Mikrosirun pisara-avusteinen itsekohdistuminen monimutkaisiin kohdistuskuvioihin, mallinnus hybridimikrokokoonpanoa varten

Abstract

Teknologian kehitys kannettavissa laitteissa, kuten tableteissa, on tuonut uusia haasteita mikrokokoonpanolle, kun yhä pienempiä komponentteja liitetään yhteen kasvavalla tarkkuudella. Mitä suurempaa tarkkuutta kokoonpanolta vaaditaan, sitä hitaampaa komponentteja latovan robotin toiminnasta tulee. Itsekohdistumista voidaan käyttää hyväksi parantamaan laitteiden suoritustehoa, jolloin myös tuotteen hinta laskee.

Eräs itsejärjestymisen muoto on kapillaarinen itsekohdistuminen, jossa mikrosiru asettuu nestepisaran pintajännityksen avulla hydrofiilisen kohdistuskuvion päälle hydrofobisella alustalla. Yleensä nämä kuviot ovat joko ympyrän tai neliön muotoisia, mutta kokoonpanosovelluksissa käytettäville kuvioille voi olla muitakin vaatimuksia ja reunaehtoja, kuten sähköisen kontaktin muodostaminen tai valmistustekniikat. Tällöin kuvioista tulee monimutkaisempia, mikä tarkoitaa esimerkiksi moniosaista kuviota, joka muodostuu elektrodeista, tai virheitä kuvion muodossa. Tässä diplomityössä mallinnetaan numeerisin menetelmin mikrosirun pisara-avusteista itsekohdistumista monimutkaisiin kohdistuskuvioihin.

Diplomityössä kehitetään menetelmä pisaran sopivan tilavuuden arvioimiselle mallintamalla pisaran leviämistä neliosaiselle kohdistuskuviolle ja tutkitaan mikrosirun suurinta asentovirhettä, jonka pisara-avusteinen itsekohdistuminen kykenee korjaamaan. Lisäksi osoitetaan, että virheet kohdistuskuvioissa heikentävät kapillaarivoimaa, joka kohdistaa mikrosirun. Työssä toteutetaan myös simulaattori mikrosirun trajektorin laskemiseksi. Osa työn tuloksista on julkaistu aiemmin [1].

In microassembly, components are typically less than a millimetre in size, and accurate positioning is very important. Currently robotic pick-and-place machines are widely used for assembly, but their operation becomes inefficient when the components are scaled down, due to the trade-off between the speed and accuracy. Capillary self-alignment has been proposed to replace or act as part of the assembly process to make the assembly faster and more accurate, allowing lower costs and smaller components.

Normally the patterns used as reference for capillary self-alignment are circular or square shaped hydrophilic patterns on hydrophobic background. However, in real applications, there are more requirements for system design, such as electric contacts, fabrication methods etc. Therefore, alignment patterns can have more complicated shapes than previously studied, with e.g. segmented structures or imperfections from manufacturing defects. In this master’s thesis, capillary self-alignment of microchips on complex alignment patterns is studied using numerical modelling methods.

This thesis studies wetting on segmented patterns, and provides a method to approximate suitable droplet volume for self-alignment on those patterns. Then the self-alignment performance on those patterns is studied, and maximum initial offset is shown to be the size of one pattern segment. A model for patterns with jagged edges is created to demonstrate that the alignment force is reduced due to imperfections in alignment pattern. In addition, a simulator for chip trajectory is developed, and conditions for successful self-alignment are studied. Part of the results are earlier published in [1].