Zukunftsweisende Innovationen durch gedruckte Elektronik

Die Vorteile gedruckter Elektronik. Die Technologie der gedruckten Elektronik zielt darauf ab, elektronische Geräte mithilfe einer Reihe von Druckmethoden zu konstruieren, mit denen Funktionswerkstoffe in einer gemusterten Struktur auf verschiedene Substrate aufgetragen werden können – ähnlich wie beim Drucken von Zeitungen auf Papier. Dies bietet eine umweltfreundliche, agile und flexible Möglichkeit, Innovation und Fertigung kostengünstig voranzutreiben. Im Gegensatz zum konventionellen Zeitungsdruck sind bei der gedruckten Elektronik Funktionswerkstoffe mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften sowie fortschrittliche Druckverfahren mit verbesserter Auflösung und Genauigkeit entscheidend. Im Printed Electronics Team von TE mit Sitz in Fremont, Kalifornien, entwickeln unsere Wissenschaftler neuartige Materialformulierungen und Drucktechnologien für drei Anwendungsgebiete: Kontaktoberflächen für Verbindungen in rauen Umgebungen, Antennen für drahtlose Verbindungen und Sensoren für intelligente Verbindungen. 

Der erste Schwerpunkt ist die Verwendung der Technologie des Druckens mit leitfähiger Tinte zur Herstellung von Kontaktoberflächen für elektrische Steckverbinder, die in rauen Umgebungen eingesetzt werden können. Der Prozess kann erfolgreich auf eine Rolle-zu-Rolle-Fertigung erweitert werden, indem die leitfähige Tinte mit einem Tiefdrucker auf einem flexiblen Rohmaterial aufgetragen wird und aus dem Rohmaterial durch Prägen/Formen schließlich die fertige Steckverbinderform erstellt wird. Bei niedrigeren Signal- und Spannungsanwendungen kann das Verfahren erhebliche Kosteneinsparungen (bis zu 70 %) bieten, und zwar durch die Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit (z. B. bis zu 30 m/min), die Vermeidung von Nasschemie/-ablagerung und den Ersatz von Gold durch kostengünstigere technisch realisierbare Alternativen zu Kontaktoberflächen, die möglicherweise nicht durch Verwendung des herkömmlichen Galvanikprozesses gefertigt werden können. Bei Energieübertragungs- und Steckverbinderanwendungen ermöglicht der Prozess eine schnellere Produktionsgeschwindigkeit – was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Dieser nachhaltige „Trockenboden“-Prozess kann auch dazu beitragen, Cyanidbäder zu umgehen und Brandgefahren, Abfallaufkommen sowie den Energie-/Wasserverbrauch zu reduzieren. Diese Technologie ermöglicht unserem Printed Electronics Team, neue Materialien und Produkte einzuführen, neue Kunden in allen von uns bedienten Branchen zu gewinnen und TE als Innovationsführer darzustellen.

Ein weiterer Bereich mit Bedeutung für gedruckte Elektronik ist die Antennenherstellung. Bei TE entwickeln und fertigen wir in enger Zusammenarbeit mit Kunden Antennen für unterschiedliche Anwendungen mit sehr unterschiedlichen Anforderungen, zum Beispiel in Flugzeugen, tragbaren Endgeräten oder in den Bereichen Fahrzeug-Infotainment und -sicherheit. Bei allen Anwendungen zeigt sich jedoch der Trend, dass Größe, Gewicht, Stromverbrauch und Kosten für Antennen gesenkt werden müssen. Elektrisch leitfähige Tinten, die mithilfe verschiedener Druckprozesse direkt auf dielektrische Substrate strukturiert aufgetragen werden, können zur Umsetzung dieser Ziele beitragen. Unkonventionelle Substrate erhöhen beispielsweise den verfügbaren Bereich der Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu typischen Leiterplattensubstraten. Dadurch können kleinere Antennengrößen mit vergleichbarer Bandbreite sowie ein reduzierter Stromverbrauch und geringere Kosten erzielt werden. Wichtig ist, dass gedruckte leitfähige Tinten diese neuartigen Materialien in Bereichen metallisieren können, in denen MID-Methoden, wie Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) und Doppelspritzguss, dies nicht können. In unserem Labor hat das Printed Electronics Team erfolgreich auf verschiedenen Kunststoffen und Verbundwerkstoffen, Glas und Keramiken gedruckt. Wir haben unsere Fähigkeit unter Beweis gestellt, mithilfe digital gesteuerter Robotikdrucker über 3D-Formen zu drucken. Diese Fähigkeit könnte zu neuartigen, raumfüllenden 3D-Antennen führen, die die Größe, Effizienz und Bandbreite besser optimieren, indem ein größerer Anteil des verfügbaren Paketvolumens genutzt wird. Der digitale Prozess vereinfacht darüber hinaus Konstruktionsänderungen – ohne den Aufwand und die Verzögerung durch das Erstellen neuer Werkzeuge. Da Antennenanwendungen weiter zunehmen, freuen wir uns darauf, die Kompetenzen von TE im Bereich der gedruckten Metallisierung weiterzuentwickeln, um metallisierte Oberflächen mit komplexer Form, robuster Haltbarkeit und geringer Zykluszeit bereitzustellen.

Der letzte Schwerpunktbereich umfasst die Anwendung der Technologie der gedruckten Elektronik auf die Entwicklung von Sensoren. Hierbei handelt es sich um einen der wichtigsten Geschäftssektoren von TE. Der globale Markt für Sensoren wächst, angetrieben von einer steigenden Nachfrage nach einer intelligenteren vernetzten Welt, wie sie beispielsweise im Ökosystem des Internets der Dinge zu finden ist. Kunden aus den Bereichen Automobil, Industrie, medizinische Geräte und Unterhaltungselektronik können mit dieser Technologie die Leistung verbessern, Kosten reduzieren und gewünschte Formfaktoren umsetzen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, befassen wir uns in unserem Labor intensiv mit der Anwendung der Technologie der gedruckten Elektronik, indem wir neue Materialien und einen vereinfachten Herstellungsprozess verwenden. Wir haben den Druck von Nanopartikel-Silbertinten als Elektroden für Ultraschall-Bildsensoranwendungen erforscht. Eine kleine Partikelgröße führt zu einer erheblichen Reduzierung der Oberflächenrauigkeit von Siebdruck-Elektroden und infolgedessen zu einer wesentlichen Verbesserung der Bildqualität. Miniaturisierte magnetische Strukturen können Anwendung in Positions-, Drehzahl-, Flüssigkeitspegel- und Drehmomentsensoren finden. Solche winzigen magnetischen Strukturen, die nicht unter Verwendung eines herkömmlichen Formverfahrens hergestellt werden können, können direkt mithilfe von magnetischen Tinten auf eine flache oder eine gekrümmte Oberfläche gedruckt werden. Dies verringert nicht nur die Größe, sondern vereinfacht auch den Integrationsprozess. Da der Markt für Sensoren sehr diversifiziert ist und ein hohes Potenzial für kundenspezifische Anpassungen aufweist, gehen wir davon aus, dass die Drucktechnologie Vorteile für die Sensorherstellung bietet, insbesondere für Geräte mit Low-Volume- und High-Mix-Fertigung.