【摘要】：隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)和微小器件的設計和制造技術的迅速發(fā)展,電子設備的創(chuàng)新性研發(fā)受到大家的關注,目前廣泛應用的電子設備趨于大規(guī)模多功能集成化、微型化、柔性化的方向發(fā)展。該趨勢下要求芯片不斷趨于微米級尺度,但是微觀尺度下對微芯片的操作受多種粘附力的影響,難以實現(xiàn)可控的操作。同時新型電子設備制造的關鍵是多功能微芯片在基板上的大規(guī)模高效集成,傳統(tǒng)的微芯片集成技術不能滿足新型電子設備的制造需求。因此,微芯片的高效化、高精度組裝是電子設備集成中亟待解決的問題。本文采用了一種基于表面張力的微芯片自組裝技術,將機器人拾放技術與表面張力自對齊技術相結合,利用了機器人操作的靈活性和高效性;同時,由于表面張力在微觀尺度下占主導作用,可以克服其它粘附力實現(xiàn)有效可控的微操作;通過將液滴限制在基板上指定位置來實現(xiàn)微芯片在基底上的高精度定位組裝。本文從理論分析、數(shù)值模擬仿真、實驗臺搭建和實驗分析四個方面進行研究:(1)基于表面張力理論和能量最小化原理,建立了自組裝過程中兩類微芯片錯動模式的液橋理論模型,分析得到了不同液滴量下錯動量與液橋表面能和液橋作用于微芯片的恢復力(矩)之間的關系,從理論上證明了微芯片自組對齊過程遵循能量最小化原理,并且微芯片在自對齊后,自組裝系統(tǒng)處于最小能量狀態(tài)。(2)利用Surface Evolver軟件建立微芯片自組裝系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型,演化求解得到自組裝過程中兩類微芯片錯動模式下的液橋形態(tài)及其系統(tǒng)自由能,并分析錯動量與液橋表面自由能和微芯片受到的恢復力(矩)之間的關系,分析得到了基底和微芯片表面接觸角對微芯片自組裝的影響。(3)結合微芯片自組裝的操作流程,進行自組裝實驗平臺的總體搭建方案及合理的數(shù)據(jù)采集和信號傳輸?shù)目刂品桨傅脑O計,利用精密位移臺、壓電夾持器、精密注射泵和顯微視覺系統(tǒng)搭建了實驗平臺,并且基于Automation Base軟件,將實驗臺各部分進行嵌入控制和調(diào)試,實現(xiàn)了對實驗臺的整體控制,并且編譯了相應的自組裝控制程序。(4)為了實現(xiàn)高成功率的微芯片自組裝,首先,研究了基板激光加工參數(shù)對液滴限制效果的影響。然后,在搭建好的實驗平臺上進行不同液滴量下各種規(guī)格微芯片的自組裝實驗,分析用于自組裝的液體體積對微芯片自組裝的成功率和時間的影響;得到了微芯片與基底錯動距離對微芯片自組裝成功率的影響;此外進行了矩形和圓形微芯片的自組裝實驗,為表面張力自組裝技術在電子領域的推廣奠定了基礎。
【圖文】：

供組裝所需的表面張力，然后在 80℃的水浴中聚合 16h，并持續(xù)氮氣鼓泡進行攪拌，將平面硅微鏡自組裝到表面微機械驅(qū)動器上[5]；Xiaorong Xiong 采用的基板是由疏水性材料包裹的金結合位點制備的，在基底上涂覆的碳氫油只會潤濕疏水結合位點，，然后將基板和微組件浸入到水中，并將微組件組裝在浸油的結合部位，通過反復應用該技術，可以將不同批次的微組件依次組裝到單個基板上[6]；Scott 使用流體微組裝技術將電感器芯片組裝到 CMOS 晶片上[7]，流體微組裝工藝的流程如圖 1-1 所示； Acobs 等人基于低溫熔化焊料的表面張力相互作用，展示了半導體器件在圖案化的柔性和彎曲基板上的集成組裝，將半導體器件置于流體中，焊料-水界面的自由能最小化為微器件提供了驅(qū)動力，將 280 微米的 111 個 GaAlAs 發(fā)光二極管制造成原型圓柱形顯示器[8]。在液體介質(zhì)中也可以利用該技術實現(xiàn)微器件與微器件的組裝來搭建三維結構，通過微器件結合面的結構設計或化學改性實現(xiàn)其可控組裝。Hosokawa 等人通過設計部件的幾何形狀以定制它們之間的吸引力[9]，由于微組件表面材料的潤濕性使他們浮在水面上，同時由于水面上相同高度的部件彼此吸引，而不同高度的部件相互排斥，通過這種吸引和排斥的相互作用來產(chǎn)生更多種類的受控組裝。Bowden 等人進行了位于全氟萘烷/水界面的 PDMS 六邊形部件的二維裝配[10]。

液體表面張力實現(xiàn)組裝操作。Fang 等人研發(fā)了一種新穎的表面張力驅(qū)動的自組裝技術[1該技術在空氣環(huán)境中在 4 英寸的硅基板上組裝 28 個方形壓電傳感器（PZT）執(zhí)行器；Fang 和 Bohringer 設計了一種基于形狀識別和空氣環(huán)境中表面張力驅(qū)動的新型微裝配工藝[12]，使用振動的方法來驅(qū)動微部件，在約 2 分鐘內(nèi)實現(xiàn)了 1000 個微部件與受體部位自對齊，完成組裝過程，缺陷率接近 1%；Fukushima 在硅晶片上展示了基于氫氟酸表面張力的毫米級芯片自組裝，并在室溫下氟化氫輔助直接鍵合，用于制造三維集成電路，組裝精度可高達 50 納米[13]。Chang B 課題組介紹了一種在空氣中的表面張力自組裝技術，該技術中采用親水性/疏水性表面的基底，利用粘合劑的表面張力來驅(qū)動微芯片在親水性目標位點實現(xiàn)自組裝[14]，之后也驗證了微芯片可以在疏水受體位點進行自組裝[15]Chang B 采用液體自組裝將射頻識別（RFID）芯片自對準在四個焊盤上，此外還研究了可能影響理論和實驗中自對齊的關鍵參數(shù)的影響[16]。他們還研發(fā)了一種新穎的多功能水滴自對齊技術，其中水以霧狀形式進入裝配區(qū)域[17]，可以同時進行大批量的微芯片組裝Chang B 首次展示了微芯片在圖案化的可拉伸基底上的自對齊[18]，組裝基底上的親水性受體位點被涂覆了超疏水材料區(qū)域包圍該。此外 Chang B 還研發(fā)了一種結合激光模板轉(zhuǎn)移和霧化液滴毛細力自對齊的微組裝技術[19]。
【學位授予單位】：陜西科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN492

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