Flüssigkeit zwischen zwei Platten breitdrücken

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

folgendes Problem: Ich habe zwei Platten, zwischen denen sich eine nicht-newtonsche Flüssigkeit befindet (Viskosität ähnlich klarem Honig). Nun übe ich Druck auf die Platten aus, so dass die in der Mitte befindliche Flüssigkeit breitgedrückt wird.
Ist die ursprüngliche Form der Flüssigkeit rund, dann wird sie das nach dem Breitdrücken immer noch sein. Eine rechteckige Form wird ellipsenähnlich (experimentell ermittelt).

Die eigentliche Frage lautet nun: Wie muss die ursprüngliche Form aussehen, damit sich nach dem Drücken ein Rechteck ergibt?
Einzige Randbedingung: Die ursprüngliche Form darf nur aus einer Fläche bestehen, anderenfalls entstehen meist Lufteinschlüsse.
Kann man das mathematisch beschreiben oder hilft da nur Ausprobieren?

Viele Grüße,
Samuel

#2

Hallo,

ganz unmathematisch:

ich vermute, dass ein Rechteck mit konkaven Rändern durch zusammendrücken dann ein Rechteck wird. Gedanklich ist das die Exptrapolation der Vorgänge, die Du für den Übergang Rechteck -> Ellipse beschreibst, in die entgegengesetzte Richtung:

„Rechteck mit eingedellten Rändern“ -> Rechteck -> „Rechteck mit ausgebeutlen Rändern“.

Ob es dazu eine analytische Lösung gibt, weiß ich nicht. Jedoch könnte man das wohl gut mit der Finiten-Elemente-Methode simulieren (angefangen mit einem zusammengedrückten Rechteck und dann quasi rückwärts in der Zeit, um den „Ausgangszustand“ zu finden, der beim Zusammendrücken zu diesem Rechteck geführt hat.

Übrigends ein interessantes Problem, was je eigentlich häufig auftritt, zB. bei Verkleben von Flächen, wo ja auch der Kleber vor dem Zusammenpressen möglichst so aufgetragen sein sollte, dass er nach dem Zusammenpressen die Klebeflächen vollständig bedeckt ohne an den Rändern rauszuquillen. Ich kann mir denken, dass Ingenieure dafür schon gewitzte Lösungsansätze haben…

LG
Jochen

#3

Hi!

Also ich denke, es ist NICHT möglich, eine Rechteckform der Flüssigkeit zu erzeugen. Die Flüssigkeit versucht die Oberflächenenergie die aus der Oberflächenspannung und der Form der Oberfläche resultiert, zu minimieren. Der einzige Grund warum die Flüssigkeit am Anfang nicht zwingend kreisförmig sein muss, ist wohl die Adhäsion der Flüssigkeit an den Glasplatten.

Eine Ecke der Flüssigkeit (bei der Rechteckform) ist nur dann möglich wenn es endlich große Platten sind, die ebenfalls rechteckförmig sind.
Grundsätzlich tendiert also die Natur dazu, Energie zu minimieren und somit wird ein Rechteckt zu einem Kreis.(beachte das Verhältnis von U/A bei den geometrischen Figuren) (würdest du noch weiter drücken und wäre genug Flüssigkeit zwischen den Platten dann wär der Ablauf wie folgt: Rechteckt->Ellipse->Kreis)

Meine Überlegungen setzen aber voraus: unendlich große Platten, perfekt plane Flächen, keine Inhomogenitäten der Oberfläche und der Flüssigkeit, exakt normal auf die Oberfläche wirkende Gravitationskraft.

Eine wichtige Frage: Wenn du sagst „Ein Rechteck“ meinst du dann ein perfektes Rechteck (also ohne gerundete Ecken) oder nur eine Form die starke Ähnlichkeit mit einem Rechteck hat?
Bei Zweiterem könnt ich mir vorstellen, dass diese Form erreichbar ist.
Also meine Kernaussagen:
-> ein perfektes Rechteck ist unter oben genannten Voraussetzungen meiner Meinung nach unmöglich
-> egal wie die Ausgangsform ist, wird sich als endgültige Form immer ein Kreis bilden (bei unendlich großen Platten und unendlich viel Flüssigkeit… blabla :wink:
-> Als „Zwischenergebnis“ ist sicher eine Form die stark einem Rechteck ähnelt, möglich.

Bin schon auf eine interessante Diskussion gespannt.

#4

Hallo,
aus dem Bauch heraus muesste ein Stern eine brauchbare Ausgangsform sein, die Strahlen so etwa entlang den Diagonalen des zukuenftigen Rechteckes. Ganz exakt ausgeformte Ecken wird es kaum geben koennen.
Gruss Helmut

#5

Hallo Bernd,

ich sollte die Problembeschreibung wohl ein wenig präzisieren.
Es handelt sich um ein endlich großes, rechteckiges Stück Silicium, welches auf eine ebenfalls plane Oberfläche (größer als das Silicium) geklebt werden soll. Dabei soll die Kleberschichtdicke so dünn wie möglich sein.
Der erste Versuch war, den Kleber in mehreren Linien aufzutragen. Dabei treten allerdings die erwähnten Lufteinschlüsse auf. So entstand die Idee, den Kleber als eine Fläche aufzutragen, die dann breitgedrückt wird. (Ein Kleberauftrag über die gesamte Si-Fläche in der gewünschten Schichtdicke ist technisch nicht möglich)

(würdest du noch weiter drücken und wäre genug
Flüssigkeit zwischen den Platten dann wär der Ablauf wie
folgt: Rechteckt->Ellipse->Kreis)

Stimmt. Physik ist lange her :frowning:

Vielen Dank für die ausführliche Antwort!

Gruß,
Samuel

#6

Hallo,

ich vermute, dass ein Rechteck mit konkaven Rändern durch
zusammendrücken dann ein Rechteck wird. Gedanklich ist das die
Exptrapolation der Vorgänge, die Du für den Übergang Rechteck
-> Ellipse beschreibst, in die entgegengesetzte Richtung:

„Rechteck mit eingedellten Rändern“ -> Rechteck ->
„Rechteck mit ausgebeutlen Rändern“.

Genau. Und nun nur noch herausfinden, was „eingedellt“ in Form und Abmessungen heißt …

Jedoch könnte man das wohl gut mit der
Finiten-Elemente-Methode simulieren (angefangen mit einem
zusammengedrückten Rechteck und dann quasi rückwärts in der
Zeit, um den „Ausgangszustand“ zu finden, der beim
Zusammendrücken zu diesem Rechteck geführt hat.

Danke für den Ansatz :smile:
Kannst Du einschätzen, wie aufwändig das für einen FEM-geübten Menschen wäre? Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, müsste schnell machbar sein, aber da habe ich mich in einem Praktikum schonmal sehr verschätzt.

Übrigends ein interessantes Problem, was je eigentlich häufig
auftritt, zB. bei Verkleben von Flächen, wo ja auch der Kleber
vor dem Zusammenpressen möglichst so aufgetragen sein sollte,
dass er nach dem Zusammenpressen die Klebeflächen vollständig
bedeckt ohne an den Rändern rauszuquillen.

Genau das ist die Anwendung, die hinter dem Problem steckt (siehe Beitrag weiter oben).

Ich kann mir
denken, dass Ingenieure dafür schon gewitzte Lösungsansätze
haben…

Gut möglich, ich bin gar nicht auf die Idee gekommen dass man an anderen Stellen ähnliche Problemstellungen hat …

Viele Grüße,
Samuel

#7

Hallo,

Danke für den Ansatz :smile:
Kannst Du einschätzen, wie aufwändig das für einen FEM-geübten
Menschen wäre?

Nee, kann ich nicht. Ich verstehe zwar das Prinzip der FEM, habe aber selbst nie damit gearbeitet. Schau doch zur Not mal nach aktuellen FEM-Publikationen, finde Autoren aus Deutschland (vielleicht sogar aus Dresden oder der Ecke), ruf mal an, fahr mal vorbei, rede mit den Fachleuten. Vielleicht ergibt sich ja eine kleine Kooperation…

Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, müsste
schnell machbar sein, aber da habe ich mich in einem Praktikum
schonmal sehr verschätzt.

Hmm, wer hat das Praktikum denn betreut? Frag die doch mal…

LG
Jochen

#8

Hi!

ich sollte die Problembeschreibung wohl ein wenig präzisieren.

Da ich schon einige Erfahrung in der Bearbeitung von Silizum habe (Studium der Mikroelektronik, diverse Praktika zu Strukturierungstechniken wie Ätzen, Ionenbeschuss, Aufdampfen, Sputtern usw…) würde ich gern mehr über dein Problem erfahren - vielleicht habe ich ja eine Idee für ne Alternativlösung.

Also:
-> Was ist deine Gesamtaufgabe, die dich vor das Teilproblem „wie klebe ich am besten ein silizium-plättchen auf eine planare oberfläche“ gestellt hat?
-> Lufteinschlüsse sind unbedingt zu vermeiden?
-> Hab ich das richtig verstanden und idealerweise gibt es eine sehr dünnen, gut haftende schicht ohne lufteinschlüsse, die gleichmäßig über die gasnze rechteckfläche verteilt ist und nicht an den kanten des silizium-plättchens hervorquillt?

Dabei soll die
Kleberschichtdicke so dünn wie möglich sein.

Die gängiste Methode, eine dünne Schicht gleichmäßig auf ein plättchen aufzutragen ist das Spinning. Diese Methode setzt man beim Auftragen von Fotolack auf ein Silizium-Plättchen ein um danach durch Belichtung und Ätzprozesse eine Fotolackstruktur für nachfolgende Prozesse zu erzeugen.
Funktioniert prinzipiell so: Das Plättchen wird mit unterdruck auf einer kleinen Drehscheibe angesaugt. ins Zentrum des Plättchens gibt man einige Tropfen Fotolack. Danach lässt man das plättchen mit einigen tausend umdrehungen/min für eine festgelegte zeit (zB 30sec) rotieren. Durch die rotation und die daraus resultierenden fliehkräfte wird der lack vom zentrum aus in konzentrischen wellenbewegungen an den Rand geschleudert. überschüssiger lack fliegt vom plättchen weg und es bleibt eine sehr dünne schicht (abhängig von Drehzahl, viskosität des lacks und dauer des spin-vorgangs). Die schicht hat überlicherweise eine wulstartige überhöhung an den Rändern ist aber sonst recht gleichmäßig.

Ich frage mich nun: "Kann man damit auch Kleber auftragen?
Ich würd mal behaupten: „Ja, wenn der kleber nicht zu zähflüssig ist“
Eventuell könntest du mal versuchen, das Plättchen auf eine Hot-Plate zu legen / den Kleber vorzuwärmen um die Viskosität zu verringern und danach gleich den Spin-Vorgang starten - sollte funktionieren :wink:

#9

Hallo,

Da ich schon einige Erfahrung in der Bearbeitung von Silizum
habe (Studium der Mikroelektronik, diverse Praktika zu
Strukturierungstechniken wie Ätzen, Ionenbeschuss, Aufdampfen,
Sputtern usw…) würde ich gern mehr über dein Problem erfahren

  • vielleicht habe ich ja eine Idee für ne Alternativlösung.

Na, das passt ja - mein Fachbereich schließt sich an Deinen an: Packaging (Aufbau- und Verbindungstechnik).

-> Was ist deine Gesamtaufgabe, die dich vor das
Teilproblem „wie klebe ich am besten ein silizium-plättchen
auf eine planare oberfläche“ gestellt hat?

Wie klebe ich einen großen Chip (38x15mm²) in ein Keramik-Gehäuse (PGA)? Dabei soll die Kleberschichtdicke so gering wie möglich sein.

-> Lufteinschlüsse sind unbedingt zu vermeiden?

Ja, sonst könnte eine lokale Temperaturüberhöhung auftreten.

-> Hab ich das richtig verstanden und idealerweise gibt es
eine sehr dünnen, gut haftende schicht ohne lufteinschlüsse,
die gleichmäßig über die gasnze rechteckfläche verteilt ist
und nicht an den kanten des silizium-plättchens hervorquillt?

Genau. Der Kleber (oder was auch immer) darf ein wenig hervorquellen, nur halt nicht zu stark.

[Spinning]

Spincoating kenne ich auch, aber in dem Zusammenhang habe ich nicht dran gedacht. Dummer Weise wird der Chip zugunsten kürzerer Bonddrähte in einer Mulde montiert :frowning:

Ich frage mich nun: "Kann man damit auch Kleber auftragen?
Ich würd mal behaupten: „Ja, wenn der kleber nicht zu
zähflüssig ist“

Ich denke auch, dass das funktionieren müsste, der Kleber besitzt eine niedrige Viskosität.

Viele Grüße,
Samuel

#10

Hallo Samuel,

Aus dem Bauch heraus würde ich sagen, müsste
schnell machbar sein, aber da habe ich mich in einem Praktikum
schonmal sehr verschätzt.

eben! :wink:

mit solchen Aussagen ‚So aus dem Bauch heraus würde ich sagen …‘ bin ich auch schon auf selbigen gefallen.

Gandalf

#11

Hi,

Wie klebe ich einen großen Chip (38x15mm²) in ein
Keramik-Gehäuse (PGA)? Dabei soll die Kleberschichtdicke so
gering wie möglich sein.

Jetzt versteh ich auch warum der Klebstoff so dünnn wie möglich aufgetragen werden soll. Ich frage mich aber: ist es wirklich erforderlich, die ganze Fläche des Chips mit Klebstoff auszufüllen?
(is das sonst ein thermisches Problem?)
Muss dieser Prozess automatisierbar sein oder suchst du nur eine praktikable Möglichkeit um diesenen einen Chip im Zuge deines Praktikums im Gehäuse zu montieren?

Spincoating is in diesem Zusammenhang dann wohl leider nicht passend (würdest ja dabei den fertigen Chip eventuell beschädigen)

Spincoating kenne ich auch, aber in dem Zusammenhang habe ich
nicht dran gedacht. Dummer Weise wird der Chip zugunsten
kürzerer Bonddrähte in einer Mulde montiert :frowning:

Warum die Mulde ein Problem ist, kann ich nicht ganz nachvollziehen. (hätt ja gemeintdas Siliziumplättchen zu beschichten und nciht das Gehäuse)
Die Frage ist nur, wird der Chip beschädigt wenn man den auf nen Spincoater gibt? Ich würd sagen: ja :smiley:

Wegen der mathematischen Berechnung der idealen ausgangsfläche: halte das nicht nur für unpraktikabel (wie erzeugst du die exakte ausgangsfläche dann?) sondern auch als einen overkill an enineering. Also für eine Diplomarbeit bei der genau dies zu untersuchen ist, würd ichs verstehen aber bei nem Praktikum… Verlangt das dein Betreuer?
Ansonsten kann ich mich nur den anderen Beiträgen anschließen und meinen, dass ein Auftragen in Form einer Sternartigen Struktur mit den Spitzen an den Diagonalen des Rechtecks sicher eine Möglichkeit ist, um annähernd eine Rechteckform zu erreichen.

#12

Hallo,

Ich frage mich aber: ist es
wirklich erforderlich, die ganze Fläche des Chips mit
Klebstoff auszufüllen?
(is das sonst ein thermisches Problem?)

Genau das.

Muss dieser Prozess automatisierbar sein oder suchst du nur
eine praktikable Möglichkeit um diesenen einen Chip im Zuge
deines Praktikums im Gehäuse zu montieren?

Der Prozess ist schon automatisiert (Kleinserie), nur ist halt momentan die Kleberschicht zu dick …

Die Frage ist nur, wird der Chip beschädigt wenn man den auf
nen Spincoater gibt? Ich würd sagen: ja :smiley:

Dem ist so, obwohl ich mir da gerade eben nicht mehr so sicher bin. da muss ich mal gründlich nachdenken.

Wegen der mathematischen Berechnung der idealen
ausgangsfläche: halte das nicht nur für unpraktikabel (wie
erzeugst du die exakte ausgangsfläche dann?)

Zum Auftragen des Klebers steht ein Robotersystem mit Dispenser zur Verfügung. Damit lässt sich der Kleber schon ziemlich exakt dosieren.

sondern auch als einen overkill an enineering.

Keine Frage … es hätte ja nur sein können, dass sich schon jemand erfolgreich mit einer ähnlichen Aufgabe beschäftigt hat.

Ansonsten kann ich mich nur den anderen Beiträgen anschließen
und meinen, dass ein Auftragen in Form einer Sternartigen
Struktur mit den Spitzen an den Diagonalen des Rechtecks
sicher eine Möglichkeit ist, um annähernd eine Rechteckform zu
erreichen.

Bin morgen wieder an dem Gerät und werde mal probieren :smile:

Viele Grüße,
Samuel