Leçon 13.7Micro et nanoChapitre 13 · Micro- et nanofabrication

LIGA

Dessine de profondes fentes aux rayons X ou aux UV, les remplit de nickel, puis moule des copies

Le LIGA fabrique de minuscules pièces métalliques aux hautes parois parfaitement droites, comme les engrenages et les ressorts à l'intérieur de certaines montres mécaniques. Son nom abrège les mots allemands lithographie (dessiner un motif avec de la lumière), électrodéposition et moulage, les trois étapes qu'il enchaîne. Il atteint des formes trop petites et trop profondes pour n'importe quel outil de coupe.

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

LIGA · six coupes de la résine à la copie mouléeLisez les six vignettes de gauche à droite, rangée du haut d'abord ; les numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous.

Comment ça marche

Enduire d'une résine épaisse. Une couche de résine photosensible, un plastique que la lumière peut modifier chimiquement, est collée sur une plaque de base métallique. Les résines courantes sont le PMMA (acrylique) et le SU-8 (un époxy), jusqu'à des millimètres d'épaisseur.
Exposer. Des rayons X parallèles issus d'un synchrotron (un accélérateur de particules en anneau qui émet une lumière intense), ou de la lumière UV dans l'UV-LIGA moins cher, traversent un masque. Des zones d'or sur le masque bloquent les rayons ; là où ils passent, la résine change sur toute la profondeur, ce qui peut prendre des heures.
Développer. Un bain chimique dissout la résine exposée. Il reste de profondes fentes, aux parois presque verticales et lisses comme un miroir.
Électroformer. Dans un bain de dépôt, le courant électrique dépose du nickel sur la plaque de base nue au fond de chaque fente. Le métal croît vers le haut et remplit les fentes atome par atome, souvent en de nombreuses heures.
Rôder et décaper. Le dessus est rodé (rectifié plan avec un abrasif fin), puis la résine restante est dissoute. Il reste des pièces métalliques autoportantes, ou un insert de moule métallique si elles restent reliées.
Mouler des copies (facultatif). L'insert en nickel sert de moule pour le moulage par injection ou l'estampage à chaud (le presser dans du plastique ramolli). Il peut produire des milliers de répliques en plastique peu coûteuses.

Chiffres clés

Matériaux: Résine : PMMA ou SU-8 ; métal : nickel, alliages de nickel, cuivre, or ; copies en plastiques ou en céramiques
Pièces typiques: Engrenages et ressorts de montres, micro-engrenages, buses, actionneurs à peignes pour MEMS, moules pour puces microfluidiques
Taille de pièce: Détails de quelques microns ; hauteurs de dizaines de microns à des millimètres ; pièces en général de quelques millimètres de large
Précision: Précision submicronique latéralement ; rapports hauteur/largeur jusqu'à environ 100:1 avec les rayons X
État de surface: Parois latérales très lisses, presque verticales, comme un miroir
Taille de série adaptée: Pièces métalliques en petites à moyennes séries ; copies moulées en plastique en grandes séries
Coût d'outillage et de machine: Le LIGA aux rayons X demande un temps de synchrotron rare et coûteux ; l'UV-LIGA utilise des lampes UV ordinaires et coûte bien moins ; plus les masques et les bains de dépôt
Vitesse: Lent : l'exposition et le dépôt prennent chacun des heures, mais une plaque porte de nombreuses pièces à la fois

Atouts et limites

Atouts

Parois très hautes et minces qui restent presque verticales et lisses
Précision submicronique sur des pièces de plusieurs millimètres de haut
Pièces métalliques massives, pas seulement de fins revêtements
Un moule métallique fait des copies en plastique peu coûteuses

Limites

La version aux rayons X demande un synchrotron : rare et cher
Longs temps d'exposition et de dépôt
Uniquement des formes 2,5D (un contour plat extrudé droit vers le haut), pas de contre-dépouilles
L'UV-LIGA est moins cher mais moins haut et moins précis

Où on l'utilise

HorlogerieRoues d'échappement, ancres, ressorts, aiguilles (pièces en nickel UV-LIGA)
MEMS (systèmes micro-électro-mécaniques, minuscules machines sur puces)Micro-engrenages, actionneurs, actionneurs à peignes, commutateurs optiques
MédicalMicro-aiguilles, moules pour cartes de tests microfluidiques, pièces d'appareils auditifs
Optique et rayons XLentilles à rayons X, moules de micro-spectromètres, réseaux
ÉlectroniqueMicro-connecteurs, aiguilles de sondes pour tester les puces
Énergie (historique)Buses de séparation pour l'enrichissement de l'uranium, l'origine du LIGA dans les années 1980

Comment le reconnaître

Vous verrez rarement des pièces LIGA : elles se cachent dans les montres mécaniques, les cartes à pointes de test de puces et les dispositifs microfluidiques.
Un minuscule engrenage ou ressort métallique aux parois si droites et brillantes qu'elles paraissent polies, plus fin qu'un cheveu par endroits.
Le même contour de haut en bas, avec des angles intérieurs vifs et sans dépouille (la légère conicité dont la plupart des pièces moulées ont besoin).
Des copies LIGA moulées : des puces en plastique transparent avec des microcanaux ou de minuscules piliers, visibles seulement à la loupe.

À comparer avec

Photolithographie13.2la même étape de dessin à la lumière, mais dans une fine résine pour les motifs plats des puces ; le LIGA va en profondeur et ajoute du métal.Électroformage11.7fait croître des pièces métalliques par dépôt sur un motif ; le LIGA est de l'électroformage à l'intérieur d'un micro-moule lithographique.Usinage laser femtoseconde13.6fait aussi des micropièces, mais en enlevant de la matière dans une tôle pleine ; le LIGA les fait croître, avec des parois plus droites et plus hautes.

À regarder

Support Center for Microsystems Education · Un parcours animé de chaque étape du LIGA

sylmandcls · Une vraie ligne de faisceau de lithographie aux rayons X dans un synchrotron

Mimotec SA · Comment un fabricant suisse produit des pièces de montres en UV-LIGA

Tech Ed · Où se place le LIGA parmi les autres façons de fabriquer des micromachines

Voir de vraies photos

Wikipédia : LIGA — photos d'une buse d'enrichissement d'uranium, d'un commutateur optique, d'un moule de micro-spectromètre et de lentilles à rayons X
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

LIGA : dessiner de profondes fentes aux rayons X ou aux UV, les remplir de nickel, puis éventuellement mouler des copies.
Il fabrique des micropièces hautes aux parois droites qu'aucun outil de coupe ne peut atteindre.
Le LIGA aux rayons X est le plus précis mais demande un synchrotron ; l'UV-LIGA est le cheval de bataille moins cher de l'horlogerie.