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使用燈而不是機器人來組裝電子元件

一個國際研究團隊開發了一種新的基于光的操作方法,有朝一日可用于大規模生產智能手機,計算機和其他設備的電子元件。生產這些組件的更便宜和更快捷的方式可以使連接日常物品(從衣服到家用電器)到互聯網的成本降低,從而推進了被稱為物聯網的概念。微操縱技術也可用于為移動設備電池創建更安全和更快速的充電替代品。

光學陷阱使用光來保持和移動液體中的小物體,是用于組裝電子和光學裝置的有前途的非接觸方法。然而,當將這些陷阱用于制造應用時,必須除去液體,該過程傾向于取代使用光阱形成的任何圖案或結構。

在光學學會(OSA)期刊Optics Express中,蘇格蘭格拉斯哥大學Steven Neale微操作研究小組的研究人員詳細介紹了使用先進的光學捕獲方法(稱為光電鑷子)組裝電觸點的方法。得益于Neale研究小組成員Shuailong Zhang開發的創新冷凍干燥方法,可以在不干擾組裝部件的情況下清除液體。

“這些光電鑷子所形成的力量已經與Star-Trek相比,就像拖拉機橫梁一樣可以通過介質移動物體而沒有任何東西接觸它們,”Neale說。“這讓人想起沒有機器人手臂的裝配線圖像。相反,分散的組件幾乎神奇地組裝起來,因為它們是由光線模式引導的。”

研究人員通過組裝微小焊珠圖案和光電陷阱,去除液體,然后加熱圖案將珠子融合在一起,形成電連接,展示了這項技術。他們使用焊珠證明將來可以組裝和熔合這些微粒以形成電連接。

“光電鑷子具有成本效益,可以對顆粒進行平行微操作,”現任加拿大多倫多大學的張說。“原則上,我們可以同時移動10,000顆珠子。將其與我們的冷凍干燥方法相結合,創造了一個非常便宜的平臺,適合大規模生產。”

改進電子制造業

這項新技術可以提供一種替代方法來制造連接當今大多數電子產品中所用組件的電路板。這些類型的設備目前使用自動化機器制造,這些機器拾取微小部件,將它們放置在電路板上并將它們焊接到位。這個過程需要昂貴的電動平臺來定位電路板和昂貴的高精度機械臂以拾取并將微小部件放置在設備上。隨著電子設備尺寸的縮小提高了精度要求,這些顯微操作系統的成本持續上升。

“光電鑷子和冷凍干燥技術不僅可用于組裝焊珠,還可用于組裝各種物體,如半導體納米線,碳納米管,微型激光器和微型LED,”張說。“最終,我們希望使用這種工具將電容器和電阻器等電子元件以及光子器件(如激光器和LED)組裝在一起,用于設備或系統。”

用光電操作捕獲粒子

研究人員使用光電鑷子,因為這種光學操縱方法可以同時形成數千個陷阱,提供大規模并行組裝的潛力。鑷子使用硅層形成,當暴露于光時,硅層改變其導電性。在暴露于光點的區域中,形成非均勻電場,其與硅頂部上的液體層中的顆粒或珠子相互作用,允許通過移動光點來精確地移動顆粒。創建光點圖案可以同時移動多個粒子。

“使用我們的方法,我們可以將焊珠從納米范圍內移動到約150微米,”張說。“我們已經能夠移動超過150微米的物體,但它更具挑戰性,因為隨著物體尺寸的增加,摩擦力也會增加。”

在使用光電鑷子組裝40微米直徑的市售焊珠圖案后,研究人員將光電鑷子裝置中的液體凍結,然后降低周圍壓力,使冷凍液體從固體直接變成加油站。這種冷凍干燥方法允許組裝的焊珠在移除液體后保持固定在適當位置。研究人員表示,它可用于去除任何類型光阱所使用的液體,甚至是用聲波形成的陷阱。

除了將焊珠組裝成不同的線條外,研究人員還展示了幾個珠子的平行組裝,并使用這些珠子形成電連接。焊珠具有很強的介電力,這意味著它們可以準確快速地移動,從而可以非常有效地組裝結構。

研究人員正在努力將他們基于實驗室的系統轉變為將光電鑷子和冷凍干燥工藝結合在一起的系統。他們還在開發一個軟件界面,以根據需要捕獲的粒子數控制光圖案的生成。

“我們現在正在使用計算機生成燈光模式以移動珠子,但我們正在開發一款可以使用平板電腦或智能手機的應用程序,”張說。“這可能允許某人遠離系統并使用他們的手指來控制粒子的運動,例如。”

Neale最近獲得資金,通過使用新的光學顯微操作方法創建高能量密度電容器來替代移動設備中的電池,繼續這一研究。

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