Tetris im Zwergenreich: Wassertropfen platziert winzigste Bauteile auf nanobeschichteten Leiterplatten

07.10.2009 - Deutschland

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 längst ausgedient haben. 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 Anwender immer grazilerer Elektronikprodukte freut, wird für Mikroelektronik-Hersteller allerdings zunehmend zum Problem. Denn bereits bei der Positionierung solch winziger Bauteile stoßen herkömmliche automatische Pick-and-Place-Bestücker 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 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. "Ein im Tropfen befindliches Bauelement lässt sich somit problemlos transportieren und auf wenige µm genau ausrichten."

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.

Theoretisch könnte man hierdurch 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. Durch die Anwendung des Electrowetting-Effekts lassen sich voraussichtlich in wenigen Jahren auch im industriellen Maßstab besonders kleine und berührungsempfindliche Bauteile wie z.B. Sensoren oder RFID-Chips berührungslos und präzise platzieren und so die bestehenden Grenzen der Bestückung überwinden.

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