Inkjet printing of thick-film capacitors based on organic-inorganic composites
Final Report Abstract
Der Bereich „gedruckte Elektronik“ ist in den letzten Jahren zu einem beliebten Forschungsgebiet geworden, bei dem auch das Drucken von dielektrischen Schichten ein hohes Interesse erfährt. Diese Schichten werden unter anderem bei der Herstellung von Kondensatoren benötigt, die als wichtigstes energiespeicherndes Medium in der elektronischen Schaltungstechnik gelten. Um möglichst hohe Kapazitäten zu erreichen, werden Materialien mit hohen Permittivitäten benötigt, die sich so dünn wie möglich drucken lassen. Ferroelektrische Keramiken weisen generell sehr hohe Permittivitäten auf, lassen sich aber nur schwierig als dünne Schicht drucken, da bei partikulären Tinten oft ungewünschte Trocknungseffekte auftreten. Der sogenannte coffee stain effect ist dabei der am häufigsten vorkommende Effekt und führt zu ungewünschten Ringstrukturen, die in einer dielektrischen Schicht zu Fehlstellen führen können. Dieser Trocknungseffekt verstärkt sich zusätzlich beim Verdünnen partikulärer Tinten, was zur Herstellung möglichst dünner Schichten allerdings unerlässlich ist. Um dennoch Schichtdicken unter einem Mikrometer realisieren zu können, wurde im Rahmen des Projekts unter anderem eine polymerisierbare Komposittinte für den Tintenstrahldruck entwickelt. Das innovative polymerisierbare Keramiktintensystem enthält oberflächenmodifizierte BST-Partikel (Ba0,6Sr0,4TiO3), einen organischen Quervernetzer sowie einen thermischen Azo-Initiator. Die Polymerisation wird unmittelbar beim Auftreffen eines Tintentropfens auf dem beheizten Substrat initiiert, wodurch sich ein Partikelnetzwerk ausbildet, welches dem coffee stain effect entgegenwirkt. Da es sich um ein Kompositmaterial handelt, können auch ohne einen anschließenden Sinterprozess homogene Topographien erhalten werden, was den Einsatz flexibler Substrate ermöglicht. Zusätzlich kann eine solche Oberflächenmodifizierung mit einer Vielzahl von Materialien durchgeführt werden, was viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Ein wesentliches Ziel dieses Forschungsvorhabens war das Drucken von Kondensatoren, die mindestens um den Faktor 5 höhere Kapazitäten bezogen auf die Fläche aufweisen, als die im Vorgängerprojekt erzielten Kapazitäten von bis zu 48 pF/mm². Der zu Beginn verfolgte Ansatz zur Erhöhung der Permittivität durch Verwendung größerer BST-Partikel im bekannten BST/PMMA-Kompositsystem führte nicht zum gewünschten Erfolg. Das Ziel wurde aber mit Hilfe der oberflächenmodifizierten Keramikpartikel und der hieraus neu entwickelten Tinte erreicht; die gedruckten organischanorganischen Komposit-Dickschichtkondensatoren erreichten mit Schichtdicken unter einem Mikrometer Kapazitäten von bis zu 500 pF/mm². Hierbei wurde die Bedeutung der Qualität der Elektroden bei den durchgeführten Leckstrommessungen deutlich. Zusätzlich wurde mit dem neu entwickelten Tintensystem die Realisierbarkeit von mehrlagigen Kondensatoren unter Beweis gestellt, was zu einer weiteren Erhöhung der Kapazitäten eines Kondensators bei gleichbleibender Fläche führt. Hierbei wird durch ein geeignetes Drucklayout eine Parallelschaltung von Kondensatoren aufgebaut, wodurch sich die Einzelkapazitäten addieren. Im Rahmen dieses Projekts konnten zwar erste Mehrlagenkondensatoren realisiert werden, es wurden aber auch die Herausforderungen an den Druck von mehrlagigen Systemen bzgl. Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit sehr deutlich.
Publications
- Fabrication and Characterization of Fully Inkjet Printed Capacitors Based on Ceramic/Polymer Composite Dielectrics on Flexible Substrates, Sci. Rep. 9 (2019) 13324,1-13
M. Mikolajek, T. Reinheimer, N. Bohn, C. Kohler, M. J. Hoffmann, J. R. Binder
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-019-49639-3) - Polymerizable Ceramic Ink System for Thin Inkjet-Printed Dielectric Layers, XVI ECerS Conference, Turin, June 17, 2019
T. Reinheimer
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.9b18610) - Polymerizable Ceramic Ink System for Thin Inkjet-Printed Dielectric Layers, 44th ICACC, Daytona Beach, January 29, 2020
T. Reinheimer, J.R. Binder
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.9b18610) - Polymerizable Ceramic Ink System for Thin Inkjet-Printed Dielectric Layers, ACS Appl. Mater. Interfaces 12 (2020) 2974−2982
T. Reinheimer, R. Azmi, J. R. Binder
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.9b18610)
