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Leiterplatten | 05 Oktober 2009

Fraunhofer: Forscher platzieren Mikrobauteile mit Wassertropfen

Schön war die Zeit, als man Mikrochips noch mit Pinzetten handhaben konnte. Doch dank des Moore’schen Gesetzes schrumpfen Elektronikbauteile so rapide, dass Vorrichtungen dieser Art lĂ€ngst ausgedient haben. Chips fĂŒr RFID-Anwendungen etwa besitzen mittlerweile KantenlĂ€ngen von weniger als einem Viertel Millimeter und sind dĂŒnner als ein Haar (50 ”m).
Passive Bauelemente wie Kondensatoren oder WiderstĂ€nde sind sogar noch um Einiges kleiner. Was Anwender immer grazilerer Elektronikprodukte freut, wird fĂŒr Mikroelektronik-Hersteller allerdings zunehmend zum Problem. Denn bereits bei der Positionierung solch winziger Bauteile stoßen herkömmliche automatische Pick-and-Place-BestĂŒcker in punkto Genauigkeit an Ihre Grenzen. Seit einigen Jahren werden daher weltweit Selbstassemblierungstechniken untersucht – kontaktlose Verfahren also, bei denen sich die Mini-Bauteile durch rein chemisch-physikalische ZwĂ€nge punktgenau anordnen. Hierbei macht man sich die Ladung von MolekĂŒlen oder charakteristische OberflĂ€cheneigenschaften zunutze. Fraunhofer-Forschern ist es nun gelungen, das so genannte „Electrowetting“ fĂŒr solche Zwecke auf Basis kostengĂŒnstiger Leiterplattentechnologie einzusetzen. „Bei diesem Verfahren, das auch bereits bei einigen Lab-on-Chip-Anwendungen zum Einsatz kommt, wird die OberflĂ€chenspannung eines Wassertropfens mittels eines elektrischen Feldes derart manipuliert, dass dieser auf einer FlĂ€che von 20 x 30 cmÂČ exakt bewegt werden kann“, erklĂ€rt Tanja Braun vom Fraunhofer IZM. „Ein im Tropfen befindliches Bauelement lĂ€sst sich somit problemlos transportieren und auf wenige ”m genau ausrichten.“ Methode Das physikalische Prinzip beruht auf einer VerĂ€nderung 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 OberflĂ€che, Ă€hnlich dem Lotuseffekt. Die unter der superhydrophoben OberflĂ€che liegenden Leiderplattenstrukturen können so beschaltet werden, dass sich zwischen zwei benachbarten Strukturen ein elektrisches Feld ausbildet. Der ĂŒber 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 nĂ€chsten Struktur – der Wassertropfen beginnt gewissermaßen „zu laufen“. Somit kann der Tropfen und mit ihm das Bauelement mikrometergenau ĂŒber eine große FlĂ€che bewegt werden. Spezielle Elektrodenstrukturen oder lokale VerĂ€nderungen der SubstratoberflĂ€che sorgen in der Folge dafĂŒr, dass die gezielte Bewegung auch wieder gestoppt wird. Der Tropfen verdampft schließlich; ĂŒbrig bleibt das exakt positionierte Mikrobauteil. Theoretisch könnte man hierdurch auch Wasser aufwĂ€rts 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 großflĂ€chige Aufbringen einer superhydrophoben OberflĂ€che mit kostengĂŒnstigen Technologien. Wie das Ganze in der Praxis aussehen könnte, haben Braun und ihre Kollegen bereits durchgespielt: „Vom elektrischen Layout ĂŒber die Substratherstellung oder die Manipulation der hydrophoben OberflĂ€che bis zur gesamten Prozesssimulation haben wir das Electrowetting an industrielle MaßstĂ€be angepasst.“ FĂŒr Elektronikhersteller sind daher die ersten HĂŒrden des aufwĂ€ndigen Prozesstransfers bereits genommen. Durch die Anwendung des Electrowetting-Effekts lassen sich voraussichtlich in wenigen Jahren auch im industriellen Maßstab besonders kleine und berĂŒhrungsempfindliche Bauteile wie z.B. Sensoren oder RFID-Chips berĂŒhrungslos und prĂ€zise platzieren und so die bestehenden Grenzen der BestĂŒckung ĂŒberwinden.
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