基于表面张力的微芯片自组装技术的研究

发布时间：2020-04-20 14:29

【摘要】：随着微机电系统(MEMS)和微小器件的设计和制造技术的迅速发展,电子设备的创新性研发受到大家的关注,目前广泛应用的电子设备趋于大规模多功能集成化、微型化、柔性化的方向发展。该趋势下要求芯片不断趋于微米级尺度,但是微观尺度下对微芯片的操作受多种粘附力的影响,难以实现可控的操作。同时新型电子设备制造的关键是多功能微芯片在基板上的大规模高效集成,传统的微芯片集成技术不能满足新型电子设备的制造需求。因此,微芯片的高效化、高精度组装是电子设备集成中亟待解决的问题。本文采用了一种基于表面张力的微芯片自组装技术,将机器人拾放技术与表面张力自对齐技术相结合,利用了机器人操作的灵活性和高效性;同时,由于表面张力在微观尺度下占主导作用,可以克服其它粘附力实现有效可控的微操作;通过将液滴限制在基板上指定位置来实现微芯片在基底上的高精度定位组装。本文从理论分析、数值模拟仿真、实验台搭建和实验分析四个方面进行研究:(1)基于表面张力理论和能量最小化原理,建立了自组装过程中两类微芯片错动模式的液桥理论模型,分析得到了不同液滴量下错动量与液桥表面能和液桥作用于微芯片的恢复力(矩)之间的关系,从理论上证明了微芯片自组对齐过程遵循能量最小化原理,并且微芯片在自对齐后,自组装系统处于最小能量状态。(2)利用Surface Evolver软件建立微芯片自组装系统的数值仿真模型,演化求解得到自组装过程中两类微芯片错动模式下的液桥形态及其系统自由能,并分析错动量与液桥表面自由能和微芯片受到的恢复力(矩)之间的关系,分析得到了基底和微芯片表面接触角对微芯片自组装的影响。(3)结合微芯片自组装的操作流程,进行自组装实验平台的总体搭建方案及合理的数据采集和信号传输的控制方案的设计,利用精密位移台、压电夹持器、精密注射泵和显微视觉系统搭建了实验平台,并且基于Automation Base软件,将实验台各部分进行嵌入控制和调试,实现了对实验台的整体控制,并且编译了相应的自组装控制程序。(4)为了实现高成功率的微芯片自组装,首先,研究了基板激光加工参数对液滴限制效果的影响。然后,在搭建好的实验平台上进行不同液滴量下各种规格微芯片的自组装实验,分析用于自组装的液体体积对微芯片自组装的成功率和时间的影响;得到了微芯片与基底错动距离对微芯片自组装成功率的影响;此外进行了矩形和圆形微芯片的自组装实验,为表面张力自组装技术在电子领域的推广奠定了基础。
【图文】：

几何形状,微组装工艺,组装过程,流体

供组装所需的表面张力，然后在 80℃的水浴中聚合 16h，并持续氮气鼓泡进行搅拌，将平面硅微镜自组装到表面微机械驱动器上[5]；Xiaorong Xiong 采用的基板是由疏水性材料包裹的金结合位点制备的，在基底上涂覆的碳氢油只会润湿疏水结合位点，，然后将基板和微组件浸入到水中，并将微组件组装在浸油的结合部位，通过反复应用该技术，可以将不同批次的微组件依次组装到单个基板上[6]；Scott 使用流体微组装技术将电感器芯片组装到 CMOS 晶片上[7]，流体微组装工艺的流程如图 1-1 所示； Acobs 等人基于低温熔化焊料的表面张力相互作用，展示了半导体器件在图案化的柔性和弯曲基板上的集成组装，将半导体器件置于流体中，焊料-水界面的自由能最小化为微器件提供了驱动力，将 280 微米的 111 个 GaAlAs 发光二极管制造成原型圆柱形显示器[8]。在液体介质中也可以利用该技术实现微器件与微器件的组装来搭建三维结构，通过微器件结合面的结构设计或化学改性实现其可控组装。Hosokawa 等人通过设计部件的几何形状以定制它们之间的吸引力[9]，由于微组件表面材料的润湿性使他们浮在水面上，同时由于水面上相同高度的部件彼此吸引，而不同高度的部件相互排斥，通过这种吸引和排斥的相互作用来产生更多种类的受控组装。Bowden 等人进行了位于全氟萘烷/水界面的 PDMS 六边形部件的二维装配[10]。

流程图,微滴,流程

液体表面张力实现组装操作。Fang 等人研发了一种新颖的表面张力驱动的自组装技术[1该技术在空气环境中在 4 英寸的硅基板上组装 28 个方形压电传感器（PZT）执行器；Fang 和 Bohringer 设计了一种基于形状识别和空气环境中表面张力驱动的新型微装配工艺[12]，使用振动的方法来驱动微部件，在约 2 分钟内实现了 1000 个微部件与受体部位自对齐，完成组装过程，缺陷率接近 1%；Fukushima 在硅晶片上展示了基于氢氟酸表面张力的毫米级芯片自组装，并在室温下氟化氢辅助直接键合，用于制造三维集成电路，组装精度可高达 50 纳米[13]。Chang B 课题组介绍了一种在空气中的表面张力自组装技术，该技术中采用亲水性/疏水性表面的基底，利用粘合剂的表面张力来驱动微芯片在亲水性目标位点实现自组装[14]，之后也验证了微芯片可以在疏水受体位点进行自组装[15]Chang B 采用液体自组装将射频识别（RFID）芯片自对准在四个焊盘上，此外还研究了可能影响理论和实验中自对齐的关键参数的影响[16]。他们还研发了一种新颖的多功能水滴自对齐技术，其中水以雾状形式进入装配区域[17]，可以同时进行大批量的微芯片组装Chang B 首次展示了微芯片在图案化的可拉伸基底上的自对齐[18]，组装基底上的亲水性受体位点被涂覆了超疏水材料区域包围该。此外 Chang B 还研发了一种结合激光模板转移和雾化液滴毛细力自对齐的微组装技术[19]。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN492

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