Fluidische Montage mikroskopischer Elemente - Ein hybrider Ansatz, der neue Methoden des deterministischen Baugruppentransports und der statistischen, oberflächenspannungsgetriebenen Selbstanordnung erforscht - Grundlagen, Prozesskinetik und Skalierungsgesetze

• Antragsteller: Professor Dr. Heiko Jacobs, seit 5/2021
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438083845

Hintergrund und Motivation: Trotz der Anwendungsvielfalt gibt es Bereiche, in denen die etablierten, seriellen Methoden des „Pick&Place“ und „Drahtbonden“ Skalierungsgrenzen erreicht. Ein Beispiel liefern Anwendungen, welche effizientes Anordnen und Verbinden von mikroskopisch kleinen Objekten (1-300 Mikrometer) erfordern. Dem gegenüber produziert die Natur Strukturen durch parallele Selbstorganisation. Inspiriert durch diese Prozesse wurden Selbstassemblierungs-Strategien entwickelt, um Bauelemente in großen Stückzahlen mit überraschend hoher Ausbeute, Durchsatz und Präzision zu montieren. Eine Montage heterogener Systeme, die eine Vielzahl (zur Zeit mehr als 3) unterschiedlicher Bauteile enthalten ist allerdings bisher nicht möglich. Die aktuellen Erkenntnisse legen nahe, dass „reine Selbstassemblierungs“-Lösungen nicht in der Lage sein werden, Systeme mit hoher Heterogenität zu montieren Ziele: Im Hinblick auf die bestehenden Heterogenitätseinschränkungen schlagen wir vor, eine interdisziplinäre Fusion aus deterministischen und statistischen Montagemethoden zu erforschen. Konzeptionell sollen deterministische „Transport Methoden (WP1)“ und statistischen „durch Oberflächenspannung Getriebene Anordnung und Kontaktierungsmethoden (WP2)“ erforscht und vereint werden. Die Aufgabe des Bauelemente-Transporters besteht darin, unterschiedliche mikroskopische Objekte (A, B, C) aus verschiedenen Quellen (A, B, C) zu entnehmen und diese Objekte zu vorbestimmten Selbstmontageorten zu transportieren. Der erste Ort der Selbstmontage wird als „Surface Self-Assembly Sites“ bezeichnet. Das technologische Ziel ist eine heterogene Flip-Chip-Selbstmontage von verschiedenen (A, B, C) mikroskopischen Chips mit mehreren elektrischen Verbindungen an vorgegebenen Positionen auf einer Oberfläche (A, B, C) zu ermöglichen. Der zweite Ort der Selbstmontage wird als „Aggregation Self-Assembly Sites“ bezeichnet. Diese Aggregations-Selbstmontageplätze sind Orte, an denen verschiedene Objekte zu einer größeren vereinigten (A+B+C) Struktur zusammengefügt werden. Um die Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse zu demonstrieren, schlagen wir zwei Testanwendungen vor. Der Prozess der Oberflächen-Selbstmontage wird eingesetzt, um mikroskopisch kleine LEDs und Transistoren auf großflächigen Substraten zu verteilen. Der Ansatz der Aggregationsmontage wird angewendet, um eine "Analogie zum Mikrofluidikreaktor" zu demonstrieren. Die Reaktanden werden durch mikroskopisch kleine Teile ersetzt, die an vorbestimmten Stellen koppeln, um größere assemblierte Strukturen aufzubauen. Seitens der Grundlagenforschung möchten wir den Vorgang des Selbstmontageprozesses eines einzigen Bauteils untersuchen, um die designspezifische Kinetik des Einfangmechanismus zu beobachten und zu verstehen. Es sollte eine Korrelation zwischen der Montagekinetik mikroskopischer Objekte und ihrer Energielandschaft auch bei dreidimensionalen topologischen Führungen und Formausschlüssen hergeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Stauden, bis 5/2021