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Lección 13.7Micro y nanoCapítulo 13 · Micro y nanofabricación

LIGA

Dibuja ranuras profundas con rayos X o UV, las rellena de níquel y luego moldea copias

LIGA hace piezas metálicas diminutas con paredes altas y perfectamente rectas, como los engranajes y muelles del interior de algunos relojes mecánicos. Su nombre abrevia las palabras alemanas para litografía (dibujar un patrón con luz), galvanoplastia y moldeo, los tres pasos que encadena. Llega a formas demasiado pequeñas y profundas para cualquier herramienta de corte.

LIGA: una foto real
Foto: Forschungszentrum Karlsruhe, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons
Dibuja con rayos X, rellena con níquel y luego copia por moldeoLIGA en seis estados · secciones, sin escala1Aplica resina fotosensible gruesaresina gruesa (PMMA)placa base metálicahasta milímetros de espesor2Expón a rayos XRayos X de un sincrotrónmáscaralos rayos solo pasan por los huecos3Revelarranuras profundasla resina expuesta se elimina con el lavado4Electroformar níquelbaño de galvanoplastiael níquel crece desde la base5Lapea plano, retira la resinapiezas de níquelpiezas metálicas autoportantes6Moldea copias de plásticoinserto de níquelcopia de plásticoel níquel se convierte en un moldePlástico (resina, copia)Metal (base, máscara, níquel)Rayos XBaño de galvanoplastia
LIGA · seis secciones de la resina a la copia moldeadaLee los seis paneles de izquierda a derecha, primero la fila de arriba; los números en círculo corresponden a los pasos de abajo.

Cómo funciona

  1. Recubre con una resina gruesa. Una capa de resina fotosensible, un plástico que la luz puede cambiar químicamente, se adhiere a una placa base metálica. Las resinas habituales son PMMA (acrílico) y SU-8 (una epoxi), de hasta milímetros de espesor.

  2. Expón. Rayos X paralelos de un sincrotrón (un acelerador de partículas en forma de anillo que emite luz intensa), o luz UV en el UV-LIGA más barato, brillan a través de una máscara. Las zonas de oro de la máscara bloquean los rayos; donde pasan, la resina cambia hasta el fondo, lo que puede llevar horas.

  3. Revela. Un baño químico disuelve la resina expuesta. Quedan ranuras profundas, con paredes casi verticales y lisas como un espejo.

  4. Electroforma. En un baño de recubrimiento, la corriente eléctrica deposita níquel sobre la placa base desnuda en el fondo de cada ranura. El metal crece hacia arriba y rellena las ranuras átomo a átomo, a menudo durante muchas horas.

  5. Lapea y retira. La parte superior se lapea (se rectifica plana con abrasivo fino), y luego se disuelve la resina sobrante. Quedan piezas metálicas independientes, o un inserto de molde metálico si permanecen unidas.

  6. Moldea copias (opcional). El inserto de níquel sirve de molde para el moldeo por inyección o el estampado en caliente (presionarlo contra plástico ablandado). Puede hacer miles de réplicas de plástico baratas.

Datos clave

Materiales
Resina: PMMA o SU-8; metal: níquel, aleaciones de níquel, cobre, oro; copias en plásticos o cerámicas
Piezas típicas
Engranajes y muelles de reloj, microengranajes, toberas, accionamientos de peine para MEMS, moldes para chips microfluídicos
Tamaño de pieza
Detalles de unas pocas micras; alturas desde decenas de micras hasta milímetros; piezas normalmente de milímetros de ancho
Precisión
Precisión submicrométrica de lado a lado; relaciones altura-anchura de hasta unas 100:1 con rayos X
Acabado superficial
Paredes laterales muy lisas, casi verticales y como un espejo
Tamaño de lote adecuado
Piezas metálicas en series pequeñas a medianas; copias de plástico moldeadas en series grandes
Coste de utillaje y máquina
El LIGA de rayos X necesita tiempo de sincrotrón, escaso y caro; el UV-LIGA usa lámparas UV normales y es mucho más barato; además de máscaras y baños de recubrimiento
Velocidad
Lento: la exposición y el recubrimiento llevan horas cada uno, pero una placa contiene muchas piezas a la vez

Ventajas y límites

Ventajas

  • Paredes muy altas y finas que se mantienen casi verticales y lisas
  • Precisión submicrométrica en piezas de milímetros de altura
  • Piezas metálicas macizas, no solo recubrimientos finos
  • Un molde metálico hace copias de plástico baratas

Límites

  • La versión de rayos X necesita un sincrotrón: escaso y caro
  • Tiempos largos de exposición y de recubrimiento
  • Solo formas 2,5D (un contorno plano extruido hacia arriba en vertical), sin contrasalidas
  • El UV-LIGA es más barato pero menos alto y menos preciso

Dónde se usa

  • RelojeríaRuedas de escape, áncoras, muelles, agujas (piezas de níquel UV-LIGA)
  • MEMS (sistemas microelectromecánicos, máquinas diminutas en chips)Microengranajes, actuadores, accionamientos de peine, conmutadores ópticos
  • MedicinaMicroagujas, moldes para tarjetas de ensayo microfluídicas, piezas de audífonos
  • Óptica y rayos XLentes de rayos X, moldes de microespectrómetros, redes de difracción
  • ElectrónicaMicroconectores, agujas de sonda para probar chips
  • Energía (histórico)Toberas de separación para el enriquecimiento de uranio, el origen del LIGA en los años 80

Cómo reconocerlo

  • Rara vez verás piezas LIGA: están ocultas dentro de relojes mecánicos, tarjetas de sonda para probar chips y dispositivos microfluídicos.
  • Un diminuto engranaje o muelle metálico con paredes tan rectas y brillantes que parecen pulidas, más fino que un cabello en algunos puntos.
  • El mismo contorno de arriba abajo, con esquinas interiores vivas y sin ángulo de desmoldeo (la ligera conicidad que necesitan la mayoría de las piezas moldeadas).
  • Copias moldeadas de LIGA: chips de plástico transparente con microcanales o diminutos pilares, visibles solo con una lupa.

Compáralo con

Fotolitografía13.2el mismo paso de dibujar con luz, pero en una resina fina para patrones planos de chips; el LIGA va en profundidad y añade metal.Electroformado11.7hace crecer piezas metálicas recubriendo un patrón; el LIGA es electroformado dentro de un micromolde litográfico.Mecanizado con láser de femtosegundos13.6también hace micropiezas, pero eliminando material de una chapa maciza; el LIGA las hace crecer, con paredes más rectas y altas.

Míralo

Support Center for Microsystems Education · Un recorrido animado por cada paso del LIGA

sylmandcls · Una línea de haz real de litografía de rayos X en un sincrotrón

Mimotec SA · Cómo un fabricante suizo produce piezas de reloj UV-LIGA

Tech Ed · Dónde encaja el LIGA entre otras formas de hacer micromáquinas

Ver fotos reales

Recuerda

  • LIGA: dibuja ranuras profundas con rayos X o UV, rellénalas de níquel y, si quieres, moldea copias.
  • Hace micropiezas altas y de paredes rectas a las que ninguna herramienta de corte puede llegar.
  • El LIGA de rayos X es el más preciso pero necesita un sincrotrón; el UV-LIGA es el caballo de batalla más barato de la relojería.

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