsverhaltens von Paste auf Sieb konnte dann mit SimPARTIX® ein Simulationsmodell zur vollständigen Beschreibung des Siebdruck-Prozesses entwickelt werden. Aufgrund der großen Skalenunterschiede beim Siebdruck wurde ein mehrstufiger Ansatz mit jeweils repräsentativen Simulationsgeometrien erstellt, um den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf das Strömungsverhalten der Paste während der Rakelbewegung, beim Befüllen einzelner Siebmaschen und beim Ablösevorgang zu untersuchen.
 
Mit den durchgeführten Simulationen wurde das Strömungsverhalten der Paste im Detail untersucht. Es wurde gezeigt, dass eine hydrophobe Beschichtung der Siebunterseite die Pastenablösung deutlich verbessert. Gleichzeitig ergab sich, dass eine separate Beschichtung der Sieboberseite nicht notwendig ist. Zudem wurde abgeleitet, welche rheologischen Eigenschaften die Paste aufweisen sollte. Dies erleichterte die Entwicklung geeignet beschichteter Siebe und daran angepasster Pasten bei den industriellen Partnern deutlich und führte letztendlich zu einer Verringerung der Strukturbreiten von ca. 80 µm auf 20 µm.

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