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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum selektiven Übertragen
von mikrostrukturierten Komponenten gemäß dem
ersten und fünften Patentanspruch.
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Eine
Serienfertigung insbesondere von chemisch oder physikalisch mikrostrukturierten
Komponenten erfolgt oftmals losweise (batchweise), d. h. auf einem
Substrat werden eine Vielzahl gleichartiger Komponenten durch parallele
Strukturierung zugleich hergestellt. Eine parallele Strukturierung
unterschiedlicher Komponenten in einem Los ist jedoch nur möglich,
wenn die hierfür erforderliche chemische oder physikalische
Mikrostrukturierung gleichartig ist.
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Die
mikrostrukturierten Komponenten werden nach ihrer Herstellung meist
in Systeme oder Bauteile wie z. B. in ein Mikrosystem oder auf eine Leiterplatte
integriert, d. h. vereinzelt und individuell appliziert. Dabei ist
es die Regel, dass unterschiedlich hergestellte Mikrokomponenten
aus verschiedenen Fertigungslosen in einem System oder Bauteil zum
Einsatz kommen. Die Bestückung eines solchen Systems oder
Bauteils ist damit aufwendig und verursacht damit nicht nur hohe
Fertigungskosten, sondern begrenzt auch die Stückzahl einer
Fertigung. Meist kommen für die Bestückung spezielle
Bestückungsautomaten zum Einsatz, die jede zu applizierende
Komponente individuell greift, zum System oder Bauteil ausrichtet
und anschließend appliziert.
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Ferner
wird in [1] ein Verfahren für die Positionierung von Mikrokomponenten
auf einem Substrat beschrieben. Auf einem Glassubstrat ist über
eine Polyimidschicht eine Anzahl von Mikrokomponenten positioniert.
Nach Ausrichtung eines oder mehrerer ausgewählter Mikrokomponenten
auf dem Substrat auf eine Zielposition wird ein Herauslösen
dieser Komponente in ausgerichteter Position durch Entfernung der
Polyimid-Schicht durch rückseitig eingeleiteten Laserstrahl
eingeleitet.
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Das
genannte Laserabtragungsverfahren reduziert zwar gegenüber
den vorgenannten Bestückungsautomaten vorteilhaft die unmittelbaren
für die Applikation erforderlichen Verfahrensschritte und
damit auch das Risiko von Fehlapplikationen, erfordert jedoch den
Einsatz einer teuren Laserquelle. Zudem ist für eine selektive
Herauslösung einzelner Komponenten eine Justierung des
Laserstrahls zum Substrat erforderlich.
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Alternativ
hierzu offenbart die
DE
602 01 209 T2 eine Klebefläche einer Folie, die
ein selektives Ablösen von an ihr anheftenden Komponenten
durch partielles Erhitzen entsprechender Folienbereiche ermöglicht.
Die Klebefläche weist dabei eine thermisch irreversibel
dehnbare Schicht auf, wodurch die Klebwirkung bei Erreichen einer
Temperatur dauerhaft auf ein Minimum herabsetzt wird. Zum selektiven
Ablösen von Komponenten auf dieser Klebefläche
wird folglich vorgeschlagen, nur den Bereich dieser um die Komponente
durch Anlegen einer separaten Heizeinheit aufzuheizen und damit
die Komponente freizugeben. Als Heizelement wird u. A. eine elektrothermische
Heizung vorgeschlagen. Als Klebefolie werden u. A. die Handelsprodukte
REVALPHA oder REVACLEAN der Firma NITTO DENKO CORPORATION, Japan
zitiert.
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DE 10 2005 058 259
A1 offenbart eine Weiterentwicklung der letztgenannten
Lösung. Vorgeschlagen wird eine Anordnung mit zwei der
vorgenannten Heizelemente, wobei ein erstes Heizelement für
eine Vorwärmung der Klebfläche ohne Einbuße
der Klebfähigkeit vorgesehen ist. Nach der Vorwärmung
wird dieses erste Heizelement durch ein zweites Heizelement höherer
Temperatur ersetzt, wobei erst durch dieses die Klebwirkung irreversibel reduziert
wird.
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Die
letztgenannten Lösungen erfordern zwar keine teure Laserquelle
mehr, allerdings immer noch eine individuelle und damit aufwendige
Ausrichtung von Heizelement und Komponente bei jedem Ablöseprozess,
was einer wirtschaftlichen Bestückung der Komponenten entgegenwirkt.
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Davon
ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren sowie
eine Vorrichtung zum selektiven Übertragen von mikrostrukturierten Komponenten
mit einer vereinfachten Handhabung und verbesserten Wirtschaftlichkeit
vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung sowie einem Verfahren mit den
Merkmalen des ersten und fünften Patentanspruchs gelöst.
Die auf diese rückbezogenen Unteransprüche geben
deren bevorzugte Ausgestaltungen wieder.
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Es
wird vorgeschlagen, die mikrostrukturierten Komponenten auf einer
Leiterplatte als Substrat zu positionieren und auf dieser mittels
trennbarer Haltemittel, vorzugsweise einer Klebefolie oder einer Klebeschicht
zu befestigen. Dies ermöglicht bei einer anschließenden
Applizierung der mikrostrukturierten Komponenten auf Bauteile oder
in Systemen eine vereinfachte Handhabung dadurch, dass die Komponenten über
die wesentlich größere Leiterplatte besser greifbar,
bewegbar und zum Bauteil oder System exakter justierbar sind. Nach
Ausrichtung einer oder mehrerer Komponenten folgen eine Fixierung
dieser auf dem Bauteil oder im System sowie eine selektive Loslösung
der Klebe- oder Halteverbindung zwischen Leiterplatte zu den applizierten
Komponenten. Die Leiterplatte wird mit den noch nicht applizierten Komponenten
von den applizierten Komponenten entfernt.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, das Substrat auch als Träger
oder Fixierungselement in die Strukturierung, Montage und/oder Fertigung
der Komponenten zu integrieren. Dabei erfolgt die gesamte oder ein
Teil der Prozessierung, d. h. eine Herstellung, Verarbeitung, Strukturierung
und/oder Vereinzelung der mikrostrukturierten Komponenten ausgehend
von einem Halbzeug (z. B. Platte oder Folie) direkt auf dem Substrat.
Die Prozessierung erfolgt vorzugsweise chemisch. Eine mechanische
Krafteinwirkung auf die Komponenten insbesondere tangential zu der
Klebfuge bei der Prozessierung erhöht dagegen die Gefahr
eines vorzeitigen Lösens der Haltemittel und sollte daher
vermieden werden.
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Bei
Durchführung aller Verfahrensschritte der vorgenannten
Prozessierung bei einer Übertragung der Komponenten auf
einem Substrat werden in vorteilhafter Weise Übertragungen
der Komponenten zwischen unterschiedlichen Substraten und/oder Halterungen
für die einzelnen Prozessstufen und damit zusätzlicher
Handhabungs- und Justageaufwand reduziert.
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Die
mikrostrukturierten Komponenten werden alternativ als fertig strukturierte
Formkörper oder als zusammengesetzte Elemente auf das Substrat geklebt
oder fixiert. Vorzugsweise wird Anordnung und Ausrichtung der Komponenten
auf dem Substrat direkt von der Fertigung dieser Komponenten übernommen.
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Ein
wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, die Verklebung,
d. h. die Klebfläche auf der Klebefolie oder der Klebeschicht
oder das Haltemittel zur Komponente thermisch ablösbar
zu gestalten sowie das Substrat unterhalb der Komponenten mit Heizelementen
zu versehen. Wesentlich ist auch, dass die Heizelemente in direktem
Kontakt mit der Klebefläche, der Klebefolie oder dem Haltemittel
stehen. Die Heizelemente wirken damit ohne Umweg über zusätzliche
Wärmeübertragungskomponenten direkt auf die Verklebung,
die Klebefolie oder das Haltemittel. Dies ermöglicht nicht
nur eine effiziente Ausnutzung der Wärmeenergie, sondern
reduziert auch eine Streuung von Wärme auf umliegende Bereiche.
Eine unerwünschte Übertragung von Wärme in
umliegende Bereiche lässt sich zudem eine durch Einstiche
gebildete Segmentierung der Substratoberfläche verbessern.
Allein die geringeren Reaktionszeiten für eine thermische
Ablösung und die damit verbundenen geringeren Wärmeabstrahlung
in umliegende Bereiche ermöglichen in vorteilhafter Weise eine
grundsätzlich engere Anordnung von thermisch selektiv ablösbaren
Komponenten auf dem Substrat zueinander. Dabei ist unter jeder Komponente
auf der Leiterplatte jeweils ein selektiv oder gruppenweise ansteuerbares
Widerstandsheizelement angeordnet, vorzugsweise jeweils als aufgedruckte
oder aufgesputterte Leiterbahn.
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Alternativ
werden die Heizelemente durch Absorptionsflächen auf der
Substratoberfläche gebildet. Das Substrat wird dabei durch
ein optisch transparentes Material wie z. B. eine Glasplatte gebildet. Die
Energiezufuhr zu den Absorptionsflächen erfolgt durch eine
Anstrahlung dieser durch einen elektromagnetischen Strahl aus einer
Strahlungsquelle, vorzugsweise durch das Substrat auf die dem Haltemittel
abgewandten Seite der Absorptionsfläche. Die Strahlung
ist eine Wärmestrahlung vorzugsweise im Wellenlängenbereich
zwischen 0,4 und 1000 μm, d. h. im sichtbaren Spektralbereich
zwischen 0,4 und ca. 0,7 μm und im Infrarotspektralbereich
zwischen 0,7 und 1000 μm. Durch eine Maske oder Fokussierungsmittel
ist der Strahl selektiv auf eine oder mehrere Absorptionsflächen
begrenzbar. Die Absorptionsflächen werden vorzugsweise
aus einer Kohlenstoffschicht gebildet.
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Die
elektromagnetische Strahlung weist als Wärmestrahlung vorzugsweise
einen Wellenlängenbereich im Infrarotspektralbereich auf.
Die Wellenlängen liegen dabei zwischen 0,7 μm
bis 1 mm bevorzugt zwischen 0,7 und 3 μm (sehr nahes oder
nahes Infrarotspektrum bis 1 bzw. über 1 μm, VNIR-
bzw. NIR-Spektrum) oder zwischen 3 und 14 um, dem Bereich der größten
Infrarotausstrahlung bei Raumtemperatur. Das Substratmaterial wird
wegen seiner optischen Transparenz im nicht sichtbaren Wellenlängenbereich
sowie seiner Mikrostrukturierbarkeit Silizium z. B. als Siliziumwafer
vorgeschlagen.
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Die
Heizelemente bilden mit der Substratoberfläche vorzugsweise
eine ebene Oberfläche. Die Heizelemente füllen
entweder Vertiefungen in der Substratoberfläche auf oder
bauen auf einer bevorzugt ebenen Substratoberfläche auf.
Bei der letztgenannten Alternative werden die Bereiche auf der Substratoberfläche,
die nicht durch die Heizelemente oder anderen Komponenten abgedeckt
sind, vorzugsweise zur Wiederherstellung einer ebenen Oberfläche
durch einen Füllstoff wie z. B. ein elektrisch nicht leitendes
Polymer aufgefüllt.
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Der
bevorzugte Klebstoff der Klebefläche oder Klebefolie enthält
einen Schaumbildner, der bei oder oberhalb einer vorgegebenen Temperatur,
je nach Schaumbildner und Einwirkungsdauer (vorzugsweise zwischen
0,5 und 20, bevorzugt 10 Sekunden) zwischen 50 und 200°C,
bevorzugt zwischen 60 und 170°C, weiter bevorzugt zwischen
80 und 130°C aufschäumt, damit die adhäsiven
Klebstoffpartikel auseinanderdrückt und damit die Klebwirkung
zu einer Komponente auf ein Minimum reduziert oder aufhebt. Die
Klebwirkung stellt sich in vorteilhafter Weise bei einer Wiederabkühlung
nicht wieder ein. Eine Klebestelle auf dem Substrat, die nach einer
Applizierung einer Komponente freigeworden ist, weist vorzugsweise
keine adhäsiven Eigenschaften auf. Unerwünschte
Verklebungen bei folgenden Übertragungen von Komponenten
werden dadurch vermieden.
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Als
alternative thermisch lösbare Haltemittel speziell für
magnetisierbare Komponenten eignen sich beispielsweise flächig
auf der Leiterplatte aufliegende Folienmagnete, die durch die vorgenannten Heizelemente über
die Curietemperatur erhitzt werden und dabei ihre magnetischen Eigenschaften
verlieren. Bei einer anschließenden Abkühlung
unter die Curietemperatur erhält das Haltemittel zwar grundsätzlich
seine magnetischen Eigenschaften wieder, muss aber neu magnetisiert
werden, vorzugsweise, indem eine Abkühlung mit Curietemperaturübergang in
einem magnetischen Feld erfolgt.
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Als
ein weiteres thermisch lösbares Haltemittel eignet sich
ein Schmelzkleber oder ein niedrig schmelzendes Lot, beispielsweise
einem Wood-Metall oder einer anderen Zinn-Blei-Legierung. Eine Komponente
wird durch dieses Haltemittel entweder adhäsiv oder formschlüssig
auf dem Substrat fixiert. Bei Wärmeeinwirkung über
Ihren Erweichungspunkt erhitzt schwinden ihre Formbeständigkeit
und/oder ihre adhäsive Wirkung. Die Komponente wird freigegeben.
Thermoplastisches Polyimid oder Polyamid-Imid als Haltemittel verlieren
beispielsweise nach Aufheizung auf bevorzugte 150 oder 170°C
ihre Haltewirkung.
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Eine
Vorrichtung zum selektiven Übertragen mindestens einer
mikrostrukturierten Komponente von einem Substrat umfasst ein thermisch
lösbares Haltemittel, vorzugsweise eine Folie mit vorgenannter
thermisch lösbarer Klebefläche. Unterhalb jeder Komponente
weist das Substrat mindestens ein elektrisches Widerstandsheizelement
auf, dessen Wirkungsbereich die gesamte Kontaktfläche zwischen der
Komponente und die Klebefläche überspannt. Das
Substrat wird vorzugsweise durch einen elektrischen und damit thermischen
Isolator wie z. B. ein Leiterplattenmaterial oder eine Keramik,
die Widerstandsheizelemente durch bedruckte Leiterbahnen gebildet.
Das Substrat wird folglich vorzugsweise durch eine Platine als besonders
kostengünstiges Substrat gebildet.
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Ein
Verfahren zum selektiven Übertragen einer mikrostrukturierten
Komponente von einem Substrat mit einem thermisch lösbaren
Haltemittel, vorzugsweise einer vorgenannten Klebefläche
auf ein Bauteil mittels einer Vorrichtung der vorgenannten Art umfasst
ein lokales Erhitzen des Substrats, vorzugsweise einer Platine durch
ein Heizmittel, vorzugsweise einem bedruckten Widerstandsheizelement
unterhalb der Komponente, wobei sich dieses mit dem Substrat zuvor
auf einem Bauteil positioniert ist und durch die Erhitzung von dem
Haltemittel gelöst wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Ansicht einer Platine mit aufgedruckten Leiterbahnen mit Widerstandsheizelementen
als Substrat sowie
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2a bis
e beispielhaft die Verfahrensstufen eines Verfahrens zum selektiven Übertragen
einer mikrostrukturierten Komponente auf ein Bauteil.
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Ein
beispielhaftes Design einer Leiterplatte 1 zeigt 1.
Die Leiterplatte dient gemeinsam mit einer Schaltung 2 aus
gesputterten Leiterbahnen aus Gold, Kupfer oder einem anderen metalli schen
oder nichtmetallischen Leiterbahnmaterial als Substrat der vorgenannten
Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
Die Schaltung umfasst im Beispiel acht Widerstandsheizelemente 3 mit
elektrischen Versorgungsleitungen 4. Die Erstreckung eines
Heizmittels 7 und damit die für eine Komponente auf
dem Substrat zur Verfügung stehende Fläche beschränkt
sich auf die Erstreckung jeweils auf ein Widerstandselement 3.
Die Leiterplatte ist aus einem elektrischen und vorzugsweise einem
thermischen Isolatormaterial gefertigt und weist für ein
exaktes Justieren der Komponenten auf dem Substrat sowie zu dem
vorgenannten Bauteil oder System beim Umsetzen Führungs-
und Zentriermittel 5, beispielsweise einen Durchbruch,
Bohrung, einer Markierung (z. B. Kreuz, Siemensstern) auf. Durchbrüche
oder Bohrungen lassen sich zudem als formschlüssige Aufnahme
eines Handhabungswerkzeugs nutzen. Zur Begrenzung einer unerwünschten
Wärmeübertragung von einem Heizelement auf ein
benachbartes Heizmittel sieht die Leiterplatte zwischen zwei Heizmittel
optional jeweils einen Einstich 6 vor (vgl. auch 2b bis
e).
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Die
in 1 gezeigte Fläche des Substrates, zumindest
die Halteflächen über den Widerstandselementen 3 werden
mit einem Haltemittel, vorzugsweise eine thermisch ablösbare
Klebeschicht oder eine zweiseitige Klebefolie der vorgenannten Art
beschichtet. Bei einer zweiseitigen Klebefolie ist es ausreichend
und vorteilhaft, wenn nur die dem Widerstandselement abgewandten
Fläche mit einer thermisch deaktivierbaren Klebefläche
ausgeführt ist.
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2a bis
e gibt einen beispielhaften Verfahrensablauf zum selektiven Übertragen
mindestens einer Komponente 10 von dem vorgenannten Substrat
mit einer Folie mit thermisch lösbaren Haltemittel mit
mindestens einem Heizmittel 7 der vorgenannten Art unterhalb
der Komponente auf ein Bauteil 9. Als Haltemittel kommt
eine Klebefolie zum Einsatz, dessen Klebewirkung durch Erhitzung
und Schaumbildung im Klebstoff wie zuvor beschrieben irreversibel
deaktivierbar ist.
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In
einem ersten Schritt (vgl. 2a) erfolgt eine
Bereitstellung der zu übertragenen Komponenten 10,
beispielsweise auf einer Unterlage 8 für eine vorangegangene,
bereits erfolgte Mikrostrukturierung der Komponenten. Es folgt ein
Aufsetzen eines mit einer thermisch deaktivierbare Klebefolie 11 als Haltemittel
der vorgenannten Art beschichteten Substrates 2 mit Widerstandsheizelemente 3 (Heizmittel 7)
mit einer Klebefläche 14 auf die Komponenten 10 (2b);
die Komponenten bleiben auf der Klebfläche über
den Heizmitteln 7 haften (2c). Es
erfolgt ein Justierung und Aufsetzen mindestens einer Komponente 10 gemeinsam
mit der Leiterplatte 1 auf einem Bauteil 9 (2d).
In dieser Position erfolgt eine Aufheizung der Klebefolie 11 in
unmittelbarer Heizmittelumgebung 12 selektiv unterhalb
der umzusetzenden Komponente. Es kommt dadurch zu einer Erwärmung
der Klebfolie und damit zu einer Aufschäumung 13 und
damit zu einer Deaktivierung der Klebfläche in Heizmittelumgebung.
(2d und e). Die auf dem Bauteil 9 positionierte
Komponente 10 wird von der Verklebung zum Substrat freigegeben, während
die anderen Komponenten auf der Klebfläche des Substrats
verbleiben (2e).
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Schaltung
- 3
- Widerstandsheizelement
- 4
- Versorgungsleitung
- 5
- Führungs-
und Zentriermittel
- 6
- Einstich
- 7
- Heizmittel
- 8
- Unterlage
- 9
- Bauteil
- 10
- Komponente
- 11
- Klebefolie
- 12
- Heizmittelumgebung
- 13
- Aufschäumung
- 14
- Klebefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 60201209
T2 [0006]
- - DE 102005058259 A1 [0007]