Magnetic self-assembly with unique rotational alignment

136 Pages·2015·1.74 MB·English

Magnetic self-assembly
with unique rotational alignment
Emine Eda Kuran
Propositions
accompanyingthedissertation
MAGNETICSELF-ASSEMBLYWITHUNIQUEROTATIONALALIGNMENT
by
EmineEdaKURAN
1. Inself-assembly,regardlessofthenatureoftheforcethatalignstheparts,using
shapeasymmetryandshapematchingisnecessarytoreachauniquerotational
alignment.(Thisthesis)
2. Self-assemblycannotdevelopintoanadvancedprocessforhigh-volumemanu-
facturing,unlesstheresearchersstarttofocusondevelopingnewmethodsforpart
presentationandpartfixationthatarecompatiblewiththephysicalconditionsof
anindustrialenvironment.(Thisthesis)
3. Themostimportantfailuremechanisminthemanufacturingprocessofflexible
electronicsisincompatibilityofmaterials.(Thisthesis)
4. Forassemblyofdelicateparts,afastanddeterministicpartpresentationmethod
ismoreadvantageouscomparedtoastochasticone.(Thisthesis)
5. Duetothehighcostofrawmaterials,flexibleelectronicsapplicationsthatrequire
asiliconchipwillneverenterthesmartpackagingmarketforperishablegoods.
6. Writingathesisisthemostenlighteningpartofthedoctoraleducation.
7. Knowinghowtoanalyzedataismoreimportantthanthedataitself.
8. Ifyouthinkaboutmoney, apreciousthingbecomesinexpensivewhenyoucan
affordit.However,timeisalwaysprecious,evenifyouhaveplentyofit.
9. Trafficjamscouldberesolved,ifpeoplewouldhavebeenmoreproudoflivingin
acountrywhichisentirelyaccessiblebypublictransportation,ratherthanbeing
proudofhavingacar.
10. Someones comprehension relies more on being interested in a subject than on
beingsmart.
Thesepropositionsareregardedasopposableanddefendable,andhavebeenapproved
assuchbythesupervisorProf.dr.UrsStaufer.
Stellingen
behorendebijhetproefschrift
MAGNETICSELF-ASSEMBLYWITHUNIQUEROTATIONALALIGNMENT
door
EmineEdaKURAN
1. Bijzelf-assemblage,ongeachtdeaardvandekrachtwaarmeeonderdelenuitge-
lijndworden,ishetgebruikvanvorm-asymmetrieenvorm-overeenkomstnood-
zakelijkvoorhetbereikenvaneenuniekerotationeleuitlijning.(Ditproefschrift)
2. Zelf-assemblagekanzichnietontwikkelentoteengeavanceerdprocesvoormas-
saproductie,tenzijdeonderzoekerszichgaanrichtenopdeontwikkelingvannieuwe
methodenvoorhetaanbiedenenbevestigenvanonderdelen.Dezemethodendie-
nencompatibeltezijnmetdeomstandighedenineenindustriëleomgeving. (Dit
proefschrift)
3. Hetbelangrijkstefaalmechanismebijdeproductievanflexibeleelektronicaisin-
compatibiliteittussenmaterialen.(Ditproefschrift)
4. Voordeassemblagevanfragieleonderdelen,genieteensnelleendeterministische
onderdeel-aanbiedings-methodedevoorkeurboveneenstochastischemethode.
(Ditproefschrift)
5. Vanwege de hoge materiaalkosten zullen flexibele elektronica toepassingen die
eensiliciumchipbevattennooitgebruiktwordenvoorslimmeverpakkingenvan
bederfelijkewaren.
6. Hetschrijvenvaneenproefschriftishetmeestverhelderendedeelvaneenpromo-
tietraject.
7. Wetenhoedatateanalyserenisbelangrijkerdandedatazelf.
8. Watgeldbetreftwordtietskostbaarsgoedkoopalsjehetjekuntveroorloven.Maar
tijdisaltijdkostbaar,zelfsalsjeergenoegvanhebt.
9. Fileskunnenopgelostwordenalsmensentrotserzijnopwonenineenlanddat
geheeltebereizenismethetopenbaarvervoer,danophetbezitvaneenauto.
10. Iemandsbegripwordtmeerbeïnvloeddoorinteresseineenonderwerpdandoor
intelligentie.
Dezestellingenwordenopponeerbaarenverdedigbaargeachtenzijnalszodanig
goedgekeurddoordepromotorProf.dr.UrsStaufer.
MAGNETIC SELF-ASSEMBLY WITH UNIQUE
ROTATIONAL ALIGNMENT

MAGNETIC SELF-ASSEMBLY WITH UNIQUE
ROTATIONAL ALIGNMENT
Proefschrift
terverkrijgingvandegraadvandoctor
aandeTechnischeUniversiteitDelft,
opgezagvandeRectorMagnificusprof.ir.K.C.A.M.Luyben,
voorzittervanhetCollegevoorPromoties,
inhetopenbaarteverdedigenop
maandag9maart2015om12:30uur
door
EmineEda KURAN
MasterofScienceinMechanicalEngineering
ColumbiaUniversity,NewYork,USA
geborenteHatay,Turkije.
Ditproefschriftisgoedgekeurddoordepromotor:
Prof.dr.U.Staufer
Copromotor:Dr.Ir.M.Tichem
Samenstellingpromotiecommissie:
RectorMagnificus, voorzitter
Prof.dr.U.Staufer, TechnischeUniversiteitDelft,promotor
Dr.ir.M.Tichem, TechnischeUniversiteitDelft,copromotor
Prof.dr.K.F.Böhringer UniversityofWashington
Prof.dr.H.O.Jacobs TechnischeUniversitätIlmenau
Prof.dr.rer.nat.A.H.Dietzel TechnischeUniversitätBraunschweig
Prof.dr.ir.J.L.Herder TechnischeUniversiteitDelft
Prof.dr.ir.F.vanKeulen, TechnischeUniversiteitDelft,reservelid
C H I P 2 F O I L
TheresearchdescribedinthisthesishasbeenfinanciallysupportedbyEUSeventhFrame-
http://www.chip2foil.eu
workProgrammeasapartoftheChip2Foilproject( ),grant
number248160.
Keywords: magneticself-assembly,ultra-thinchips,flexibleelectronics
Printedby: UitgeverijBOXPress,’s-Hertogenbosch
Front&Back: Chipsalignedwithmagneticself-assembly.
Copyright©2015byE.E.Kuran
Allrightsreserved. Nopartofthematerialprotectedbythiscopyrightnoticemaybe
reproducedorutilizedinanyformorbyanyothermeans,electronicormechanical,in-
cludingphotocopying,recordingorbyanyotherinformationstorageandretrievalsys-
tem,withoutthepriorpermissionoftheauthor.
ISBN978-94-6186-433-8
Anelectronicversionofthisdissertationisavailableat
http://repository.tudelft.nl/
.
dedicatedtomyfather...

C
ONTENTS
ListofFigures ix
ListofTables xi
1 Introduction 1
1.1 ManufacturingofFlexibleElectronics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 HandlingUTCswithSelf-Assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Chip2Foil:TechnologyPlatformforUTCassembly . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 ResearchGoalsandThesisStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 StateoftheArt:Self-Assembly 13
2.1 Micro-assemblyforflexiblesubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Self-assembly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Drivingforces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Conclusion:selectionofMSA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 PhysicsandModeling 29
3.1 Alignmentofchipintwosteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.1 Drivingforceinmagneticself-assembly . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.2 Magnetizationofelectrolessnickel. . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 Out-of-planeforces(buoyancy,surfacetension). . . . . . . . . . . 36
3.2.4 ViscousDrag. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Reachingauniquerotationalalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.1 Magnetunitconfiguration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.2 Usingdominantfeatures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Experimentaloptimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1 Magnetstrength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 Magneticmaterialonthechip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.3 Workingspaceinthemagneticfield . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.4 ViscousLayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 FabricationandAlignmentPerformance 59
4.1 ResearchsetupandExperimentalProcessFlow. . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.1 Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
vii