DE102020211183A1 - PRINTABLE PASTE, METHOD FOR PRODUCTION THEREOF, AND METHOD FOR EQUIPPING A SUBSTRATE WITH AN ELECTRICALLY CONDUCTIVE STRUCTURE - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine druckbare Paste, mit der die Bereitstellung elektrisch leitfähiger Strukturen möglich ist. Die druckbare Paste ist insbesondere mittels Siebe- oder Schablonendruck aufbringbar und eignet sich insbesondere für Substrate mit ultraniedrigem Tg < 60°C und einer niedrigen Prozesstemperatur von ≤ 60°C.The present invention relates to a printable paste with which it is possible to provide electrically conductive structures. The printable paste can be applied in particular by means of screen or stencil printing and is particularly suitable for substrates with an ultra-low Tg < 60°C and a low process temperature of ≤ 60°C.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine druckbare Paste, mit der die Bereitstellung elektrisch leitfähiger Strukturen möglich ist. Die druckbare Paste ist insbesondere mittels Siebe- oder Schablonendruck aufbringbar und eignet sich insbesondere für Substrate mit ultraniedrigem Tg < 60°C und einer niedrigen Prozesstemperatur von ≤ 60°C.The present invention relates to a printable paste with which it is possible to provide electrically conductive structures. The printable paste can be applied in particular by means of screen or stencil printing and is particularly suitable for substrates with an ultra-low Tg < 60°C and a low process temperature of ≤ 60°C.
Siebdruckpasten zur Herstellung dielektrischer oder elektrisch leitfähiger Strukturen auf einem Trägermaterial sind im Stand der Technik gut bekannt. Die meisten derartigen Pasten benötigen bei der Herstellung ein Walzwerk bzw. Kalandrieren. Durch Verwendung des Walzwerks werden die Pasten ausreichend homogenisiert, so dass sie mit einem Rakel durch das feinmaschige Sieb hindurch auf das zu bedruckende Trägermaterial gedruckt werden. Bestimmend sind bei dem Siebdruck neben der Struktur des Gewebes ebenso die Eigenschaften der Siebdruckpaste und des zu bedruckenden Trägers. So soll die Paste beim Siebdruckverfahren das Sieb offenhalten. Die Paste sollte in keinem Fall zu schnell im Sieb eintrocknen und somit die Maschen dieses Siebs teilweise oder gänzlich verstopfen. Vielmehr muss die Paste während des gesamten Druckprozesses einwandfrei durch die Maschen des Siebs passieren. Ferner ist von Bedeutung, dass die Paste nach Aufbringen auf das Trägermaterial einerseits möglichst schnell trocknet aber auch andererseits kein Breitlaufen der Paste stattfindet, weil durch das Breitlaufen Kurzschlüsse zwischen benachbarten Leiterbahnen entstehen können. Weiterhin sollte die Trocknung der Paste derart erfolgen, dass sich die Abmessungen der aufgebrachten Siebdruckpaste im Vergleich zu der fertigen Leiterbahn so wenig wie möglich ändern.Screen printing pastes for producing dielectric or electrically conductive structures on a carrier material are well known in the prior art. Most pastes of this type require a rolling mill or calendering during production. By using the rolling mill, the pastes are sufficiently homogenized so that they can be printed with a squeegee through the fine-meshed screen onto the substrate to be printed. In addition to the structure of the fabric, the properties of the screen printing paste and the substrate to be printed are also decisive in screen printing. The paste should keep the screen open during the screen printing process. Under no circumstances should the paste dry too quickly in the sieve and thus partially or completely clog the mesh of this sieve. Rather, the paste must pass through the mesh of the screen without any problems during the entire printing process. It is also important that the paste dries as quickly as possible after it has been applied to the carrier material, but also that the paste does not spread, because spreading can cause short circuits between adjacent conductor tracks. Furthermore, the paste should be dried in such a way that the dimensions of the applied screen printing paste change as little as possible compared to the finished conductor track.
Bisher hergestellten elektrisch leitfähigen Siebdruckpasten, insbesondere in
Somit besteht grundsätzlich ein Bedarf an verbesserten Siebdruckpasten, die möglichst viele der vorstehend genannten Eigenschaften gleichzeitig erfüllen.There is therefore a fundamental need for improved screen printing pastes which simultaneously fulfill as many of the aforementioned properties as possible.
Ferner besteht ein Bedarf nach elektrisch leitfähigen Pasten, die bei Temperaturen unter 90°C, insbesondere unter 60°C, trocknen und dabei notwendige elektrische Leitfähigkeiten aufweisen.There is also a need for electrically conductive pastes which dry at temperatures below 90° C., in particular below 60° C., and at the same time have the necessary electrical conductivity.
Diese Aufgabe wird bezüglich einer Paste mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung der Paste mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie hinsichtlich eines Verfahrens zum Ausstatten eines Substrats mit einer elektrisch leitfähigen Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Mit Patentanspruch 15 werden Verwendungsmöglichkeiten der Paste angegeben. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved with regard to a paste having the features of patent claim 1, with regard to a method for producing the paste with the features of patent claim 7 and with regard to a method for equipping a substrate with an electrically conductive structure with the features of patent claim 13. With patent claim 15 possible uses of the paste are given. The respective dependent patent claims represent advantageous developments.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Paste, enthaltend oder bestehend aus
- a) Dimethylglutarat;
- b) Dimethylsuccinat;
- c) 3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol; und
- d) elektrisch leitfähige Partikel, die in a) bis c) dispergiert sind.
- a) dimethyl glutarate;
- b) dimethyl succinate;
- c) 3,5-dimethyl-1-hexyn-3-ol; and
- d) electrically conductive particles dispersed in a) to c).
3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol hat einen niedrigen Siedepunkt, was für elektrisch leitfähige druckbare Pasten essentiell ist. Es verdampft sehr schnell und senkt somit die Prozesszeiten.3,5-dimethyl-1-hexyn-3-ol has a low boiling point, which is essential for electrically conductive printable pastes. It evaporates very quickly and thus reduces process times.
Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass die Paste bei sehr geringen Temperaturen auf ein beliebiges Substrat aufgebracht werden kann, wobei nach Trocknen eine Leiterstruktur auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann.Surprisingly, it was found that the paste can be applied to any substrate at very low temperatures, with a conductor structure being able to be produced in a simple manner after drying.
Die Herstellung der Leiterstruktur kann dabei ohne Walzwerk erfolgen, zugleich kann die erfindungsgemäße Paste als adhäsiv (Einkomponente) zur elektrischen Kontertierung elektronischer Bauelemente verwendet werden.The conductor structure can be produced without a rolling mill, and at the same time the paste according to the invention can be used as an adhesive (one-component) for the electrical countering of electronic components.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Paste Dimethylglutarat in einem Anteil von 1-3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste, enthält; ferner ist bevorzugt, dass die Paste Dimethylsuccinat in einem Anteil von 1-3% Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste, enthält.A preferred embodiment provides that the paste contains dimethyl glutarate in a proportion of 1-3% by weight, based on the total weight of the paste; furthermore, it is preferred that the paste contains dimethyl succinate in a proportion of 1-3% by weight based on the total weight of the paste.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Paste 3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol in einem Anteil von 2-7% Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste, enthält.A further preferred embodiment provides that the paste contains 3,5-dimethyl-1-hexyn-3-ol in a proportion of 2-7% by weight, based on the total weight of the paste.
Ferner ist von Vorteil, wenn die elektrisch leitfähigen Partikel der Paste
- i) in einem Anteil von 45-85% Gew.-%, bevorzugt 60 bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Paste, enthalten sind; und/oder
- ii) ein elektrisch leitfähiges Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Kupfer, Ruthenium, Nickel, Aluminium, kohlenstoffbasierten Materialien und Mischungen und Legierungen hiervon enthalten oder daraus bestehen, wobei das elektrisch leitfähige Material besonders bevorzugt Silber oder ein kohlenstoffbasiertes Material ist; und/oder
- iii) in Form von Nanopartikeln, Flocken oder Kombinationen hiervon vorliegen, wobei die Flocken insbesondere eine stabförmige, kegelförmige oder plattenförmige Form sowie Kombinationen hiervon aufweisen und/oder
- iv) eine Größe im Bereich von 0,2 bis 15 µm, wobei die Größe insbesondere über SEM bestimmbar ist.
- i) are contained in a proportion of 45-85% by weight, preferably 60 to 80% by weight, based on the total weight of the paste; and or
- ii) an electrically conductive material selected from the group consisting of silver, gold, contain or consist of platinum, palladium, copper, ruthenium, nickel, aluminium, carbon-based materials and mixtures and alloys thereof, the electrically conductive material particularly preferably being silver or a carbon-based material; and or
- iii) in the form of nanoparticles, flakes or combinations thereof, the flakes in particular having a rod-shaped, conical or plate-shaped form and combinations thereof and/or
- iv) a size in the range from 0.2 to 15 µm, the size being determinable in particular via SEM.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, zur Herstellung einer Paste, umfassend oder bestehend aus einem Dispergieren von elektrisch leitfähigen Partikeln in einer Mischung enthaltend oder bestehend aus Dimethylglutarat, Dimethylsuccinat und 3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol.In addition, the present invention relates to a method for producing a paste, comprising or consisting of dispersing electrically conductive particles in a mixture containing or consisting of dimethyl glutarate, dimethyl succinate and 3,5-dimethyl-1-hexin-3-ol.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die in dem Verfahren hergestellte Paste
- i) kein Polymer enthält; und/oder
- ii) kein Ketonlösungsmittel enthält; und/oder
- iii) eine Viskosität im Bereich von 10 bis 450 Pa·s, bevorzugt 10 bis 300 Pa·s, bei einer Scherrate von 10/s aufweist.
- i) contains no polymer; and or
- ii) contains no ketone solvent; and or
- iii) has a viscosity in the range 10 to 450 Pas, preferably 10 to 300 Pas, at a shear rate of 10/s.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Mischung Dimethylglutarat in einem Anteil enthält, dass der Anteil von Dimethylglutarat in der hergestellten Paste, bezogen auf das Gesamtgewicht der hergestellten Paste von 1 bis 3 Gew.-% beträgt.It is advantageous here that the mixture contains dimethyl glutarate in such a proportion that the proportion of dimethyl glutarate in the paste produced is from 1 to 3% by weight, based on the total weight of the paste produced.
Ferner ist vorteilhaft, wenn die Mischung Dimethylsuccinat in einem Anteil enthält, dass der Anteil von Dimethylsuccinat in der hergestellten Paste, bezogen auf das Gesamtgewicht der hergestellten Paste, von 1 bis 3 Gew.-% beträgt.It is also advantageous if the mixture contains dimethyl succinate in a proportion such that the proportion of dimethyl succinate in the paste produced is from 1 to 3% by weight, based on the total weight of the paste produced.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mischung 3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol in einem Anteil enthält, dass der Anteil von 3,5-Dimethyl-1-hexin-3-ol in der hergestellten Paste, bezogen auf das Gesamtgewicht der hergestellten Paste, von 2 bis 7 Gew.-% beträgt.According to a further preferred embodiment, it is provided that the mixture contains 3,5-dimethyl-1-hexyn-3-ol in a proportion that corresponds to the proportion of 3,5-dimethyl-1-hexyn-3-ol in the paste produced , based on the total weight of the paste produced, is from 2 to 7% by weight.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist des Weiteren vorteilhaft, wenn die elektrisch leitfähigen Partikel, die in der Mischung dispergiert werden,
- i) in einem Anteil in der Mischung dispergiert werden, dass ihr Anteil in der hergestellten Paste 45 bis 85 Gew.-%, bevorzugt 60 bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der hergestellten Paste, beträgt; und/oder
- ii) ein elektrisch leitfähiges Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silber, Gold, Platin, Palladium, Kupfer, Ruthenium, Nickel, Aluminium, kohlenstoffbasierten Materialien und Mischungen und Legierungen hiervon enthalten oder daraus bestehen, wobei das elektrisch leitfähige Material besonders bevorzugt Silber oder ein kohlenstoffbasiertes Material ist; und/oder
- iii) in Form von Nanopartikeln, Flocken oder Kombinationen hiervon vorliegen, wobei die Flocken insbesondere eine stabförmige, kegelförmige oder plattenförmige Form sowie Kombinationen hiervon aufweisen und/oder
- iv) eine Größe im Bereich von 0,2 bis 15 µm aufweisen, wobei die Größe insbesondere über SEM bestimmbar ist.
- i) are dispersed in the mixture in such a proportion that their proportion in the paste produced is 45 to 85% by weight, preferably 60 to 80% by weight, based on the total weight of the paste produced; and or
- ii) an electrically conductive material selected from the group consisting of silver, gold, platinum, palladium, copper, ruthenium, nickel, aluminum, carbon-based materials and mixtures and alloys thereof or consist thereof, wherein the electrically conductive material particularly preferably silver or a is carbon-based material; and or
- iii) in the form of nanoparticles, flakes or combinations thereof, the flakes in particular having a rod-shaped, conical or plate-shaped form and combinations thereof and/or
- iv) have a size in the range from 0.2 to 15 μm, the size being determinable in particular via SEM.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausstatten eines Substrats mit einer elektrisch leitfähigen Struktur, umfassend die Schritte:
- a) Aufbringen der Paste gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 auf ein Substrats, bevorzugt über ein Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siebdruck, Schablonendruck, Spritzendosieren, Tiefdruck, Dispenserdruck, Tintenstrahldruck, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung, und Kombinationen hiervon; und
- b) Trocknen der Paste, bevorzugt bei einer Temperatur von ≤ 60°C, wobei die trockene Paste eine elektrisch leitfähige Struktur ausbildet;
- i) eine Glasübergangstemperatur von weniger als 60°C aufweist; und/oder
- ii) einen Stoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffen, Naturstoffen, Metallen und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyimiden, Polycarbonaten, Polyalkylenen, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, Metallen, wie z. B. Kupfer, Cellulose, Baumwolle und Kombinationen hiervon; und/oder
- ii) Fasern, Filamente, Gewebe, Gestricke und/oder Vliesstoffe enthält oder daraus besteht; und/oder
- iv) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Textil, RFID-Bauteil, Leiterplatten-Bauteil, Autobauteil, Fahrradbauteil, Zugbauteil, Flugzeugbauteil, Hubschrauberbauteil, medizinisches Bauteil und Kombinationen hiervon.
- a) applying the paste according to any one of claims 1 to 6 to a substrate, preferably via a method selected from the group consisting of screen printing, stencil printing, syringe dosing, gravure printing, dispenser printing, inkjet printing, dip coating, spray coating, and combinations thereof; and
- b) drying the paste, preferably at a temperature of ≦60° C., the dry paste forming an electrically conductive structure;
- i) has a glass transition temperature of less than 60°C; and or
- ii) contains or consists of a substance that is selected from the group consisting of plastics, natural substances, metals and combinations thereof, particularly preferably selected from the group consisting of polyesters, polyimides, polycarbonates, polyalkylenes, such as. B. polyethylene or polypropylene, metals such. B. copper, cellulose, cotton and combinations thereof; and or
- ii) contains or consists of fibers, filaments, woven, knitted and/or non-woven fabrics; and or
- iv) is selected from the group consisting of textile, RFID component, printed circuit board component, car component, bicycle component, train component, aircraft component, helicopter component, medical component and combinations thereof.
Hierbei ist von Vorteil, nach dem Aufbringen der Paste auf das Substrat und vor dem Trocknen der Paste die Paste mit einem weiteren Substrat kontaktiert wird, wobei das Trocknen der Paste eine elektrisch leitfähige Struktur ausbildet, welche das Substrat mit dem weiteren Substrat verklebt, wobei das weitere Substrat bevorzugt
- i) eine Glasübergangstemperatur von weniger als 60°C aufweist; und/oder
- ii) einen Stoff enthält oder daraus besteht, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, Naturstoff und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffen, Naturstoffen, Metallen und Kombinationen hiervon, besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, Polyimiden, Polycarbonaten, Polyalkylenen, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, Metallen, wie z. B. Kupfer, Cellulose, Baumwolle und Kombinationen hiervon; und/oder
- iii) Fasern enthält oder daraus besteht; und/oder
- iv) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Textil, RFID-Bauteil, Leiterplatten-Bauteil, Autobauteil, Fahrradbauteil, Zugbauteil, Flugzeugbauteil, Hubschrauberbauteil, medizinisches Bauteil und Kombinationen hiervon.
- i) has a glass transition temperature of less than 60°C; and or
- ii) contains or consists of a substance that is selected from the group consisting of plastic, natural substance and combinations thereof, particularly preferably selected from the group consisting of plastics, natural substances, metals and combinations thereof, particularly preferably selected from the group consisting of polyesters, polyimides, polycarbonates, polyalkylenes, such as. B. polyethylene or polypropylene, metals such. B. copper, cellulose, cotton and combinations thereof; and or
- iii) contains or consists of fibres; and or
- iv) is selected from the group consisting of textile, RFID component, printed circuit board component, car component, bicycle component, train component, aircraft component, helicopter component, medical component and combinations thereof.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Paste in einem Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Siebdruck, Schablonendruck, Spritzendosieren, Tiefdruck, Dispenserdruck, Tintenstrahldruck, Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung, und Kombinationen hiervon, bevorzugt in einem Siebdruck-Verfahren.The present invention also relates to the use of the paste according to the invention in a method selected from the group consisting of screen printing, stencil printing, syringe dosing, gravure printing, dispenser printing, inkjet printing, dip coating, spray coating, and combinations thereof, preferably in a screen printing method.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Leiterstrukturen in Anwendungen wie beispielsweise
- - RFID
- - Smart Textiles
- - Printed Electronics, flexible electronics,
- - E-Mobility
- - Medical devices
- - In-Mold electronics.
- -RFID
- - Smart textiles
- - printed electronics, flexible electronics,
- - E-mobility
- - Medical devices
- - In mold electronics.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2010/060024 [0003]WO 2010/060024 [0003]
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