Bauteile mit Wasserkraft bewegen

Eine neue Methode, um winzige Bauelemente auf Leiterplatten zu platzieren, nutzt einen Wassertropfen als Transportmedium – basierend auf dem Prinzip des Electrowetting.

Eine neue Methode, um winzige Bauelemente auf Leiterplatten zu platzieren, nutzt einen Wassertropfen als Transportmedium – basierend auf dem Prinzip des Electrowetting.

Die als Lotuseffekt bekannt gewordene Oberflächeneigenschaft verhindert eine Benetzung und lässt Flüssigkeiten – z.B. Wasser – abperlen. Nanopartikel auf der Oberfläche sorgen für dieses superhydrophobe Verhalten. Tanja Braun und ihren Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (www.izm.fhg.de) ist es gelungen, eine Leiterplattenoberfläche mit solchen Nanopartikeln zu beschichten. Ein Wassertropfen formt sich auf der Nanopartikel-Leiterplattenoberfläche zu einer kleinen Kugel, die leicht über die Oberfläche perlt. Diese Wasserperle muss dann nur noch gezielt bewegt werden können. Hierfür setzen die Fraunhofer-Forscher elektrische Felder ein. Sie haben eine Elektrodenstruktur auf der Leiterplatte realisiert, mit der sich ein elektrisches Feld zwischen zwei benachbarten Elektroden erzeugen lässt, um die Oberflächenspannung der Wasserperle zu manipulieren, sie zu verformen und zu bewegen – Electrowetting. So kann eine Wasserperle dem elektrischen Feld folgend von Elektrode zu Elektrode über die superhydrophobe Oberfläche bewegt werden – sogar bergauf.

Wassertropfen schleppt Bauteil

Ein elektronisches Bauteil, das von einer Wasserperle aufgenommen wird, lässt sich, zusammen mit der Wasserperle, über die mit Nanopartikeln beschichtete Oberfläche bewegen – auch auf großen Leiterplattenflächen von z.B. 20 cm × 30 cm. Zum Stoppen der Bewegung können entweder die Elektroden entsprechend angesteuert oder „Stoppflächen“ auf der Oberfläche vorgesehen werden. Um das Bauteil endgültig abzusetzen, braucht das Wasser nur zu verdunsten.

Die bisher geleistete Arbeit der Fraunhofer-Forscher beweist die Funktionstüchtigkeit des Prinzips. Für den praktischen Einsatz müsste allerdings noch ein Verfahren zum präzisen Ausrichten des Bauteiles erarbeitet werden. Eine weitere Herausforderung stellt das Leiterplatten-Layout dar, denn die für das Electrowetting erforderliche Elektrodenstruktur muss ins Leiterbild eingefügt werden – zwischen Leiterbahnen und Anschlussflächen. Eine Anordnung der Elektroden in einer inneren Lage, statt auf der Oberfläche, würde eine höhere Steuerspannung erfordern, um die gleiche Feldstärke zu erzielen. Darüber hinaus würden die Leiterbahnen in den darüber liegenden Lagen das elektrische Feld beeinflussen. Um die Komplexität des Layouts zu begrenzen, würde es sich beispielsweise anbieten, mit der Wasserperle nur die Feinjustage eines Bauelementes vorzunehmen. Für große Distanzen kann dann ein Bestücker ohne hohe Präzisonsanforderungen genutzt werden, der das Bauteil lediglich innerhalb des Electrowetting-Bereiches absetzen können muss. hs