Lektion 13.7Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

LIGA

Zeichnet tiefe Schlitze mit Röntgenstrahlen oder UV, füllt sie mit Nickel und formt dann Kopien ab

LIGA erzeugt winzige Metallteile mit hohen, vollkommen geraden Wänden, etwa die Zahnräder und Federn im Inneren mancher mechanischer Uhren. Der Name ist eine Abkürzung der deutschen Wörter Lithografie (ein Muster mit Licht zeichnen), Galvanoformung und Abformung, der drei Schritte, die es verkettet. Es erreicht Formen, die für jedes Schneidwerkzeug zu klein und zu tief sind.

Foto: Forschungszentrum Karlsruhe, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

LIGA · sechs Querschnitte vom Resist bis zur abgeformten KopieDie sechs Bilder von links nach rechts lesen, obere Reihe zuerst; die eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten.

So funktioniert es

Einen dicken Resist auftragen. Eine Resistschicht, ein Kunststoff, den Licht chemisch verändern kann, wird auf eine Metallgrundplatte gebunden. Gängige Resists sind PMMA (Acryl) und SU-8 (ein Epoxid), bis zu Millimetern dick.
Belichten. Parallele Röntgenstrahlen eines Synchrotrons (eines ringförmigen Teilchenbeschleunigers, der intensives Licht aussendet), oder UV-Licht beim günstigeren UV-LIGA, leuchten durch eine Maske. Goldflächen auf der Maske blockieren die Strahlen; wo sie durchkommen, verändert sich der Resist bis ganz nach unten, was Stunden dauern kann.
Entwickeln. Ein chemisches Bad löst den belichteten Resist auf. Tiefe Schlitze bleiben zurück, mit nahezu senkrechten, spiegelglatten Wänden.
Galvanoformung. In einem Galvanikbad scheidet elektrischer Strom Nickel auf der blanken Grundplatte am Boden jedes Schlitzes ab. Das Metall wächst nach oben und füllt die Schlitze Atom für Atom, oft über viele Stunden.
Läppen und strippen. Die Oberseite wird geläppt (mit feinem Schleifmittel plan geschliffen), dann wird der verbleibende Resist aufgelöst. Freistehende Metallteile bleiben zurück, oder ein Metallformeinsatz, wenn sie verbunden bleiben.
Kopien abformen (optional). Der Nickeleinsatz dient als Form für Spritzgießen oder Heißprägen (Pressen in erweichten Kunststoff). Er kann tausende günstige Kunststoffkopien erzeugen.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Resist: PMMA oder SU-8; Metall: Nickel, Nickellegierungen, Kupfer, Gold; Kopien in Kunststoffen oder Keramik
Typische Teile: Uhrenzahnräder und -federn, Mikrozahnräder, Düsen, Kammantriebe für MEMS, Formen für mikrofluidische Chips
Bauteilgröße: Merkmale von wenigen Mikrometern; Höhen von einigen zehn Mikrometern bis Millimetern; Teile meist Millimeter groß
Präzision: Seitliche Genauigkeit unter einem Mikrometer; Aspektverhältnisse (Höhe zu Breite) bis etwa 100:1 mit Röntgenstrahlen
Oberfläche: Sehr glatte, nahezu senkrechte, spiegelartige Seitenwände
Geeignete Losgröße: Metallteile in kleinen bis mittleren Serien; abgeformte Kunststoffkopien in großen Serien
Werkzeug- und Maschinenkosten: Röntgen-LIGA braucht seltene, teure Synchrotronzeit; UV-LIGA nutzt gewöhnliche UV-Lampen und ist weit günstiger; dazu Masken und Galvanikbäder
Geschwindigkeit: Langsam: Belichten und Galvanisieren dauern je Stunden, aber eine Platte trägt viele Teile gleichzeitig

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr hohe, dünne Wände, die nahezu senkrecht und glatt bleiben
Präzision unter einem Mikrometer an Teilen, die Millimeter hoch sind
Massive Metallteile, nicht nur dünne Beschichtungen
Eine Metallform erzeugt günstige Kunststoffkopien

Grenzen

Die Röntgenversion braucht ein Synchrotron: selten und teuer
Lange Belichtungs- und Galvanisierzeiten
Nur 2,5D-Formen (eine flache Kontur, gerade nach oben extrudiert), keine Hinterschneidungen
UV-LIGA ist günstiger, aber weniger hoch und weniger präzise

Wo es eingesetzt wird

UhrmachereiHemmungsräder, Anker, Federn, Zeiger (UV-LIGA-Nickelteile)
MEMS (mikroelektromechanische Systeme, winzige Maschinen auf Chips)Mikrozahnräder, Aktuatoren, Kammantriebe, optische Schalter
MedizinMikronadeln, Formen für mikrofluidische Testkarten, Hörgeräteteile
Optik und RöntgenRöntgenlinsen, Formen für Mikrospektrometer, Gitter
ElektronikMikrosteckverbinder, Prüfnadeln zum Testen von Chips
Energie (historisch)Trenndüsen zur Urananreicherung, der Ursprung von LIGA in den 1980er-Jahren

So erkennen Sie es

LIGA-Teile sieht man selten: Sie stecken verborgen in mechanischen Uhren, Chip-Prüfkarten und mikrofluidischen Geräten.
Ein winziges Metallzahnrad oder eine Feder mit so geraden und glänzenden Wänden, dass sie poliert wirken, stellenweise dünner als ein Haar.
Dieselbe Kontur von oben bis unten, mit scharfen Innenecken und ohne Formschräge (die leichte Verjüngung, die die meisten Formteile brauchen).
Abgeformte LIGA-Kopien: klare Kunststoffchips mit Mikrokanälen oder winzigen Säulen, nur unter der Lupe sichtbar.

Im Vergleich mit

Fotolithografie13.2derselbe Schritt „mit Licht zeichnen“, aber in dünnem Resist für flache Chipmuster; LIGA geht tief und fügt Metall hinzu.Galvanoformung11.7lässt Metallteile durch Galvanisieren auf einem Muster wachsen; LIGA ist Galvanoformung in einer lithografischen Mikroform.Femtosekundenlaser-Bearbeitung13.6erzeugt ebenfalls Mikroteile, aber durch Materialabtrag aus einem massiven Blech; LIGA lässt sie wachsen, mit geraderen, höheren Wänden.

Ansehen

Support Center for Microsystems Education · Ein animierter Rundgang durch jeden LIGA-Schritt

sylmandcls · Eine echte Röntgenlithografie-Strahlführung an einem Synchrotron

Mimotec SA · Wie ein Schweizer Hersteller UV-LIGA-Uhrenteile produziert

Tech Ed · Wo LIGA unter den anderen Wegen zur Herstellung von Mikromaschinen steht

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: LIGA-Verfahren — Fotos einer Urananreicherungsdüse, eines optischen Schalters, einer Mikrospektrometerform und von Röntgenlinsen
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

LIGA: tiefe Schlitze mit Röntgenstrahlen oder UV zeichnen, mit Nickel füllen, dann optional Kopien abformen.
Es erzeugt hohe Mikroteile mit geraden Wänden, die kein Schneidwerkzeug erreicht.
Röntgen-LIGA ist am präzisesten, braucht aber ein Synchrotron; UV-LIGA ist das günstigere Arbeitspferd der Uhrmacherei.