Green ICT @ FMD ReferenzdatenFotolack-basierter semi-additiver Herstellungsprozess für Flex-(Folien)-Leiterbahnen

Das semi-additive Fertigungsverfahren wird zur Herstellung strukturierter Metallisierungen auf Polymersubstraten eingesetzt. Es ist im Rolle-zu-Rolle-Format etabliert und eignet sich besonders für die Produktion hochauflösender Verdrahtungsleitungen auf flexiblen Substraten.

Im Verfahren wird zunächst ein vollflächiger Metallschichtstapel, bestehend aus einer dünnen Chrom-Haftschicht und einer Kupferkeimschicht, mittels Sputterverfahren auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird ein Negativ-Trockenfilm-Fotoresist laminiert, und das Layout wird mit einem digitalen Belichtungsgerät belichtet und entwickelt. Die gewünschte Kupferdicke wird dann an den belichteten Kupferbereichen durch Galvanisierung additiv aufgebaut. Nach der Galvanisierung wird der Fotolack entfernt, und die Keimmetallschichten werden geätzt. Die verstärkten Kupferbereiche verbleiben und bilden die Leiterbahnen.

Die Prozessdaten wurden am Fraunhofer EMFT im Rahmen einer Forschungsumgebung erfasst. Diese Daten beziehen sich ausschließlich auf die Prozessparameter; andere Aspekte der Fertigungsumgebung, wie z.B. Raumbelüftung, wurden nicht berücksichtigt.

Hintergrunddaten wurden mit Sphera LCA for Experts und ecoinvent v3.9 modelliert. Für den Energieverbrauch wurde ein deutscher Energiemix verwendet.

Das verwendete Substrat ist eine Polyimidfolie. Da keine Literatur- oder Modellierungsdaten für Polyimidfolie verfügbar waren, wurde PET-Folie als Ersatz gewählt, da dieser Folientyp ebenfalls am Fraunhofer EMFT für vergleichbare Anwendungen verwendet wird. Der Argonbedarf für das Sputtern wurde basierend auf internen Berechnungen abgeschätzt.

Die Galvanikbäder werden nach einer festgelegten Zeit gewechselt, nicht nach dem Durchsatz oder der Anzahl der Durchläufe. Daher wurde der Durchsatz auf Grundlage der Anzahl der Arbeitstage im Jahr geschätzt (230 Arbeitstage, ein Durchlauf dauert etwa drei Arbeitstage). Es wurde von 75 Durchläufen pro Jahr und somit auch pro Bad ausgegangen. Die Menge der benötigten Chemikalien wurde entsprechend berechnet.

Der hauptsächlich verwendete Fotolack ist ein negativ arbeitender Trockenresist aus der MX50000-Serie von DuPont. Dieser besteht aus einem mikrolithografischen Polymerfilm mit einer Dicke von 15 μm sowie zwei Schutzschichten: einer Polyesterschicht (20 μm) und einer Polyethylenschicht (jeweils 20 μm).

Da keine AKI-Daten für den Fotolack gefunden werden konnten, wurde ein Modell basierend auf Literaturrecherche entwickelt. Die äußeren Schutzschichten wurden als Polyester bzw. Polyethylen modelliert. PMMA wird als Photoresist verwendet, was im Einklang mit der Angabe von DuPont steht, dass ihr Fotolack ein Acrylat ist. Das Volumen der jeweiligen Schichten wurde auf Grundlage der Bandfläche und der Dicke berechnet. Aufgrund fehlender Daten wurden das Sensibilisierungsmittel und die Herstellungsenergie des Fotolacks vernachlässigt. Da das Sensibilisierungsmittel in der Regel nur einen kleinen Teil des Fotolacks ausmacht, sollte das Modell dennoch eine ausreichend genaue Annäherung bieten.

Für die Strukturierung des Fotolacks wurde eine virtuelle Fotomaske verwendet, die daher nicht im Inventar aufgeführt ist. Beim Ätzprozess wurde angenommen, dass ein Becken mit Ätzchemikalien für sechs Prozessläufe ausreicht, bevor es ausgetauscht wird. Die chemische Belastung wurde entsprechend verteilt. 0,33 kg Kaliumhexacyanoferrat(III), das ebenfalls für den Ätzprozess benötigt wird, wurden vernachlässigt, da keine Modellierungsdaten vorlagen.

Der Fotolackabfall wurde als Gewerbeabfall modelliert. Für die Chemikalien wurden Filtermechanismen angenommen, die feste Abfälle (die als gefährlich gelten) und Abwasser erzeugen. Beim Entfernen des Fotolacks wurde ein alternativer Ansatz berücksichtigt: Der unbelichtete Fotolack löst sich während der Entwicklung vollständig in der Kaliumkarbonatlösung auf und wird ins Abwasser eingeleitet. Der belichtete Resist bleibt beim Strippen mit Kaliumcarbonat weitgehend als Feststoff zurück, der gefiltert und im Gewerbeabfall entsorgt wird. Die verbleibende Kaliumcarbonatlösung wird ebenfalls ins Abwasser eingeleitet.