Wie Wassertropfen laufen lernen

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TR Techno News | Technische Rundschau Nr. 6/2010
Wie Wassertropfen
laufen lernen
Herkömmliche Bestückungsmaschinen für Leiterplatten können die immer winzigeren
Elektronikbauteile bald nicht mehr exakt platzieren. Eine neue berührungslose Technik
auf Basis von Wassertropfen könnte die Lösung sein.
Evadoxia Tsakiridou
Wie eine Miniaturbowlingkugel
flitzt der Wassertropfen auf einer
unsichtbaren Bahn entlang, plötzlich ändert er seine Richtung um
90°, rollt ein paar Millimeter, bleibt
wieder stehen – und ist Sekundenbruchteile später verschwunden.
«Schauen Sie jetzt einmal durchs
Mikroskop auf die Leiterplatte. Sehen Sie den Mikrochip, der
nun an der Stelle des Wassertropfens liegt?», fragt Erik Jung vom
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
in Berlin.
Durch elektrische
Felder bewegt
Mit blossem Auge ist es kaum
zu erkennen, aber tatsächlich, da
liegt ein winziges elektronisches
Bauteil. Electrowetting (Elektrobenetzung) heisst die Technik, bei
der Forscher die Benetzungseigenschaften von Flüssigkeiten nutzen,
um kleinste Elektronikkomponenten zu positionieren. «Dabei wird
ein Wassertropfen mit Hilfe eines
elektrischen Feldes derart manipuliert, dass wir diesen auf einer Fläche von einer DIN-A4-Seite exakt
bewegen können. Ein im Tropfen
eingeschlossenes Bauelement lässt
sich problemlos transportieren und
auf wenige Mikrometer genau ausrichten», weiss Jung.
In der Anfangszeit der Computertechnik platzierte man Mik­
rochips noch mit Pinzetten. Die­
se Aufgabe haben bereits in den
1970er-Jahren Bestückungsmaschinen übernommen. Aber auch heutige Hightechgeräte stossen bald an
ihre Grenzen, denn die Schaltkreise
und Bauteile werden immer winziger. «Chips für RFID-Anwendungen haben heute Kantenlängen
von etwa einem Viertelmillimeter.
Passive Bauelemente wie Kondensatoren oder Widerstände sind sogar noch kleiner. Die Bestückungsmaschinen, die nach dem Prinzip
des ‹Pick-and-Place› arbeiten,
werden nicht nur Probleme haben,
die Teile genau zu positionieren. Es
besteht auch die Gefahr, dass neue
Bauelemente wie Sensoren beschädigt werden», beschreibt Jung die
kommende Herausforderung für
die Elektronik-Branche.
Die Methode der Elektrobenetzung könnte eine Alternative
bieten. Sie wird seit einigen Jahren
für die Herstellung von Flüssiglinsen und Farbdisplays eingesetzt.
Warum nicht das Verfahren für die
Die Oberflächenspannung eines Wassertropfens wird durch ein elektrisches Feld so
manipuliert, dass sich der Tropfen auf einer Fläche von 20 x 30 cm exakt bewegen
lässt. (Bild: Fraunhofer IZM)
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Platzierungstechnik weiterentwickeln, haben sich die Forscher am
IZM gedacht. Seit 2005 erproben
Jung und seine Kollegen berührungslose Verfahren. Vor Kurzem
konnten sie zeigen, dass die Technik funktioniert, und zwar auf Basis kostengünstiger Leiterplattentechnologie.
Dies schaffen die Mikrosystemtechnik-Experten, indem sie
die Benetzungseigenschaften des
Wassertropfens an der Oberfläche
der Leiterplatte gezielt verändern.
Ausserdem haben sie im Vorfeld
die Leiterplatte mit Nanopartikeln
beschichtet, sodass deren Oberfläche, ähnlich den Blättern einer Lotusblume, stark wasserabweisend
(superhydrophob) ist. Das physikalische Prinzip beruht darauf, dass
Wasser eine dielektrische Flüssigkeit ist. Es besteht also aus Molekülen mit Plus- und Minuspol, die
sich entsprechend einem äusseren
elektrischen Feld ausrichten.
Die unter einem Wassertropfen
liegenden Elektroden der Leiterplatte lassen sich so schalten, dass
zwischen zwei benachbarten Strukturen ein elektrisches Feld entsteht.
Der über diesen Strukturen liegende, ameisenkopfgrosse Tropfen verformt sich. Schaltet man nun das
elektrische Feld auf benachbarte
Strukturen weiter – vergleichbar
einer Lichterkette, deren Lämpchen
der Reihe nach aufleuchten –, zieht
sich der Tropfen dem Feld folgend
zur nächsten Struktur. Das Wasserkügelchen «läuft». Man stoppt
es, indem man das elektrische Feld
nicht mehr weiterbewegt. Schliesslich verdampft der Tropfen, und
Fair for Automation, Halle 2.1 – Stand E03
übrig bleibt das exakt positionierte
Bauteil.
Wenn Wasser sogar
rückwärts fliesst
«Man kann mit der Methode
Wasser auch aufwärts fliessen lassen», schmunzelt Erik Jung. Das
aber ist nicht das Ziel des Physikers, ihm geht es um das exakte Positionieren. Wesentliche Kriterien
dafür sind die Anordnung der elektrischen Leiterbahnen und die superhydrophobe Oberfläche. Inzwischen sind die Fraunhofer-Forscher
dabei, ihre Innovation vom Labor
an industrielle Grössenordnungen
anzupassen: Das heisst, sie müssen
das Design der Leiterplatten und
die wasserabweisende Oberfläche
optimieren ebenso den Herstellungsprozess simulieren. Noch
einen wichtigen Parameter gilt es
zu beachten: Es muss die richtige
Atmosphäre in den Produktionsräumen herrschen. Ist nicht genug
Luftfeuchtigkeit vorhanden, verdampft der Tropfen zu schnell, und
die Bauteile bleiben an der falschen
Stelle liegen.
Eine ebenso grosse Herausforderung ist die weitere Miniaturisierung der Bauteile. Die Strukturgrössen auf modernen Komponenten sind heutzutage Bereich
von Mikrometern und kleiner,
die Komponenten selbst etwa 100
Mikrometer gross. Hier genügt es,
wenn sie auf 25 Mikrometer genau
platziert werden. Mit dem Schritt
hin zur Nanotechnologie werden
diese Komponenten kleiner, die
nur wenige 10 Mikrometer grossen Bauteile erfordern dann Plat-
ziergenaugkeiten von etwa einem
Mikrometer. «Dann benötigen wir
Toleranzen um etwa einen Mikrometer. Dementsprechend dürften
auch die Leiterbahnen höchstens
einen Mikrometer breit sein»,
stellt Jung fest. Hierfür tüfteln die
Fraunhofer-Forscher bereits an einer Lösung: Einer ihrer Ansätze besteht darin, die Superhydrophobie
lokal wieder aufzuheben. Mittels
Electrowetting wird der Tropfen
in die Nähe der «frei» gewordenen
Fläche transportiert. Aufgrund
der Kapillarkräfte zieht sich der
Wassertropfen von selbst in seine
Zielposition und «legt» damit das
Bauteil am richtigen Ort ab.
In Zukunft könnten Hersteller dank dieses Verfahrens besonders kleine Produkte bauen. Oder
passive Komponenten – mit einer
Grösse von 1/18tel Millimeter – berührungslos und präzise auf Leiterplatten platzieren. Dafür allerdings
muss noch eine weitere Hürde
genommen werden: Sollen künftig Leiterplatten mit kontaktlosen
Verfahren bestückt werden, muss
ein hoher Durchsatz garantiert
sein. Das bedeutet aber, mehrere
Wassertröpfchen müssten parallel
manipuliert werden.
Jung ist überzeugt: «Wenn es
uns gelingt, mehrere Tropfen unabhängig voneinander und kollisionsfrei zu bewegen, dann würde
das die Bestückungstechnik revolutionieren.»
Autorin: Evdoxia Tsakridou,
freie Wissenschaftsjournalistin
Quelle: Das Fraunhofer-Magazin
(www.fraunhofer.de/magazin)
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