Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Contactless handling and precision positioning of smallest components for assembly of microelectronics
    ( 2010)
    Braun, T.
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    Bauer, J.
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    Becker, K.-F.
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    Kahle, R.
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    Jung, E.
    ;
    Koch, M.
    ;
    Mollath, G.
    ;
    Aschenbrenner, R.
    ;
    Reichl, H.
    As the development of microelectronics is still driving towards further miniaturization, new materials, processes and technologies are crucial for the realization of future cost effective microsystems and components. Futures ICs and passives will also decrease in size, e.g. for RF-ID applications forecast die sizes are smaller than 250 mikron, thicknesses less than 50 mikron and pitches way below 100 mikron. Passives, if not directly integrated into the system carrier, will be even smaller. Touchless and self-assembly based procedures seem to be a promising method for handling miniaturized components not directly fabricated at the very place where they are needed. Electrowetting on Dielectrics (EWOD) - a contactiess handling technology well known from lab-on-chip applications for liquid transport, sorting, mixing and splitting - can be used as a basis for microelectronics assembly purposes on standard printed circuit boards. Handling shall be feasible for miniaturized components as chiplets, smallest SMDs as well as for nano-scaled building blocks. The physical principle is a change in the droplet contact angle of a droplet when immersed into an electrical field, an effect that can be used for droplet movement component transport. The process flow under evaluation starts with positioning of a droplet, containing a component, on a super-hydrophobic surface realized by a nano-particle filled coating of the carrier substrate with moderate accuracy. The droplet will be moved quickly until the desired position is reached using the mentioned electrowetting effect. Fine positioning and orientation of the component can then be achieved by magnetic guiding during evaporation of the water droplet. The crucial point of this approach is to find a suitable configuration of the magnetic field, which exerts such forces on the component needed for a movement in the wanted position. Besides the design of the magnetic field, the magnetic properties of the components are essential for the action of the field. Microelectronic components typically undergo only inadequate interaction with magnetic fields so that magnetically based positioning procedures fail. To overcome this difficulty, magnetically addressable markers must be designed and attached to the components. An effective technical realization of this principle is the application of thin polymer based layers, filled with magnetically interacting micro- or nano-particles, on top of the components. The layers can be applied cost-effectively on wafer level during fabrication of the components by use of e.g. common stencil printing process. Summarized the paper presents the results of a feasibility study for contactiess device handling using EWOD and magnetic guidance of tiniest components.
  • Publication
    Optimierung von Prozessparametern sowie Praxiserfahrung
    ( 2010)
    Paatsch, W.
    ;
    Mollath, G.
    Wegen der komplexen Zusammenhänge und des häufig nichtlinearen Verhaltens der grundlegenden elektrochemischen Vorgänge bei der galvanotechnischen Entwicklung und Abscheidung funktioneller Schichten ist eine rein mathematische Behandlung der Prozessfolge von der Keimbildung bis zur Schicht mit den gewünschten funktionellen Eigenschaften beim derzeitigen Kenntnisstand auszuschließen. Dennoch sind Teilaspekte, wie beispielsweise die homogene Schichtdickenverteilung auf geometrisch komplex geformten Substraten, mathematisch und prozesstechnisch zufriedenstellend zu lösen, wie etwa das Beispiel einer Maß-Hartverchromung von Bauteilen für die Common-Rail-Technik in der Automobilindustrie zeigt. Es ist nicht auszuschließen, dass bei Definition geeigneter Kenngrößen des Gesamtprozesses eine stärker gezielte Korrelation zwischen der Elektrochemie der Abscheidung und den Funktionseigenschaften der Schichten möglich ist. Eine besondere Problematik in der Zielsetzung besteht in der Mehrdimensionalität der Prozessabläufe: Die Keimbildung und die beginnende Schichtbildung betreffen den atomaren Maßstab, während die geometrischen Dimensionen bei der Abscheidung etwa im Mikro- bis Millimeterbereich und bei den Bauteilabmessungen meist im oberen Zentimeterbereich liegen. Daher wird bei der Modellbildung und Simulation zwischen dem Mikrobereich (Keimbildung und -wachstum, Doppelschichtdynamik) und dem Makrobereich (Potential-, Stromdichteverteilung, Strömungsfeld) unterschieden. Durch die Definition von Kenngrößen für die Zusammensetzung des Elektrolyten, seine Betriebsart, für die Mikrostruktur sowie funktionellen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten lassen sich für deren Abhängigkeit von Prozessparametern Kennfelder ermitteln. Durch Nutzung neuronaler Netze können ohne längere Rechenzeiten Korrelationen zwischen den elementaren elektrochemischen Prozessen und den funktionellen Schichteigenschaften ermittelt werden. Dies kann in der Praxis zu einer stärker zielgerichteten Arbeitsweise und Einsparungen führen.
  • Publication
    Mikrokanal-Reaktoren für die elektrochemische Abwasserbehandlung mit Diamantelektroden
    ( 2008)
    Kramer, H.J.
    ;
    Mollath, G.
    ;
    Schäfer, L.
    Diamantbeschichtete Elektroden (DiaChem) sind ein neuartiges und besonders leistungsfähiges Instrument für die Behandlung von Problemabwässern. Die Arbeitsweise von Diamantelektroden beruht auf der elektrochemischen Erzeugung von OH-Radikalen direkt im Abwasser. Das Alleinstellungsmerkmal der Diamantelektrode ist, dass bei diesem Prozess Stromwirkungsgrade nahe 100% erreicht werden. Durch den Kontakt mit den in-situ hergestellten Oxidationsmitteln können beliebige, im Wasser befindliche organische Schadstoffe entweder vollständig oxidiert oder solange behandelt werden, bis sie in unschädliche Substanzen umgewandelt sind. Die elektrochemisch erzeugten OH-Radikale haben nur eine kurze Lebensdauer. Aufgrund ihrer begrenzten Reichweite im Reaktionsmedium reagieren sie daher nur in unmittelbarer Nähe der Elektrodenoberfläche. Bei sehr niedrigen Stoffkonzentrationen und hohen Durchflussraten ist der Wirkungsgrad konventioneller Elektrolysezellen deutlich reduziert, wenn der größte Teil der gebildeten OH-Radikalen wieder zerfällt, bevor er mit den Wasserinhaltsstoffen in Kontakt treten kann. Unser Lösungsansatz besteht darin, Elektrodenabstand und Betriebsparameter der Elektrolysezelle (Mikrokanal-Reaktor) soweit anzupassen, dass auch bei niedrigen Schadstoffkonzentrationen eine annähernd vollständige Umsetzung der gebildeten OH-Radikale stattfindet. Mittels einer speziell entworfenen Versuchsanordnung wurden für unterschiedliche Abwässer die Zellendimensionen optimiert und günstige Betriebsparameter ermittelt. Auf Basis der erhaltenen Ergebnisse wurde ein mathematisches Modell erarbeitet, mit welchem Auslegung und Betriebsparameter von Mikrokanal-Reaktoren schadstoffbezogen simuliert und optimiert werden können.