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Wet etching of printed silver layers using an etch resist structured by flexography

Ranfeld, Constanze :
Wet etching of printed silver layers using an etch resist structured by flexography.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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[Ranfeld]Wet etching of printed silver layers using an etch resist structured by flexography_web.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Wet etching of printed silver layers using an etch resist structured by flexography
Language: English
Abstract:

Flexographic printing is a common technique in the production of printed electronics. Its flexible printing plates offer many advantages, especially regarding printing on rigid and fragile substrates. Nevertheless, one major drawback is the so-called halo effect where ink is squeezed at the edges of the raised elements of the printing plate during transfer onto the substrate. The result is a halo-like structure surrounding the desired layout with a zone depleted of ink in-between. The approach of this study is to utilize the halo effect in flexographic printing for the structuring of a resist layer in wet etching processes of silver layers with the goal of integrating this process into printed electronics production. For this, three different aspects need to be considered. The first aspect is the influence of post-processing on printed silver layers. I investigated the effect of several parameters of photonic curing on the etching rate and on the sheet resistance of printed silver nanoparticle layers. For the latter, I utilized design of experiments (DoE). The second aspect is the impact of printing parameters on the behavior of printed lines regarding the halo effect in flexography. I investigated the halo effect of printed line structures on an IGT F1 printability tester, also utilizing DoE. With this method, I structured a resist layer of poly(methyl methacrylate) (PMMA) for wet etching processes. The third aspect is the transferral of the layout of the printed etch resist to the silver layer using wet etching. For these trials I used nitric acid as etchant. The results of these investigations are the following: The printed silver layers were homogenous with a roughness of few ten nanometers. As expected, photonic curing does increase the conductivity. The extend of the increase depends on the energy density the sample is exposed to. I found a method to evaluate the isotropy of the electrical properties of printed silver layers using the correction factor in van der Pauw measurements. When printing line shaped elements the halo effect needs to be considered. Nearly all printed samples, regardless the printing parameters, show a more or less pronounced halo effect. Here, the most influential parameter is the pick-up volume: A high pick-up volume results in wide halos around a printed line with a distinct void in-between. The second largest impact has the printing force, whereas the influence of the printing speed is almost negligible. It was not possible to determine a relation between degree of post-processing, i.e. energy density during photonic curing, and etching rate. The measurements were inconclusive. Therefore, I used a different dilution of the etchant to transfer the layout of the printed resist structures into the silver layer. Using the halo effect in flexographic printing for structuring the resist layer, we can obtain line widths smaller than those attainable by directly using flexographic printing. To achieve this, anilox rollers with low pick-up volume are needed. Nevertheless, those lines are hardly reproducible. Their line quality needs further improvement regarding edge sharpness, bulging and interruptions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Flexodruck ist ein gängiges Herstellungsverfahren in der gedruckten Elektronik. Gerade die flexiblen Klischees machen es so attraktiv für z. B. starre oder zerbrechliche Substrate. Der Flexodruck hat jedoch einen gravierenden Nachteil, den Halo-Effekt, im grafischen Drucken auch Quetschränder genannt. Dabei wird Fluid an den Kanten der erhabenen Druckformelemente zwischen Klischee und Substrat herausgequetscht. Das Ergebnis sind halo-förmige Strukturen, die das gewünschte Druckbild umranden. Zwischen Druckbild und Halo befindet sich eine fluidarme Zone. Das Ziel dieser Arbeit ist die Nutzung des Halo-Effektes im Flexodruck zur Strukturierung von Resist-Schichten für Nassätzprozesse gedruckter Silberschichten mit Fokus auf die Integration in die Produktionskette gedruckter Elektronik. Dafür sind drei verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. Der erste Aspekt ist der Einfluss von Nachbehandlungsmethoden auf gedruckte Silberschichten. So wurde die Auswirkung verschiedener Parameter des photonischen Sinterns (engl. Photonic Curing) auf die Ätzrate und den Flächenwiderstand gedruckter Silbernanopartikelschichten untersucht. Für letzteres wurde Statistische Versuchsplanung angewendet. Der zweite Aspekt ist der Einfluss von Druckparametern auf die Ausprägung des Halo-Effektes gedruckter Linien. Mit Hilfe Statistischer Versuchsplanung wurden Ätzresistschichten aus PMMA (Poly(Methylmethacrylat)) im Flexodruck strukturiert und deren Linienparameter untersucht. Zum Einsatz kam das Bedruckbarkeitsgerät IGT F1. Der dritte Aspekt ist die Übertragung des Layouts der Resiststrukturen auf die Silberschicht mittels Nassätzen mit Salpetersäure. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Die gedruckten Silberschichten waren homogen mit einer Rauigkeit von wenigen zehn Nanometern. Wie erwartet steigert Photonisches Sintern die Leitfähigkeit der Schichten. Wie stark diese steigt hängt von der Energiedichte während des Sinterns ab. Eine Methode zur Evaluierung der Isotropie elektrischer Eigenschaften gedruckter Silberschichten anhand des Korrekturfaktors der van der Pauw-Methode wurde gezeigt. Beim Flexodruck sollte immer der Halo-Effekt berücksichtigt werden. Dieser trat, mehr oder weniger stark, in allen gedruckten Proben auf. Der Haupteinflussparameter hierbei ist das Schöpfvolumen der Rasterwalze: Ein hohes Schöpfvolumen erzeugt breite Halos um eine gedruckte Linie, sowie eine sehr ausgeprägte Lücke dazwischen. Weiterhin hat die Druckkraft einen hohen Einfluss, während der Einfluss der Druckgeschwindigkeit vernachlässigbar ist. Ein Zusammenhang zwischen Nachbehandlung (Energiedichte beim Photonischen Sintern) und Ätzrate konnte für 20%ige Salpetersäure nicht festgestellt werden. Die Messergebnisse waren nicht schl¨ussig. Daher wurden eine höhere Konzentration der Salpeters¨aure f¨ur die Übertragung der Resiststrukturen in die Silberschicht verwendet. Unter Ausnutzung des Halo-Effektes im Flexodruck zur Strukturierung von Ätzresistschichten und anschließendem Ätzen ist es gelungen, kleinere Linienbreiten zu erzielen, als dies durch direktes Flexodrucken von Silberstrukturen möglich wäre. Um dies zu ermöglichen, werden Rasterwalzen mit geringen Schöpfvolumina benötigt. Jedoch ist die Reproduzierbarkeit solch schmaler Linien gering. Die Linienqualität muss weiter in Hinblick auf Kantenschärfe, Ausbeulungen und Durchgängigkeit verbessert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 670 Industrielle Fertigung
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Printing Science and Technology (IDD)
Date Deposited: 05 Jun 2015 08:34
Last Modified: 05 Jun 2015 08:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-45349
Referees: Dörsam, Prof. Dr. Edgar and Claypole, Prof. Tim
Refereed: 21 May 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4534
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