Et blik ind i LIGA er blomstrende fremtid

af Dr. Joachim Schulz

Emner, der

Abstrakt
Indledning
Et forsøg på at beskrive den enestående funktioner i LIGA
LIGA I løbet af de år i betragtning af markedets behov
LIGA og Molding
Adgang til synchrotrons
LIGA Standarder
LIGA Masker
Microworks tilgang
Konklusioner

Abstrakt

Gennem de seneste årtier har mange ansøgninger blevet foreslået som kommercielt rentabelt for LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung (litografi, Galvanisering, og Molding)). Dog var de fleste af dem skubbet ind på markedet via silicium MEMS eller endda klassiske microdrilling og micromilling. Til dato har ikke en eneste kommerciel x-ray LIGA indsats fremgang og støtte til akademiske LIGA centre er fading. Men forfatterne mener, at den aktuelle efterspørgsel efter LIGA applikationer, herunder x-ray optiske elementer som LIGA-linser, præcision åbninger osv., er fremkomsten af ​​en ny begyndelse for LIGA.

Dette papir vil give en mere strategiske end teknisk oversigt over fortid og fremtid LIGA.

Indledning

I 1990'erne blev LIGA en pacemaker teknologi til MEMS, bruges til mange smarte systemer som acceleration sensorer eller optiske enheder integreret med elektronisk læse-out kredsløb. Denne første LIGA hype resulteret i mange forskellige perler, der viste sig i en imponerende måde, at teknologien er meget alsidig. Selv micropumps blev foretaget ved hjælp af LIGA, selv om denne type anvendelse ikke rigtig bruge nogen af ​​de unikke funktioner i LIGA. Når det vurderes fra deres respektive faglige offentliggørelse, flere af disse LIGA systemer Forud lignende systemer fra konkurrerende teknologier. Alligevel LIGA gennembrud på markedet, stadig ikke sket. Hvorfor ikke?

Den mest åbenlyse årsager er, at andre teknologier såsom silicium mikromekanik blev skubbet af store selskaber, og at klassiske teknologier som EDM, var fræsning, boring og lignende skubbet af mange små og mellemstore virksomheder for at opnå stadigt mere udfordrende fine funktioner. Så ved første øjekast ligner det ikke nok, teknisk arbejde blev sat i fremme af LIGA muligheder.

Offentlige institutioner kan også dele skylden: Ingen af ​​LIGA centrene blev aldrig tvunget til at tjene sine penge på det frie marked. Endnu en grund kan være, at LIGA er simpelthen for kompliceret, tidskrævende og dyrt. Og endelig, mens andre teknologier har avancerede ganske lidt og har nået tilstrækkeligt komplekse til at rumme mere funktionalitet i micropatterned strukturer, er LIGA stadig alvorligt begrænset til hovedsagelig to dimensioner på et underlag med begrænsede muligheder for flere maske niveauer, og kun en håndfuld af materialer.

Alle ovenstående argumenter bære en vis sandhed. Ikke desto mindre er microworks overbevist om, at LIGA teknologiske fremskridt i de senere år, og markedets behov fusionerer så meget, at der vil være nicher for LIGA. Et mangeårigt niche er mikrogear. En anden er ved at blive stimuleret af efterspørgslen fra synchrotrons for x-ray optiske elementer. Andre eksempler kunne være nævnt.

LIGA struktur i nikkel, 1600μm høj, aspect ratio på 160.

LIGA struktur i SU8 bruges til at fokusere x-stråler. De smalleste dele er 2 μm brede og udvide flere hundrede μm ned.

LIGA struktur i guld som en optagelse rist for x-stråler. Formatforholdet af disse strukturer er i nærheden af 50

Et forsøg på at beskrive den enestående funktioner i LIGA

De fire stærke punkter, der blev brugt til at fremme LIGA i 1990'erne er hurtigt anført:

1. High-skærmformat
2. Høj dæksiden kvalitet / lav ruhed
3. Ekstrem præcision
4. Komplet 2-D frihed

I begyndelsen var disse fire punkter er tilstrækkelig til at overbevise relevante aktører i teknologi screening, fra regeringer til større virksomheder som IBM og Bosch, til at se på LIGA. Drevet for mere miniaturisering var tydelig, i silicium, dog. kun bulk mikro med sine strenge begrænsninger var til rådighed.

Og næsten lige så hurtigt, kunne man liste, hvordan disse stærke sider tumlede gennem årene. High-skærmformaterne, siger, 20 på helt gratis 2D geometri kan nu nemt fremstilles ved Drie i silicium; denne teknologi kan indstilles til høj dæksiden kvalitet så godt, og, om nødvendigt, kan cryoetching anvendes.

Ekstrem præcision har altid været ansøgt om LIGA, men en metode til at bevise det er først for nylig blevet udviklet. De hidtidige resultater er ikke afgørende.

Så er der UV-LIGA, som udnytter potentialet i SU8 modstår at fremstille næsten alt, der passer til følgende krav: + / -2 μm præcision, mindre end 800 ìm i højden, og fremstillet af nikkel eller nikkel-fosfor som materiale. Denne teknologi blev udmærket markedsført ved mimotec i Schweiz, tilsyneladende ikke levner megen plads til x-ray LIGA. På den anden side er det en succes viser klart, at LIGA er en konkurrencedygtig teknologi. Et positivt aspekt for x-ray fortalere: eksponering for x-stråler gør processen kæden dyrere, men kun med 30 til 50%.

Der er endnu en niche for LIGA teknologi i vores udtalelse: den parallelle masseproduktion af små strukturer med høj størrelsesforhold. Disse er typisk klædt strukturer, der arbejder sammen over rimeligt store længder eller områder. Et godt eksempel er x-ray linser, som for nylig blev udviklet på KIT (centrale billedet ovenfor), hvor fokus område for hver linse er meget lille. Men når hundredvis af dem er placeret ved siden af ​​hinanden, kan effekten blive godt udnyttet.

Hvad er nødvendige for at udnytte den niche for potentielle markeder? Vi vil forsøge at svare på dette i næste afsnit.

LIGA I løbet af de år i betragtning af markedets behov

En glimrende oversigt over LIGA er blevet givet på en forholdsvis ny bog, LIGA og dets applikationer (Saile et al. 2009) ^en . Bogen klart identificerer LIGA som et effektivt redskab til at gøre fremragende mikrostrukturer. I dette afsnit vil vi forsøge at vurdere disse resultater fra det synspunkt en lille virksomhed, microworks. De vigtigste kriterier er: den tid, der før den første dele, er fremstillet bevis for værdien proposition via standarder; samt omkostningsfaktorer.

Mange aspekter af LIGA-teknologi er blevet behandlet i løbet af det seneste årti, hovedsageligt som en del af offentligt finansierede F & U-projekter. Deres mål har typisk været at identificere en ny anvendelse, tilpasse LIGA proces kæden og gøre første dele. Få projekter har fokuseret på at løse teknologiske aspekter af LIGA proces. I denne henseende er microworks taknemmelig for den tyske regerings støtte til både FELIG ² og INNOLIGA ³ , hvorved FELIG fokuseret på at automatisere processen og INNOLIGA på at sikre pålideligheden af en modstand baseret på de samme grundlæggende kemi som SU8.

LIGA og Molding

I den allerførste udgivelse på LIGA, Becker et al. ⁴ foreslog støbning som vejen at gå for masseproduktion. Fra i dag synspunkt, er den teknologi bruges til at lave formen indsætter stadig upålidelige, hvilket gør det svært at garantere leveringstidspunkter til kunderne. Mere vigtigt er imidlertid, at de fremragende funktioner, der holder LIGA attraktive i det væsentlige er umuligt at fastholde i støbning: høj-billedformat, mange funktioner på underlaget og høj præcision. Alt dette gælder især for sprøjtestøbning, mens det er varmt prægning ikke frembringer de forventede drastiske omkostningsfordel i forhold direkte LIGA. På den anden side, at den proces bruge støbt strukturer som en form for elektroplet metal er aldrig blevet påvist.

Der er en anden indikation af, at LIGA formværktøjer ikke er kommercielt levedygtige: mimotec SA i Schweiz startede i slutningen af ​​1990'erne primært gør mug skær. I dag er disse udgør mindre end 10% af deres forretning, mens 90% er den direkte fremstilling af LIGA metaldele.

Adgang til synchrotrons

En af de vigtigste flaskehals for x-ray LIGA er stort set forsvundet i årenes løb: tilgængeligheden af ​​synkrotronstråling. Øget tilgængelighed var et stort skridt i retning af at være i stand til pålideligt at opfylde leveringsdatoer.

Nogle synchrotrons nu tilbyde automatiseret håndtering af prøver og målinger i proteinkrystallografi på en høj grad af standardisering, hvilket bør være muligt for LIGA eksponeringer så godt. Siden LIGA teknikken indebærer mere end blot eksponeringer, er det desværre stadig ikke så let at overføre en proces fra en synkrotron til et andet. Den anden kilde Spørgsmålet har derfor endnu ikke er helt løst, men tilstrækkelige argumenter er lige ved hånden, at dette ikke vil udgøre et problem med hensyn til potentielle store ordrer.

LIGA Standarder

Ron Lawes og andre har argumenteret på flere HARMST konferencer over mange år, at de forskellige LIGA grupper skal blive enige om et design, en proces og et sæt egenskaber, der skal måles, eventuelt ved hjælp af forskellige metoder, hvilket gør strukturer og sammenligne resultaterne af alle grupperne. Desværre har dette aldrig sket. Måske den typiske forsker, så ingen F & U belønning i at gøre det samme igen og igen, også, har alle LIGA grupper været i konkurrence med hinanden.

Som et resultat, hvis spurgt i dag, hvad specifikationer LIGA kan rent faktisk at nå samfund har ikke noget svar med hensyn til præcision, maksimal billedformat, dæksiden ruhed, vertikalitet osv. Hvad vi har, er imidlertid en situation, hvor alle de store effekter, producerer ikke-ideelle resultat er blevet identificeret, og disse effekter kan normalt minimeres ved typiske tekniske tilgange.

LIGA Masker

Det er vores opfattelse, ligger her den mest alvorlige mangler i de sidste årtier: Mens andre batch teknologier har bevæget sig fra 4-tommer til 6 - og 8 - eller endda 12-tommer vafler, LIGA stadig arbejder med 20x60 mm ² titanium membraner (KIT) , 30x30 mm ² siliciumnitrid membraner (CAMD og HTmicro), og 83 mm runde grafit membraner (CAMD og Bessy). Også flere mislykkede projekter forsøgt at bruge beryllium for sine åbenlyse fordele i x-ray applikationer ⁵ .

Den væsentligste årsag til større områder har været den omkostningsfaktor for Drie, UV LIGA og lignende. Dette punkt aldrig skulle løses af nogen af ​​LIGA centre. Men vi argumentere for, at den vigtigste motivation for at udvikle store areal LIGA vil være dens kompatibilitet med andre teknologier og muligheden for at foretage store enheder.

Hvad der er blevet opnået, er, at maske making er blevet mere driftsikker i kombination med bedre adgang til stråle tid, så væsentligt kortere tid til udvikling af første produkter. Men to gentagelser af et nyt design er stadig nødvendig i de fleste tilfælde, og som stadig tager mere end seks måneder.

Hvad der skal opnås for eventuelle fremtidige perspektiv for LIGA er en stigning på masken område med ingen eller næsten ingen kompromis til strukturelle kvalitet.

Microworks tilgang

Fra begyndelsen har vores mission været at blive en førende LIGA producent. Det har aldrig været en stærk "business case", da vi ellers ikke ville have været den første af disse bestræbelser i Europa. Vi har kigget efter andre produktion muligheder så godt, og inden for et år eller deromkring, blev flere projekter erhvervet. En portefølje analyse kan være ret usædvanligt for en lille virksomhed som microworks, men det hjælper os til at holde vores fokus. Billedet så meget forskelligartet, i virkeligheden alt for forskelligartet i 2008. En omstrukturering af vores projekter, sidst men ikke mindst håndhæves af den finansielle krise, gør microworks ser nu helt anderledes.

Figur 2. Beholdning af microworks 'projekter i slutningen af 2008. Ellipsen størrelse nogenlunde giver projektets samlede værdi, og farven indikerer de teknologiske risici forbundet med de teknologiske krav (fra lav til høj risiko: mørk grå, lys grå, grøn, gul, orange).

Figur 3. Samme som Fig. 2, men i midten af 2010. Forskellene til 18 måneder tidligere, kan opsummeres som følger: vi enige om at en noget højere grad af de teknologiske risici i gennemsnit, men aflyste projekter med høj risiko med lave ydelser, tilføjede en nøgle F & U-projekt (i samarbejde med KIT) og holdt cash cows.

Forskellen bliver mere indlysende, når vi ser på en anden portefølje plot følgende Wheelright og Clark ⁶ . Vi skal springe sky billede af status i slutningen af ​​2008, og kun vise, hvordan tingene ser ud i dag:

Figur 4. microworks repositioneret sig med hensyn til mangfoldigheden af sine projekter. En central R & D-projekt, med støtte fra delstaten Baden-Württemberg, der satte sig for at øge maske størrelser dramatisk. Alle andre projekter, der passer ind i eksisterende platforme eller kun indeholder mindre ændringer.

De store F & U-projekt fokuserer på maske for øje, med vægt på at lede efter en måde at få store område masker. Desværre kan vi ikke rapportere om disse aspekter i dag, da en patentansøgning er stadig i gang. Men vi kan sige, at hvis vi får succes, vil vi være i stand til at gå videre til meget store områder, siger ud over 10 inches, og stadig holde muligheden for mønstret maskerne i en e-beam.

Konklusioner

Gennem årene har flere COMS og HARMST konferencer set fremragende bidrag fra LIGA eksperter om fremskridt i denne teknologi. Et kommercielt succesfuld virksomhed er endnu ikke dukket op. Vi har argumenteret for i dette bidrag, at størrelsen begrænsninger af høj præcision, har e-beam-skrevet x-ray masker været en begrænsende faktor, ikke blot med hensyn til omkostninger, men også med hensyn til enhedens størrelse og kompatibilitet med andre teknologier. Løsning af disse størrelse begrænsninger, er det centrale spørgsmål for fremtidens LIGA-teknologi. Vi har også hævdet, at den strategiske positionering af microworks 'projekter sammen med en mulig løsning på masken problemet kan føre til kommercielt levedygtige x-ray LIGA.

Referencer

1. LIGA og dens anvendelsesmuligheder, V. Saile, U. Wallrabe, O. Tabata, JG Korvink (red.), Wiley, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
2. FELIG: Modulare Fertigungsstraße für Mikrobauteile über Röntgentiefenlithographie und Galvanik; Projekt finansieret af det tyske ministerium for Uddannelse og Forskning, 2005 til 2009; http://www.imt.kit.edu/downloads/FELIG-Broschuere.pdf (på tysk)
3. INNOLIGA: Innovative Resist-und Direkt-LIGA-Technologieentwicklung für eine udlejes Fertigungsmethode für LIGA-Präzisionsteile für KMUs mit einem stabil arbeitenden Röntgen-Negativresist; projekt finansieret af det tyske ministerium for Uddannelse og Forskning, 2007 til 2010 under kontrakt nummer 16SV3522
4. EW Becker, W. Ehrfeld, P. Hagmann, A. maner, og D. Muenchmeyer, "Fremstilling af mikrostrukturer med High-Aspect Nøgletal og store strukturelle Heights af synkrotronstråling Litografi, Galvanoforming, og Plastic Moulding (LIGA Process)," Microelectronic Engineering, bd. 4, s. 35ff, 1986.
5. Se artiklen af ​​Jost Göttert i: LIGA og dens anvendelsesmuligheder, Volker Saile, Ulrike Wallrabe, Osamu Tabata, Jan G. Korvink (red.), Wiley, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
6. "Creating projektplaner til at fokusere produktudvikling", S. Wheelright, K. Clark, Harvard Business Review, marts-april 1992, pp. 2-14

Copyright AZoNano.com, MANCEF.org