Gedruckte Elektronik mit Kupfertechnologie

Besonders dünn, flexibel, extrem leitfähig und zugleich sparsam: Elektronische Komponenten müssen heute großen Anforderungen entsprechen. Traditionelle Elektronik allerdings stößt wegen ihrer Abmessungen und Technologie schnell an ihre Grenzen. Eine Lösung, die der Hersteller hochwertiger Folientastaturen und Touchsysteme Kundisch für sich entdeckt hat, ist gedruckte Elektronik mit Kupfertechnologie.

Mit gedruckter Elektronik sind Bauelemente, Baugruppen und Anwendungen gemeint, die im Druckverfahren hergestellt werden. Statt Druckfarben kommen elektronische Funktionsmaterialien in flüssiger oder pastöser Form zum Einsatz. Die funktionale Tinte, in der auch Nanopartikel aus beispielsweise Silber oder Kupfer enthalten sind, kann sowohl auf Papier als auch auf Plastik gedruckt werden. Die Paste härtet bei 80 bis 150 Grad Celsius zu einer festen Schicht aus und bildet dabei leitfähige, funktionale Schichten.

„Unsere verwendete Kupfertechnik hat eine höhere Leitfähigkeit als gedrucktes Silber“, erklärt Sebastian Gepp, Entwicklungsleiter für gedruckte Elektronik bei Kundisch und langjähriger Experte auf dem Gebiet. „Chemisch gesehen hat Silber zwar die höhere Leitfähigkeit, zermahlen in viele kleine Partikel und auf eine Folie gedruckt leitet es aber schlechter als das reine Kupfer, das bei uns Verwendung findet.“ Kupfer ist klimatisch und mechanisch stabiler als Silber. „Wir benutzen beide Materialien auch gemeinsam, wenn es sich anbietet.“ Entscheidend ist die gewünschte Qualität, der angestrebte Preis und der spätere Einsatz – die Haushaltsanwendung in Form einer Kaffeemaschine etwa stellt geringere Anforderungen als eine Tunnelbaumaschine.

Im Gegensatz zur Leiterplattentechnik erlaubt die gedruckte Elektronik die Integration vieler Funktionen in extrem flachen Bauteilen. Große Flächen ab A4 können zudem günstiger hergestellt werden als mit klassischer Technologie. Der Bedarf an funktionalen Tastaturen und Bedienpanels ist groß – etwa für Bedienelemente medizinischer Geräte. Hinter der grafischen Ebene verbirgt sich meist eine flexible Folie, die mit elektronischen Druckfarben bedruckt ist. Die RFID-Sensorik etwa erlaubt die Kontrolle über die Funktionen der Maschine sowie die Beobachtung der Verbrauchsmaterialien wie Schläuche oder Spritzen. Jedes einzelne Produkt wird so kontrollierbar und digital identifizierbar. Medizinische Geräte, für die eine regelmäßige Reinigung verpflichtend ist, können über einen entsprechenden Status auf dem RFID-Chip für den nächsten Einsatz gesperrt oder auch freigegeben werden. Ein Passwortschutz gewährleistet die Datensicherheit.

Mit der bereits in die Tastatur integrierten NFC-Schnittstelle bietet der Hersteller aus Villingen-Schwenningen seinen Kunden eine neue Form der Kommunikation. Sie basiert auf der Near-Field-Technologie (NFC), mit der zum Beispiel ein Sensor über ein Smartphone ausgelesen werden kann. „Vor allem im Hinblick auf Industrie 4.0 und für Wartungsthemen ist das für unsere Kunden spannend“, bekräftigt Sebastian Gepp. „Der Servicetechniker kann sich über sein Telefon an der Maschine anmelden – und schon wird die Maschine in seine Landessprache eingestellt.“ Ziel ist hier vor allem, dem Kunden Produktionsschritte zu ersparen, indem die Schnittstelle direkt in die Bedieneinheit verbaut ist. Die Kupfertechnik etwa bietet die Möglichkeit, elektrische Bauteile wie LEDs einzubringen. Diese Komponenten werden gelötet, was nach Sebastian Gepp bei den Kunden gegenüber elektrischem Kleben bevorzugt werde. „Mit dem Löten entsteht eine beständigere Verbindung, die mechanisch und elektrisch mehr aushält und langlebiger ist.“ Auch E-Paper in den Bedieneinheiten, deren Text über das Telefon geändert werden kann, sind bei Kundisch in Planung. Touchsensoren für gekrümmte Oberflächen sind ebenso wenig ein Problem wie flachste Bauformen für Kabel, Antennen oder Sensoren. „Die Vorteile der Technologie zeigen sich auch in Anwendungen wie etwa der in Folientastaturen gedruckten Heizung“, erklärt Gepp. „In extremen Gebieten wie in Sibirien kann die Funktion der Tastatur so einerseits gesichert werden, andererseits ist es auch für den Anwender angenehmer, wenn das Bedienelement warm ist.“ Klassische elektrische Bauelemente wären aufgrund des Bauraumes nur mit großen Anstrengungen zum Ziel gekommen.

Zur Herstellung werden meist konventionelle Verfahren eingesetzt wie etwa der Siebdruck mit einem Auftrag zwischen drei und 200 µm – je nach Material und Werkzeugen. Das Druckverfahren zeichnet sich zudem durch eine sehr große Vielseitigkeit und Materialvielfalt aus: „Von Wasserkonsistenz bis Nutella kann alles gedruckt werden“, bekräftigt Gepp. „Siebdruck ist darüber hinaus für kleine und große Auflagen geeignet und hat geringe Werkzeugkosten.“ Eine kleine Auflage von nur zehn Stück ist ebenso wenig ein Problem wie zehn Millionen, der Herstellungsprozess ist der Gleiche. Beim Siebdruck wird die Funktionspaste durch ein feinmaschiges Gewebe in mehreren Schichten auf ein dünnes Trägermaterial aufgetragen. Die Schablone ist an den notwendigen Stellen geschlossen, wodurch das gewünschte Druckbild entsteht.

Kundisch konnte hierfür größtenteils auf schon bestehende Maschinen zurückgreifen. „Einige Ergänzungen haben wir aber dennoch vorgenommen“, bemerkt Sebastian Gepp. „So haben wir etwa einen Reinraum geschaffen, um staubfrei und hygienisch arbeiten zu können, was für einige Produkte eine Grundvoraussetzung ist.“ Außerdem habe an den Maschinen eine Feinabstimmung stattfinden müssen, damit sie noch genauer arbeiten können. „Gegenüber Folientastaturen, wie wir sie sonst herstellen, muss in der Elektronik einfach noch genauer gearbeitet werden. Wir haben deswegen in neue Laser- und Trocknungstechnik investiert und können unseren Kunden nun die Folientastatur der Zukunft anbieten.“