Fineline Siebdruck-Chemie von Kissel + Wolf

 

Die primären Ziele der kristallinen Photovoltaik sind die Senkung der Zellkosten und gleichzeitig deren Effizienzsteigerung. Der Siebdruck leistet hier einen beachtlichen Beitrag, da mit ihm immer schmaler werdende Leitfinger in hohen Prozessgeschwindigkeiten auf der Solarzellenvorderseite realisiert werden können. Diese und auch die Miniaturisierung funktionaler Drucke, beispielsweise in der Elektronik, stellen sehr hohe Anforderungen an die Siebdruckschablone dar.

 

Damit solche feinen Linien nicht nur in der Schablone aufgelöst, sondern später auch im Druck funktionieren können, müssen alle Parameter in der Schablonenherstellung perfekt aufeinander abgestimmt sein.

 

So spielt in erster Linie die eingesetzte Schablonenchemie eine entscheidende Rolle. Kissel + Wolf bietet diesbezüglich ein komplettes System an, da in diesem komplexen Bereich des Siebdrucks eine alleinige Beschichtung mit Kopierschicht oft nicht mehr genügt.

 

Dieses System zeigt mehrere Schritte, welche in Abbildung 1 zu sehen sind. Mit ihnen kann die Schablone nach und nach, für den eigenen Prozess angepasst, optimiert werden. Zunächst sollte eine Basisbeschichtung mit einer hochauflösenden Kopierschicht durchgeführt werden. Dafür eignet sich z.B. die sehr beständige AZOCOL® Z 177 FL oder deren Nachfolgerin AZOCOL® Z 177/1 FL, welche auch bei höherem EOM von ca. 15 µm Auflösungen bis 20 µm erreichen kann. Bei Verwendung aggressiver Lösemittel oder sehr hohen Auflagen wird AZOCOL® Z 173/1 FL-H empfohlen, welche zusätzlich nachgehärtet wird und gleichzeitig sehr hohe Auflösungen generieren kann.

 

Im Anschluss an die Beschichtung mit Kopierschicht kann ESTELAN® D 271 TopCoat auf der Druckseite nachbeschichtet werden, was den Rz-Wert weiter verbessert und die Siebdruckschablone vor mechanischen Angriffen im Druckprozess schützt.

Besonders im Solarbereich ist eine gleichmäßige Topografie der gedruckten Linie wichtig, damit Strom ungehindert fließen kann. Hierfür hat Kissel + Wolf das Produkt KIWOMIX® RA 1750 im Angebot, um die Oberfläche der Schablone so zu modifizieren, damit das Pastenauslöseverhalten der Druckschablone zusätzlich unterstützt wird.

 

 

Abbildung 1: Systemchemie von KIWO –Schritt für Schritt zur optimalen Schablone

 

Wenn in der Schablone die geforderte Auflösung generiert wurde, heißt das jedoch noch nicht, dass diese drucktechnisch umgesetzt werden kann - das passende Gewebe ist ebenfalls entscheidend. So gibt es mittlerweile 11 µm dünne Fäden, um Unterbrechungen in der gedruckten Linie im besten Fall zu eliminieren. Eine immer wichtiger werdende Thematik ist auch die Winkelung des Gewebes. Standardmäßig werden 22,5° und 30° Winkel eingesetzt. Die Problematik beim Druck ist dabei, dass die zu druckenden Linien über die Kröpfungspunkte laufen und dies zu Unterbrechungen im Druckbild führen kann.

 

Aus diesem Grund wird vermehrt mit Null-Grad-Gewebe getestet und teilweise auch schon eingesetzt – die Negativlinie läuft so im Optimalfall parallel zu den Fäden, damit keine „dicken“ Kröpfungspunkte sondern lediglich, je nach Gewebegeometrie variierend, ein dünner Schussfaden quer im Druckkanal liegt. Dadurch können deutlich bessere Profile gedruckt werden – beides in Abbildung 2 zu sehen. 

 

Es muss jedoch beachtet werden, dass die Anforderungen an die Kopierschicht bei diesen Geweben steigen, da das Reflexionsverhalten im Belichtungsprozess ein anderes ist als bei Standardwinkelungen.

 

 

Abbildung 2: links: AZOCOL® Z 177/1 FL auf Null-Grad-Gewebe (PV–Micromesh von Nittoku); rechts: Profil eines Leitfingers, gedruckt mit diesem Gewebe – gedruckt und ausgewertet am ISFH (Institut für Solarenergieforschung Hameln)

 

Im Druck selbst können potentielle Fehlstellen durch Doppeldruck ausgeglichen und so homogenere Leitfinger, also folglich bessere Effizienzen, erreicht werden. Am Institut für Photovoltaik (ipv) an der Universität Stuttgart wurden mit der AZOCOL® Z 177 FL der Doppeldruck mit 30 µm Linien getestet. So konnte im Vergleich zur einfachgedruckten 70 µm Linie eine Effizienzsteigerung von 0,37 % erreicht werden - zu sehen in Abbildung 3. Des Weiteren wurde der Pastenverbrauch in diesem Druckversuch um einiges reduziert, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Waren es bei 70 µm Linien einfachgedruckt noch fast 225 mg/Wafer, wurden bei 30 µm Doppeldruck deutlich weniger als 100 mg/Wafer benötigt.

 

 

Abbildung 3: Doppeldruck einer 30 µm Linie - durchgeführt am ipv in Stuttgart. Links: gemessene Breite und Höhe mit Schnittprofil; rechts: Schaubild mit Vergleich zwischen Einfachdruck einer 70 µm Linie und Doppeldruck einer 30 µm Linie
Abbildung 4: Pastenreduktion durch Doppeldruck einer 30 µm Linie

 

Es ist neben der eingesetzten Schablonenchemie gleichermaßen wichtig, wie diese angewendet wird. Ein Beispiel einer optimierten Schablonentechnik zeigt Abbildung 5: Die Kopierschicht bildet auf der Rakelseite einen quaderförmigen Effekt in den Maschen. Der große Vorteil ist, dass hierbei der Pastenverbrauch und die damit verbundenen Kosten stark reduziert werden können. Das Negativbeispiel ist auf der rechten Seite zu sehen. Die Kopierschicht hat in den Maschen eine konkave Wölbung, in welcher viel Paste hängen bleibt.

 

 

Abbildung 5: unterschiedlich ausgeprägte Rakelseiten. Durch quaderförmigen Effekt (links) wird der Pastenverbrauch reduziert

 

Es wird deutlich, dass diese feinsten Linien nur mit hohem Aufwand auf das Substrat gebracht werden können, die Entwicklung hinsichtlich der Auflösung ist jedoch trotzdem noch lange nicht am Ende angekommen. Auch Kissel + Wolf wird in naher Zukunft ein noch höher auflösendes Produkt auf den Markt bringen, welches Linien ≤ 15 µm bei einem EOM ≥ 10 µm auflösen kann. Ein kleiner Vorgeschmack dieser Kopierschicht ist in Abbildung 6 zu sehen.

 

 

Abbildung 6: Neuentwicklung von Kissel + Wolf - 15 µm und 12,5 µm Negativlinie (auf dem Layout) mit 11 µm EOM

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