När man ska bygga och därefter löda ihop mycket stora matriser som består av många små komponenter blir det besvärligt att först plocka ihop komponenterna från smådelar, för hand eller med robot och sedan löda ihop dem på något effektivt sätt. Därefter ska de små komponenterna fästas på ett kretskort, allihop åt rätt håll. Går det kanske 40-50.000 komponenter på ett kretskort eller annat substrat kan det ta många timmar för en plockrobot att lägga dit allihop. Om det ens går. Med självframställning (self-assembly) kan samma montage ta tre minuter och utfallet kan till och med bli bättre.

Typiska objekt för denna typ av montage kan vara stora displayer med mängder av lysdioder, eller solceller där mängder av enskilda kiselplattor ska fästats på ett större substrat.

Lysdioder är kiselbitar som inte kan lödas direkt på kretskort utan måsta monteras inuti en hållare först. En forskargrupp vid University of Minnesota har arbetat med hur man ska kunna montera mikrometerstora lysdiodchipar i en hållare av kisel (carrier), löda fast dem där, sätta på ett lock av pyrex (encapsulation) med ledare och bygga ihop moduler som sedan kan lödas fast på kretskort. När komponenten satts samman kan den läggas på ett förbehandlat kretsort och ytlödas i en refluxugn.

Men när man talar om hundratusentals enheter börjar arbetet bli tungrott. Lösningen på problemet är dock genialsikt enkel och bygger på självframställning, alltså små detaljers förmåga att själv placera sig rätt gentemot andra, när rätt kemiska förutsättningar gäller. Ja, det är kemi. Blanda och plaska.



Vid experimentet använde man färdigtillverkade, omonterade lysdiodchipar på 0,2 x 0,2 millimeter som förpackas i två steg. Man kallar metoden Sequential shape and solder-directed self-assembly (SSSDS) och den går ut på att man blandar tre komponenter i en vätska (A) varvid de sätter ihop sig själva till en enhet. Först blandar man 3000 lysdioder och 600 carriers i etylenglykol uppvärmt till 100 grader (B). Detta får lågtemperaur-lödtennet i carriern att smälta. Lysdioderna passar i kiselhållarna på grund av sin form och blir kvar där tack vare vätningen mellan chipens undersida och lödtennet i carriern. Det lyckades at fylla samtliga 600 carriers på två minuter med god repeterbarhet.


Steg A i bilden är desamma som B i föra bilden. Steg B är motsvarar på samma sätt C i förra bilden.

Därefter silar man bort alla lösa lysdioder i en sil med halvmillimeters hål och blandar den sammansatta komponenten med 200 lock av pyrex i hundragradig etylenglykol och rör om lite till (B). Locket fäster själv och löds fast. Sammansättningen lyckades nu till 97%. De färdiga enheterna monterades på ett kretskord som automatlöddes, varefter det provades (nedan).


A1 är en liten hög med färdiga moduler som löds fast på ett kretskort (a2). Provningen (B) visar att de lyser.


Kretskortsmontage

Samma forskargrupp har kommit på hur man fäster mängder av små komponenter på större kretskort medelst självframställning.

Utmaningen var att få ett antal färdiga solcellsmoduler av kisel med guldkontakter på baksidan, i millimeterstorlek, att fästa sig i snygga rader på kretskort så att de senare kunde lödas fast och bilda färdiga solcellsplattor.

Kretskortet är belagt med lödtenn i ett lämpligt mönster, med grunda fördjupningar där en kiselbit precis passar. Problemet är att få dit kiselbiten, eller ett antal tusen bitar på rimlig tid.

Hittills har självframställning med kretskort som bas gått till så att man lagt kretskortet på botten av en behållare med vätska i, hällt i kiselbitarna och låtit dem sedimentera på botten. En stor mängd av dem faller självmant ned i de grunda groparna och lägger sig till rätta. Men tyvärr aldrig till 100%. Och sen är det svårt att skölja bort de överflödiga.

Problemet löstes genom att man belade kiselsidan av solcellsmodulen med ett lager hydrofoba molekyler, som inte gillar vatten. Guldsidan av kiselbiten belades med hydrofila molekyler, som tycker om vatten. I en behållare häller man i vatten och olja. Vattnet lägger sig längst ned och bildar en skarp gräns mot oljan som flyter ovanpå. Därefter häller man ned pulvret av kiselplattor. Detta kommer att sprida ut sig i gränsskiktet mellan de båda vätskorna och vända den hydrofoba kiselsidan upp. Alla kiselplattor vänds alltså åt samma håll på en gång.

Därefter sticker man ned kretskortet genom skiktet och drar det sakta uppåt. Kiselplattorna fäster nu med guldsidan mot lödtennet på kretskortet och lägger sig till rätta i de grunda groparna. Kortet kan tas vidare till en lödmaskin och ytlöds. Verkningsgraden är nära 100% och 64.000 komponenter kunde fästas på detta sätt på cirka 3 minuter. Det går inte att bräcka med plockrobot.

Det är inte osannolikt att dessa metoder skulle kunna utvecklas vidare så man kan fästa flera typer av olikformade komponenter på samma kretskort samtidigt. Då är det slut med plockrobotar vid framställning av små elektronikmoduler som tunnfilmskretsar, mobiltelefoner, böjbara displayer mm.


Läs mer

En beskrivning av arbetet med självsammansättande lysdioder finns på www.pnas.org/content/101/35/12814.full.pdf+html?sid=91b2e0b6-b6a6-42ea-95d9-e9cdfbc9de4a PNAS är en öppen publikation utan prenumerationsavgifter.

Självmontering på kretskort beskrivs på http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/8452912.stm