DE102009017306A1 - Vorrichtung und Verfahren zum selektiven Übertragen einer mikrostrukturierten Komponente - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum selektiven Übertragen einer mikrostrukturierten Komponente Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum selektiven Übertragen mindestens einer mikrostrukturierten Komponente (10) von einem Substrat (1) mit einer Folie mit thermisch lösbarem Haltemittel (11, 14) mit mindestens einem Heizmittel (3, 7) unterhalb der Komponente auf ein Bauteil (9). Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum selektiven Übertragen von mikrostrukturierten Komponenten mit einer vereinfachten Handhabung und verbesserten Wirtschaftlichkeit vorzuschlagen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass je Komponente mindestens ein Heizmittel vorgesehen ist und die Heizmittel einen direkten Kontakt zu dem Haltemittel (11, 14) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum selektiven Übertragen von mikrostrukturierten Komponenten gemäß dem ersten und fünften Patentanspruch.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
  • 1 eine Ansicht einer Platine mit aufgedruckten Leiterbahnen mit Widerstandsheizelementen als Substrat sowie
  • 2a bis e beispielhaft die Verfahrensstufen eines Verfahrens zum selektiven Übertragen einer mikrostrukturierten Komponente auf ein Bauteil.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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).
    • 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
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 60201209 T2 [0006]
    • - DE 102005058259 A1 [0007]

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum selektiven Übertragen mindestens einer mikrostrukturierten Komponente (10) von einem Substrat (1) mit einem thermisch lösbaren Haltemittel (11, 14) mit mindestens einem Heizmittel (3, 7) unterhalb der Komponente auf ein Bauteil (9), dadurch gekennzeichnet, dass je Komponente mindestens ein Heizmittel vorgesehen ist und die Heizmittel einen direkten Kontakt zu dem Haltemittel (11, 14) aufweisen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch lösbare Haltemittel mindestens eine thermisch lösbare Klebefläche (14) mit einem Schaumbildner oder einem Quellmittel umfassen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch lösbare Haltemittel einen Folienmagnet umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel durch elektrische Widerstandsheizelemente (3) gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat durch einen elektrischen Isolator und die Widerstandsheizelemente durch bedruckte Leiterbahnen gebildet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator durch eine Platine gebildet wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizmittel Absorptionsflächen auf dem Substrat sowie mindestens eine Strahlenquelle, die die Absorpti onsflächen durch das Substrat hindurch mit einer elektromagnetischen Strahlung in einem Wellenlängenbereich selektiv anstrahlen, umfassen, wobei das Substrat für den Wellenlängenbereich optisch transparent ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenbereich im Infrarotspektralbereich liegt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat durch einen Siliziumwafer gebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Substrat zwischen zwei Heizmittel ein Einstich vorgesehen ist.
  11. Verfahren zum selektiven Übertragen einer mikrostrukturierten Komponente (10) von einem Substrat (1) mit einem thermisch lösbaren Haltemittel (11, 14) auf ein Bauteil mittels einer Vorrichtung nach einem der vorgenannter Ansprüche, wobei die Komponente mit dem Substrat auf dem Bauteil positioniert wird und durch lokales Erhitzen des Substrats durch ein Heizmittel (3, 7) unterhalb der Komponente von diesem gelöst wird.
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