JP6210590B2 - 液中接着用基板を用いた被着物の実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば実装基板に被着物を整列した状態で接着する場合に用いて好適な液中接着用基板を用いて被着物を当該場所に接着させるのに好適な被着物の実装方法に関し、特に気泡を特定の場所に発生又は付着させて、当該気泡を用いて被着物を当該場所に接着させる用途に好適な液中接着用基板を用いた被着物の実装方法に関する。

本発明者は、水中で固体表面同士を接着するのに適する部材として、接着構造体や水中移動装置を提案している（特許文献１及び非特許文献１参照）。このような接着構造体は、比較的単純な機能しか有していないため、量産して低コスト化が可能であり、液体中で繰り返し接着を行うことができるという特徴がある。

他方で、例えば実装基板に被着物を整列した状態で接着する用途では、被着物を装着すべき場所と、装着することを予定しない任意の場合が実装基板上に存在している。そこで、実装基板上で、被着物を装着すべき場所を峻別する必要がある。被着物を整列した状態で配列する用途として、例えば、精密な位置決めを必要とする微小な部品、微小な機能性材料、微小なセンサーの組み立てなどがある。
また、塵などが接合不良の原因となるような微細接合を伴う組み立て行程では、微小物品の組み立てにクリーンルーム等の特殊な環境を必要とする。そこで、クリーンルーム等の特殊な環境を準備しなくても、微細接合を伴う組み立て行程が提供できる新規な液中接着用基板及びこれを用いた被着物の実装方法が求められている。

特開２０１１−２４６０７６号公報

Naoe Hosoda and Stanislav N.Gorb , "Underwater locomotion in a terrestrial beetle:combination of surface de-wetting and capillary forces", Proceedings of the Royal Society B, 279, 4236-4242, 2012, published online

この場合、従来の自動組立機を用いて製造する手法では、一個一個の被着物を実装基板上の所定位置に搭載している。ところで、ほぼ同一の被着物を均一な態様で装着する用途では、当該被着物が個性をあまり有しないため、新たな実装技術を採用することで、組立作業の効率を飛躍的に高めることが検討されている。

本発明は上記課題を解決するもので、その目的は、クリーンルーム等の特殊な環境を準備しなくても、微細接合を伴う組み立て行程が必要とされる実装基板に被着物を接着する用途に用いて好適な、液中接着用基板を用いた被着物の実装方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の被着物の実装方法は、例えば図１、図２、図３、図５に示すように、被着物を表面に装着する液中接着用基板１０ａ、１０ｂであって、液中接着用基板は当該被着物が搭載される搭載領域１２、１４と、当該被着物が搭載されない非搭載領域１１とを有し、搭載領域には疎水性材料を表面に有し、非搭載領域には親水性材料を表面に有する液中接着用基板を用意するステップ（Ｓ１００）と、前記液中接着用基板に被着される被着物１ａ、１ｂであって、被着物は当該液中接着用基板と被着する被着領域２、４と、当該液中接着用基板が被着されない非被着領域３とを有し、被着領域には疎水性材料を表面に有し、非被着領域には親水性材料を表面に有する被着物を用意するステップ（Ｓ１０２）と、液中接着用基板の搭載領域に所定量の気泡を保持させるステップ（Ｓ１０４）と、搭載領域の近傍に位置する液体に被着物を供給するステップ（Ｓ１０６）と、搭載領域に被着物を付着させるステップ（Ｓ１０８）と、被着物の被着領域が搭載領域に装着されるステップ（Ｓ１１０）と、を有すると共に、
液中接着用基板の搭載領域に気泡を保持させるステップ（Ｓ１０４）は、気泡を構成する気体における液体に対する溶解度に対して飽和状態で、液体に気体を溶解させた気体飽和液体を準備するステップ（Ｓ１２０）と、気体飽和液体に溶解した気体が気体飽和液体と分離して、気泡として搭載領域に貯えられるように、気体飽和液体の流れを制御する気泡生成ステップ（Ｓ１２２）と、気泡が所定量に到達した段階で、気泡生成が停止するように気体飽和液体に代えて気体溶解度が低い代替液体を搭載領域に供給する気泡保持ステップ（Ｓ１２８）と、を有することを特徴とする。
ここで、装着とは被着物が液中接着用基板に接着剤を用いて接着されたり、あるいは気泡が離脱して濡れによって剥離が困難な状態をいう。また、付着とは被着物が液中接着用基板に離脱容易な状態で移動が拘束される状態をいう。

本発明の被着物の実装方法において、好ましくは、気泡を保持させるステップにおける所定量は、被着物の被着領域の少なくとも一部が搭載領域に接触するように定められているとよい。
本発明の被着物の実装方法において、好ましくは、前記気泡生成ステップと前記気泡保持ステップの間に、搭載領域に貯えられた気泡が所定量に到達したか判断するステップ（Ｓ１２４）と、気泡が所定量に到達した段階まで、気泡生成ステップを継続させるステップ（Ｓ１２６）とを有するとよい。

本発明の液中接着用基板によれば、被着物が搭載される搭載領域と非搭載領域とを峻別できるので、微細接合を伴う組み立て行程が必要とされる実装基板に被着物を接着する作業が円滑に行える。
また、本発明の被着物の実装方法によれば、液中接着用基板と被着物との位置決めを気泡と疎水性材料、親水性材料、又は液体が入り込めない微細構造（Cassie Baxter 状態）により実現しており、クリーンルーム等の特殊な環境を準備しなくても、微細接合を伴う組み立作業ができる。

本発明の実施形態に係る液中接着用基板を説明する要部正面図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。 本発明の実施形態に係る被着物を説明する要部正面図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。 本発明の被着物の実装方法を説明する流れ図である。 液中接着用基板を液中に浸した状態を説明する要部構成図である。 本発明の被着物の実装方法における第１の実施形態を説明する流れ図で、気泡を析出させる類型を示してある。 液中接着用基板を液中に浸した状態で、気泡を析出させる類型を説明する要部構成図である。 本発明の被着物の実装方法における第２の実施形態を説明する流れ図で、気泡を噴霧する類型を示してある。 液中接着用基板を液中に浸した状態で、吹込んだ気泡を捕縛する類型を説明する要部構成図である。 気泡を付着させた液中接着用基板に、被着物を実装する状態を説明する要部構成図である。 被着物を液中に浸した状態で、吹込んだ気泡を捕縛する類型を説明する要部構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る液中接着用基板を説明する要部正面図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。
図１（Ａ）に示すように、液中接着用基板１０ａは、被着物が搭載される搭載領域１２と、当該被着物が搭載されない非搭載領域１１とを有する。搭載領域１２には疎水性材料としての塗布剤、または疎水性処理した表面に有し、非搭載領域１１には親水性材料を表面に有する。疎水性材料は撥水性が高い材料であって、例えば水に対する接触角は大凡９０°以上である。ここでは、疎水性材料としてジメチルポリシロキサン（dimethylpolysiloxane、ＰＤＭＳ）を用いるが、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、疎水性ポリマー等でもよい。搭載領域１２の形状は、被着物を付着させるのに適した形状が良く、例えば被着物を基準に１倍から１．５倍程度の大きさに定める。親水性材料には、例えばガラス、鉄、シリコン、並びに濡れ性を改善する表面処理をしたプラスチック等がある。

図１（Ｂ）に示すように、液中接着用基板１０ｂは、液中接着用基板は当該被着物が搭載される搭載領域１４と、当該被着物が搭載されない非搭載領域１１とを有する。搭載領域１４には疎水性材料としての毛状構造を表面に有し、非搭載領域には親水性材料を表面に有する。毛状構造は液体が入り込めない微細構造（Cassie Baxter 状態）を有する。この毛状構造は凹凸が多く粗い面、つまり毛の先端面と液面が見掛け上広い面積で接しており、液面が入り込めない多数の空隙の存在によって点接触をしている状況を実現しており、水に対する接触角として９０度から１７０度を実現できる。ここでは、毛の一本の長さは１００μｍ、太さは直径５０μｍ、ピッチ１５０μｍとしているが、液体が入り込めない微細構造の範囲内であれば、適宜の値を選択できる。

図２は本発明の実施形態に係る被着物を説明する要部正面図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。
図２（Ａ）に示すように、被着物１ａは液中接着用基板と被着する被着領域２と、当該液中接着用基板が被着されない非被着領域３とを有する。被着領域２には疎水性材料としての塗布剤を表面に有し、非被着領域３には親水性材料を表面に有する。疎水性材料は、上述した液中接着用基板１０ａと同様である。

図２（Ｂ）に示すように、被着物１ｂは液中接着用基板と被着する被着領域４と、当該液中接着用基板が被着されない非被着領域３とを有する。被着領域４には疎水性材料としての毛状構造を表面に有し、非被着領域３には親水性材料を表面に有する。毛状構造は、上述した液中接着用基板１０ａと同様である。

このように構成された液中接着用基板に被着物を実装する方法を説明する。
図３は本発明の被着物の実装方法を説明する流れ図である。まず、上記の液中接着用基板１０ａ又は１０ｂを用意する（Ｓ１００）。また、上記の被着物１ａ又は１ｂを用意する（Ｓ１０２）。
図４は液中接着用基板を液中に浸した状態を説明する要部構成図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した液中接着用基板１０ａ、（Ｂ）は毛状構造を設けた液中接着用基板１０ｂを示している。液中接着用基板１０ａ又は１０ｂは、適宜の容器１５に水などの溶媒１６を蓄えた液中に沈められる。溶媒１６には、溶媒に溶ける溶質１７としての気体が溶解している。この気体溶解度は、溶媒に対する飽和状態を基準に、気体の液中への吹込み量やガス生成反応による生成量で定められる。

次に、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの搭載領域１２又は１４に所定量の気泡を保持させる（Ｓ１０４）。この気泡保持には、２つの実施形態があるため、詳細を次に説明する。

（第１の実施形態）
図５は本発明の被着物の実装方法における第１の実施形態を説明する流れ図で、気泡を析出させる類型を示してある。図５において、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの搭載領域１２又は１４に気泡を保持させるステップは、次のステップを含む。まず、気泡を構成する気体における液体に対する溶解度に対して飽和状態で、液体１６に気体１７を溶解させた気体飽和液体を準備する（Ｓ１２０）。気体１７には例えば炭酸ガスを用い、液体には例えば水を用いる。
次に、気泡生成ステップ（Ｓ１２２）では、気体飽和液体に溶解した気体１７が気体飽和液体と分離して、気泡として搭載領域に貯えられるように、液中接着用基板を置き気泡を成長させ、気体飽和液体の流れを制御する。

そして、搭載領域に貯えられた気泡が所定量に到達したか判断する（Ｓ１２４）。この所定量は、被着物１ａ又は１ｂの被着領域２又は４の少なくとも一部が搭載領域に接触するような付着力が得られる量に定められている。この付着力は、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂと被着物１ａ又は１ｂとの剥離強度を示すものであり、両者の間に存在する気泡の表面張力Ｆｔとラプラス力Ｆｐと気泡を引っ張った時の体積変化による内圧の変化ΔＰにより生じている。気泡の付着力は内部圧力の負圧が大きいほど大きくなる。さらに、この所定量は、気泡が大きくなりすぎると搭載領域１２又は１４から離脱してしまうため、離脱しないように定める。

そして、Ｓ１２４でＮＯであれば、気泡が所定量に到達する段階まで、気泡生成ステップを継続させるために、Ｓ１２２に戻る（Ｓ１２６）。他方Ｓ１２４でＹＥＳであれば、気泡保持ステップ（Ｓ１２８）にて、気体飽和液体に代えて気体溶解度が低い代替液体を搭載領域に供給するように制御する。代替液体には、例えば炭酸ガスを含まない真水を用いることで、気体の液中濃度を薄くすることが出来る。これによって、気泡が所定量に到達した段階で、気泡生成が停止して、Ｓ１０４を終了し、Ｓ１０６に進む。

図６は液中接着用基板を液中に浸した状態で、気泡を析出させる類型を説明する要部構成図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。図６（Ａ）に示すように、液中接着用基板１０ａの被着物が搭載される搭載領域１２には、気泡生成ステップ（Ｓ１２２）で生成した気泡が付着気泡１３として搭載領域１２に付着する。
また、図６（Ｂ）に示すように、液中接着用基板１０ｂの被着物が搭載される毛状構造１４には、気泡生成ステップ（Ｓ１２２）で生成した気泡が付着気泡１８として毛状構造１４に付着する。

（第２の実施形態）
図７は本発明の被着物の実装方法における第２の実施形態を説明する流れ図で、気泡を噴霧する類型を示してある。図７において、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの搭載領域１２又は１４に気泡を保持させるステップは、次のステップを含む。まず、液体に気体を高圧で吹き込んで、当該液体中に所定粒径の気泡を浮遊させる（Ｓ１４０）。吹き込む気体としては、例えば炭酸ガス、空気、窒素、アルゴンなどを用いる。気泡の粒径は、例えば搭載領域１２又は１４の形状に適合したものが良く、例えば直径１００μｍから１０ｍｍ程度の範囲になるように定める。

次に、気泡捕捉ステップ（Ｓ１４２）では、液体中に浮遊する気泡を、気泡として搭載領域に貯えられるように、液体中の気泡の流れを制御する。なお、高圧吹込みに代えて、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂを浮遊し、動かし、容器１５の液面上部に置くなどして、気泡を液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの搭載領域１２又は１４で捕縛してもよい。また、気泡を水面に浮遊させて、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの搭載領域１２又は１４に捕縛されやすくしてもよい。

そして、搭載領域に貯えられた気泡が所定量に到達したか判断する（Ｓ１４４）。この所定量はＳ１２４での説明と同様である。そして、Ｓ１４４でＮＯであれば、気泡が所定量に到達する段階まで、気泡捕捉ステップを継続させるために、Ｓ１４２に戻る（Ｓ１４６）。他方Ｓ１４４でＹＥＳであれば、気泡が所定量に到達したため、気泡捕捉ステップを停止する（Ｓ１４８）。これによって、気泡が所定量に到達した段階で、気泡捕捉が停止して、Ｓ１０４を終了し、Ｓ１０６に進む。

図８は液中接着用基板を液中に浸した状態で、吹込んだ気泡を捕縛する類型を説明する要部構成図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。図８（Ａ）に示すように、液中接着用基板１０ａの搭載領域１２には、気泡捕捉ステップ（Ｓ１４２）で発生する液中浮遊気泡１９が、付着気泡１３として搭載領域１２に付着する。
また、図８（Ｂ）に示すように、液中接着用基板１０ｂの毛状構造１４には、気泡捕捉ステップ（Ｓ１４２）で発生する液中浮遊気泡１９が、付着気泡１８として毛状構造１４に付着する。

図３に戻り、図９を参照して説明を続ける。図９は気泡を付着させた液中接着用基板に、被着物を実装する状態を説明する要部構成図である。図９（Ａ）は液中接着用基板１０ａに塗布剤を塗布、または疎水性処理すると共に、被着物１ｂに毛状構造を設ける場合、図９（Ｂ）は液中接着用基板１０ｂに毛状構造を設けると共に、被着物１ａに塗布剤を塗布する、または疎水性処理場合を示している。

Ｓ１０４に続いて、搭載領域の近傍に位置する液体に被着物１ａ又は１ｂを供給する（Ｓ１０６）。すると、被着物１ａ又は１ｂと液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの付着気泡１３との相互作用によって、被着物１ａ又は１ｂを搭載領域１２又は１４に付着させることができる（Ｓ１０８）。すると、疎水性材料による濡れによって搭載領域の保持する気泡が広がって、被着物の被着領域が搭載領域に接触して、両者が装着状態となる（Ｓ１１０）。
このように、Ｓ１００〜Ｓ１１０を行うことにより、搭載部品を実装した液中接着用基板が完成する。

続いて、被着物を液中接着用基板の近傍に運搬するのに適した実施例を説明する。図１０は被着物を液中に浸した状態で、被着物が吹込んだ気泡を捕縛する類型を説明する要部構成図で、（Ａ）は塗布剤を塗布、または疎水性処理した場合、（Ｂ）は毛状構造を設けた場合を示している。図１０（Ａ）に示すように、被着物１ａの被着領域２には、液中浮遊気泡１９が付着気泡５ａとして被着領域２に付着する。また、図１０（Ｂ）に示すように、被着物１ｂの毛状構造４には、液中浮遊気泡１９が付着気泡５ｂとして毛状構造４に付着する。
このように、被着物１ａ又は１ｂに付着気泡５ａ又は５ｂを付着させることで、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの付着気泡１３との相互作用が円滑に行われ、実装作業が一層円滑に行える。

なお、基板側と被着側の疎水性が低い方の表面と接している気泡の端は変移し易い。このため、基板側に気泡を固定したい場合は、被着側よりも疎水性の高い素材で搭載領域の構造を作製する必要がある。
また、液中接着用基板１０ａ又は１０ｂの気泡による接着強度は、接着側の材料の性質と被着側の材料の性質に依存し、液体１６が水の場合には、疎水性の表面への吸着強度の方が親水性の表面への吸着より高くなる。被着物１ａの被着領域２又は被着物１ｂの毛状構造４が疎水性、つまり水との濡れ性が低い特性を有する材料は、気泡と被着側表面の界面エネルギーが高いため、気泡の端部の変移による気泡と被着側表面の界面エネルギーの減少が大きくなる。このため、気泡の付着力が高くなる。

なお、本発明は上記の実施の形態に説明した内容に限定されるものではなく、当業者にとって自明な範囲で適宜の変形実施例も可能であり、これらの変形実施例も本発明の権利範囲に含まれる。例えば、被着物を液中接着用基板に装着する場合に、接着剤を用いて接着してもよい。また、上記の実施の形態では、疎水性の平らな部分について、塗布剤を塗布する場合と疎水性処理を行う場合を示したが、全面が疎水性の材料に対して泡を付着させたい部分（非搭載領域１１）に関して親水性処理を行うものでもよい。

本発明の液中接着用基板によれば、微細接合を伴う組み立て行程が必要とされる実装基板に被着物を接着する作業に用いて好適である。
本発明の被着物の実装方法によれば、水中で組み立て作業を行うため、クリーンルーム等の特殊な環境を必要とせず、微細構造を有するマイクロマシンの製造や集積回路素子の搭載のような電子機器の製造に用いて好適である。

１ａ、１ｂ：被着物
２：被着領域
３：非被着領域
４：毛状構造
５：付着気泡
１０ａ、１０ｂ：液中接着用基板
１１：非搭載領域
１２、１４：搭載領域
１３、１８：付着気泡
１５：容器
１６：液体（溶媒）
１７：（溶質）
１９：浮遊気泡

Claims (3)

1. 被着物を表面に装着する液中接着用基板であって、前記液中接着用基板は当該被着物が搭載される搭載領域と、当該被着物が搭載されない非搭載領域とを有し、搭載領域には疎水性材料を表面に有し、前記非搭載領域には親水性材料を表面に有する液中接着用基板を用意するステップと、
   前記液中接着用基板に接着される被着物であって、前記被着物は当該液中接着用基板と被着する被着領域と、当該液中接着用基板が接着されない非被着領域とを有し、前記被着領域には疎水性材料を表面に有し、前記非被着領域には親水性材料を表面に有する前記被着物を用意するステップと、
   前記液中接着用基板の搭載領域に所定量の気泡を保持させるステップと、
   前記搭載領域の近傍に位置する液体に前記被着物を供給するステップと、
   前記搭載領域に前記被着物を付着させるステップと、
   前記被着物の被着領域が前記搭載領域に装着されるステップと、
   を有すると共に、
   液中接着用基板の搭載領域に気泡を保持させるステップは、前記気泡を構成する気体における前記液体に対する溶解度に対して飽和状態で、前記液体に気体を溶解させた気体飽和液体を準備するステップと、前記気体飽和液体に溶解した気体が前記気体飽和液体と分離して、気泡として搭載領域に貯えられるように、前記気体飽和液体の流れを制御する気泡生成ステップと、前記搭載領域に貯えられた気泡が所定量に到達した段階で、前記気泡生成が停止するように前記気体飽和液体に代えて気体溶解度が低い代替液体を搭載領域に供給する気泡保持ステップとを有することを特徴とする被着物の実装方法。
2. 前記液中接着用基板の搭載領域に所定量の気泡を保持させるステップにおける前記所定量は、前記被着物の被着領域の少なくとも一部が前記搭載領域に接触するように定められていることを特徴とする請求項１に記載の被着物の実装方法。
3. 前記気泡生成ステップと前記気泡保持ステップの間に、搭載領域に貯えられた気泡が所定量に到達したか判断するステップと、気泡が所定量に到達した段階まで、気泡生成ステップを継続させるステップを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の被着物の実装方法。