光代替机器人实现电子元件组装的新方法

纺织机械设备2019年11月15日

  一个国际研究小组已经开发出一种新的基于光学的机械操作方法,有朝一日它可以用于智能、计算机和其他设备的大规模生产电子元件。这是一种更便宜、更快的生产这些部件的方法,可以使日常用品从衣服到家用电器到因特的生产成本降低,从而推动了所谓物联的概念。显微操作技术也可能被用来创造一个更安全和更快充电的电池。

  光学陷阱是利用光来保持和移动液体中的小物体,是一种很有前途的非接触式电子和光学器件组装方法。然而,当使用这些陷阱制造应用时,液体必须被移除,这个过程会倾向于用光学陷阱取代任何已经形成的图案或结构。

  如上图所示研究人员用光电镊子组装了一串焊锡珠。通过用冷冻干燥法除去液体,组装的珠子在液体被去除后保持固定状态。

  在美国光学学会(OSA)的《OpticsExpress》杂志中,苏格兰格拉斯哥大学StevenNeale研究小组的研究人员,详细介绍他们的使用方法是一种先进的光学捕获的方法,称为光电镊子,可用于组装电触点。Neale研究小组的成员ShuailongZhang开发了一种创新的冷冻干燥的方法,可将液体在不影响组装组件的情况下移除。

  尼尔说:“这些光电镊子所形成的力量与类似于星际迷航的牵引光束相比,可以将物体移动到介质中,而没有任何物体接触它们。”这让人联想到装配线的图像没有机械臂。取而代之的是,分立元件在光线模式的引导下,几乎可以神奇地组装自己。”

  研究人员通过装配一个微小的焊料珠和光电陷阱,去除液体,然后加热图案,将珠子熔合在一起,形成电连接,从而证明了这一技术。他们用焊料珠来证明,在未来,这些微粒可以组装和融合,以创建电气连接。

  “光电镊子可在非常有性价比的条件下,实现颗粒并联的微操作,”Zhang说,他现在在加拿大的多伦多大学。“原则上,我们可以同时移动10000个珠子。与我们的冷冻干燥方法相结合,创造了一个非常便宜的平台,适合于大规模生产使用。

  改进的电子制造技术

  这种新技术可以提供一种替代电路板来连接大多数电子产品中的元器件。这些类型的设备目前使用自动机器拾取微小的部分,放在电路板上并焊接到位。这个过程需要一个昂贵的机动阶段来定位板和一个昂贵的高精度机械臂拿起和放置在设备上的微小部分。这些操作系统的成本将随着电子精度要求的尺寸缩小而继续增加。

  “光镊和冷冻干燥技术不仅可以用来组装焊珠,而且组装一个范围广泛的对象,如半导体纳米线、碳纳米管、激光器和微型LED,”Zhang说。“最后,我们希望使用这个工具在一个设备或系统中来组装电子元件,如电容器和电阻,以及光子器件,如激光器和LED。”

  光电操纵捕获粒子

  研究人员使用光电镊子,因为这种光学操作方法可以同时形成数千个陷阱,提供了大规模并行装配的潜力。镊子是用硅层形成的,它在接触光线时改变了它的导电性。在光线照射的区域,一个不均匀的电场形成与硅顶部的液体层中的粒子或珠子相互作用,使粒子通过移动光点精确移动。创建光点模式能允许多个粒子同时移动。

  Zhang说:“使用我们的方法,我们可以将纳米级范围内的焊锡珠移动到150微米左右。我们已经能够移动超过150微米的物体,但它更具挑战性,因为物体的尺寸增大,摩擦力也随之增加。”

  上图中,在使用光电镊子组装一系列焊锡珠(a)后,研究人员将液体(b)冻结,然后降低压力,使冷冻液体从固体直接转变为气体,烘干设备(c)。然后,他们加热珠,以融合成电气连接。

  利用光电镊组装一个可在市面上买到的直径为40微米的模式后,研究人员把液体在光电镊装置并减少周围的压力让冰冻的液体从固体直接变成气体。这种冷冻干燥方法允许组装的焊料珠在液体被去除后保持固定。研究人员说,它可以用来去除任何类型的光学陷阱,甚至是声波形成的陷阱所用的液体。

  除了将焊锡珠组装成不同的线外,研究人员还演示了几个珠子的平行装配,并利用珠子形成电连接。焊料珠表现出强大的介电力,这意味着它们可以移动准确和快速,使非常有效的组装结构。

  研究者们正在把他们的实验室为基础的系统,将结合光电镊子和冻干过程在一个单一的单位。他们还开发了一个软件界面,根据需要捕获的粒子数量控制光模式的产生。

  Zhang说:“我们现在使用一台计算机来生成微图案来移动珠子,但我们正在开发一款可以让平板电脑或智能取代它的应用程序。例如,这可以让人远离系统,用手指控制粒子的运动。”

  Neale最近获得了资金支持,用于研究利用新的光学显微操作方法产生高能量密度的电容器来代替移动设备中的电池的相关研究。

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