DE60108413T2

DE60108413T2 - Verfahren zum positionieren von komponenten mit hilfe flüssiger antriebsmittel und strukturen hierfür

Info

Publication number: DE60108413T2
Application number: DE60108413T
Authority: DE
Inventors: A. Glenn RINNE
Original assignee: Unitive Electronics Inc
Current assignee: UNITIVE INTERNATIONAL LTD., CURACAO, AN
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2021-11-08
Also published as: EP1332654B1; EP1332654A2; WO2002039802A3; US20070152020A1; US7213740B2; TW530359B; US20050279809A1; WO2002039802A2; AU2002228926A1; DE60108413D1; US20020153092A1; US7032806B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Lötmaterial wird als Haftmaterial zur Befestigung von Lichtleitfasern auf einer Platine verwendet. Bemühungen, die Bewegung einer Lichtleitfaser während des Befeuchtens und Erhärtens der haftenden Lötperle zu gestalten, sind in einer Literaturstelle von Adam Powell et al. mit dem Titel "Mechanism Of Motion Of An Optical Fiber Aligned By A Solder Droplet", Mat Res. Soc. Symp. Proc. Bd. 531, 1998, erörtert. Das Ausmaß der Bewegung wird von mehreren konkurrierenden Kräften während dreier Stufen der Bildung de r Lötverbindung bestimmt. Als erstes steuern Kapillarkräfte der flüssigen Phase die Faserposition. Zweitens verändert beim Erhärten das Vorhandensein der Flüssigkeits-Feststoff-Dampf-Tripellinie sowie ein vermindertes Volumen des flüssigen Lötmaterials die Netto-Kapillarkraft auf den Lichtleiter. Schließlich prallt die Erstarrungsfront selbst auf die Faser. Öffentlich zugängliche finite Elementmodelle werden zur Berechnung der zeitabhängigen Position der Erstarrungsfront und der Form der freien Oberfläche herangezogen.
Leider tritt beim Schmelzen und Erstarren des Lötmaterials eine signifikante Bewegung der Faser auf, was den Transmissionswirkungsgrad senkt. Weil die Kapillarkraft auf die Faser mit dem Durchmesser und seine Steifigkeit mit der dritten Potenz des Durchmessers steigt, wird eine sehr dünne Faser wahrscheinlich durch die Kapillarkraft gebogen. Zudem ändert sich das Volumen der festen Verbindung beim Erstarren und damit die Form der Flüssigkeitsoberfläche sowie die Größe der Kapillarkraft auf die Faser. Schließlich zieht der Schrumpfvorgang während des Kühlens die Faser aus der Ausrichtung, wenn das erhärtete Lötmaterial mit der Faser zusammenkommt.
EP 0939583 offenbart ein Verfahren zur Positionierung einer Komponente auf einem Substrat, wobei ein flüssiges Material auf dem Substrat nahe der Komponente bereitgestellt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Positionierung einer Komponente auf einem Substrat bereitgestellt, umfassend:

Bereitstellen eines flüssigen Materials auf dem Substrat nahe der Komponente, so dass die Komponente eine erste Position in Bezug auf das Substrat einnimmt; und
Bewegen der Komponente von der ersten Position in Bezug auf das Substrat zu einer zweiten Position in Bezug auf das Substrat durch Verändern einer Eigenschaft des flüssigen Materials, wobei dieses zugleich in einem flüssigen Zustand gehalten wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Struktur zum Positionieren einer Komponente bereitgestellt, die auf einem Substrat bereitgestellt wird, wobei die Struktur umfasst:

ein Substrat;
einen ersten benetzbaren Bereich auf dem Substrat;
einen zweiten benetzbaren Bereich auf dem Substrat;
einen benetzbaren Kanal auf dem Substrat, der die ersten und zweiten befeuchtbaren Bereiche verbindet;
flüssiges Material zum Befördern einer Komponente auf dem ersten befeuchtbaren Bereich; und
einen Durchflusssteuerdamm auf dem benetzbaren Kanal, wobei der Durchflusssteuerdamm die Strömung der Flüs sigkeit zwischen den ersten und zweiten befeuchtbaren Bereichen verhindert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt/zeigen:
1A–C, Grundriss- und Querschnittsansichten, eine vertikale Verschiebung der Komponenten durch Verändern der Flüssigkeitsvolumina gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
2A–C, Grundriss- und Querschnittsansichten, eine laterale Verschiebung der Komponenten durch Verändern der Flüssigkeitsvolumina gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen veranschaulichen;
3 und 4A–C, perspektivische und Querschnittsansichten, die Verschiebungen der Fasern mit länglichen Flüssigkeitsperlen gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
5 eine Perspektivansicht der Zugabe von Flüssigkeit zu einer Flüssigkeitsperle gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
6A–E, Grundriss- und Querschnittsansichten, Sammelbehälter und Behälter gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
7, ein Grundriss, alternative Beispiele für Behälter gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
8–11, Querschnittsansichten, die Verschiebung der Komponenten mit den Flüssigkeitsperlen gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
12A–E und 13A–E, Grundriss- und Querschnittsansichten, eine Bewegung von Flüssigkeit auf einer eingezwängten symmetrischen Oberfläche mit einer Temperaturdifferenz über die Flüssigkeit gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
14A–C, Grundriss- und Querschnittsansichten, die Bewegung von Flüssigkeit auf einer asymmetrischen Oberfläche durch Verändern der Temperatur einer gleichförmig erwärmten Flüssigkeit gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
15A–C, Grundriss- und Querschnittsansichten, die Bewegung von Flüssigkeit auf einer asymmetrischen Oberfläche mit einer Temperaturdifferenz über die Flüssigkeit gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
16, ein Schaubild, den Innendruck einer Flüssigkeit als Funktion der Höhe der Flüssigkeitsperle;
17A–C Grundriss- und Querschnittsansichten, die Bewegung von Lot zum Schalten von Licht gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen;
EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird nachstehend eingehender anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgestaltet sein, und sie soll nicht auf die hier veröffentlichten Ausführungsformen beschränkt sein; diese Ausführungsformen werden stattdessen bereitgestellt, damit diese Offenbarung vollkommen und vollständig ist, und sie vermittelt dem Fachmann vollständig den Rahmen der Erfindung. In den Zeichnungen sind die Dicken von Schichten und Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Gleiche Bezugszahlen entsprechen durchweg gleichen Bauteilen. Befindet sich ein Element, wie eine Schicht, ein Bereich oder ein Substrat "auf" einem anderen Element, so kann es sich selbstverständlich direkt auf dem anderen Element befinden, oder es können auch dazwischen liegende Elemente vorhanden sein. Befindet sich dagegen ein Element "direkt auf" einem anderen Element, sind keine dazwischen liegenden Elemente zugegen. Ist zudem eine Element an ein anderes Element "gebunden", kann es direkt an dem anderen Element gebunden sein, oder es können dazwischen liegende Elemente vorhanden sein. Ist dagegen ein Element an einem anderen Element "direkt gebunden", sind keine dazwischen liegenden Elemente zugegen.
Gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann eine Komponente, wie ein Lichtleiter, eine Linse, ein Laser, eine Leuchtdiode, ein integrierter Schaltkreis, und/oder eine mikroelektronische, mikromechanische und/oder mikrooptische Vorrichtung genau auf einem Substrat positioniert werden, indem eine Eigenschaft eines flüssigen Materials nahe der Komponente verändert wird. Insbesondere kann ein flüssiges Material auf dem Substrat nahe der Komponente bereitgestellt werden, so dass die Komponente eine erste Position relativ zum Substrat einnimmt. Eine Eigenschaft des flüssigen Materials kann dann verändert werden, während das flüssige Material als Flüs sigkeit gehalten wird, damit die Komponente von der ersten Position in Bezug auf das Substrat zu einer zweiten Position in Bezug auf das Substrat bewegt wird.
Ein hoher Grad an Genauigkeit und kleine Bewegungen können zur Ausrichtung einer optischen Komponente auf einem Optikmodulsubstrat gewünscht sein, und ein Festhalte- oder Klammermechanismus kann zur Aufrechterhaltung der einmal erzielten Ausrichtung der Komponente gewünscht sein. Materialien, deren Phase von einem flüssigen oder flüssigartigen Zustand (nachstehend als Flüssigkeit bezeichnet) in einen festen Zustand übergehen kann, eignen sich hervorragend zum Ausrichten der Komponente im flüssigen Zustand und anschließend zur Sicherung der Komponente in der ausgerichteten Position im festen Zustand. Beispiele für solche Materialien umfassen Lötmaterial, Thermoplaste, UV-härtbare Epoxyharze, Snap-Cure-Epoxyharze und andere.
Die Bewegung der Komponente zur Ausrichtung erfolgt mit Hilfe eines flüssigen Antriebs. Da das Festhalte- oder Klammermaterial während der Positionierungsphase in einem flüssigen Zustand ist, kann der Innendruck, der von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit verursacht wird, als Antriebskraft verwendet werden. Wie in den 1A–C gezeigt, kann bspw. das Volumen von einer oder mehreren geschmolzenen (flüssigen) Lötperlen 101A–D vergrößert werden, indem Lötmaterial zur Perle geführt wird. Das Lot kann zu einer oder mehreren Lötperlen 101A–D geleitet werden, indem bspw, ein Lötdraht in einen relativ schmalen Zufuhrabschnitt 103A–D eingebracht wird, so dass das neue Lötmaterial beim Schmelzen zu der entsprechenden Perle 101A–D fließt, und die größere Perle bewirkt, dass die Komponente 107 auf den Perlen rotiert. Drei solcher Perlen unter der Komponente können eine Ebene definieren und somit die Gesamthöhe und die Winkelorientierung der Komponente 107 in Bezug auf das Substrat 105 steuern. Man beachte, dass die Perlen keine runde Basis haben müssen, aber eine beliebige Form haben können, die sich für eine bestimmte Anwendung eignet (bspw. länglich, rechteckig, dreieckig).
Der 1A zufolge kann ein Substrat 105 einen oder mehrere Lötperlen 101A–D aufweisen, die zur Befestigung einer Komponente 105 am Substrat verwendet werden, und eine oder mehrere Lötperlen können entsprechende Zufuhrabschnitte 103A–D aufweisen, mit denen das Lot zur entsprechenden Lötperle hingeführt wird. Jeder dieser Lötperlen und die dazugehörigen Zufuhrabschnitte werden auf einem benetzbaren Bereich des Substrates 105 gebildet, und der benetzbare Bereich des Substrates wird zur Eingrenzung der lateralen Abmessungen der Lötperlen und der Zufuhrabschnitte verwendet, so dass die Lötperlen auf eine relativ breite Abmessung begrenzt sind und die Zufuhrabschnitte auf eine relativ schmale Abmessung auf dem Substrat begrenzt sind. Folglich fließt geschmolzenes Lot von einem relativ schmalen Zufuhrabschnitt zu einer entsprechenden relativ breiten Lötperle. Der Fluss von geschmolzenem Lot von relativ schmalen Abschnitten zu relativ breiten Abschnitten wird erörtert, bspw. in US-Patent 5 892 179, mit dem Titel "Solder Bumps and Structures for Integrated Redsistribution Routing Conductors", welche dem Rechtsnachfolger der Erfindung abgetreten wurde.
Dem Querschnitt der 1B zufolge kann eine Komponente 107, einschließlich benetzbarer Kissen 109A–D, die den Lötperlen 101A–D entsprechen, zum Substrat 105 ausgerichtet werden, wobei geschmolzene Lötperlen 101A–D verwendet werden. Insbesondere werden die benetzbaren Kissen mit den jeweiligen geschmolzenen Lötperlen in Kontakt gebracht, und die Wechselwirkung der benetzbaren Kissen und der geschmolzenen Lötperlen richtet die Komponente zu den Lötperlen aus. Die Komponente kann jedoch aufgrund von Ungenauigkeiten der Anfangsgröße der Lötperlen nicht die gewünschte Ausrichtung zum Substrat nach der anfänglichen Ausrichtung einnehmen. Die Komponente kann bspw. eine Laserdiode sein, und das genaue Positionieren der Laserdiode ist gewünscht, damit der Laserausgang in Bezug auf das Substrat genau projiziert wird.
Zusätzliches Lot kann zu einem oder mehreren Zufuhrabschnitten zugefügt werden, damit die Größe der entsprechenden Lötperle erhöht wird und somit der Abschnitt der Komponente nahe der Lötperle mit mehr Lot erhöht wird. Der 1C zufolge kann zusätzliches Lot von dem Lötdraht 111 durch den Zufuhrabschnitt 103B zur Lötperle 101B gespeist werden. Weil die Größe der Lötperle 101B im Gegensatz zu derjenigen von Lötperle 101A erhöht ist, kommt es zu einer winkeligen Ausrichtung der Komponente 107 in Bezug auf das Substrat 105. Lot kann zu zusätzlichen Lötperlen geleitet werden, damit die Höhe und/oder die Winkelausrichtung der Komponente weiter eingestellt wird. Ist die Komponente eine Laserdiode, kann der Laserausgang überwacht werden, während ihre Winkelorientierung zur Gewinnung der gewünschten Orientierung des Laserausgangs eingestellt wird. Sobald die gewünschte Orientierung der Komponente erzielt ist, können die geschmolzenen Lötperlen gekühlt werden, damit sie fest werden, wodurch die Komponente am Substrat sicher in der gewünschten Orientierung befestigt wird.
Durch Ausstatten von mindestens drei Lötperlen mit Zufuhrabschnitten kann die Höhe und die Winkelorientierung der Komponente in Bezug auf das Substrat gesteuert werden. Es sind zwar 4 Lötperlen in den 1A–C gezeigt, jedoch kann auch nur 1 Lötperle mit 1 Zufuhrabschnitt oder mehrere Lötperlen mit Zufuhrabschnitten gemäß, den erfindungsgemäßen Ausführungsformen bereitgestellt werden. Darüber hinaus müssen nicht alle Lötperlen gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die entsprechenden Zufuhrabschnitte aufweisen, und es ist nicht notwendig, dass sämtliche Lötperlen, die die Komponente an das Substrat binden, zur Einstellung des Volumens fähig sind. Zudem können die Lötperlen mit Lot versorgt werden, und zwar mit Hilfe anderer Maßnahmen als mit Lötdraht und einem Zufuhrabschnitt. Genaue Volumina von flüssigem Lot können bspw. zu einem Zufuhrabschnitt oder direkt zu einer Lötperle gespritzt werden. Lot-Behälter und/oder -Sammelbehälter können ebenfalls zur Änderung des Volumens einer Lötperle wie eingehender nachstehend erörtert verwendet werden.
Der 2A–B zufolge kann alternativ ein flüssiger Antrieb verwendet werden, damit eine Komponente auf einem Substrat lateral bewegt wird. Die Lötperlen 121A–D können auf dem Substrat 125 bereitgestellt werden, damit eine Komponente 127 sicher befestigt wird. Die Lötperlen 121A–D können ebenfalls einen elektrischen Anschluss zwischen dem Substrat und der Komponente bereitstellen. Die in den 2A–B gezeigten Ausführungsformen können ebenfalls eine Antriebskraft, wie eine Lötperle 123, aufweisen, damit die Komponente 127 lateral verschoben wird.
Ein relativ schmaler Zufuhrabschnitt 124 kann zur Versorgung der Lötperle 123 mit Lot verwendet werden, wodurch die Größe der Lötperle 123 vergrößert wird, und die Komponente 127 nach rechts verschoben wird, wie es in 2C gezeigt ist.
Insbesondere können geschmolzene (flüssige) Lötperlen 121A–D zwischen benetzbaren Kissen 129A–D der Komponente 127 und dem Substrat 125 bereitgestellt werden. Benetzbare Bereiche des Substrates 127 können zur Definition der Oberfläche des Substrates verwendet werden, auf der die Perlen 121 eingeschlossen sind. Die Oberflächenspannung der Perlen 121 definiert eine grobe Ausrichtung der Komponenten, wie es vorstehend anhand der 1A–C erörtert wird.
Die laterale Ausrichtung der Komponente 127 kann durch Ändern einer Eigenschaft der Perle 123 erfolgen. Das Volumen der Perle 123 kann vergrößert werden, bspw. durch Zufügen von Material zur Perle 123 durch den relativ schmalen Zufuhrabschnitt 124, wodurch die Komponente 127 verschoben wird. Die Komponente kann insbesondere auf ge schmolzenen (flüssigen) Lötperlen 121A–D positioniert werden, wobei die Lötperle 123 ein erstes Volumen aufweist, wie es in der 2B gezeigt ist. Solange die Lötperlen 121A–D geschmolzen (flüssig) sind, kann die Komponente durch Vergrößern des Volumens der Lötperle 123, bspw. durch Zufuhr von Lötdraht 131 in den relativ schmalen Zufuhrabschnitt 124, bewegt werden, so dass geschmolzenes (flüssiges) Lot vom Draht zur Lötperle 123 fließt, wie es in 2C gezeigt ist. Sobald ein gewünschter Grad an Verschiebung erreicht wurde, lassen sich die Lötperlen 121A–D durch Kühlen erhärten, damit die Komponente 127 in der gewünschten Orientierung in Bezug auf das Substrat 125 sicher befestigt wird.
Wie vorstehend erwähnt kann das Volumen der Lötperle mit anderen Maßnahmen als durch Schmelzen eines Lötdrahtes auf einen relativ schmalen Zufuhrabschnitt geändert werden. Genaue Volumina von flüssigem Lot können bspw. zu einem Zufuhrabschnitt oder direkt zu einer Lötperle gespritzt werden. Alternativ können Lot-Behälter und/oder Sammelbehälter zur Änderung des Volumens einer Lötperle verwendet werden. Zudem können andere Eigenschaften einer flüssigen Antriebskraft verändert werden, damit die Komponente bewegt wird. Zudem können Temperatur, elektrisches Potential, Oberflächenspannung, Unterschiede der benetzbaren Bereiche und Kombinationen davon zur Manipulation einer flüssigen Antriebskraft wie eingehender nachstehend beschrieben verwendet werden. Es ist zwar eine einzelne Lötperle 123 zur lateralen Bewegung der Komponente gezeigt, jedoch kann eine Anzahl von Lötperlen für eine laterale Bewegung der Komponente bereitgestellt werden.
Darüber hinaus können Aspekte der in den 1A–C und 2A–C veranschaulichten Ausführungsformen kombiniert werden. Das Volumen von einer oder mehreren Lötperlen 121A–D der 2A–C kann verändert werden, damit man eine winkelige Ausrichtung der Komponente 127 in Bezug auf das Substrat einstellt, während das Volumen der Lötperle 123 geändert wird, damit die Komponente auf veränderte weise lateral versetzt wird. Darüber hinaus können andere flüssige Antriebskräfte als Lot zur Einstellung der Position der Komponente verwendet werden, und andere Eigenschaften der flüssigen Antriebskraf als das Volumen können zum Bewegen der Komponente verwendet werden.
Gemäß zusätzlicher Ausführungsformen kann der hydrostatische Druck einer Flüssigkeit als Antriebskraft bei der Positionierung nicht-planarer Komponenten, wie Fasern und Linsen, verwendet werden. Durch Verändern der Größe oder des Ausmaßes einer Flüssigkeitsperle kann der Druck der Flüssigkeit eine Komponente lateral als auch vertikal versetzen. Der 3 zufolge kann eine Position eines Lichtleiters 149 mit einem Außenmantel 151 und einem inneren Kern 153 durch längliche semizylindrische Flüssigkeitsperlen 155A–B, die auf einem Substrat bereitgestellt werden, gelenkt werden. Die länglichen Flüssigkeitsperlen können als Vesikel oder flüssigkeitsgefüllte Säcke bezeichnet werden, weil die Oberflächenspannung vieler Materialien, die zur Bildung der länglichen Perlen verwendet werden, eine zähe Haut bilden können, die wie eine Tasche oder ein Sack wirken. Durch Bereitstellen eines flüssigen Antriebs, der den Außenmantel 151 des Lichtleiters 149 nicht benetzt, kann der Lichtleiter zwischen den beiden länglichen Flüssigkeitsperlen 155A–B gehalten werden. Sobald eine gewünschte Position des Lichtleiters 149 erzielt ist, können die länglichen Flüssigkeitsperlen durch Kühlen verfestigt werden, so dass der Lichtleiter in der gewünschten Position sicher gehalten wird.
Die länglichen Perlen 155A–B können bspw. längliche Lötperlen sein, die auf benetzbaren Kontaktkissen eines Substrates bereitgestellt werden, und es lassen sich relativ schmale Zufuhrabschnitte 157A–B verwenden, mit denen Lot zu den entsprechenden länglichen Perlen 155A–B geleitet wird. Die schmalen Zufuhrabschnitte 157A–B sind auf entsprechende schmale benetzbare Kontaktkissen des Sub strates begrenzt, so dass Lot von den relativ schmalen Zufuhrabschnitten zu den länglichen Lötperlen 155A–B fließt.
Folglich kann die Zugabe gleicher Mengen Lot zu beiden länglichen Lötperlen 155A–B den Lichtleiter 149 ohne bedeutende laterale Verschiebung anheben. Die Zugabe von mehr Lot zu einem der länglichen Lötperlen kann den Lichtleiter lateral verschieben. Wie vorstehend anhand der 1A–C und 2A erörtert kann Lot durch die entsprechenden Zufuhrabschnitte 157A–B zugefügt werden, oder Lot kann direkt zu einer der länglichen Lötperlen 155A–B zugeführt werden. Alternativ können Lot-Behälter oder Sammelbehälter zur Veränderung des Lotvolumens der länglichen Lötperlen 155A–B jeweils verwendet werden.
Wie in den 4A–D gezeigt, können längliche flüssige Lötperlen zur genauen Positionierung eines Lichtleiters 149 verwendet werden. Ein Lichtleiter 149 kann zwischen zwei länglichen Flüssigkeitsperlen 155A–B untergebracht werden, die zu entsprechenden benetzbaren Kontaktkissen 159A–B eines Substrats 147, wie in der 4A gezeigt ist, eingegrenzt werden. Eine wahlfreie Vorausrichtungs-Furche 161 in dem Substrat ist gezeigt. Sobald zusätzliches geschmolzenes (flüssiges) Lot zu einem der länglichen Kissen gegeben wird, steigt das Volumen und die Perle wächst wie in den 4B–C gezeigt. Da die Flüssigkeit die Oberfläche des Lichtleiters 149 nicht benetzt wird die Faser zu Seite gedrängt. Wird mehr Flüssigkeit zu einer länglichen Flüssigkeitsperle gegeben, dann kann eine andere laterale Verschiebung des Lichtleiters 149 wie in den 4B–C gezeigt erfolgen. Haben beide länglichen Flüssigkeitsperlen 155A–B gleiche Mengen an zugegebener Flüssigkeit, ist die Nettobewegung eine vertikale Verschiebung wie in der 4D gezeigt.
Eine signifikante Kraft kann durch relativ kleine längliche Flüssigkeitsperlen der 3 und 4A–D erzeugt werden. Eine 50 μm große längliche Lötperle auf einem 5 mm langen und 100 μm breiten benetzbaren Kissen kann eine Kraft von 1 gmf auf eine Nachbarfaser ausüben. Diese Kraft genügt, um einen Siliciumdioxid-Lichtleiter mit 62,5 μm Durchmesser um 1 μm zu biegen.
Die in den 3 und 4A–D veranschaulichten Fasern können gegen eine andere nicht-planare Komponente, wie eine Linse, ersetzt werden. Alternativ können Komponenten, wie Laser oder Dioden, die an das Substrat gelötet sind, in die richtige Position "gestupst" werden, indem das Volumen der benachbarten Flüssigkeitsperlen verändert wird.
Wie vorstehend anhand der 1 bis 4 erörtert kann das Volumen einer Flüssigkeitsperle erhöht werden, damit eine Komponente auf einem Substrat genau positioniert wird. In verschiedenen Beispielen wird geschmolzenes (flüssiges) Lot als Flüssigkeit erörtert, die sich verwenden lässt. Andere flüssige Materialien, wie Thermoplaste und Epoxyharze können jedoch zur Positionierung der Komponenten verwendet werden.
Bei der Zugabe von Flüssigkeit zu einer Perle durch einen relativ schmalen Zufuhrbereich kann das zugegebene resultierende Volumen wie nachstehend anhand der 5 erörtert, berechnet werden. Es können zwar andere Materialien verwendet werden, jedoch wird Lot als Beispiel erörtert. Der 5 zufolge kann ein dünner Lötdraht 171 verwendet werden, um Lot zu einer flüssigen Lötperle 173 durch einen relativ schmalen Zufuhrbereich 175 zuzuführen.
Die Berechnung der Änderung des Lotvolumens einer 5 mm langen und 0,05 mm breiten halbkugelförmigen Lötperle 173, wenn ein Lötdraht 171 mit 12,5 Mikron (0,5 Mil) Durchmesser durch einen relativ schmalen Zufuhrbereich 175 eingebracht wird, zeigt, dass das Volumen der flüssigen Lötperle 173 für jeden verbrauchten Mikron Draht 171 um 0,2% steigen kann. Werden 25 μm Draht in die flüssige Lötperle 173 eingespeist, steigt der Radius der Perle 173 um etwa 0,75 μm.
Lot kann ebenfalls zu einer flüssigen Lötperle durch Tröpfchen im flüssigen Zustand zugegeben werden, wie beim Flüssigmetallspritzen, bei dem Tropfen in Pikolitergrößen nachgewiesen wurden. Entsprechend kann eine Spritze kontrollierte Lotvolumina abgeben. Es ist sogar möglich, zusätzliches Lot durch geschmolzene Salzelektrolyte auf ähnliche Weise wie beim Bürstenplattieren elektrochemisch abzuscheiden. Es ist denkbar, dass andere Abscheidungsverfahren eingesetzt werden können, wie feste Vorformen, Pulver, Pasten, Cremes, Kügelchen oder Dämpfe.
Sammelbehälter und/oder vorabgeschiedene Lot-Behälter können ebenfalls zum Einstellen des Volumens von einem oder mehreren Lotperlen verwendet werden, wie in den 6A–D veranschaulicht. Wie gezeigt kann ein Lichtleiter 201 zwischen zwei länglichen Lötperlen 203A–B positioniert werden. Die länglichen Lötperlen 203A–B sind über benetzbare Kanäle 204A–D und 214A–D, die auch als "Flumes" bezeichnet werden, und die durch Abschnitte einer gemusterten mit Lot benetzbaren Schicht 107 definiert sind, mit den Behältern 205 und Sammelbehältern 211 verbunden. Am Ausgang jedes Behälters 205 oder Sammelbehälters 211 befindet sich ein Durchflusssteuerdamm 209, der ebenfalls als "Schleuse" bezeichnet wird. Die gemusterte mit Lot benetzbare Schicht 207 definiert Bereiche, innerhalb denen Lötperlen 203A–B, Lotbehälter 205 und Sammelbehälter 211 umgrenzt sind, und es fließt kein Lot außerhalb der Bereiche, die von der mit Lot benetzbaren Schicht 207 definiert sind, weil benachbarte Bereiche des Substrates 209 nicht mit Lot benetzbar sind.
Die Durchflusssteuerungsdämme 209 umfassen ein nichtbenetzbares Material und können somit den Lotfluss durch die benetzbaren Kanäle reduzieren. Bei dem in den 6B und 6D veranschaulichten Anfangszustand halten die Durchflusssteuerungsdämme 209A–D den Fluss des vorabgelagerten Lots aus den Lot-Behältern 205A–D zu den länglichen Lötperlen 203A–B auf, und die Durchflusssteuerungsdämme 213A–D halten den Lotfluss aus den länglichen Lötperlen 203A–B zu den Behältern 211A–D auf.
Die in den 6A–E veranschaulichten Strukturen können somit zur Erhöhung und/oder zur Verringerung des Lotvolumens in den länglichen Lötperlen 203A–B durch selektives Entfernen der Durchflusssteuerungsdämme und Rückströmen des Lots verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt haben Durchflusssteuerungsdämme eine niedrige Benetzbarkeit in Bezug auf das Lot zum Aufhalten eines Stroms des Lötmaterials durch einen entsprechenden benetzbaren Kanal, und die Durchflusssteuerungsdämme können Materialien beinhalten, wie Metalloxid, Glas, und/oder eine polymere Lötmaske. Die Durchflusssteuerungsdämme können entsprechend zum Aufhalten eines Lotflusses zu den entsprechenden Sammelbehältern verwendet werden.
Wird ein Lotfluss hinter einem Durchflusssteuerungsdamm gewünscht, kann die Benetzbarkeit des Kanals am Durchflussteuerungsdamm erhöht werden. Dieser Anstieg der Benetzbarkeit kann durch mechanisches Entfernen des Durchflusssteuerungsdamm, wie Kratzen, Mahlen und/oder Sandstrahlen des Durchflusssteuerungsdamms erfolgen. Photomechanische Techniken, wie Ablation, lokales Erwärmen, und photo- oder thermische Zersetzung können ebenfalls zur Entfernung eines Durchflusssteuerungsdamms verwendet werden. Alternativ können chemische Techniken, wie Ätzen, zur Entfernung des Durchflusssteuerungsdamms mit einem Material mit einer niedrigeren Oberflächenenergie zur Verbesserung der Benetzbarkeit gegenüber dem Durchflusssteuerungsdamm verwendet werden. Eine Brücke kann bspw. über einen Durchflusssteuerungsdamm (oder über eine Lücke in der gemusterten benetzbare Schicht 207) durch Platzieren einer benetzbaren Faser, eine Tröpfchens oder Kanals gebildet werden. Zudem können elektrostatische und/oder elektromagnetische Techniken Störungen in dem Behälter verursachen, so dass Wellen entstehen, die den Durchflusssteuerungsdamm oder die Lücke überbrücken. Mechanische Vibrationen, Wärmeschocks, bewegliche Schaufeln, Gummiwalzen, und andere Maßnahmen können zur Bewerkstelligung der Bewegung von Lot verwendet werden, bis es den Durchflusssteuerungsdamm oder die Lücke überbrückt. Das Lot kann alternativ durch Pressen mit einem Presskolben gequetscht werden, wodurch es veranlasst wird, die Lücke zu überbrücken.
Darüber hinaus kann der Flüssigkeitsstrom von einem Behälter zu einer Perle oder von einer Perle zu einem Sammelbehälter mittels Elektrobefeuchtung gesteuert werden. Ein Kanal zwischen einer Perle und einem Behälter oder einem Sammelbehälter lässt sich bspw. mit einem halbbenetzbaren Material herbeiführen, und die Benetzbarkeit des halb-benetzbaren Kanals kann durch elektrisches Aufladen der Flüssigkeit der Perle und/oder des Behälters erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Flüssigkeitsstrom von einer Behälter zu einer Perle oder von einer Perle zu einem Sammelbehälter gesteuert werden, indem differentielles Erwärmen verwendet wird, wie anhand der 12A–E, 13A–E, 15A–E und 17A–E beschrieben, oder mittels gleichförmigem Erhitzen, wie anhand der 14A–C beschrieben. Metastabile Bedingungen lassen sich ebenfalls zur Steuerung der Flüssigkeitsströme, wie nachstehend anhand der 15A–C und 17A–C beschrieben verwenden.
Wie in den 6A–C gezeigt, kann ein Lotbehälter 205A–D mit einem Lotvolumen vorbeladen werden, und zwar zu dem Zeitpunkt, an dem die länglichen Lötperlen 203A–B abgeschieden werden. Der 6B zufolge wird der Lichtleiter 201 zwischen den länglichen Lötperlen 203A–D untergebracht, und wenn das Lot auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird, können die Durchflusssteuerungsdämme 209A–D den Fluss von Lot aus den Behältern zu den länglichen Lötperlen aufhalten. Soll der Lichtleiter lateral versetzt werden, kann zusätzliches Lotvolumen zu der länglichen Lötperle 203B zugefügt werden, damit der Lichtleiter wie in 6C nach links verschoben wird. Insbesondere kann der Durchflusssteuerungsdamm 209C entfernt werden, so dass das Lot beim Erhitzen auf seine Schmelztemperatur aus dem Lotbehälter 205C aufgrund der Geometrien der länglichen Lötperle, des Behälters und des benetzbaren Kanals, de r die längliche Lötperle 203B und den Lotbehälter 205C miteinander verbindet, zur länglichen Lötperle 203B fließt.
Insbesondere können die relativen Breiten der Abschnitte der mit Lot benetzbaren Schicht 207, die die benetzbaren Kanäle definiert, und die Lot-Behälter in Bezug auf die Breite der länglichen Lötperle schmal sein, so dass geschmolzenes Lot zur breiteren länglichen Lötperle fließt, wie in US-Patent 5 892 179 mit dem Titel "Solder Bumps And Structures For Integrated Redistribution Routing Conductors" beschrieben und dem Rechtsnachfolger der Erfindung zugeteilt. Eine beliebige Anzahl von Durchflusssteuerungsdämmen kann entfernt werden, damit der Lotfluss von den Lotbehältern zur entsprechenden länglichen Lötperle das Volumen der länglichen Lötperle durch vorbestimmte Anstiege vergrößert.
Der 6A und 6D–C zufolge kann wenig oder kein Lot auf den Samelbehältern 211A–D vor dem Positionieren des Lichtleiters 201 zwischen den länglichen Lötperlen 203A–B aufgebracht werden. Möchte man das Volumen von einem der länglichen Lötperlen 203A–B reduzieren, können ein oder mehrere Durchflusssteuerungsdämme 213A–D, die die Sammelbehälter 211A–D blockieren, entfernt werden, so dass Lot aus einer länglichen Lötperle zu einem oder mehreren Sammelbehältern fließen kann. Den 6D–C zufolge kann der Durchflusssteuerungsdamm 213C zwischen den länglichen Lötperlen 203B und dem Sammelbehälter 2110 entfernt werden, so dass Lot aus der länglichen Lötperle 203B zum Sammelbehälter 211C fließen kann. Im Beispiel der 6E kann der Lichtleiter 201 lateral nach rechts verschoben werden.
Gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann ein Sammelbehälter so ausgelegt sein, dass er einen kleineren Krümmungsradius als die entsprechende längliche Löt perle hat, so dass der Innendruck in dem Sammelbehälter niedriger in dem Sammelbehälter ist, bis dieser voll ist. Die Sammelbehälter und Behälter im Grundriss von 6A sind zwar geometrisch ähnlich, jedoch lassen sich verschiedene Geometrien für Behälter und Sammelbehälter bereitstellen, damit der Lotfluss von einem Behälter zu einer Lötperle erhöht wird, und damit der Lotfluss von einer Perle zu einem Sammelbehälter gesteigert wird. Ein Behälter kann bspw. auf einem Abschnitt einer mit einem Lot benetzbaren Schicht bereitgestellt werden, die eine relativ schmale Abmessung in Bezug auf die entsprechende Perle hat, so dass der Fluss zur Perle vergrößert wird. Dagegen lässt sich ein Sammelbehälter auf einem Abschnitt einer mit Lot benetzbaren Schicht mit einer relativ breiten Abmessung in Bezug auf die entsprechende Perle zur Erhöhung des Flusses zur Perle bereitstellen.
Gemäß den in den 6A–C veranschaulichten Ausführungsformen können Zunahmevorgänge bei der Entfernung der Durchflussteuerungsdämme und des rückfließenden Lots verwendet werden, damit die Volumina der länglichen Lötperlen 203A–B genau gesteuert werden. Sobald die gewünschten Volumina der länglichen Lötperlen erzielt wurden, lassen sich die Lötperlen durch Kühlen verfestigen, so dass der Lichtleiter in einer gewünschten Position gehalten wird. Die Sammelbehälter und Behälter sind zwar in 6A gemeinsam auf einem Behälter veranschaulicht, jedoch können die erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit nur einem oder mehreren Behältern und ohne Sammelbehälter oder nur mit einem oder mehreren Sammelbehältern und ohne Behälter ausgestattet werden. Darüber hinaus können Sammelbehälter und/oder Behälter verschiedener Größen bereitgestellt werden, damit verschiedene Lotvolumina vereingert und/oder erhöht werden. Zudem lassen sich Sammelbehälter und/oder Behälter zur Änderung der Lotvolumina in Perlen mit anderen Geometrien als die länglichen Perlen der 6A–E und zur Positionierung von anderen Komponenten als Lichtleiter verwenden. Sammelbehälter und/oder Behälter können bspw. zur Änderung der Volumina der Perlen ver wendet werden, wie in den 1A–C und 2A–C veranschaulicht.
Gemäß den in der 7 veranschaulichten Ausführungsformen lassen sich Behälter mit verschiedenen Größen bereitstellen, so dass bestimmte Lotvolumina zur länglichen Lötperle 221 gefügt werden können. In dem bestimmten Beispiel von 7 ist die Perle 221 über Kanäle an die Behälter mit verschiedenen Größen angeschlossen. In Bezug auf den Maßstab können die Behälter 223A–L 125 μm Durchmesser haben, der Behälter 225 kann 1000 μm Durchmesser haben, und der Behälter 227 kann 2500 μm Durchmesser aufweisen. Folglich kann der Radius von Perle 221 über einen Bereich von 10 μm in 0,25 μm-Schritten erhöht werden. Perlen und Behälter verschiedener Größen, wie in 7 veranschaulicht, können als Antriebskraft in einer der in den 1A–C, 2A–C, 3, 4A–C und/oder 6A–E veranschaulichten Ausführungsformen verwendet werden. Diese Perlen können andere Geometrien als die in 7 veranschaulichte Perle haben, und die Behälter mit anderen Größen und Formen als solche, die in 7 veranschaulicht sind, lassen sich bereitstellen. Sammelbehälter verschiedener Größen können alternativ für Verringerung über einen vorbestimmten Bereich in vorbestimmten Schritten verwendet werden.
Die Verwendung von Behältern und Sammelbehältern zur Veränderung der Größe einer Perle ist zwar anhand der 6A–E und 7 zum Zwecke der Positionierung einer Komponente erörtert, jedoch können Behälter und Sammelbehälter ebenfalls zur Bereitstellung von Perlen mit genauer Größe verwendet werden, ohne dass die Position einer Komponente unbedingt geändert werden muss. Der Anmelder ist seines Wissen nach der erste, der realisiert hat, dass Lot-Sammelbehälter und Behälter zur Bereitstellung von Perlen genauer Größe verwendet werden können.
Die erfindungsgemäßen Beispiele beinhalten der vorstehenden Diskussion zufolge zwar Lötperlen, jedoch können andere Flüssigkeiten, wie Thermoplaste und Epoxyharze zur Positionierung der Komponenten gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt kann eine Änderung der Verschiebung einer Komponente erfolgen, indem das Volumen (die Größe) einer Flüssigkeitsperle in Kontakt mit der Komponente geändert wird. Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeitsperle in Kontakt mit einer Komponente kann zu einem Druck führen, der auf die Komponente ausgebt wird, oder ein Anstieg der Größe der Flüssigkeitsperle kann den Druck anheben, der auf die Komponente ausgeübt wird, so dass die Komponente bewegt wird. Entsprechend kann eine Abnahme der Größe einer Flüssigkeitsperle den Druck senken, der auf die Komponente ausgeübt wird, so dass die Komponente in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird. Der Druck, der von einer Flüssigkeitsperle gegen eine Komponente ausgeübt wird, kann zwar erhöht oder gesenkt werden, indem die Größe der Perle, wie vorstehend erörtert erhöht oder gesenkt wird, jedoch kann der von einer Perle ausgeübte Druck ebenfalls erhöht oder gesenkt werden, indem die Oberflächenspannung der Flüssigkeitsperle wie nachstehend eingehender beschrieben geändert wird. Zudem kann eine bloße Änderung des Volumens eines Flüssigkeitsperle zum Verschieben einer Komponente verwendet werden.
Bei der Verwendung als Antrieb kann eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsperle die Kraft zur Bewegung einer Komponente bereitstellen, wobei der aus der Oberflächenspannung resultierende Druck verwendet wird. Die Young-Laplace-Gleichung setzt den Druck P in Beziehung zur Oberflächenspannung γ, und die Haupt- und Neben-Krümmungsradien gemäß der folgenden Gleichung:
Eine Änderung von einer oder mehreren der drei Variablen kann somit zur Veränderung eines Drucks verwendet werden, der von einer Flüssigkeitsperle ausgeübt wird.
Das Konzept der Oberflächenspannung betrifft eine Grenzfläche zwischen zwei Körpern. Änderungen der Grenzfläche von Flüssigkeit und Luft zwischen dem Lot und Luft können somit die Oberflächenspannung des Lots ändern. Änderungen der Grenzflächen zwischen fest und flüssig und flüssig und flüssig können ebenfalls zur Änderung der Oberflächenspannung eines Lots verwendet werden. Die Oberflächenspannung eines Materials ist eine Funktion des Materials, mit dem es in Kontakt steht, und der Temperatur. Zur Veränderung der Oberflächenspannung kann entweder das Material der Flüssigkeitsperle (bspw. Indium, γ = 592 dyn/cm, hat eine höhere Oberflächenspannung als entweder Blei, γ = 530 dyn/cm, oder Zinn, γ = 480 dyn/cm) verändert werden, oder das Material in Kontakt mit der Flüssigkeitsperle (bspw. Zinn in Luft, γ = 417 dyn/cm vs. Zinn in Stickstoff, γ = 464 dyn/cm bei 250°C) kann geändert werden, oder die Temperatur der Flüssigkeitsperle kann geändert werden. Bspw. können verschiedene Behälter verschiedene Materialien enthalten, so dass γ gleichzeitig mit dem Volumen geändert wird. Da die Oberfläche des flüssigen Metalls leicht oxidieren kann, kann der Sauerstoffgehalt der Umgebungen gesteuert werden, wobei durch die Zugabe von Sauerstoff der Wert γ erhöht wird. Entsprechend kann eine Umgebung, die eine Flüssigkeitsperle umgibt, mit einem Reduktionsmittel in der flüssigen oder Dampfphase, wie Säure oder Wasserstoff, geflutet werden, damit die Oberflächenoxide reduziert werden. Eine Grenzfläche zwischen flüssig und flüssig kann durch Untertauchen in einer Flüssigkeit mit einem hohen Siedepunkt, wie Glycerin, gebildet werden.
Wird eine oxidierte Oberfläche einer Flüssigkeitsperle zur Änderung der Oberflächenspannung der Perle verwendet, umfasst die Oberfläche der Perle tatsächlich ein Material (Oxid), das sich von dem der Flüssigkeitsperle unterscheidet. Alternativ kann ein flexibles Material über einer Anfangsperle bereitgestellt werden, und die Perle kann zum Aufblähen oder Abschwellen des elastischen Materials unter Zugabe oder Entfernung von Lot verwendet werden.
Zudem ist der Krümmungsradius der Oberfläche einer Flüssigkeitsperle (wie eine Schmelzlotperle) eine Funktion der Flüssigkeitsmenge, der benetzten Fläche auf dem Substrat, und des Benetzungswinkels an der Grenzfläche zwischen Lot, Substrat und Luft. Diese drei Variablen lassen sich jeweils steuern.
Der Benetzungswinkel hängt von der "Benetzbarkeit" des Substrats ab. Jedes der vorstehend genannten Verfahren zur Steuerung des Lotflusses in den benetzbaren Kanälen der 6A–E und 7 kann zur Steuerung der Benetzbarkeit des Substrats verwendet werden.
Die benetzte Fläche kann genauso gut wie die benetzbaren Kanäle gesteuert werden. Ein Lotdamm um die Basis der Flüssigkeitsperle kann bewegt oder entfernt werden, damit mehr oder weniger benetzbare Fläche des Substrates der Flüssigkeitsperle ausgesetzt ist. Eine nichtbenetzbare Oberfläche, die von einer benetzbaren entfernbaren Oberfläche bedeckt wird, ist eine Maßnahme zur Reduktion der befeuchteten Fläche. Das Volumen der Flüssigkeitsperle kann durch Zugabe oder Entfernung von Flüssigkeit wie vorstehend erörtert eingestellt werden.
Wie vorstehend erörtert kann die Oberflächenspannung und/oder der Druck der Materialien aus der flüssigen Phase als Antriebskraft im Millimeter- und Mikron-Maßstab verwendet werden. Es lassen sich Kräfte in der Größenordnung von Gramm pro mm² erzeugen, wobei es zu Verschiebungen um mehrere 10 Mikron kommt. Diese Strukturen können zur Positionierung der Komponenten auf Substraten geeignet sein. Die vorliegende Anmeldung beschreibt Verfahren Strukturen und Geräte zum Einsatz dieses Mechanismus auf planaren Subtraten. Techniken gemäß der erfindungsgemäßen Aspekte können ebenfalls auf nicht-planaren Oberflächen verwendet werden.
Die Zugabe oder die Entfernung von Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsperle kann somit zur Positionierung einer Komponente verwendet werden. Andere Eigenschaften einer Flüssigkeitsperle können alternativ zur Positionierung einer Komponente verwendet werden. Wie in 8 veranschaulicht kann eine Komponente 251 sicher an einem Substrat 253 befestigt werden, wobei ein Klebstoff 255 verwendet wird, und der Druck P, der von einer Flüssigkeitsperle 257 ausgeübt wird, kann zur Positionierung der Komponente 251 verwendet werden. Insbesondere kann der Klebstoff 255 in einem anfänglichen flüssigen oder flüssigartigen Zustand sein, so dass die Komponente grob ausgerichtet ist, aber noch in Bezug auf das Substrat beweglich ist. Der Klebstoff kann bspw. ein härtbares Epoxyharz in einem anfangs ungehärteten Zustand oder ein Lot in einem anfangs geschmolzenen (flüssigen) Zustand sein. Mit anderen Worten ist die Komponente flexibel an dem Substrat befestigt, wobei sich der Klebstoff im Anfangszustand befindet.
Durch Verändern des von der Flüssigkeitsperle 257 auf die Komponente 251 ausgeübten Drucks kann die Komponente lateral in Bezug auf das Substrat bewegt werden. Wie vorstehend erwähnt kann der Druck P, der von der Flüssigkeitsperle ausgeübt wird, geändert werden, bspw. durch Ändern eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer anderen flüssigen Umgebung, die die Flüssigkeitsperle umgibt; durch Verändern des elektrischen Potentials der Flüssigkeitsperle; durch Verändern der Temperatur der Flüssigkeitsperle; durch Verändern des Volumens der Flüssigkeitsperle; durch Oxidierenlassen der Oberfläche der Flüssigkeitsperle; durch Entfernen eines Oxids aus einer Oberfläche der Flüssigkeitsperle; durch Verändern der Zusammensetzung der Flüssigkeitsperle; und/oder durch Verändern einer benetzten Fläche des Substrates für die Flüssigkeitsperle.
Sobald die gewünschte Position der Komponente erzielt worden ist, kann der Klebstoff in den festen Zustand über führt werden, damit die Komponente fest am Substrat in der gewünschten Stellung befestigt wird, während zugleich die Flüssigkeitsperle als Flüssigkeit gehalten wird. Sobald die Komponente sicher befestigt ist, kann die Flüssigkeitsperle fest werden, oder die Flüssigkeitsperle kann entfernt werden. Ist der Klebstoff ein härtbares Epoxyharz, kann die Komponente sicher befestigt werden, indem der Epoxykleber gehärtet wird, während zugleich die Flüssigkeitsperle beim gewünschten Druck im flüssigen Zustand gehalten wird. Ist der Klebstoff ein Lot, kann die Komponente sicher befestigt werden, indem das Lot-Klebemittel durch Kühlen in den festen Zustand überführt wird, während zugleich die Flüssigkeitsperle beim gewünschten Druck im flüssigen Zustand gehalten wird. Ist sowohl das Klebemittel als auch die Flüssigkeitsperle Lot, können bspw. gesonderte Heizgeräte in dem Substrat 253 zum gesonderten Erwärmen der flüssigen Lötperle und des Lötklebemittels verwendet werden, so dass das Lötklebemittel durch Kühlen erhärtet wird, während zugleich die Flüssigkeitsperle beim gewünschten Druck im flüssigen Zustand gehalten wird. Es sind zwar mehrfache Klebebereiche in 8 veranschaulicht, jedoch kann auch ein einzelner Klebebereich zur Befestigung der Komponente am Substrat verwendet werden.
Wie in 10 veranschaulicht kann der Druck P der Flüssigkeitsperlen 287A–B verändert werden, um die vertikale Ausrichtung der Komponente 281 in Bezug auf das Substrat 283 einzustellen. Wie vorstehend anhand der 8 erörtert kann der Druck P, der von den Flüssigkeitsperlen 287A–B ausgeübt wird, variiert werden, bspw. durch Veränderung eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer anderen Fluidumgebung, die die Flüssigkeitsperle umgibt; durch Veränderung des elektrischen Potentials der Flüssigkeitsperle; durch Verändern der Temperatur der Flüssigkeitsperle; durch Verändern des Volumens der Flüssigkeitsperle; durch Oxidierenlassen der Oberfläche der Flüssigkeitsperle; durch Entfernen eines Oxids von einer Oberfläche der Flüssigkeitsperle; durch Verändern der Zusammensetzung der Flüssigkeitsperle; und/oder durch Verändern einer benetzten Fläche des Substrates für die Flüssigkeitsperle.
Der Klebstoff 285 kann die Komponente 281 flexibel am Substrat 283 sichern, wohingegen die Drücke P der Flüssigkeitsperle 287A–B variiert werden, so dass die Komponente in der gewünschten Orientierung in Bezug auf das Substrat gehalten wird. Sobald die gewünschte Orientierung erzielt ist, kann der Klebstoff in einen festen Zustand überführt werden, damit die Komponente sicher an dem Substrat in der gewünschten Orientierung befestigt wird. In den Ausführungsformen gemäß 10 kann der Druck der Flüssigkeitsperle 287A–B zur Veränderung der vertikalen Verschiebung der Komponente in Bezug auf das Substrat verwendet werden. Eine größerer Druck der Perlen 287A–B kann jeweils die Verschiebung des jeweiligen Abschnitts der Komponente in Bezug auf das Substrat vergrößern, und ein niedriger Druck der jeweiligen Perlen 287A–B kann eine Verschiebung des jeweiligen Abschnitts der Komponente in Bezug auf das Substrat vermindern. Der Klebstoff 285 kann bspw. Lot, Epoxy oder ein anderes Material sein, das eine flexible und dann feste Haftung wie vorstehend erörtert herbeiführen kann.
Gemäß den in 9 veranschaulichten erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann eine Komponente 261 am Substrat 263 befestigt werden, wobei die Lötperlen 265A–B verwendet werden, und die Positionierung kann mit der Lötperle 267 erfolgen. Darüber hinaus können die Lötperlen 265A–B erwärmt und gekühlt werden, wobei Widerstandsheizelemente 271A–B verwendet werden, wohingegen die Lötperle 267 unabhängig von den Lötperlen 265A–B erwärmt und gekühlt werden kann, wobei gesonderte Widerstandsheizelemente 273 verwendet werden. Folglich können die Lötperlen 265A–B und 267 über ihre jeweiligen Schmelztemperaturen erwärmt werden, wobei die Komponente 261 auf den Lötperlen 265A–B und der benachbarten Lötperle 267 positioniert ist.
Definierte benetzbare Kontaktbereiche der Komponente 261 und definierte benetzbare Kontaktbereiche des Substrates 263 zusammen mit den Lötperlen 265A–B schaffen eine grobe Positionierung der Komponente 261 in Bezug auf das Substrat 263.
Eine relativ feine laterale Positionierung der Komponente 261 kann durch Ändern des Drucks P, der von der Lötperle 267 auf die Komponente ausgeübt wird, bewerkstelligt werden. Der 9 zufolge kann der Draht 269 verwendet werden, damit man an der Lötperle 267 ein elektrisches Potential anlegt, so dass man den Druck P variiert, der von der Lötperle 267 auf die Komponente 261 ausgeübt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärme, die vom Heizelement 273 auf die Lötperle 267 übertragen wird, über die Schmelztemperatur der Lötperle 267 erwärmt werden, so dass man den Druck P variiert. Sobald eine gewünschte Position der Komponente durch Variieren der gewünschten Eigenschaft oder Eigenschaften der flüssigen Lötperle 267 erzielt worden ist, können die Heizelemente 271A–B abgeschaltet werden, so dass die Lötperlen 265A–B fest werden, während die Lötperle 267 flüssig gehalten wird. Sobald die Komponente 261 mittels der Lötperlen 265A–B sicher befestigt worden ist, kann die Lötperle 267 fest werden, indem das Heizelement 273 abgeschaltet wird. Man kann auch andere Flüssigkeiten als Lot als flüssige Antriebskraft von Perle 267 verwenden, und die Flüssigkeit von Perle 267 (unabhängig davon, ob es Lot oder eine andere Flüssigkeit ist) muss nicht verfestigt werden. Die Ausführungsformen gemäß 9 können alternativ umgesetzt werden, indem man für die Perlen 265A–B härtendes Epoxyharz oder andere Materialien verwendet, so dass die Heizelemente 271A–B nicht erforderlich sind, wobei die Epoxyperlen gehärtet werden, damit die Komponente sicher befestigt wird. Es lassen sich auch andere Flüssigkeiten, wie Thermoplaste, verwenden.
Wie in 11 veranschaulicht kann der Druck P der Flüssigkeitsperlen 307A–B verändert werden, so dass eine vertikale Ausrichtung der Komponente 301 in Bezug auf das Substrat 303 eingestellt wird. Wie vorstehend anhand der
9 erläutert kann der Druck P, der von den Flüssigkeitsperlen 307A–B ausgeübt wird, verändert werden bspw. durch das Verändern eines Gases, einer Flüssigkeit oder einer anderen Fluid-Umgebung, die die Flüssigkeitsperlen umgibt; durch Verändern eines elektrischen Potentials der Flüssigkeitsperlen; durch Verändern der Temperatur der Flüssigkeitsperlen; durch Verändern des Volumens der Flüssigkeitsperlen; durch Oxidatierenlassen einer Oberfläche der Flüssigkeitsperlen; durch Entfernen eines Oxids von einer Oberfläche der Flüssigkeitsperlen; durch Verändern der Zusammensetzung der Flüssigkeitsperlen; und/oder durch Verändern einer benetzten Fläche des Substrates für die Flüssigkeitsperlen.
Das Klebemittel 305 kann die Komponente 301 flexibel an dem Substrat 303 befestigen, wohingegen die Drücke P der Flüssigkeitsperlen 307A–B verändert werden, so dass man eine gewünschte Orientierung der Komponente relativ zum Substrat erhält. Sobald die gewünschte Orientierung erzielt wurde, kann das Klebemittel 305 in den festen Zustand überführt werden, so dass die Komponente 301 sicher am Substrat 303 in der gewünschten Orientierung befestigt wird. In den Ausführungsformen gemäß 11 kann der Druck der Flüssigkeitsperlen 307A–B zur Veränderung einer vertikalen Verschiebung der Komponente in Bezug auf das Substrat verwendet werden. Ein größerer Druck von einer der Perlen 307A–B kann die Verschiebung des jeweiligen Abschnitts der Komponente 301 in Bezug auf das Substrat vergrößern, und ein kleinerer Druck von einer der Perlen 307A–B kann die Verschiebung des jeweiligen Abschnitts der Komponente 301 in Bezug auf das Substrat verringern. Das Klebemittel 305 kann bspw. Lot, Epoxy oder ein anderes Ma terial sein, das eine flexible und anschließend feste Haftung bieten kann, wie vorher erörtert.
Gemäß den in 11 veranschaulichten Ausführungsformen kann jede der Flüssigkeitsperlen 307A–B und jede der Klebeperlen 305 Lot sein, wobei unabhängige Heizelemente 309A–B im Substrat 303 für jede Lötperle 307A–B bereitgestellt werden. Die zum Kleben verwendeten Lötperlen 305 können mit Heizelementen 311 in Substrat 303 ausgestattet sein, die von den Heizelementen 309A–B unabhängig sind. Folglich kann jede der Lötperlen 307A–B und die Lötperle 305 über ihre jeweilige Schmelztemperaturen erwärmt werden, wobei Heizelemente 311 und 313A–B verwendet werden, so dass die Komponente positioniert werden kann, indem die Drücke P der Lötperlen 307A–B variiert werden. Die Position der Komponente kann variiert werden, indem die Drücke P von einer oder mehreren Lötperlen 307A–B verändert werden, und wenn die gewünschte Position erzielt wurde, können die Heizelemente 311 abgeschaltet werden, so dass die Lötperlen 305 fest werden und die Komponente in der gewünschten Position sicher befestigt wird. Sobald die Lötperlen 305 fest geworden sind, können die Heizelemente 313A–B abgeschaltet werden.
Wie in 11 gezeigt, können gesonderte Drähte 309A–B in Substrat 303 bereitgestellt werden, so dass die elektrischen Potentiale der Lötperlen 307A–B verändert werden und so deren Drücke P unabhängig variiert werden.
Jeder Draht 309A–B kann an einer variable Spannungsquelle angeschlossen werden, so dass das elektrische Potential der jeweiligen Perle und somit ihre Oberflächenspannung verändert wird. Alternativ können die Temperaturen der Lötperlen 307A–B unabhängig über die Schmelztemperatur des Lots verändert werden, wobei unabhängige Heizelemente 313A–B verwendet werden, so dass die Drücke davon unabhängig verändert werden. Wenn eine unabhängige Steuerung der Drücke der Lötperlen 307A–B nicht erforderlich ist, oder wenn die Drücke mit Hilfe anderer Maßnahmen als die Temperatur verändert werden, müssen die Heizelemente 313A–B nicht unabhängig sein. Wird darüber hinaus ein anderes Klebematerial als Lot für das Klebemittel 305 verwendet, brauchen die Heizelemente 311 nicht bereitgestellt werden.
Wird zudem eine andere Eigenschaft als das elektrische Potential zur Veränderung der Drücke der Lötperlen 307A–B verwendet, müssen die Drähte 309A–B nicht bereitgestellt werden.
Gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann eine Flüssigkeitsperle zur Änderung der Verschiebung, die von einem Abschnitt der Flüssigkeitsperle auf eine Komponente ausgeübt wird, lokal erwärmt werden. Verschiedene Abschnitte einer länglichen Flüssigkeitsperle können auf verschiedene Temperaturen erwärmt werden, wobei mehrere Heizelemente verwendet werden, damit der Druck, der von einem Teil der länglichen Flüssigkeitsperle ausgeübt wird, erhöht oder gesenkt wird. Mit anderen Worten kann die Bewegung der Flüssigkeit in einer Flüssigkeitsperle mit konstantem Volumen auf einer unveränderten benetzbaren Fläche eines Substrats durchgeführt werden, indem Abschnitte der Flüssigkeitsperle gemäß einem Phänomen, das als thermische Kapillarwirkung oder Marangoni-Effekt bekannt ist, auf verschiedene Temperaturen differentiell erhitzt werden.
Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit hängt von ihrer freien Oberflächenenergie ab, und der freien Energie des Gases oder der Flüssigkeit, mit der sie in Kontakt ist. Diese freien Energien sind unter anderem Funktionen der Temperatur und des elektrostatischen Potentials. Da die Gleichgewichtsform von der Oberflächenspannung abhängt, ändert eine Veränderung der Oberflächenspannung (bspw. durch lokale Veränderung der Temperatur, wie bei der thermischen Kapillarwirkung) die Gleichgewichtsform. Die Oberflächenenergie kann ebenfalls durch das Anlegen eines elektrostatischen Feldes verändert werden, so dass die Bildung einer elektrischen Doppelschicht wie bei der Elektrobenetzung oder Elektrokapillarwirkung verursacht wird.
Diese Effekte können zur lokalen Erweiterung oder Verengung der länglichen Lötperlen verwendet werden, die in zwei Dimension durch eine benetzbare Fläche einer Substratoberfläche beschränkt sind. Lokale Erweiterung oder Verengung einer Lötperle mittels Thermokapillarwirkung kann somit bei der Positionierung und bei der Ausrichtung von Komponenten, wie optischen Komponenten, verwendet werden. Darüber hinaus können auch andere Flüssigkeiten als Lot verwendet werden.
Gemäß den in den 12A–E und 13A–E veranschaulichten Ausführungsformen können ein oder mehrere Heizelemente 319A–E innerhalb von Substrat 325 verwendet werden, damit eine längliche Lötperle 321 lokal erwärmt wird. Wie in der Draufsicht der 12A–E gezeigt kann eine längliche Lötperle 321 mit relativ gleichförmiger Dicke auf einer rechteckigen benetzbaren Fläche 323 von Substrat 325 bereitgestellt werden. Bei gleichförmiger Verteilung wie in den 12A–E gezeigt, kann die Lötperle 321 ein halbkugelqförmiges Profil aufweisen. Die Lötperle 321 kann gleichförmig über seine Schmelztemperatur erwärmt werden, bspw. durch Erwärmen des gesamten Substrates in einem Ofen oder durch Erzeugen eines relativ gleichförmigen Wärmeprofils mit den Heizelementen 319A–B, so dass ein ähnliches Lötprofil wie in den 12A–E erhalten wird.
Wie in den 13A–E, kann das Heizelement 319B zur Steigerung der Temperatur des Zentralabschnitts der flüssigen Lötperle 321 in Bezug auf die Endabschnitte der Lötperle verwendet werden. Die resultierenden Unterschiede der Oberflächenspannung über die Lötperle 321 aufgrund der Thermokapillarwirkung kann die Dicke des heißesten Abschnittes der flüssigen Lötperle 321 vergrößern. Alternativ kann eines der Heizelemente 319A oder 319B zur Steige rung der Temperatur eines Endabschnitts der Lötperle 321 in Bezug auf den Rest der Lötperle verwendet werden, wodurch die Dicke des Endabschnitts der Lötperle in Bezug auf den Rest der Lötperle erhöht wird. Wie gezeigt kann eine Anzahl von Heizelementen verwendet werden, damit unterschiedliche Temperaturprofile über die Lötperle erzeugt werden und somit verschiedene physikalische Profile des Lots erzeugt werden.
Eine größere Zahl an Heizelementen kann zwar eine größere Steuerung der resultierenden Form der Lötperle bewirken, jedoch kann ein einzelnes Heizelement zur selektiven Erwärmung eines ausgewählten Abschnitts der Lötperle verwendet werden. Darüber hinaus können ein oder mehrere Heizelemente zusammen mit Umgebungserwärmung (wie von einem Ofen) verwendet werden, wobei das Umgebungserwärmen bspw. zum Schmelzen von Lot verwendet wird, und wobei ein oder mehrere Heizelemente unterschiedliche Temperaturprofile für die Perle schaffen können. Alternativ können andere Maßnahmen als Widerstandsheizelemente zur Bereitstellung eines variierenden Temperaturprofils verwendet werden.
Die Thermokapillarwirkung kann somit zur Veränderung der Verschiebung verwendet werden, die von einer Flüssigkeitsperle auf einer Komponente ausgeübt wird, wodurch die Bewegung der Komponente herbeigeführt wird. Ein Zentralbereich der in den 12A–E und 13A–E gezeigten länglichen Lötperle 321 kann bspw. nahe einer Komponente auf dem Substrat 325 positioniert werden, und ein Anstieg der Größe des Zentralabschnitts der Lötperle kann zur Verschiebung der Komponente verwendet werden. Längliche Lötperlen, wie bspw. in den 12A–E und 13A–E veranschaulicht, können anstelle der Lötperlen 257, 267, 287A–B oder 307A–B der 8–11 verwendet werden. Darüber hinaus können längliche Lötperlen wie in den 12A–E und 13A–E veranschaulicht in Kombination mit einem Klebemittel, wie Lot oder Epoxy, verwendet werden, so dass das Klebemittel die Komponente beim Positionieren flexibel befestigt, und dass das Klebemittel die Komponente sicher befestigt, sobald eine gewünschte Position erreicht worden ist.
Wie in den 12A–E gezeigt kann eine rechtwinklige Linie, die mit einer halbkugelförmigen Dicke Lot beschichtet ist, ein gleichförmiges Profil aufweisen, wenn es über seine Schmelztemperatur gleichförmig erwärmt wird, so dass das Lot in einem Isothermiezustand ist. Wird der Mittelabschnitt zusätzlich erwärmt, kann die Oberflächenspannung des Mittelbereichs reduziert werden, und der Krümmungsradius reduziert werden. Die Oberflächenspannung wird erörtert bspw. von N.K. Adam in The Physics and Chemistry Of Surfaces (Dover Publications, New York, 1968), dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich aufgenommen ist. Damit der Krümmungsradius sinkt, kann die Lotdicke des wärmeren Abschnitts super-halbkugelförmig werden, und zusätzliches Lot kann in den wärmeren Bereich wie in den 13A–E gezeigt fließen. Diese Bewegung der Flüssigkeit kann zur Verschiebung einer damit in Kontakt stehenden Komponente verwendet werden.
Wird die rechtwinklige Linie mit einer Flüssigkeit beschichtet, die auf der benetzbaren Oberfläche subhalbkugelförmig ist wenn sie in einem Isothermiezustand vorliegt, kann die Flüssigkeit von einem wärmeren Bereich wegfließen, so dass ein Ergebnis erzielt wird, dass entgegengesetzt zu dem ist, das in den 12A–E und 13A–E veranschaulicht ist. Wird bspw. Wärme zum Mittelbereich der benetzten Oberfläche übertragen, wodurch die Oberflächenspannung sinkt, dann fließt die Flüssigkeit von der Wärme zu den kühleren Enden. In dieser Situation kann der Krümmungsradius im erwärmten Bereich durch Senken der Höhe der Lötperle erhöht werden.
Berechnungen für die Bewegung von Lot wie in den 12A–E und 13A–E veranschaulicht sind nachstehend gegeben. Gemäß einem bestimmten Beispiel kann ein Isolierabschnitt des Substrates 325 nahe der benetzbaren Fläche 323 ein Oxid mit einer Wärmeleitfähigkeit θ von 50,9 Watt/(mK) sein; die benetzbare Fläche 323 des Substrates kann eine Länge L = 1 cm und eine Breite W = 0,25 mm haben; und das Heizelement 319B kann einen elektrischen Widerstand ρ = 0,146 × 10^–6 Ohm-cm haben. Bei einer anfänglichen gleichförmigen Temperatur T₀ über die längliche Lötperle 321 von 233°C (506 K) kann die längliche Lötperle 321 einen anfänglichen Krümmungsradius r₀ von 0,75 W (0,1875 mm) und eine anfängliche Oberflächenspannung σ_T0 von 493 dyn/cm aufweisen. Die längliche Lötperle kann auf die Anfangstemperatur erwärmt werden, bspw. durch Erwärmen des Substrates in einem Ofen oder durch Erzeugen eines relativ gleichförmigen Temperaturprofils über die Perle mit Hilfe einer Anzahl von Heizelementen 319A–C.
Die Temperatur des Mittelteils der länglichen Lötperle kann in Bezug auf die Endabschnitte der länglichen Lötperle durch Zufuhr von zusätzlicher Energie zum zentralen Heizelement 319B erhöht werden. Die Temperatur des Mittelteils der länglichen Lötperle kann bspw. auf eine zweite Temperatur T₁ = 280°C (553 K) erhöht werden, während die Endabschnitte der länglichen Lötperle bei der Anfangstemperatur T₀ = 233°C gehalten werden, so dass eine Temperaturdifferenz ΔT von 47K erzeugt wird.
Unter der Annahme, dass der Temperaturgradient über eine Entfernung von G = 0,2L erscheint, kann die Energie P, die zur Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz von 47K verwendet wird, folgendermaßen berechnet werden: P = ΔT*θ*π*r0 2/(0,2L) = 0,132 Watt
Der Krümmungsradius der erwärmten Zone kann berechnet werden als: rH = r0*σT1σ/T0 = 178, 753 μm und Δr = rH – r0 = –8,747 μmDer Druck kann berechnet werden als: Druck = 2σT1/rH = = 0, 763 psi
Während die Ausführungsformen 12A–E und 13A–E beispielhaft unter Verwendung von Lot erörtert wird, können andere Flüssigkeiten, wie Epoxyharze und Thermoplaste, verwendet werden.
Gemäß der zusätzlichen Ausführungsformen der Erfindung kann die Asymmetrie in der Form der benetzten Oberfläche verwendet werden, damit die Verteilung der Flüssigkeit in Reaktion auf Änderungen der Oberflächenspannung verändert wird. Eine erste Dimension eines ersten Abschnitts auf einer benetzbaren Fläche kann weit in Bezug auf eine zweite Dimension eines zweiten Abschnitts der benetzbaren Oberfläche sein, so dass eine gleichförmige Erwärmung der benetzbaren Oberfläche eine Umverteilung einer darauf befindlichen Flüssigkeit bewirken kann.
Wie in den 14A–C gezeigt kann eine benetzbare Oberfläche eines Substrates 341 einen ersten Abschnitt 343 mit einer ersten Dimension haben, die breit ist in Bezug auf eine zweite Dimension eines zweiten Abschnitts 345 der benetzbaren Oberfläche. Eine Flüssigkeitsperle kann einen entsprechenden ersten Abschnitt 347 haben, der breit in Bezug auf einen zweiten Abschnitt 349 ist. Das Substrat 341 kann ebenfalls ein einzelnes Heizelement 351 aufweisen, das zur gleichförmigen Erwärmung beider Abschnitte der Flüssigkeitsperle verwendet wird. Beim Erwärmen auf eine Temperatur zwischen Schmelz- und Siedepunkt der Flüssigkeit ist die Höhe des ersten Abschnitts 347 der Flüssigkeitsperle größer als die Höhe des zweiten Abschnitts 349, und zwar wegen der Oberflächenspannung, vorausgesetzt, dass eine gleichförmig angelegte Schwerkraft aufrechterhalten wird, bspw. in einer horizontalen Position.
Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit kann jedoch variiert werden, als Funktion der Temperatur, so dass der Höhenunterschied durch Verändern der Temperatur verändert werden kann. Wenn die Temperatur der Flüssigkeitsperle steigt, sinkt die Oberflächenspannung, so dass die Höhenunterschiede mit steigender Temperatur zwischen Schmelz- und Siedetemperaturen reduziert werden kann. Mit sinkender Temperatur der Flüssigkeitsperle steigt die Oberflächenspannung, so dass die Höhenunterschiede mit sinkenden Temperaturen zwischen Schmelz- und Siedetemperaturen vergrößert werden. Mit anderen Worten kann die Flüssigkeit eine relativ hohe Oberflächenspannung bei der Schmelztemperatur haben, so dass der Druck, der die Flüssigkeit aus dem schmalen Abschnitt 349 zum breiten Abschnitt 347 treibt, bei einer Temperatur direkt oberhalb der Schmelztemperatur am größten ist. Die Flüssigkeit kann dagegen einen Oberflächenspannung von nahezu Null bei der Siedetemperatur aufweisen, so dass der Druck, der die Flüssigkeit aus dem schmalen Abschnitt 349 zum breiten Abschnitt 347 treibt, bei einer Temperatur direkt unter der Siedetemperatur der Flüssigkeit am kleinsten ist.
Ein einzelnes Heizelement 351 kann somit zur Veränderung der Höhen der Flüssigkeitsperle, einschließlich des breiten Abschnitts 347 und des schmalen Abschnitts 349, verändert werden. Wie in 14B gezeigt, kann die Flüssigkeitsperle auf eine erste Temperatur T1 zwischen den Schmelz- und Siedepunkten der Flüssigkeit erwärmt werden, so dass die durch die Oberflächenspannung induzierten Drücke bewirken, dass der breite Abschnitt 347 eine größere Höhe als der schmale Abschnitt 349 hat. Der 14B zufolge kann der Höhenunterschied durch Erwärmen der Flüssigkeitsperle auf eine zweite Temperatur T₂ zwischen der Schmelztemperatur und T₁ erhöht werden. Die Flüssigkeitsperle kann somit zum Verschieben einer Komponente wie vorstehend erörtert verwendet werden. Entweder können der breite Abschnitt 347 oder der schmale Abschnitt 349 nahe einer Komponente bereitgestellt werden, wie bspw. in den 3 oder 8 bis 11 gezeigt, so dass eine Komponente variabel positioniert werden kann, und zwar je nach der Temperatur der Flüssigkeitsperle. Es ist zwar ein einzel nes Heizelement 351 in der 14A–C veranschaulicht, jedoch kann die Flüssigkeitsperle durch andere Maßnahmen als einen Ofen erwärmt werden.
Die Verwendung von differentiellem Erwärmen und eine asymmetrische Oberfläche können ebenfalls in Kombination verwendet werden, so dass ein Bistabilitätseffekt geschaffen wird. Wenn zwei Abschnitte einer Flüssigkeitsperle verschiedene Breiten haben und unterschiedlich erwärmt werden, ist die Flüssigkeitsperle so lange stabil, wie die breiten und schmalen Abschnitte der Flüssigkeitsperle subhalbkugelförmig sind. wird eine Temperaturdifferenz zur Beförderung von Flüssigkeit aus dem breiten Abschnitt zum schmalen Abschnitt der Perle verwendet, und zwar in dem Maße, dass der enge Abschnitt superhalbkugelförmig wird, kann jedoch ein metastabiler Zustand erzielt werden, so dass die Höhe des schmalen Abschnitts tatsächlich die Höhe des breiten Abschnitts der Flüssigkeitsperle übersteigt.
Weil der Innendruck für eine Flüssigkeitsperle für eine Halbkugel auf einer eingezwängten Oberfläche am größten ist, kommt es zu einer Diskontinuität der Steigung der dp/dv-Kurve. In der in 16 gezeigten Kurve hat Innendruck einen Peak, wenn der Krümmungsradius gleich der Höhe der Perle (r=h) ist, wobei an diesem Punkt das Profil der Perle eine Halbkugel ist. Wird daher die Flüssigkeit zu einem Ende der Struktur bewegt, und wird die Flüssigkeit an diesem Ende super-halbkugelförmig, geht das System in einen neuen metastabilen Zustand über, an dem die meiste Flüssigkeit zum Ende mit dem niedrigeren Druck wandert. Ist der neue Zustand nicht zu weit von der Diskontinuität entfernt, kann die von der Thermokapillarwirkung verursachte Druckdifferenz zur Umschaltung zurück in den Anfangszustand verwendet werden.
Wie in den 15A–C gezeigt kann eine benetzbare Oberfläche eines Substrates 361 einen ersten relativ breiten Abschnitt 363 und einen zweiten relativ schmalen Abschnitt 365 haben, und die darauf befindliche Flüssigkeitsperle kann einen entsprechenden breiten Abschnitt 367 und einen entsprechenden schmalen Abschnitt 369 aufweisen.
Die Heizelemente 371 und 373 können zur differentiellen Erwärmung der breiten und schmalen Abschnitte der Flüssigkeitsperle verwendet werden.
Der 15B zufolge, wenn sowohl der breite als auch der schmale Abschnitt der Flüssigkeitsperle subhalbkugelförmig ist, und diese auf eine gemeinsame Temperatur zwischen den Schmelz- und Siedetemperaturen der Flüssigkeit erwärmt werden, ist die Höhe des breiten Abschnitts 367 aufgrund der Oberflächenspannung größer als die Höhe des schmalen Abschnitts 369. Die Heizelemente 371 und 373 können zur Erwärmung des schmalen Abschnitts 369 auf eine Temperatur oberhalb derjenigen des breiten Abschnitts verwendet werden, so dass Flüssigkeit vom breiten Abschnitt 367 zum schmalen Abschnitt 373 fließt. Kann genug Flüssigkeit vom breiten Abschnitt zum schmalen Abschnitt überführt werden, so dass der Radius des schmalen Abschnitts größer oder gleich der Höhe des schmalen Abschnitts ist, kann eine metastabile Bedingung erzielt werden, so dass die Höhe des schmalen Abschnitts 369 signifikant größer ist als die Höhe des breiten Abschnitts 367, wie es in 15C gezeigt ist.
Sobald die Bedingung von 15C erzielt worden ist, ist keine Temperaturdifferenz zur Aufrechterhaltung der Bedingung nötig. Tatsächlich kann eine umgekehrte Temperaturdifferenz erforderlich sein, so dass Flüssigkeit aus dem schmalen Abschnitt 369 zurück zum breiten Abschnitt 367 fließt. Die Umkehrtemperaturdifferenz muss zur Bewältigung der in 16 veranschaulichten Temperaturdifferenz hinreichen. Darüber hinaus kann die Flüssigkeitsperle in der metastabilen Bedingung der 15C bis zum Erhärten gekühlt werden, während die relativen Höhen der breiten und schmalen Abschnitte beibehalten werden.
Die vorstehend anhand der 15A–C erörterte metastabile Bedingung kann ebenfalls zur Bewegung von Flüssigkeit zwischen die verbundenen Abschnitte der gleichen Oberfläche und Oberflächenabmessungen, wie bspw. in den 17A–C gezeigt, verwendet werden. Den 17A–C zufolge kann eine gemusterte benetzbare Schicht benetzbare Flächen 401 und 403 mit gleicher Oberfläche, und einen dazwischen befindlichen relativ schmalen Kanal 405 auf einem Substrat 399 umfassen, und Lötperlen 407 und 409 können auf den benetzbaren Flächen 401 und 403 bereitgestellt werden. Das Substrat 399 kann ebenfalls Heizelemente 411 und 413 darin zur differentiellen Erwärmung der Lötperlen 407 und 409 aufweisen.
Die Heizelemente 411 und 413 können somit zur differentiellen Erwärmung der Lötperlen verwendet werden, damit abwechselnd die metastabile Bedingung von 17B, wobei die Lötperle 409 superhalbkugelförmig ist, und die Lötperle 407 relativ wenig Lot darauf aufweist, und die metastabile Bedingung von 17C erzeugt wird, wobei die Lötperle 407 superhalbkugelförmig ist, und die Lötperle 409 relativ wenig Lot darauf besitzt. Wie vorstehend erörtert ist die anfängliche Temperaturdifferenz, die zur Erzielung der jeweiligen metastabilen Bedingung verwendet wird, nicht notwendig, damit die jeweilige Bedingung aufrechtgehalten wird, und das Lot kann zur Verfestigung gekühlt werden, während die metastabile Bedingung jeweils aufrechterhalten wird.
Die Struktur der 17A–C kann somit als eine Art physikalische Klinke verwendet werden. Die Lötperlen 407 und 409 können somit zur selektiven Unterbrechung oder Biegung des jeweiligen Lichtwegs 417 und 419 verwendet werden. Der Lichtweg 417 zwischen den optischen Komponenten 421 und 425 kann in der metastabilen Bedingung von 17B gehalten werden, wobei relativ wenig Lot für die Perle 407 übrig gelassen wird, und der Lichtweg 417 kann in der metastabilen Bedingung von 17C unterbrochen sein, wobei die Lötperle 407 superhalbkugelförmig ist. Der Lichtweg 419 zwischen den optischen Komponenten 423 und 427 kann in der metastabilen Bedingung von 17B unterbrochen sein, wobei die Lötperle 409 superhalbkugelförmig ist, und der Lichtweg 419 kann in der metastabilen Bedingung von 17C gehalten werden, wobei relativ wenig Lot für die Perle 409 übrig gelassen wird.
Statt der bloßen Unterbrechung des Lichtwegs zwischen zwei optischen Komponenten kann eine Lötperle alternativ verwendet werden, damit je nach der Größe der Perle selektiv ein Lichtweg zwischen den ersten und zweiten Komponenten gehalten wird, oder damit ein reflektierter Lichtweg zwischen der ersten Komponente und einer dritten Komponente geschaffen wird. Eine Flüssigkeitsperle kann ebenfalls verwendet werden, damit man je nach der Größe der Perle einen einer Anzahl von Lichtwegen bereitstellt.
In den 17A–B sind zwar zwei Lichtwege veranschaulicht, jedoch kann ein einzelner Lichtweg mit einer der Lötperlen manipuliert werden. Darüber hinaus kann eine oder beide Lötperlen zur Positionierung der Komponenten auf einem Substrat anstelle von oder zusätzlich zur Modulation eines Lichtwegs verwendet werden. Darüber hinaus kann ein Lichtweg manipuliert werden, indem andere Flüssigkeitsbewegungen ausgenutzt werden als solche die in den 17A–C veranschaulicht werden. Flüssigkeitsbewegungen gemäß einem der vorstehend erörterten Techniken können zur Manipulation eines Lichtwegs verwendet werden.
Wird die Flüssigkeit zu Beginn gleichmäßig zwischen den Abschnitten verteilt und ist das Profil zu Beginn auf jedem Abschnitt subhalbkugelförmig, kann eine Temperaturdifferenz verwendet werden, damit die Flüssigkeit von einem ersten zum zweiten Abschnitt fließt. Kann genug Flüssigkeit zum Fließen veranlasst werden, so dass der zweite Abschnitt ein halbkugelförmiges Profil erreicht, kann die metastabile Bedingung erzielt werden, so dass keine Flüssigkeit zum ersten Abschnitt zurück fließt, ohne dass eine ausreichend große Umkehrtemperaturdifferenz dem System zugeführt wird. Mit zwei Enden mit gleicher benetzter Fläche gibt es kein bevorzugtes Ende und das Umschalten kann gl gleichmäßiger erfolgen. Die wandernde Flüssigkeit kann zur Blockierung eines Lichtstrahls oder zur Ausübung eine r Kraft zur Bewegung einer Komponente verwendet werden.
In den vorstehend erörterten Beispielen kann eine Flüssigkeitsperle Lot oder andere flüssige Materialien sein, wie Epoxyharze, Thermoplaste, Ölsäure, usw. Im Fall von Epoxyharzen kann das Verfestigen auf chemische Weise oder durch W-Strahlung die Flüssigkeit in der gewünschten Position härten. Die positionierte Komponente kann durch flüssiges Lot oder Epoxyharz während der Positionierung gestützt werden und anschließend verfestigt werden, wenn die richtige Position erzielt worden ist. In diesem Fall brauchen die beweglichen Flüssigkeiten keinen Phasenübergang zu durchlaufen, damit die Komponente in Position befestigt wird.
Ist die Flüssigkeit elektrisch leitend, kann die Oberflächenspannung durch das Anlegen von Spannung an der Flüssigkeit in Bezug auf das Substrat oder einen umgebenden Elektrolyten verändert werden, wodurch ähnliche Effekte wie bei der Kapillarwirkung erhalten werden. Der Einsatz von Spannung zur Veränderung der Oberflächenspannung wird bspw. erörtert von A. Frohn et al., in Dynamics of Droplets (Springer Verlag, New York, 2000), deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Flüssigkeitsperlen können wie vorstehend erörtert zur genauen Positionierung von Komponenten verwendet werden. Eine Flüssigkeitsperle kann als Antriebskraft zur Positionierung einer Komponente während des Zusammenbaus eines elektronischen, optischen und/oder mechanischen Systems verwendet werden, wonach die Komponente in der zusammengebauten Position gehalten wird. Flüssigkeitsperlen lassen sich ebenfalls zur kontinuierlichen dynamischen Ausrichtung während und/oder nach der Verwendung eines solchen Zusammenbaus verwenden. Flüssigkeitsperlen können bspw. als flüssige Antriebskraft zur Manipulation von Spiegeln und/oder Lasern und/oder zur selektiven Unterbrechung und/oder Biegung eines Lichtwegs während der Verwendung eines optischen Systems verwenden. Alternativ können flüssige Antriebskräfte nach einem gewissen Gebrauchszeitraum zur Umpositionierung einer Systemkomponente verwendet werden, damit Alterungs- und/oder Nutzungseffekte kompensiert werden.
In den Zeichnungen und/oder der Beschreibung wurden übliche bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen offenbart, und obgleich spezifische Ausdrücke verwendet werden, werden sie nur in einem generischen und beschreibenden Sinne verwendet und nicht zu einschränkenden Zwecken, wobei der Rahmen der Erfindung in den nachfolgenden Ansprüchen offenbart ist.

Claims

Verfahren zur Positionierung einer Komponente (107, 127, 251) auf einem Substrat (105, 125, 253), umfassend: Bereitstellen eines flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) auf dem Substrat (105, 125, 253) nahe der Komponente (107, 127, 251), so dass die Komponente eine erste Position in Bezug auf das Substrat (105, 125, 253) einnimmt; und Bewegen der Komponente von der ersten Position in Bezug auf das Substrat zu einer zweiten Position in Bezug auf das Substrat durch Verändern einer Eigenschaft des flüssigen Materials, wobei dieses zugleich in einem flüssigen Zustand gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, zudem umfassend: vor dem Bereitstellen des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) und Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203), Bereitstellen eines Klebematerials (255), das die Komponente (251) an dem Substrat (253) befestigt, wobei das Klebematerial (255) in einem ersten Zustand bereitgestellt wird, der die Bewegung der Komponente in Bezug auf das Substrat ermöglicht; und nach dem Bereitstellen des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) und Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203), Überführen des Klebematerials in einen zweiten Zustand, so dass die Komponente (251) in der zweiten Position in Bezug auf das Substrat befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Überführen des Klebematerials (255) in die zweite Stufe umfasst das Überführen des Klebematerials in die zweite Stufe, während das flüssige Material in einem flüssigen Zustand gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, zudem umfassend: nach dem Überführen des Klebematerials (255) in die zweite Stufe, Ändern des Zustands des flüssigen Materials zu einem Feststoff, während die Komponente in der zweiten Position in Bezug auf das Substrat gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Klebematerial (255) härtbares Epoxy umfasst und das Überführen des Klebematerials in die zweite Stufe das Härten des härtbaren Epoxys umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Klebematerial (255) Lötmaterial umfasst und wobei das Überführen des Klebematerials in die zweite Stufe das Ändern von flüssigem Lötmaterial zu einem festen Lötmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch l, zudem umfassend: nach der Bereitstellung des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) und Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203), Sichern der Komponente (107, 127, 251) in der zweiten Position in Bezug auf das Substrat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern der Oberflächenspannung des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern des Innendrucks des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern des Volumens des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern eines elektrischen Potentials des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Erwärmen verschiedener Portionen des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) auf verschiedene Temperaturen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 203) das Ändern des Drucks umfasst, der von dem flüssigen Material (101, 121, 123, 155, 203) auf die Komponente ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern eines Fluids in Kontakt mit dem flüssigen Material (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern eines Gases in Kontakt mit dem flüssigen Material (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüssige Material auf einen benetzbaren Bereich (261) des Substrats (105, 125, 253) aufgebracht wird, wobei der benetzbare Bereich einen ersten Abschnitt (363, 401) mit ei ner ersten Abmessung und einen zweiten Abschnitt (403) mit einer zweiten Abmessung aufweist, und das Ändern der Eigenschaft des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) das Ändern der Temperatur des flüssigen Materials (101, 121, 123, 155, 203) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Komponente eine optische Faser, einen Laser, eine Linse und/oder eine lichtaussendende Diode umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Position eine gewünschte Position für die Komponente (107, 127, 251) ist.
Struktur zum Positionieren einer Komponente (107, 127, 251), die auf einem Substrat (105, 205, 253, 399) bereitgestellt wird, wobei die Struktur umfasst: ein Substrat (105, 205, 253, 399); einen ersten benetzbaren Bereich (363, 401) auf dem Substrat; einen zweiten benetzbaren Bereich (403) auf dem Substrat; einen benetzbaren Kanal (204, 214) auf dem Substrat und Kuppeln der ersten und zweiten befeuchtbaren Bereiche; flüssiges Material (101, 121, 123, 155, 203) zum Befördern einer Komponente (107, 127, 251) auf den ersten befeuchtbaren Bereich; und einen Durchflusssteuerdamm (209, 213) auf dem benetzbaren Kanal (204, 214), wobei der Durchflusssteuerdamm die Strömung der Flüssigkeit zwischen den ersten und zweiten befeuchtbaren Bereichen (363, 401, 403) verhindert.
Struktur nach Anspruch 19, zudem umfassend: flüssiges Material (101, 121, 123, 155, 203) auf dem zweiten benetzbaren Bereich (403).
Struktur nach Anspruch 19, wobei der Durchflusssteuerdamm (209, 213) ein nicht-benetzbares Material auf dem benetzbaren Kanal umfasst.
Struktur nach Anspruch 21, wobei der zweite benetzbare Bereich (403) frei von einer Flüssigkeit und frei von dem nicht-benetzbaren Material ist.