Lição 13.7Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

LIGA

Desenha ranhuras profundas com raios X ou UV, as preenche com níquel e depois molda cópias

A LIGA faz minúsculas peças de metal com paredes altas e perfeitamente retas, como as engrenagens e molas dentro de alguns relógios mecânicos. Seu nome abrevia as palavras alemãs para litografia (desenhar um padrão com luz), galvanoplastia e moldagem, as três etapas que ela encadeia. Alcança formas pequenas e profundas demais para qualquer ferramenta de corte.

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

LIGA · seis cortes do resiste à cópia moldadaLeia os seis quadros da esquerda para a direita, começando pela linha de cima; os números circulados correspondem às etapas abaixo.

Como funciona

Aplique um resiste espesso. Uma camada de resiste, um plástico que a luz pode alterar quimicamente, é colada a uma placa-base de metal. Os resistes comuns são o PMMA (acrílico) e o SU-8 (um epóxi), com até milímetros de espessura.
Exponha. Raios X paralelos de um síncrotron (um acelerador de partículas em forma de anel que emite luz intensa), ou luz UV na UV-LIGA, mais barata, passam por uma máscara. Áreas de ouro na máscara bloqueiam os raios; onde eles passam, o resiste muda até o fundo, o que pode levar horas.
Revele. Um banho químico dissolve o resiste exposto. Ficam ranhuras profundas, com paredes quase verticais e lisas como espelho.
Eletroforme. Em um banho de deposição, a corrente elétrica deposita níquel na placa-base nua no fundo de cada ranhura. O metal cresce para cima e preenche as ranhuras átomo por átomo, muitas vezes ao longo de muitas horas.
Lape e remova. O topo é lapidado (retificado até ficar plano com abrasivo fino), depois o resiste restante é dissolvido. Ficam peças de metal autônomas, ou um inserto de molde de metal se elas continuarem unidas.
Moldar cópias (opcional). O inserto de níquel serve de molde para moldagem por injeção ou estampagem a quente (pressionado em plástico amolecido). Pode fazer milhares de réplicas baratas em plástico.

Dados-chave

Materiais: Resiste: PMMA ou SU-8; metal: níquel, ligas de níquel, cobre, ouro; cópias em plásticos ou cerâmicas
Peças típicas: Engrenagens e molas de relógios, microengrenagens, bocais, acionamentos de pente para MEMS, moldes para chips de microfluídica
Tamanho da peça: Detalhes de poucos mícrons; alturas de dezenas de mícrons a milímetros; peças normalmente de milímetros de largura
Precisão: Precisão submicrométrica lateral; razões altura-largura de até cerca de 100:1 com raios X
Acabamento superficial: Paredes laterais muito lisas, quase verticais, como espelho
Tamanho de lote adequado: Peças de metal em séries pequenas a médias; cópias de plástico moldadas em grandes séries
Custo de ferramental e máquinas: A LIGA com raios X precisa de tempo de síncrotron raro e caro; a UV-LIGA usa lâmpadas UV comuns e é muito mais barata; além de máscaras e banhos de deposição
Velocidade: Lenta: a exposição e a deposição levam horas cada, mas uma placa carrega muitas peças de uma vez

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Paredes muito altas e finas que continuam quase verticais e lisas
Precisão submicrométrica em peças de milímetros de altura
Peças de metal maciço, não só finos revestimentos
Um molde de metal faz cópias baratas em plástico

Limites

A versão com raios X precisa de um síncrotron: raro e caro
Longos tempos de exposição e de deposição
Só formas 2,5D (um contorno plano extrudado para cima), sem reentrâncias
A UV-LIGA é mais barata, mas menos alta e menos precisa

Onde é usado

RelojoariaRodas de escape, âncoras, molas, ponteiros (peças de níquel por UV-LIGA)
MEMS (sistemas microeletromecânicos, minúsculas máquinas em chips)Microengrenagens, atuadores, acionamentos de pente, chaves ópticas
MedicinaMicroagulhas, moldes para cartões de teste de microfluídica, peças de aparelhos auditivos
Óptica e raios XLentes de raios X, moldes de microespectrômetros, grades de difração
EletrônicaMicroconectores, agulhas de sonda para testar chips
Energia (histórico)Bocais de separação para enriquecimento de urânio, a origem da LIGA nos anos 1980

Como reconhecê-lo

Você raramente verá peças de LIGA: elas ficam escondidas dentro de relógios mecânicos, de placas de sonda para teste de chips e de dispositivos de microfluídica.
Uma minúscula engrenagem ou mola de metal com paredes tão retas e brilhantes que parecem polidas, mais finas que um fio de cabelo em alguns pontos.
O mesmo contorno de cima a baixo, com cantos internos vivos e sem ângulo de saída (a leve conicidade de que a maioria das peças moldadas precisa).
Cópias moldadas de LIGA: chips de plástico transparente com microcanais ou minúsculos pilares, visíveis só sob uma lupa.

Compare com

Fotolitografia13.2a mesma etapa de desenhar com luz, mas em resiste fino para padrões planos de chips; a LIGA vai fundo e acrescenta metal.Eletroformação11.7faz crescer peças de metal por deposição sobre um padrão; a LIGA é eletroformação dentro de um micromolde litográfico.Usinagem a laser de femtossegundos13.6também faz micropeças, mas removendo material de uma chapa maciça; a LIGA as faz crescer, com paredes mais retas e mais altas.

Assista

Support Center for Microsystems Education · Um passeio animado por cada etapa da LIGA

sylmandcls · Uma linha de feixe real de litografia por raios X em um síncrotron

Mimotec SA · Como um fabricante suíço produz peças de relógio por UV-LIGA

Tech Ed · Onde a LIGA se encaixa entre outras formas de fazer micromáquinas

Veja fotos reais

Wikipedia: LIGA — fotos de um bocal de enriquecimento de urânio, de uma chave óptica, de um molde de microespectrômetro e de lentes de raios X
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

LIGA: desenhe ranhuras profundas com raios X ou UV, preencha-as com níquel e depois, se quiser, molde cópias.
Faz micropeças altas e de paredes retas que nenhuma ferramenta de corte alcança.
A LIGA com raios X é a mais precisa, mas precisa de um síncrotron; a UV-LIGA é o cavalo de batalha mais barato da relojoaria.