Урок 13.7Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

LIGA

Прорисовывает глубокие пазы рентгеном или УФ, заполняет их никелем, затем формует копии

LIGA делает крошечные металлические детали с высокими, идеально прямыми стенками, например шестерни и пружины внутри некоторых механических часов. Название — сокращение немецких слов, означающих литографию (рисование узора светом), гальванопластику и формование: три шага, которые она объединяет. Она позволяет получать формы, слишком мелкие и глубокие для любого режущего инструмента.

Фото: Forschungszentrum Karlsruhe, CC BY-SA 3.0, через Wikimedia Commons

LIGA · шесть разрезов от резиста до литой копииЧитайте шесть панелей слева направо, начиная с верхнего ряда; номера в кружках соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Нанесите толстый резист. Слой резиста — пластика, который под действием света химически изменяется, — соединяют с металлической основой. Обычные резисты — PMMA (акрил) и SU-8 (эпоксидный), толщиной до миллиметров.
Экспонировать. Параллельные рентгеновские лучи от синхротрона (кольцевого ускорителя частиц, испускающего интенсивный свет) или УФ-свет в более дешёвом UV-LIGA светят сквозь маску. Золотые участки на маске блокируют лучи; там, где лучи проходят, резист изменяется на всю глубину, на что могут уйти часы.
Проявить. Химическая ванна растворяет засвеченный резист. Остаются глубокие пазы с почти вертикальными зеркально-гладкими стенками.
Нарастите металл. В гальванической ванне электрический ток осаждает никель на оголённую основу на дне каждого паза. Металл растёт вверх и заполняет пазы атом за атомом, часто многие часы.
Сошлифуйте и удалите резист. Верх сошлифовывают (шлифуют до плоскости тонким абразивом), затем растворяют оставшийся резист. Остаются свободные металлические детали или металлическая вставка формы, если они остались соединёнными.
Отформуйте копии (по желанию). Никелевая вставка служит формой для литья под давлением или горячего тиснения (вдавливания в размягчённый пластик). Она может дать тысячи дешёвых пластиковых копий.

Ключевые факты

Материалы: Резист: PMMA или SU-8; металл: никель, никелевые сплавы, медь, золото; копии из пластиков или керамики
Типичные детали: Шестерни и пружины часов, микрошестерни, сопла, гребенчатые приводы для МЭМС, формы для микрофлюидных чипов
Размер детали: Элементы размером в несколько микрон; высота от десятков микрон до миллиметров; детали обычно размером в миллиметры
Точность: Субмикронная точность в плане; отношение высоты к ширине до примерно 100:1 при рентгеновском методе
Качество поверхности: Очень гладкие, почти вертикальные зеркальные боковые стенки
Подходящая партия: Металлические детали малыми и средними сериями; литые пластиковые копии большими сериями
Стоимость оснастки и оборудования: Рентгеновской LIGA нужно редкое дорогое время на синхротроне; UV-LIGA использует обычные УФ-лампы и намного дешевле; плюс маски и гальванические ванны
Скорость: Медленно: экспонирование и осаждение занимают часы, но на одной пластине сразу помещается много деталей

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Очень высокие тонкие стенки, остающиеся почти вертикальными и гладкими
Субмикронная точность на деталях высотой в миллиметры
Сплошные металлические детали, а не только тонкие покрытия
Металлическая форма даёт дешёвые пластиковые копии

Ограничения

Рентгеновской версии нужен синхротрон: редкий и дорогой
Долгое время экспонирования и осаждения
Только формы 2,5D (плоский контур, выдавленный строго вверх), без поднутрений
UV-LIGA дешевле, но детали менее высокие и менее точные

Где применяется

Часовое делоХодовые колёса, анкеры, пружины, стрелки (никелевые детали UV-LIGA)
МЭМС (микроэлектромеханические системы, крошечные машины на чипах)Микрошестерни, приводы, гребенчатые приводы, оптические переключатели
МедицинаМикроиглы, формы для микрофлюидных тестовых карт, детали слуховых аппаратов
Оптика и рентгенРентгеновские линзы, формы для микроспектрометров, решётки
ЭлектроникаМикроразъёмы, зондовые иглы для тестирования чипов
Энергетика (исторически)Сопла для разделения при обогащении урана — происхождение LIGA в 1980-х годах

Как узнать процесс

Детали LIGA вы будете видеть редко: они скрыты внутри механических часов, зондовых карт для тестирования чипов и микрофлюидных устройств.
Крошечная металлическая шестерёнка или пружина со стенками настолько прямыми и блестящими, что кажутся полированными, местами тоньше волоса.
Один и тот же контур сверху донизу, с острыми внутренними углами и без уклона (небольшой конусности, нужной большинству литых деталей).
Литые копии LIGA: прозрачные пластиковые чипы с микроканалами или крошечными столбиками, видимые только под лупой.

Сравните с

Фотолитография13.2тот же шаг рисования светом, но в тонком резисте для плоских рисунков чипов; LIGA идёт вглубь и добавляет металл.Гальванопластика11.7выращивает металлические детали осаждением на шаблон; LIGA — это гальванопластика внутри литографической микроформы.Обработка фемтосекундным лазером13.6тоже делает микродетали, но удаляя материал из сплошного листа; LIGA выращивает их, с более прямыми и высокими стенками.

Смотрите

Support Center for Microsystems Education · Анимированный разбор каждого шага LIGA

sylmandcls · Настоящая линия рентгеновской литографии на синхротроне

Mimotec SA · Как швейцарский производитель делает часовые детали методом UV-LIGA

Tech Ed · Место LIGA среди других способов изготовления микромашин

Смотреть реальные фото

Википедия: LIGA — фотографии сопла для обогащения урана, оптического переключателя, формы микроспектрометра и рентгеновских линз
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

LIGA: проведите светом (рентгеном или УФ) глубокие пазы, заполните их никелем, затем при желании отформуйте копии.
Она делает высокие микродетали с прямыми стенками, до которых не добраться ни одним режущим инструментом.
Рентгеновская LIGA самая точная, но ей нужен синхротрон; UV-LIGA — более дешёвая рабочая лошадка часового дела.