الدرس 13.7الدقيق والنانويالفصل 13 · التصنيع الدقيق والنانوي

LIGA

يحفر شقوقًا عميقة بالأشعة السينية أو فوق البنفسجية، ويملؤها بالنيكل، ثم يقولب نسخًا

تصنع LIGA قطعًا معدنية دقيقة بجدران عالية مستقيمة تمامًا، مثل التروس والنوابض داخل بعض الساعات الميكانيكية. واسمها اختصار للكلمات الألمانية التي تعني الطباعة الضوئية (رسم نمط بالضوء)، والطلاء الكهربائي، والقولبة، وهي الخطوات الثلاث التي تسلسلها. وتبلغ أشكالًا أصغر وأعمق من أن تصل إليها أي أداة قطع.

الصورة: Forschungszentrum Karlsruhe, CC BY-SA 3.0, عبر Wikimedia Commons

LIGA · ستة مقاطع من المقاوم إلى النسخة المقولبةاقرأ اللوحات الست من اليسار إلى اليمين، بدءًا من الصف العلوي؛ وتطابق الأرقام المحاطة بدوائر الخطوات أدناه.

كيف تعمل

غطِّ بمقاوم سميك. تُلصق طبقة من المقاوم (resist)، وهو بلاستيك يغيّره الضوء كيميائيًا، بلوحة قاعدة معدنية. المقاومات الشائعة PMMA (أكريليك) وSU-8 (إيبوكسي)، بسمك يصل إلى مليمترات.
التعريض. تضيء أشعة سينية متوازية من السنكروترون (مسرّع جسيمات حلقي يصدر ضوءًا شديدًا)، أو ضوء فوق بنفسجي في UV-LIGA الأرخص، عبر قناع. تحجب بقع الذهب على القناع الأشعة؛ وحيث تمر يتغير المقاوم حتى القاع، وقد يستغرق ذلك ساعات.
التظهير. يذيب حمام كيميائي المقاوم المكشوف. تبقى شقوق عميقة بجدران شبه رأسية ملساء كالمرآة.
الطلاء الكهربائي التشكيلي. في حمام طلاء، يرسّب التيار الكهربائي النيكل على لوحة القاعدة العارية في قاع كل شق. ينمو المعدن إلى الأعلى ويملأ الشقوق ذرة ذرة، غالبًا على مدى ساعات طويلة.
اصقل وأزل. يُصقل الأعلى (يُجلَّخ مسطحًا بمادة كاشطة ناعمة)، ثم يُذاب المقاوم المتبقي. تبقى قطع معدنية قائمة بذاتها، أو حشوة قالب معدنية إن بقيت متصلة.
قولب نسخًا (اختياري). تعمل حشوة النيكل كقالب للقولبة بالحقن أو النقش الساخن (كبسها في بلاستيك مُلَيَّن). ويمكنها صنع آلاف النسخ البلاستيكية الرخيصة.

حقائق أساسية

المواد: المقاوم: PMMA أو SU-8؛ المعدن: النيكل وسبائكه، والنحاس الأحمر، والذهب؛ والنسخ من البلاستيك أو السيراميك
القطع النموذجية: تروس ونوابض الساعات، وتروس دقيقة، وفوهات، ومحرّكات مشطية لأنظمة MEMS، وقوالب لشرائح الموائع الدقيقة
حجم القطعة: ميزات بحجم بضعة ميكرونات؛ وارتفاعات من عشرات الميكرونات إلى مليمترات؛ والقطع عادةً بعرض مليمترات
الدقة: دقة أقل من الميكرون جانبيًا؛ ونسب ارتفاع إلى عرض تصل إلى نحو 100:1 بالأشعة السينية
تشطيب السطح: جدران جانبية ملساء جدًا، شبه رأسية، كالمرآة
حجم الدفعة المناسب: قطع معدنية بسلاسل صغيرة إلى متوسطة؛ ونسخ بلاستيكية مقولبة بسلاسل كبيرة
كلفة العدّة والآلة: LIGA بالأشعة السينية تحتاج إلى وقت سنكروترون نادر ومكلف؛ أما UV-LIGA فتستخدم مصابيح فوق بنفسجية عادية وهي أرخص بكثير؛ إضافة إلى الأقنعة وحمامات الطلاء
السرعة: بطيء: التعريض والطلاء يستغرق كل منهما ساعات، لكن لوحة واحدة تحمل قطعًا كثيرة معًا

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

جدران عالية رقيقة جدًا تبقى شبه رأسية وملساء
دقة أقل من الميكرون في قطع بارتفاع مليمترات
قطع معدنية مصمتة، لا مجرد طلاءات رقيقة
قالب معدني يصنع نسخًا بلاستيكية رخيصة

الحدود

نسخة الأشعة السينية تحتاج إلى سنكروترون: نادر وغالٍ
أزمنة تعريض وطلاء طويلة
أشكال 2.5D فقط (محيط مسطح مبثوق رأسيًا)، دون تجاويف معاكسة
UV-LIGA أرخص لكنها أقل ارتفاعًا وأقل دقة

أين تُستخدم

صناعة الساعاتعجلات الهروب، والمراسي، والنوابض، والعقارب (قطع نيكل بـ UV-LIGA)
MEMS (أنظمة كهروميكانيكية دقيقة، آلات صغيرة على الشرائح)تروس دقيقة، ومشغّلات، ومحرّكات مشطية، ومفاتيح ضوئية
الطبإبر دقيقة، وقوالب لبطاقات اختبار الموائع الدقيقة، وأجزاء المعينات السمعية
البصريات والأشعة السينيةعدسات أشعة سينية، وقوالب مطيافات دقيقة، وشبكات حيود
الإلكترونياتموصّلات دقيقة، وإبر مسابر لاختبار الشرائح
الطاقة (تاريخيًا)فوهات الفصل لإثراء اليورانيوم، أصل LIGA في الثمانينيات

كيف تتعرف عليها

نادرًا ما سترى قطع LIGA: فهي مخبّأة داخل الساعات الميكانيكية وبطاقات مسابر اختبار الشرائح وأجهزة الموائع الدقيقة.
ترس أو نابض معدني صغير بجدران مستقيمة لامعة حتى تبدو مصقولة، وأرق من شعرة في بعض المواضع.
المحيط نفسه من الأعلى إلى الأسفل، بزوايا داخلية حادة ودون ميل (التدرّج الخفيف الذي تحتاجه معظم القطع المقولبة).
نسخ LIGA مقولبة: شرائح بلاستيكية شفافة بقنوات دقيقة أو أعمدة صغيرة، لا تُرى إلا بمكبّرة.

قارنها بـ

الطباعة الضوئية الحجرية13.2خطوة الرسم بالضوء نفسها، لكن في مقاوم رقيق لأنماط شرائح مسطحة؛ أما LIGA فتذهب عميقًا وتضيف المعدن.التشكيل الكهربائي11.7ينمّي قطعًا معدنية بالطلاء على نمط؛ وLIGA هي الطلاء الكهربائي التشكيلي داخل قالب دقيق ضوئي.التشغيل بليزر الفيمتو ثانية13.6يصنع أيضًا قطعًا دقيقة، لكن بإزالة المادة من صفيحة مصمتة؛ أما LIGA فتنمّيها بجدران أكثر استقامة وارتفاعًا.

شاهدها

Support Center for Microsystems Education · جولة متحركة في كل خطوة من LIGA

sylmandcls · خط شعاع حقيقي لطباعة ضوئية بالأشعة السينية في سنكروترون

Mimotec SA · كيف ينتج صانع سويسري قطع ساعات بـ UV-LIGA

Tech Ed · أين تقع LIGA بين طرائق صنع الآلات الدقيقة الأخرى

شاهد صورًا حقيقية

ويكيبيديا: LIGA — صور لفوهة إثراء يورانيوم، ومفتاح ضوئي، وقالب مطياف دقيق، وعدسات أشعة سينية
البحث عن الصور في ويكيميديا كومنز

تذكّر

LIGA: ارسم شقوقًا عميقة بالأشعة السينية أو فوق البنفسجية، واملأها بالنيكل، ثم قولب نسخًا إن أردت.
تصنع قطعًا دقيقة عالية بجدران مستقيمة لا تصل إليها أي أداة قطع.
LIGA بالأشعة السينية هي الأدق لكنها تحتاج إلى سنكروترون؛ وUV-LIGA هي الحصان العامل الأرخص في صناعة الساعات.