Nanotube-Stempel platzieren Staub PCBs mit Mikrokomponenten bestücken

Das Muster wurde aus Siliziumdioxid-Partikeln von einer Pick-and-Place-Maschine zusammengesetzt, die dazu den elektrostatischen Stempel auf Basis von CNTs des MIT benutzte. Die Partikel haben einen Durchmesser von nur 5 µm.
Das Muster wurde aus Siliziumdioxid-Partikeln von einer Pick-and-Place-Maschine zusammengesetzt, die dazu den elektrostatischen Stempel auf Basis von CNTs des MIT benutzte. Die Partikel haben einen Durchmesser von nur 5 µm.

Kohlenstoff-Nanotubes können winzige Komponenten aufnehmen und gezielt platzieren, die für herkömmliche Pick-an-Place-Maschinen nicht greifbar sind.

Auf Leiterplatten – etwa von Smartphones – müssen teilweise winzige Bauelemente platziert werden und es ist abzusehen, dass ihre Größe weiter schrumpft. Die herkömmlichen Pick-and-Place-Maschinen kommen damit an ihre Grenzen, sie können staubkorngroße Partikel mit Abmessungen unter 100 µm allerdings kaum mehr in traditioneller Art »greifen«. Denn dann dominiert nicht mehr die Gravitation, die Oberflächenkräfte werden stärker. Mehl von einem Löffel in den Teig zu geben, zeigt das deutlich: Einige Mehlpartikel bleiben aufgrund der Oberflächenkräfte immer an der Löffeloberfläche hängen.

Wissenschaftler von MIT haben deshalb eine völlig neue Methode entwickelt, um winzigen Bauelemente zu »greifen«: Einen Stempel, der sie elektrostatisch anzieht. Der Stempel besteht aus einem lichten Wald von Kohlenstoff-Nanotubes (CNT), die wie die Borsten auf eine Bürste angeordnet sind. Wird eine kleine Spannung angelegt, laden sich die Nanotubes auf. Sie ziehen dann die kleinen Partikel an. Sobald die Spannung abgeschaltet wird, lassen sie die Partikel wieder los.

Es gelang den Forschern vom MIT bereits, Micro-LEDs und Nanodrähte zu platzieren, die um den Faktor 1000 dünner waren als ein menschliches Haar. Laut Associate Professor John Hart vom Lab of Mechanical Engineering des MIT ließen sich auf Basis dieser Technik Leiterplatten bestücken, Displays auf Basis von Micro-LEDs herstellen und sogar elektronische Chips aus winzigen Basiselementen aufbauen. »Künftig werden Controller, Sensoren und optische Komponenten auf einem Substrat eng nebeneinander platziert werden. Unsere Technik könnte diese Art der heterogenen Integration möglich machen«, so Hart.


Denn auf  diese Weise ließen sich Funktionselemente im Bereich von Mikro- und Nanometern auf ein Substrat »drucken«, wie Sanha Kim erklärt, die am Lab of Mechanical Engineering von Prof. Hart arbeitet. Auch in der Biotechnik ließe sich die Technik nutzen, etwa um Zellen auf künstlichen Geweben zu platzieren. Umgekehrt könnten auf diese Weise die Oberflächen von Geckofüßen nachgebildet werden, die es den Tieren erlauben, an glatten Wänden senkrecht hochzugehen und kopfüber über die Zimmerdecke zu spazieren. Denn die CNTs »kleben« fest an einer Oberfläche, solange die Spannung eingeschaltet ist. Ohne Spannung kleben sie nicht mehr.

CNTs wurden bisher vor allem als »trockener Klebstoff« betrachtet. Die Forscher haben beispielsweise versucht, Tesafilm-ähnliche Klebebänder herzustellen.

»Wir sind dagegen umgekehrt vorgegangen«, sagt Prof. Hart. »Wir haben die Kontaktfläche der Nanotubes möglichst klein ausgelegt, dafür schalten wir die Spannung ein und aus, so dass der Klebeeffekt nur dann eintritt, wenn er benötigt wird.«

Dazu beschichteten sie die CNTs mit einem dünnen dielektrischen Material wie Aluminiumoxid. Legten sie eine Spannung an, wurden positive und negative Ladungen getrennt. Beispielsweise induzierten die positiven Ladungen an der Spitze der CNTs eine negative Ladung im umgebenden leitenden Material – dem Material etwa, aus dem ein winziges Bauelement besteht. Also zieht der Stempel mit den CNTs dieses Bauelement an. Schalten die Wissenschaftler die Spannung ab, verschwindet die Polarisierung und damit der Klebeeffekt: Der Stempel lässt das Bauelement los. Die Experimente zeigten: Je dünner die Schicht über den CNTs und je lichter sie verteilt waren, umso stärker viel der Unterschied zwischen Kleben bei angelegter Spannung und Nichtkleben bei ausgeschalteter Spannung aus.

Im Labor klappt das schon: Auf einem Video des MIT ist zu sehen, wie eine Pick-and-Place-Maschine ein 170 µm großes Micro-LED auf einem Substrat platziert, wieder aufnimmt und erneut platziert. Um die LED abzuheben, wird eine Spannung von 30 V angelegt.