Holst Centre gebruikt gecontroleerde explosies om te printen

Een nieuwe printtechniek ontwikkeld bij TNO’s Holst Centre gooit hoge ogen in de chip- en elektronica-assemblage en in de displayfabricage.

Paul van Gerven
6 september

Als de pasta in de groeven van de plaat is gesmeerd, wordt er een korte maar heftige stroompuls door stroomdraadjes in de plaat gestuurd. Net als in een broodrooster produceren die draadjes warmte, maar daar houdt de vergelijking echt wel op. Zo heftig is de stroomstoot dat de warmtestroom gedurende een fractie van een seconde meer dan tien keer groter is dan aan het oppervlak van de zon. Bijna instantaan verdampt een beetje oplosmiddel uit de pasta waar die contact maakt met de groeven. Er bouwt razendsnel druk op, resulterend in een explosie die de pasta met een miljoen g uit de plaat knalt. Even verderop landt de ‘inkt’ op het substraat, in precies hetzelfde patroon dat is vastgelegd met de groeven.

Zo werkt impulse printing, een uitvinding van TNO-onderzoekers bij Holst Centre in Eindhoven. Net als lithografie kan de nieuwe techniek fijnmazige patronen overbrengen in de micro- tot millimeterrange, maar met een prijskaartje en snelheid die meer de buurt komen van conventionele printmethodes. Bovendien kan impulse printing prima overweg met complexe 3D structuren op het substraat – de pasta conformeert zich aan contouren en overbrugt lacunes.

Deze eigenschappen zijn goud waard in bijvoorbeeld het assembleren van elektronica (bolletjes soldeer aanbrengen) en het verpakken van chips (interconnects aanleggen). In beide domeinen worden steeds meer componenten steeds dichter op elkaar gezet, in steeds complexere, vaak gelaagde structuren. Het aanbrengen van onderlinge elektrische verbindingen levert daarbij de nodige uitdagingen op. Impulse printing kan die er in één keer op schieten.

Ook displayfabricage is een mooie potentiële toepassing, en dan met name voor de in opkomst zijnde microled-displays. Deze bestaan uit een matrix van microscopische ledjes, waarbij elke led een pixel vormt. Impulse printing is geschikt om de miljoenen druppeltjes geleidende substantie te printen die de ledjes elektrisch verbindt met het substraat. De techniek kan zelfs de elektrische contacten tussen voor- en achterzijde van het scherm verzorgen door de pasta op de randen van het scherm te schieten (aan de achterzijde bevinden zich de leddrivers). De stroperige inkt vouwt zich er dan spontaan omheen (zie video).

Door het momentum vouwt een ‘droge’ pasta zich spontaan om de rand heen. Bron: Holst Centre/Youtube

Impulse printing bevindt zich nog in de demonstratiefase, maar Holst Centre is bezig de startup Fonontech op te richten om de techniek te industrialiseren. Het is de bedoeling dat eind volgend jaar een bètatool gereed komt, daarna gevolgd door een industriële high-throughputmachine. Er zal worden toegewerkt naar machines die oppervlakken tot 20 bij 20 centimeter in één keer patroneren.

Mechatronica&Machinebouw sprak met de trekker van het project, programmaleider Rob Hendriks van Holst Centre.

De impulse printing-alfatool. Credit: Holst Centre

Hoe lang werk je al aan dit onderwerp?

Hendriks: ‘We zijn bij Holst Centre begonnen in 2013. In de eerste experimenten gebruikten we flitslampen om de inkt van vlakke oppervlakken te lanceren, maar deze methode bleek weinig toegevoegde waarde te hebben ten opzichte van bestaande technieken. Toen kwam ik op het idee om de inkt in groeven met lichtabsorberende coatings aan te brengen. Aan dat concept heb ik een aantal jaren in de Verenigde Staten gewerkt, onder meer bij een bedrijf gespecialiseerd in geleidende inkten en flitslampen, om uiteindelijk tot het inzicht te komen dat stroom beter werkt als energiebron dan licht. Het is passend om dat hier in Eindhoven uit te werken, aangezien onze ‘printplaten’ eigenlijk een soort platte gloeilampen zijn.’

Wat zijn de voordelen van impulse printing?

‘Er kan nauwkeuriger en met hogere resolutie mee worden geprint dan met bestaande printtechnieken, bij hogere snelheid en een lage cost of ownership. En omdat de inkt geen schuifkrachten ondervindt, kunnen er zeer viskeuze pasta’s mee worden geprint – viskeuzer dan met andere printtechnologieën mogelijk is. En dankzij deze eigenschap wordt het mogelijk om de inkt 3D structuren op het substraat te laten volgen. Ik denk dat daar de meeste meerwaarde in schuilt in termen van industriële toepassingen. Lithografie werkt alleen op vlakke oppervlakken en 3D dispensing is nogal traag.’

Is er nog iets speciaals aan die inkt?

‘Nee, we kunnen alle standaardinkten printen. Het mooie is dat het eigenlijk altijd werkt. We hebben al genoeg bedrijven over de vloer gehad die hun eigen inkt en substraat meenamen. Wij hadden daar nog nooit mee gewerkt, maar als we het kookpunt van het oplosmiddel weten, kunnen we het printen. Zelfs verbindingen zonder oplosmiddel, zoals een epoxylijm, gaan goed. Zoiets maakt natuurlijk wel indruk.’

Hoe zorgen jullie ervoor dat ‘printplaat’ en substraat worden uitgelijnd?

‘In onze alfatool werken we met een camera, een robotarm en gemarkeerde substraten. We doen een print en kijken hoe we moeten positioneren voor de juiste uitlijning. We kunnen beter dan 10 micron nauwkeurig positioneren. In de industriële tool gaan we werken met zeer nauwkeurige en snelle xyz-stages – zes vrijheidsgraden omdat ook de afstand tussen substraat en plaat een variabele is. De duur van een printcyclus zal tussen de vijf en tien seconden liggen.’

Wat staat er komende tijd op de agenda?

‘We zitten nu in het Tech Transfer Project van TNO, wat moet leiden tot de oprichting van de startup Fonontech om deze techniek op te schalen. Dat hopen we zo snel mogelijk te doen. Er lopen al gesprekken met vijf potentiële investeerders. Daarnaast gaan we natuurlijk door om impulse printing onder de aandacht te brengen in de industrie en bij investeerders, door beurzen te bezoeken en demonstraties te geven.’

Hoofdfoto: Holst Centre