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Electrowetting ermöglicht industrielle Selbstassemblierung

Bauteile rollen im Wassertropfen auf ihre Sollposition:
Electrowetting ermöglicht industrielle Selbstassemblierung

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FhG-Forscher setzen Electrowetting erfolgreich als Selbstassemblierungstechnik ein: Durch Manipulation von Wassertropfen mittels eines elektrischen Feldes lassen sich Mini-Bauteile auf einer nanobeschichteten Leiterplatte exakt positionieren. Das Verfahren ist für industrielle Prozesse geeignet, sagen die Forscher.

Der Vorgang lässt die Augen selbst gestandener Techniker erstrahlen, wie sonst nur Kinderaugen an Weihnachten: Eine Prozession winzig kleiner Wassertropfen wandert, einer nach dem anderen, berührungslos magnetischen Impulsen folgend zu definierten Zielpunkten. Dann verdampfen sie und hinterlassen ihren Inhalt, kleinste Bauteile, präzise platziert auf der Oberfläche. Bewegt werden die Wassertropfen wie ein Linearmotorläufer oder die Magnetschwebebahn durch definiert weitergeschaltete Magnetfelder. Damit sich die Tropfen auf dem Weg nicht durch Verluste immer weiter verkleinern muss die Oberfläche hydrophob beschichtet sein. Damit ist eigentlich schon alles gesagt, was diese Technik ausmacht.

Kaum noch zu glauben, dass es mal Zeiten gab, als man Bauteile noch mit Pinzetten handhaben konnte. Bestückköpfe arbeiten heute meist pneumatisch mit winzigen Saugdüsen. Doch in Folge des Moore’schen Gesetzes schrumpfen Elektronikbauteile weiterhin so rapide, dass nicht nur die Pinzetten längst ausgedient haben, sondern auch die Pick-and-Place-Bestücker bald an ihre Grenzen kommen. Chips für RFID-Anwendungen etwa besitzen mittlerweile Kantenlängen von weniger als einem Viertel Millimeter und sind dünner als ein Haar (50 µm). Passive Bauelemente wie Kondensatoren oder Widerstände sind sogar noch um Einiges kleiner. Was für den Anwender zu immer grazileren Elektronikprodukten führt, ist für Mikroelektronik-Hersteller allerdings eine immer größere herausforderung: Bei der Positionierung solch winziger Bauteile überfordert absehbar die bisherige automatische Pick-and-Place-Bestückung in punkto Genauigkeit.
Electrowetting: Bei Lab-on-Chip bereits eingesetzt
Seit einigen Jahren werden daher weltweit verschiedene Selbstassemblierungstechniken untersucht – kontaktlose Verfahren also, bei denen sich die Mini-Bauteile durch rein chemisch-physikalische Zwänge punktgenau anordnen. Hierbei macht man sich die Ladung von Molekülen oder charakteristische Oberflächeneigenschaften zunutze. Fraunhofer-Forschern ist es nun gelungen, das so genannte Electrowetting für solche Zwecke auf Basis kostengünstiger Leiterplattentechnologie einzusetzen.
„Bei diesem Verfahren, das auch bereits bei einigen Lab-on-Chip-Anwendungen zum Einsatz kommt, wird die Oberflächenspannung eines Wassertropfens mittels eines elektrischen Feldes derart manipuliert, dass dieser auf einer Fläche von 20 x 30 cm² exakt bewegt werden kann“, erklärt Tanja Braun vom Fraunhofer IZM in Berlin. „Ein im Tropfen befindliches Bauelement lässt sich mit Hilfe dieser Technik problemlos transportieren und auf wenige µm genau ausrichten.“
Wassertropfen bewegen sich auch bergauf
Das physikalische Prinzip beruht auf einer Veränderung der Benetzungseigenschaften eines Wassertropfens. Um diesen möglichst barrierefrei zu bewegen, besitzt das Substrat, auf welches das Bauelement platziert werden soll, eine mit Nanopartikeln modifizierte superhydrophobe Oberfläche, ähnlich dem Lotuseffekt.
Die unter der superhydrophoben Oberfläche liegenden Leiderplattenstrukturen können so beschaltet werden, dass sich zwischen zwei benachbarten Strukturen ein elektrisches Feld ausbildet. Der über diesen Strukturen liegende Tropfen verformt sich in diesem Feld. Schaltet man nun das elektrische Feld auf benachbarte Strukturen weiter zieht sich der Tropfen dem Feld folgend in Richtung der nächsten Struktur – der Wassertropfen beginnt gewissermaßen „zu laufen“. Somit kann der Tropfen und mit ihm das Bauelement mikrometergenau über eine große Fläche bewegt werden. Spezielle Elektrodenstrukturen oder lokale Veränderungen der Substratoberfläche sorgen in der Folge dafür, dass die gezielte Bewegung auch wieder gestoppt wird. Der Tropfen verdampft schließlich; übrig bleibt das exakt positionierte Mikrobauteil.
Von besonderem Interesse: Die Positioniergenauigkeit
Theoretisch könnte man mit dieser Technik auch Wasser aufwärts fließen lassen. Doch die Fraunhofer-Forscher interessiert nicht die Richtung, sondern die Positioniergenauigkeit.
Wesentliche Kriterien hierbei sind das Design der Leiterplatten mit den Elektroden sowie das großflächige Aufbringen einer superhydrophoben Oberfläche mit kostengünstigen Technologien. Wie das Ganze in der Praxis aussehen könnte, haben Braun und ihre Kollegen bereits durchgespielt: „Vom elektrischen Layout über die Substratherstellung oder die Manipulation der hydrophoben Oberfläche bis zur gesamten Prozesssimulation haben wir das Electrowetting an industrielle Maßstäbe angepasst.“
Für Elektronikhersteller sind daher die ersten Hürden des aufwändigen Prozesstransfers bereits genommen. Die IZM-Forscher sind sich sicher, dass sie am Anfang einer kommenden Bestückungstechnik stehen: Durch die Anwendung des Electrowetting-Effekts lassen sich voraussichtlich in wenigen Jahren auch im industriellen Maßstab besonders kleine und berührungsempfindliche Bauteile wie zum Beispiel Sensoren oder RFID-Chips berührungslos und präzise platzieren und so die bestehenden Grenzen der Bestückung überwinden.
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