Electrowetting richtet miniaturisierte RFID-Chips aus

Um winzigste RFID-Chips mit Kantenlängen von beispielsweise weniger als einem Viertel Millimeter auf Leiterplatten platzieren zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Kooperation mit dem Institut für Mikrosystemtechnik Imtek der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg ein Platzierverfahren auf Basis des sogenannte „Electrowettings" entwickelt. Dabei platzieren Wassertropfen kleinste Bauteile. „Die Maschinenhersteller sind mittlerweile bezüglich Platzierpräzision, Geschwindigkeit sowie Handhabung von sehr kleinen Bauelementen an ihre Grenzen gekommen. Je kleiner die Elemente sind, desto dominanter sind Effekte, welche durch Bestückvorgänge nicht berücksichtigt werden, wie beispielsweise elektrostatische Anhaftung an den Bestück-Pipetten" erläutert Erik Jung, vom Fraunhofer IZM, gegenüber „RFID im Blick" die Motivation.

Beim Electrowetting-Verfahren, das auch bereits bei einigen Lab-on-Chip-Anwendungen zum Einsatz kommt, wird die Oberflächenspannung eines Wassertropfens mittels eines elektrischen Feldes derart manipuliert, dass dieser im Laborversuch auf einer Fläche von 20 mal 30 Quadratzentimeter bewegt werden kann. Ein im Tropfen befindliches Bauelement lässt sich somit problemlos transportieren.

Das physikalische Prinzip beruht auf einer Veränderung der Benetzungseigenschaften eines Wassertropfens. Um diesen reibungsfrei zu bewegen, besitzt das Substrat, auf welches das Bauelement platziert werden soll, eine mit Nanopartikeln modifizierte superhydrophobe Oberfläche, ähnlich dem Lotuseffekt.

Die unter der superhydrophoben Oberfläche liegenden Leiterplattenstrukturen können so beschaltet werden, dass sich zwischen zwei benachbarten Strukturen ein elektrisches Feld ausbildet. Der über diesen Strukturen liegende Tropfen verformt sich in diesem Feld. Schaltet man nun das elektrische Feld auf benachbarte Strukturen, zieht sich der Tropfen dem Feld folgend in Richtung der nächsten Struktur - der Wassertropfen beginnt gewissermaßen „zu laufen". Somit kann der Tropfen und mit ihm das Bauelement hochgenau über eine große Fläche bewegt werden. Spezielle Elektrodenstrukturen oder lokale Veränderungen der Substratoberfläche sorgen in der Folge dafür, dass die gezielte Bewegung auch wieder gestoppt wird. Der Tropfen verdampft schließlich und zieht beim Schrumpfen das Bauteil auf die Zielposition auf der es verbleibt und zur weiteren Kontaktierung genutzt werden kann.

„Anlass des Forschungsprojekts war die schnelle Vorentwicklung, welche wir bereits vor fünf Jahren in dem Bereich der passiven Komponenten erkannt haben. Die Maschinentechnik hat beispielsweise erst spät eine Lösung anbieten können, um damalige Komponentengrößen 0201 (ein halber Millimeter lang, ein viertel Millimeter breit) oder gar 01005 mit Pick-and-Place-Verfahren zu verarbeiten. Zusätzlich bestand die Problematik, dass bei einer sehr präzisen Bestückung von zahlreichen Komponenten, die Maschinen-Bestückgeschwindigkeit verringert werden muss", so Jung.

Erste Studien wurden laut Jung bereits im Jahr 2006 absolviert. Durch ein Vorlauf-Forschungsprojekt im Jahr 2007 erhielt das Fraunhofer-Institut zusammen mit dem Partnern IMTEK Fördermittel vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), um den Einsatz des Elektrowettings für die Bestücktechnik zu untersuchen.

Für den zukünftigen Einsatz sieht Jung noch die Schwierigkeit, dass für das Vorhaben aktuell die Bauteile, die den Einsatz der neuen Technik erfordern, noch nicht marktüblich sind. Da das Electrowetting eine reine Platziertechnologie sei, lohne sich der Einsatz für extrem preisgünstige Produkte zudem nur, wenn auch die Verbindungsmaterialien sowie die Prozesse selbst kostengünstiger werden. Potenzial sieht der Forscher auch in Weiterentwicklungen in andere Anwendungsfelder. „Unser technologischer Ansatz ist auch für andere Anwendungen einsetzbar, beispielsweise im Platzieren von biologischen Zellen. Die Zellen könnten mit der Technik auf Reaktionsflächen platziert werden, wo diese dann beispielsweise in ihre RNA aufgespalten und analysiert werden."

Bild: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM