CN107078573A - 使用抗磁性磁悬浮的电子组件的定向自组装 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式大体上涉及定向自组装(DSA)，并且更具体地涉及使用抗磁性磁悬浮的电子组件的DSA。

Description

使用抗磁性磁悬浮的电子组件的定向自组装

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月16日提交的共同未决美国临时专利申请No.62/064,629的优先权，其就像被完全阐述那样结合于此。

关于联邦政府资助的研究或者开发的声明

本发明由国家科学基金会授予的合同编号EEC-0812056的政府支持作出。政府对本发明具有一定权利。

背景技术

目前，电子组件的组装涉及使用“拾取和放置”机器人，所述“拾取和放置”机器人将组件物理地提升和移动到期望配置。然而，在一些情况下，这种机器人的使用已经变得不可能或不切实际。例如，使用拾取和放置机器人将大量非常小(例如，介观或微观)的组件组装在大基板上被证明是困难的、缓慢的、并且因此是非常昂贵的。这种情况包括例如制造大面积发光二极管(LED)光源和显示器、电子皮肤和纺织品以及光伏器件。

其它方法试图解决这些问题中的一些，并且包括激光辅助转移、转印和定向自组装(DSA)。DSA可以采用一种或多种力(例如，静电力、磁力或毛细力)以并行方式组装组件，而不单独地操纵每个组件。DSA技术可以在空气或液体中执行。

抗磁性材料产生与所施加的磁场相反的感应磁场，通过所施加的磁场得到抗磁性材料的斥力。因此，抗磁性材料可以通过磁场悬浮。由于发现了钕磁体和光、强抗磁性材料(诸如，热解石墨(PG)，有时也被称为热解碳)，室温抗磁性磁悬浮是有可能。

发明内容

在一个实施方式中，本发明提供一种组装多个抗磁性组件的方法，该方法包括以下步骤：将多个抗磁性组件存放到磁性台上，所述磁性台包括按阵列布置的多个磁体；以及将振动力施加到所述磁性台，其中，施加所述振动力将所述多个抗磁性组件中的至少一个移动到所述磁性台的稳定悬浮节点。

在另一个实施方式中，本发明提供一种抗磁性组件的定向自组装的系统，所述系统包括：磁性台，所述磁性台包括布置为阵列的具有交替且相反磁性取向的多个磁性器件；以及至少一个器件，所述至少一个器件可操作以将至少一个第一振动力传递到所述磁性台。

附图说明

从结合附图的本发明的各个方面的以下详细描述将更容易地理解本发明的这些和其它特征，所述详细描述描述了本发明的各种实施方式和方面，其中：

图1示出根据本发明的实施方式的磁性台的示意性顶视图；

图2和图3示出图1的磁性台的总磁场和垂直磁场的图像；

图4示出占据图1的磁性台的稳定悬浮节点的各种抗磁性组件的示意性顶视图；

图5和图6示出图1的磁性台的一部分连同多个抗磁性组件的示意性侧视图；

图7示出图1的磁性台连同多个抗磁性组件的示意性顶视图，每个抗磁性组件占据磁性台的稳定悬浮节点；

图8示出图1的磁性台的一部分连同遵循抗磁性组件的垂直自对准的多个抗磁性组件的侧示意图；

图9示出图1的磁性台的一部分连同具有多层不同厚度的抗磁性材料的抗磁性组件的侧示意图；

图10和图11示出了一种将多个抗磁性组件转移到基板的方法中涉及的步骤的侧面示意图；

图12至图14示出一种将多个抗磁性组件转移到基板的另一方法中涉及的步骤的侧面示意图；

图15示出根据本发明的实施方式的说明性方法的流程图；以及

图16至图18是多个抗磁性组件连同图1的磁性台的显微照片。

应当注意，附图不按比例绘制，并且仅旨在描绘本发明的典型方面。因此，附图不应被认为限制本发明的范围。在可能的情况下，相同编号表示附图之间相同的元件。

具体实施方式

现在参照附图，图1示出适于根据本发明的各种实施方式使用的磁性台100的示意性顶视图。磁性台100包括按行和列布置的多个磁体，其中，交替磁极面向上，类似于棋盘图案。也就是说，第一行磁体包括与“南上”(“south up”)磁体11和13交替的“北上”(“northup”)磁体10和12，而第二行磁体包括与“北上”磁体22和24交替的“南上”磁体21和23。第三行和第四行磁体重复该图案，使得磁性台100的表面上的每个磁极在其上面、下面以及在每一侧面上以相反极性邻接，并且在对角线上以相同极性邻接。

如图1所示，磁性台100包括“四乘四”正方形。然而，本领域技术人员将会理解，磁性台100可以小于或大于如图1所示的磁性台，图1所示的磁性台仅被提供用于说明目的。

在磁性台中采用的磁体通常是稀土磁体(即，钕磁体或钐钴磁体)。在本文所述的本发明的各种实施方式中，尽管本发明的原理可应用于使用不同尺寸和成分的磁体，但是磁性台100由6.35立方毫米的NdFeB磁体构成。

类似地，尽管如图1所示并且在整个说明书中被描述为棋盘图案，但是磁性台100的其它布置(包括例如按二维海尔贝克(Halbach)阵列的多个磁体的布置)是可能的。其它布置对于本领域技术人员来说是显而易见的。

图2示出在台表面之上0.5mm处测量的由磁性台100产生的总磁场(|B|)的图像。如从图2可以看出，总磁场沿邻接磁体的边缘最强，并且在四个相邻磁体的接合处最弱。

图3示出在台表面之上0.5mm处测量的由磁性台100产生的总磁场的垂直分量(|B_z|)的图像。如从图3可以看出，总磁场的垂直分量沿着邻接磁体的边缘和四个相邻磁体的接合处(总磁场差异很大的区域)二者基本相同(并且非常低)。这产生了许多节点，在所述节点处，抗磁性材料的悬浮基本稳定。因此，如本文所使用的，这样的节点被称为稳定悬浮节点。

图4示出占据图1的磁性台的稳定悬浮节点的各种抗磁性组件的示意图。大组件50包括粘合到具有300μm到1000μm之间的厚度的PG片的未封装Si管芯(6.5mm×6.5mm×0.15mm)。

对于诸如大组件50的正方形组件，这些稳定悬浮节点的位置由横向管芯尺寸(L_die)和横向磁体尺寸(L_mag)之间的比率以及管芯的磁特性来确定。在图4中，大组件具有约为0.8的L_mag/L_die比率，并且其稳定悬浮节点基本上集中在“北上”磁体22(图1；在图4中被遮挡)顶上并且沿磁体10、11、12、21、23、30、31和32的部分延伸。大组件50的取向使势能最小化并且产生大组件50的最稳定悬浮。对于给定L_mag/L_die比率，这些稳定悬浮节点将在磁性台100顶上形成二维方格。

相比之下，小组件60包括粘合到具有300μm到1000μm之间的厚度的PG片的未封装Si管芯(1.6mm×1.6mm×0.15mm)。小组件60的L_mag/L_die比率约为3，并且其稳定悬浮节点集中在磁体30、21、41和42的角部的接合处，其中，总磁场(|B|)最弱，并且总磁场(|B_z|)的垂直分量低。再次，对于给定L_mag/L_die比率，针对小组件60的稳定悬浮节点将在磁性台100顶上形成二维方格。

此外，可以看出，与大组件50相比，小组件60关于磁性台100成约45度角。在该取向中，小组件60的对角轴线与相邻磁体30、31、41和42的邻接面对齐，其中，总磁场(|B|)最强。该取向使小组件60暴露于最小垂直磁场。

仍然参照图4，第三组件70包括1.44mm正方形LED管芯，所述LED管芯具有粘合到PG层的薄铁磁层。薄铁磁层的存在使第三组件70的稳定悬浮节点横向移动，使得所述稳定悬浮节点沿磁体32和43之间的边缘居中。这归功于在该位置处的强总磁场和弱垂直场的组合。

图5示出磁性台100的一部分连同多个抗磁性组件60A、60B、60C、60D的侧面示意图。每个抗磁性组件包括粘合到非抗磁性材料层(例如，64A)的抗磁性材料层(例如，62A)。当然，特定抗磁性材料和非抗磁性材料将根据应用本发明的实施方式的特定应用而改变。

示例性抗磁性材料包括热解石墨(PG)、铋、汞和银。当然，本领域技术人员将认识到，具有小于零的磁化率(χ_v)的任何材料被认为是抗磁性的，并且可以在实践本发明的实施方式时采用。

非抗磁性材料层实质上可以包含或包括不被认为是抗磁性的或被认为仅是弱抗磁性的任何材料。再次，所采用的一种或多种特定材料将根据应用而改变。通常在制造或组装电子器件中采用的并且可以包括在非抗磁性材料层中的材料包括半导体材料(诸如，硅、锗、碳化硅、氮化硼、氮化铝、氮化镓、硒化镓、砷化铟、硒化镉、硒化锌、砷化镓铝、氮化铝镓和氮化铟镓)。其它合适的材料对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

如上所述，本文结合本发明的各种实施方式描述的抗磁性组件包括粘合到PG片的Si管芯。

图5中的抗磁性组件60A、60B、60C、60D的布置如在它们最初存放到磁性台100上时的布置一样。如下明确作出的，通常优选的是，在大多数情况下，最初存放到磁性台上的抗磁性组件的数量大于磁性台上的那些抗磁性组件的稳定悬浮节点的数量。

可以看出，抗磁性组件60A悬浮在磁性台100的表面102上方，并且基本上定位在磁体10和磁体11邻接的点上方。

抗磁性组件60C类似地被定位(即，基本上位于磁体12和磁体13邻接的点处)，但是与抗磁性组件60A相反地垂直定向。也就是说，抗磁性组件60C被定向为使得其抗磁性层面向上并且其非抗磁性层面向下。

在这样的垂直取向中，抗磁性组件60C的抗磁性层在磁性台100的表面102之上悬浮至与抗磁性组件60A的高度大致相同的高度。然而，在该垂直取向中，抗磁性组件60C的非抗磁性层仅在表面102上稍微接触或悬浮。因此，并且如下面将更详细描述的，申请人发现可以“校正”这样的垂直取向，使得所有抗磁性组件采用每个组件的抗磁性层被设置在其非抗磁性层和表面102之间的垂直取向。

虽然L_mag/L_die比率影响稳定悬浮节点的位置，但是如上所述，它也影响那些节点的强度(即，节点作为针对抗磁性组件的“磁阱(magnetic trap)”的效率)，其中，更大(例如，大于1.0)的L_mag/L_die比率指示更强的节点。因为L_mag/L_die比率对于特定尺寸的管芯是特定的，所以L_mag/L_die比率本身确保了稳定悬浮节点能够以最大强度俘获仅一个特定尺寸的管芯。也就是说，在节点处存在多于一个管芯的情况下，诸如，图5所示，对于那些不集中在节点处的管芯，磁阱较弱。因此，施加适当强度的振动力的应用将从节点驱逐这样的附加管芯。然后，这些附加管芯将完全被俘获在另一稳定悬浮节点中，或将最终被振动到磁性台的边缘以及离开磁性台。

当然，适当振动力将取决于抗磁性组件的尺寸和成分以及磁性台的尺寸和强度，因为这些相同因素影响L_mag/L_die比率和稳定悬浮节点的强度。

对于本领域技术人员将显而易见的是，可以采用任何数量的设备来向磁性台施加振动力。这种设备包括例如压电、电动或气动设备。其它设备也是可能的，并且旨在落入本发明的范围内。

图6示出在对磁性台100施加这样的振动力之后的磁性台100和抗磁性组件60A、60B、60C、60D的示意性侧视图。可以看出，抗磁性组件60A、60B和60C占用相邻磁体的交叉点(即，上面参照图4描述的稳定悬浮节点)处的位置，而抗磁性组件60D已经通过振动力振动离开磁性台100的表面102。

应当注意，抗磁性组件60C在该点处被“反转”。也就是说，抗磁性层在非抗磁层之上。因此，非抗磁性层与磁性台100的表面102接触或仅稍微地悬浮在磁性台100的表面102之上。事实上，一旦在足够将抗磁性组件分类成稳定悬浮节点的二维方格的时段内施加振动力，抗磁性组件的垂直取向就将是随机的。

图7示出磁性台100顶上的抗磁性组件60A、60B、60C...60n的随机分类的示意性顶视图，其中，白色抗磁性组件指示期望“管芯向上”取向，并且阴影的抗磁性组件指示抗磁性层在非抗磁性层之上的不期望“反转”取向。

申请人发现，可以纠正这种“反转”取向，而无需使已经适当地定向的抗磁性组件反转或者将抗磁性组件从其稳定悬浮节点驱逐。这使用包括通过较长暂停分开的一系列短振动脉冲的第二振动力来实现。与适当定向的抗磁性组件相比“反转”抗磁性组件与表面102接触或与表面102非常接近的事实意味着可以施加第二振动力以改变“反转”抗磁性组件的垂直取向，而不是改变适当定向的抗磁性组件的垂直取向。

显而易见的是，这些脉冲的强度和持续时间以及构成第二振动力的较长暂停的长度将取决于抗磁性组件的尺寸和L_mag/L_die比率。短脉冲持续时间限制了每个脉冲期间抗磁性组件可以行进的最大距离。只要抗磁性组件可以在单个脉冲期间行进的距离小于横向磁体尺寸L_mag的一半，则抗磁性组件将返回到其节点。此外，这些脉冲之间的较长暂停的长度必须足以允许抗磁性组件在施加后续脉冲之前采用垂直取向(无论是正确还是反转的)。

在申请人进行的研究中，每个脉冲持续70ms并且包含多个周期的正弦波，周期T₁为7.7ms，并且幅度大于组件的悬浮高度，间隔为550ms的较长暂停持续时间T_p。发现这样的第二振动力足以适当地定向抗磁性组件，诸如上面关于图4描述的抗磁性组件60。

当然，应当指出，当施加第二振动力时，“反转”抗磁性组件可以垂直地翻转180度或360度。申请人发现任何一种情况都以大约相同的频度发生。在180度翻转的情况下，抗磁性组件将处于适当取向，其在表面102之上的悬浮高度将增加，并且其垂直取向将不再受第二振动力影响。在360度翻转的情况下，抗磁性组件将再次处于“反转”取向。

实际上，实际确定所有抗磁性组件是否已经采用了适当垂直取向可能是不实际的或不可能的。然而，利用已经实现了这种取向的指定置信水平确定需要确保的脉冲数量是微不足道的。例如，申请人确定，对于采用基本上类似于抗磁性组件60(图4)的4000个管芯的系统来说，甚至假设所有4000个管芯最初已经具有“反转”垂直取向，将需要至多19个脉冲(诸如上述那些)来99％确定所有4000个管芯已经采用期望取向。

图8示出在施加第二振动力(诸如上述)之后的磁性台100和抗磁性组件60A、60B、60C的侧面示意图。可以看出，抗磁性组件60C现在已经采用其抗磁性层被设置在表面102与其非抗磁性层之间并且正悬浮在表面102之上的取向，类似于抗磁性组件60A和60B。

如上所述，将抗磁性组件自组装成二维网格可以显著地受到抗磁性组件的抗磁性层的类型和厚度的影响。图9示出磁性台100连同展现不期望质量的各种抗磁性组件的侧面示意图。

例如，与其非抗磁性层164相比，抗磁性组件160具有相对薄的抗磁性层162。因此，抗磁性层162不提供足够磁力提升以使其本身和非抗磁性层164悬浮，并且抗磁性组件160或者与表面102接触或者仅稍微地悬浮在表面102之上。如上所述，旨在适当地定向“反转”抗磁性组件的第二振动力的施加因此将被给予抗磁性组件160，导致其在适当定向和“反转”取向之间的随机翻转。实际上，这不可能通过任何合理的置信度来确保每个这样的抗磁性组件已经采取适当的或“非反转”的垂直取向。申请人发现，对于包括作为非抗磁性组件的150-200μm厚的半导体管芯和作为抗磁性材料的PG的抗磁性组件，具有约350μm厚度的PG层容易出现这样的问题。

然而，具有稍微更厚的PG层的抗磁性组件容易出现其它问题。例如，抗磁性组件180A和180B具有与抗磁性组件160相同厚度的非抗磁性层184A、184B，但具有稍微更厚的抗磁性层182A、182B(例如，PG层约400μm厚)。这些抗磁性组件180A、180B从表面102悬浮得足够高以避免抗磁性组件160易于发生的非预期反转，但是它们本身容易垂直堆叠，如图9所示。这种垂直堆叠可能阻碍或防止第一振动力从每个稳定悬浮节点驱逐除了一个抗磁性组件之外的所有抗磁性组件的能力，因为抗磁性组件二者紧密集中在节点内。最终，这可能妨碍在磁性台100之上将抗磁性组件组装成二维网格。

仍然参照图9，示出了具有甚至更厚的抗磁性层192(例如，700μm到1000μm之间的PG层)的抗磁性组件190。这里，因为抗磁性层192的上部产生较小的升力，结果磁场随着高度增加而迅速下降，所以表面102之上的悬浮高度降低。也就是说，与相同材料的较薄抗磁性层相比，抗磁性层192的升力重量比率降低。

具有非常厚的抗磁性层的抗磁性组件(诸如，抗磁性组件190)可以悬浮在靠近表面102处，上述次级振动力的应用导致抗磁性组件190翻转其垂直取向，而不管其原始取向是适当的还是“反转”的。因此，这种抗磁性组件可能存在与具有非常薄的抗磁性层的那些抗磁性组件(诸如，抗磁性组件160)相同的缺陷。

然而，此外，具有非常厚的抗磁性层的抗磁性组件在经受第一振动力或第二振动力时也可能经历90度或270度翻转。这产生另外问题，这是因为抗磁性层将不再经历强磁提升力，导致抗磁性组件以更慢的速度跨越表面102(无论逐节点还是其它方式)移动。

当这种抗磁性组件到达两个相邻磁体之间的边缘区域并遇到强横向磁场时，问题恶化。如果抗磁性组件的c轴垂直于边缘区域，则将施加强排斥力，防止抗磁性组件穿过边缘区域。最终，该强排斥力将与第一振动力结合使得抗磁性组件采用其c轴基本上平行于边缘区域定向的取向。在该取向中，没有强磁力作用在抗磁性组件上，并且所述抗磁性组件可以穿过边缘区域。然而，实际上，磁性台的每个磁体用作针对任何抗磁性组件的保持架(cage)，抗磁性组件的c轴垂直于磁体的边缘定向。这可能大大减慢在磁性台之上将抗磁性组件组装成二维网格，使得使用厚(例如，大于700μm)抗磁性层是不切实际的。

因此，申请人发现，在抗磁性层包括PG并且非抗磁性层包括150μm到200μm之间厚的半导体管芯的情况下，500μm到700μm之间厚度的抗磁型层提供用于根据本发明的实施方式的定向自组装的最佳悬浮。当然，本领域技术人员将认识到，在包括抗磁性层和/或非抗磁性层的材料不同的情况下，该范围可以更高、更低、更宽或更窄。

一旦多个抗磁性组件在磁性台之上被布置为二维网格，本发明的自组装工艺中的最后步骤是将部分或全部布置的抗磁性组件转移到基板上，其中，具有非抗磁性层的组件可以被连接到该基板上。

根据上述将明显的是，在磁性台由沿磁性台表面具有正方形面的磁体组成的情况下，二维网格本身将也是正方形的并具有四重旋转对称性。需要高速、低成本组装在大型基板(例如，LED)上的大多数电子组件具有两重或四重旋转对称性，或者可以被这样设计。诸如集成电路的复杂电子组件可以包括允许它们起作用而不管横向取向的取向电路。因此，在许多情况下可能期望将根据本发明布置的所有抗磁性组件转移到基板上。

在其它情况下，并且如下面将更详细描述的那样，比所有布置的抗磁性组件更少的抗磁性组件可以这样转移。在大多数情况下，利用抗磁性组件填充二维网格的每个节点并且然后仅将所布置的抗磁性组件中的一些选择性地转移到基板将更有效。

根据本发明布置的抗磁性组件的转移在抗磁性组件在磁性台上悬浮时执行。根据上述将明显的是，这可以以两种方式之一来实现。可以使基板从上方下降到多个抗磁性组件上，与按“适当”垂直取向布置的每个抗磁性组件的非抗磁性层接触。或者基板可以从磁性台和悬浮抗磁性组件之间升高，从而与按这种“适当”垂直取向布置的每个抗磁性组件的抗磁性层接触。

通常，首先，优选“自上而下”方法，因为基板通常将连接到每个抗磁性器件的非抗磁性层。其次使用，“自下而上”方法要求附加步骤，由此将抗磁性组件转移到与抗磁性器件的非抗磁性层接触放置的第二基板。

在任一种情况下，施加到非抗磁性层的基板可以包括例如具有导电(例如，铜、导电油墨)迹线的柔性(例如，聚酰亚胺或聚酯)或刚性(例如FR4)基底、预先施加的焊料和其它附加层(例如，焊料掩模)(如果需要)。当然，如本领域技术人员将理解的，其它材料是可能的。

可以通过施加毛细力以至少暂时将抗磁性组件粘合到基板来实现将抗磁性组件转移到基板(第一基板或第二基板)。例如，根据“自上而下”转移方法，例如聚酰亚胺的基板可以被涂覆或被施加有无残留液体(residue-free liquids)。合适的无残留液体包括例如异丙醇或甲醇。使用无残留液体在“自上而下”转移方法和“自下而上”转移方法的第二步骤中是特别重要的，因为它允许在非抗磁性组件与基板之间形成永久焊料互连。在布置在网格中的所有抗磁性组件被转移到基板的情况下，基板的整个表面可以被涂覆有无残留液体。在少于所有抗磁性组件被转移的情况下，可以将无残留液体的液滴的阵列施加到与要被转移的抗磁性组件对应的基板。这样的阵列可以通过任何数量的方法或技术来施加，包括例如亲水/疏水图案化、丝网印刷或喷墨印刷。

一旦将无残留液体施加到基板，含有无残液体的表面就被降低到悬浮抗磁性组件上，并且液体的毛细力将抗磁性组件的非抗磁性层附着到基板表面。在与抗磁性组件接触之前适当定位基板可以通过根据磁性台的所测量的或所确定的磁力与基板对齐来确定。

如上所述，一旦抗磁性组件被转移到基板表面，就可以使用例如焊料回流步骤来进行永久焊料连接。根据执行所描述的方法的上下文，其它技术对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

最后，可以通过例如溶解用于粘合抗磁性层和非抗磁性层的粘合剂或试剂来去除转移和/或连接到基板的每个抗磁性组件的抗磁性层，仅留下转移和/或粘合到基板的非抗磁性层。

图10和图11示出上述“自上而下”转移方法的侧面示意图。从图10可以看出，具有沿其底表面202设置的多个液滴210、212、214的基板200被定位在抗磁性组件60A、60B、60C之上，所述抗磁性组件60A、60B、60C正悬浮在磁性台100的表面102之上。如上所述，基板200可以根据磁性台100的磁场来定位，以便当基板200被降低时，确保液滴210、212、214分别与抗磁性组件60A、60B、60C对齐并且接触。

在图11中，基板200沿着路径D(图10)朝向磁性台100降低，并且抗磁性组件60A、60B、60C分别通过液滴210、212、214的毛细力(capillary force)C₁变为粘附到基板200的表面202。抗磁性组件60C的插图详细视图示出非抗磁性层64C、液滴214和基板200的相互作用。

如上所述，然后，抗磁性组件60A、60B、60C可以使用例如焊料回流工艺通过永久焊料互连被连接到基板200。如上所述，抗磁性组件60A、60B、60C的抗磁性层可以通过溶解最初用于连接抗磁性层和非抗磁性层的粘合剂被去除。

图12至图14示出上述“自下而上”转移方法的侧面示意图。在图12中，抗磁性组件60A、60B、60C正悬浮在抗磁性台100的表面102之上。第一基板200被设置在表面102和抗磁性组件60A、60B、60C之间。无残留液体的多个液滴210、212、214沿着第一基板200的表面202设置。如上所述，液滴210、212、214可以被布置在表面202上以与磁性台100之上的抗磁性组件60A、60B、60C的位置对应。

通过使基板200在U方向上向上升直到液滴210、212、214接触抗磁性组件60A、60B、60C的抗磁性层(例如，62A)为止，使抗磁性组件60A、60B、60C与基板200接触，在该点，液滴210、212、214的毛细力将抗磁性组件60A、60B、60C粘附到基板200的表面202。

图13示出在转移到第一基板200之后的抗磁性组件60A、60B、60C，其中，第二基板300被设置在抗磁性组件60A、60B、60C之上。第一毛细力C₁将抗磁性组件60A、60B、60C粘附到第一基板200。无残留液体的多个液滴310、312、314沿着第二基板300的表面302设置。如上所述，液滴310、312、314可以被布置在表面302上以与第一基板200上的抗磁性组件60A、60B、60C的位置对应。

对于本领域技术人员来说将显而易见的是，将抗磁性组件60A、60B、60C转移到第二基板300可能涉及直到抗磁性组件60A、60B、60C接触液滴310、312、314为止使第二基板300下降或使第一基板200上升中的一个或二者。

图14示出在将抗磁性组件60A、60B、60C转移到第二基板300的表面302之后的第一基板200和第二基板300。由液滴310、312、314提供的第二毛细力C₂将抗磁性组件60A、60B、60C粘附到表面302。

如上所述，抗磁性组件60A、60B、60C然后可以使用例如焊料回流连接到第二基板300，以在第二基板300与抗磁性组件60A、60B、60C的非抗磁性层之间形成焊料连接。根据本发明的一些实施方式，抗磁性组件60A、60B、60C的抗磁性层然后可以通过溶解最初用于将抗磁性层粘合到非抗磁性层的粘合剂被去除。

在上述“自下而上”转移方法中，或者在包括将抗磁性组件从一个基板转移到另一个基板的任何其它方法中，可以并且在一些情况下期望采用能够展现具有不同强度的毛细力的不同无残留液体。例如，在第二基板上采用具有较强毛细力的液体可以有助于将抗磁性组件从第一基板转移到第二基板。

在其它情况下，可以在两个基板上使用相同无残留液体。申请人发现，通常，无残留液体(例如，异丙醇、甲醇等)比粘附到抗磁性层更强地粘附到非抗磁性层。另外，这种液体展现的毛细力随着液体干燥而减小。因此，在转移到第二基板时毛细力将更大。

图15示出根据本发明的说明性方法的流程图。在S1处，多个抗磁性组件被存放到磁性台上，例如，如图5所示。在S2处，向磁性台施加第一振动力，如上所述。在S3处，确定磁性台的每个稳定悬浮节点是否包括不多于一个抗磁性组件，例如，如图6所示。如果不是(即，在S3处为否)，则可以迭代地循环步骤S2和S3，直到在每个稳定悬浮节点中包括不多于一个抗磁性组件。

一旦确定在每个稳定悬浮节点中包括不多于一个抗磁性组件(即，在S3处为“是”)，就将第二振动力施加到磁性台以给予抗磁性组件的期望垂直取向，例如，如图8所示。在S5处，确定在稳定悬浮节点中剩余的每个抗磁性组件是否已经获得期望垂直取向(通常在顶部上具有非抗磁性层)。如上所述，在采用大量抗磁性组件的情况下，实际确定每个抗磁性组件是否获得期望垂直取向可能是不实际的。在这种情况下，可以基于统计学可能性进行该确定，如上所述。如果确定所有剩余抗磁性组件尚未(实际上或统计学上)获得期望垂直取向(即，在S5处为“否”)，则可以迭代地循环步骤S4和S5。

一旦确定所有剩余抗磁性组件已经(实际上或统计学上)获得期望垂直取向(即，在S5处为“是”)，就可以将抗磁性组件转移到基板。如上所述，该传送可以采取“自上而下”传送或“自下而上”传送的形式。在前者的情况下，例如，在S6处抗磁性组件可以被转移到基板，例如，如图10和图11所示。这种转移可以包括在基板与抗磁性组件的非抗磁性层之间形成焊料连接，如上所述。然后，在S7处可以去除抗磁性组件的抗磁层，如上所述。

在后者的情况下，“自下而上”转移，在S8处抗磁性组件可以被转移到第一基板，例如，如图12和图13所示，并且然后，在S9处被转移到第二基板，例如，如图14所示。如上所述，在S9处将抗磁性组件转移到第二基板可以包括在第二基板与抗磁性组件的非抗磁性层之间形成焊料连接。然后，在S7处可以去除抗磁性组件的抗磁性层，如上所述。

图16至图18是上述方法中的各个点处的抗磁性组件和磁性台的显微照片。在图16中，多个抗磁性组件已经被布置在磁性台之上的稳定悬浮节点中。在该点处，抗磁性组件的垂直取向依然是随机的。在图16至图18中的每幅图中，构成磁性台的磁体的面上的点表示磁体的北极。

图17示出图16中所示的抗磁性组件中的两个抗磁性组件的透视图。左边的抗磁性组件具有“适当”垂直取向，其中，抗磁性层更接近磁性台，并且可以看出悬浮在磁性台之上。右边的抗磁性组件具有“反转”垂直取向，其中，非抗磁性层更接近磁性台。因此，可以看到右边的抗磁性组件接触或稍微地悬浮在磁性台之上。

图18示出在将每个抗磁性组件定向到“适当”垂直取向之后的抗磁性组件的透视图。可以看到每个抗磁性组件都悬浮在磁性台之上。

如本文所使用的，单数形式“一个”和“该”旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。还将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件或者组件，但是不排除存在或者添加一个或者更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行本文描述的任何相关或并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例、变型、方面或实施方式。如果这样的其它示例、变型、方面或实施方式具有与权利要求的字面语言相同的元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同元件，则这样的其它示例、变型、方面或实施方式旨在落在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种组装多个抗磁性组件的方法，所述方法包括以下步骤：

将多个抗磁性组件存放到磁性台上，所述磁性台包括布置为阵列的多个磁体；以及

将振动力施加到所述磁性台；

其中，施加所述振动力将所述多个抗磁性组件中的至少一个移动到所述磁性台的稳定悬浮节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个磁体被布置为选自由以下构成的组的阵列：具有交替北极和南极的棋盘阵列和二维海尔贝克阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个磁体包括选自由以下构成的组的至少一个磁体：钕磁体和钐钴磁体。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述振动力包括：重复施加所述振动力。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述振动力使得每个所述稳定悬浮节点由不多于一个抗磁性组件填充。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述抗磁性组件的数量大于稳定悬浮节点的数量，使得所述振动力的施加致使单个抗磁性组件填充每个所述稳定悬浮节点并且不填充稳定悬浮节点的任何抗磁性组件从所述磁性台脱落。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，每个所述抗磁性组件包括在抗磁性材料层顶上的非抗磁性材料层。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

向所述磁性台施加附加振动力，使得所述多个抗磁性组件获得共同垂直取向。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述共同垂直取向被限定为所述抗磁性材料层被设置在所述磁性台与所述非抗磁性材料层之间。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述附加振动力包括一系列短振动脉冲，每个系列通过暂停分开。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

将所述多个抗磁性组件的一部分转移到基板。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述转移的步骤包括：

将基板施加到所述多个抗磁性组件的所述一部分；以及

将所述基板固定到所述基板被施加到的每个所述抗磁性组件。

13.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

从转移到所述基板的每个所述抗磁性组件的所述非抗磁性材料层去除所述抗磁性材料层。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述转移的步骤包括：

将第一基板放置在所述磁性台与所述多个抗磁性组件的所述一部分之间；

将所述多个抗磁性组件的所述一部分转移到所述第一基板的表面；

将第二基板放置在所述多个抗磁性组件的所述一部分之上；

将所述多个抗磁性组件的所述一部分转移到所述第二基板的表面；以及

将所述多个抗磁性组件的所述一部分固定到所述第二基板的所述表面。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

从转移到所述第二基板的所述表面的每个所述抗磁性组件的所述非抗磁性材料层去除所述抗磁性材料。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个抗磁性组件中的至少一个选自由以下构成的组：粘合到热解石墨(PG)片的半导体管芯和粘合到PG片的氮化镓(GaN)发光二极管(LED)。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述PG片具有在约300微米到约1000微米之间的厚度。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述PG片具有在约400微米到约700微米之间的厚度。

19.一种用于抗磁性组件的定向自组装的系统，所述系统包括：

磁性台，所述磁性台包括布置为阵列的具有交替和相反磁性取向的多个磁性器件；以及

至少一个器件，所述至少一个器件能够操作以将至少第一振动力传递到所述磁性台。