מבט אל העתיד המשגשג של LIGA

ד"ר יואכים שולץ

נושאים שידונו

מופשט
הקדמה
הניסיון לתאר את המאפיינים הייחודיים של LIGA
LIGA במהלך השנים לאור צרכי השוק
LIGA דפוס
גישה synchrotrons
LIGA התקנים
LIGA מסכות
Microworks "הגישה
מסקנות

מופשט

במהלך העשורים האחרונים, יישומים רבים הוצעו מסחרי עבור ליגה (לליתוגרפיות, Galvanoformung, Abformung (ליתוגרפיה Electroplating, דפוס)). עם זאת, רובם נדחפו לשוק באמצעות סיליקון MEMS או אפילו microdrilling קלאסי micromilling. עד כה, לא מאמץ יחיד מסחרי רנטגן LIGA פרחה ותמיכה אקדמי LIGA מרכזי הוא דוהה. עם זאת, החוקרים מאמינים כי הביקוש הנוכחי עבור יישומים LIGA, כולל צילום רנטגן אלמנטים אופטיים כגון LIGA עדשות, פתחים דיוק וכו ', היא הופעתו של שחר השני LIGA.

מאמר זה ייתן אסטרטגית יותר מאשר סקירה טכנית של העבר והעתיד של LIGA.

הקדמה

בשנת 1990, היה LIGA טכנולוגיה קוצב עבור MEMS, המשמשים מערכות חכמות רבות כגון חיישני תאוצה או התקנים אופטיים משולבים עם מעגלים אלקטרוניים לקריאה החוצה. זה ההייפ first LIGA הביא מנותצים פריטי התצוגות שונים שהוכיחו בצורה מרשימה, כי הטכנולוגיה היא מאוד תכליתי. אפילו micropumps נעשו באמצעות LIGA, אם כי זה סוג של בקשה לא באמת לנצל כל אחת מהתכונות הייחודיות של LIGA. כאשר לשפוט מן התאריכים של פרסום אקדמי, כמה ממערכות LIGA שקדמו מערכות דומות של טכנולוגיות מתחרות. עם זאת, פריצת הדרך של LIGA על השוק עדיין לא קרה. למה לא?

הסיבות לכאורה ביותר הם כי טכנולוגיות אחרות, כגון סיליקון micromechanics נדחפו על ידי חברות גדולות, וכי טכנולוגיות קלאסיים כגון EDM, כרסום קידוח כמו נדחפו על ידי חברות קטנות ובינוניות רבות כדי להשיג תכונות בסדר פעם יותר מאתגר. אז במבט ראשון זה נראה כמו מאמץ הנדסי לא מספיק הוכנס לקידום היכולות של LIGA.

מוסדות ציבוריים עשויים גם לחלוק את האשמה: אף אחד המרכזים LIGA נאלץ אי פעם להרוויח כסף על השוק החופשי. זאת סיבה נוספת עשויה להיות כי LIGA הוא פשוט מסובך מדי, זמן רב ויקר. ולבסוף, בעוד טכנולוגיות אחרות קידמו לא מעט והגיעו המורכבות מספיק כדי להכיל יותר פונקציונליות במבנים micropatterned, LIGA עדיין הגבלות חמורות על בעצם שני ממדים על מצע עם אפשרויות מוגבלות ברמות מסכה מספר רק קומץ של חומרים.

כל הטענות הנ"ל לשאת מידה מסוימת של אמת. עם זאת, microworks משוכנע הפיתוחים הטכנולוגיים של LIGA בשנים האחרונות את הצרכים של השוק הם מיזוג כל כך הרבה שלא יהיו נישות עבור LIGA. נישה היא אחת הוותיקות microgears. עוד אחד בימים מגורה על ידי דרישה synchrotrons עבור x-ray אלמנטים אופטיים. דוגמאות נוספות יכול להיות רשום.

LIGA מבנה ניקל, 1600μm גבוהה, יחס של 160.

מבנה ליגה ב SU8 משמש מוקד רנטגן. החלקים הצרים הם 2 מיקרומטר רחב להאריך כמה מאות מיקרומטר ומטה.

LIGA מבנה זהב צורמת קליטה רנטגן. יחס הממדים של מבנים אלו הוא ליד 50

הניסיון לתאר את המאפיינים הייחודיים של LIGA

ארבעת הנקודות החזקות אשר שימשו לקדם ליגה ב 1990 של הרשומים במהירות:

1. High-יחס הממדים
2. איכות גבוהה דפנות / חספוס נמוכה
3. אקסטרים דיוק
4. חופש מוחלט 2-D

בהתחלה, אלה ארבע נקודות היו מספיקות כדי לשכנע את השחקנים הרלוונטיים ההקרנה הטכנולוגיה, מצד ממשלות של חברות גדולות כמו IBM ו Bosch, להביט אל תוך LIGA. הכונן עבור המזעור יותר היה ברור: סיליקון, לעומת זאת. רק micromachining בתפזורת עם הגבלות חמורות שלו היה זמין.

וכמעט באותה המהירות, אפשר רשימה כמה נקודות חזקות צנחו לאורך השנים. High-היבט יחסי של, נניח, 20 ב הגיאומטריה 2D לגמרי בחינם יכול עכשיו להיות מפוברק בקלות על ידי DRIE סיליקון, הטכנולוגיה הזו יכול להיות מכוון לאיכות דפנות גבוהות, וגם, אם יהיה בכך צורך, cryoetching יכול להיות מיושם.

דיוק קיצוני מאז ומתמיד טען עבור LIGA, אלא מתודולוגיה להוכיח את זה רק לאחרונה פותחו. התוצאות עד כה אינן סופיות.

ואז יש UV-LIGA, אשר מנצל את הפוטנציאל של SU8 מתנגד לפברק כמעט כל דבר שמתאים לדרישות הבאות: + / -2 דיוק מיקרומטר, פחות מ 800 מיקרומטר גובה עשוי ניקל או ניקל זרחן כחומר. טכנולוגיה זו הונחה על ידי מצוין mimotec בשוויץ על השוק, ככל הנראה, לעזוב מעט מקום רנטגן LIGA. מצד שני, זה ההצלחה עולה בבירור כי LIGA היא טכנולוגיה תחרותי. היבט אחד חיובי רנטגן חסידי: חשיפה רנטגן הופכת את שרשרת תהליך יקר יותר, אבל רק ב -30 עד 50%.

יש עוד נישה LIGA טכנולוגיה לדעתנו: ייצור המוני מקביל של מבנים זעירים עם היבט ratios גבוהה. אלה הם בדרך כלל מבנים מסודרים אשר עובדים יחד על אורכי או אזורים גדולים יחסית. דוגמה טובה היא צילום רנטגן עדשות אשר פותחו לאחרונה KIT (תמונה מרכזית לעיל), שבו מגוון התמקדות של כל עדשה הוא קטן מאוד. עם זאת, כאשר מאות מהם ממוקמים אחד ליד השני, התוצאה יכולה להיות מנוצלת היטב.

מה שדרוש כדי לנצל את הנישה של שווקים פוטנציאליים? אנחנו ננסה לענות על זה בסעיף הבא.

LIGA במהלך השנים לאור צרכי השוק

סיכום מעולה של LIGA ניתנה בספר חדשה למדי, LIGA ושימושיה (Saile et al. 2009) ¹ . הספר מזהה בבירור LIGA ככלי רב עוצמה ליצירת microstructures מעולה. בסעיף זה, ננסה להעריך את הממצאים הללו מנקודת המבט של חברה קטנה, microworks. הקריטריונים העיקריים הם: הפעם מעורב לפני החלקים הראשונים מיוצרים; הוכחת הטענה ערך באמצעות סטנדרטים, כמו גם גורמי עלות.

היבטים רבים של LIGA טכנולוגיה טופלו בעשור האחרון, בעיקר במסגרת פרויקטים במימון ממשלתי למו"פ. המטרות שלהם היו בדרך כלל לזהות משתמשים חדשים, להתאים את שרשרת תהליך LIGA ולעשות החלקים הראשונים. פרויקטים מעטים התמקדו להתייחס להיבטים הטכנולוגיים של תהליך LIGA. מבחינה זו, microworks הוא אסיר תודה על התמיכה של הממשלה הגרמנית הן FELIG ² ו INNOLIGA ³ , לפיה FELIG התמקדו מיכון תהליך INNOLIGA על הבטחת אמינות של להתנגד מבוסס על הכימיה הבסיסית זהה SU8.

LIGA דפוס

בפרסום הראשון על LIGA, Becker et al. ⁴ הציע דפוס כדרך ללכת על ייצור המוני. מנקודת המבט של היום, את הטכנולוגיה המשמשת ליצור מוסיף עובש הוא עדיין לא אמין, מה שהופך את זה קשה להבטיח מועדי אספקה ​​ללקוחות. יותר חשוב, עם זאת, היא כי תכונות מצטיינים אשר לשמור LIGA אטרקטיביים הן למעשה בלתי אפשרי לשמור על דפוס: היבט גבוה יחסי, מאפיינים רבים על פני המצע דיוק גבוהה. כל זה נכון במיוחד עבור הזרקה, תוך הבלטה חמה אינו מייצר את היתרון צפוי לעלות מעל דרסטי ישיר LIGA. מצד שני, התהליך להשתמש במבנים מעוצב כצורה למתכת Electroplate מעולם לא הודגמה בהצלחה.

יש עוד אינדיקציה לכך כלים LIGA דפוס אינם מסחרי: mimotec SA בשוויץ התחיל בסוף 1990 בעיקר עושה מוסיף עובש. כיום, אלה מהווים פחות מ -10% של העסק שלהם, ואילו 90% הוא ייצור ישירה של חלקי מתכת LIGA.

גישה synchrotrons

צוואר הבקבוק העיקרי רנטגן LIGA נעלם כמעט לאורך השנים: את הזמינות של קרינה synchrotron. זמינות מוגברת היה צעד משמעותי לקראת היכולת אמין לפגוש מועדי אספקה.

Synchrotrons חלקם מציעים כעת טיפול מדגם אוטומטיות מדידות קריסטלוגרפיה חלבון ברמה גבוהה של סטנדרטיזציה, אשר צריך להיות אפשרי עבור חשיפות LIGA גם כן. מאז הטכניקה LIGA כרוך יותר חשיפות רק, לצערי זה עדיין לא כל כך קל להעביר תהליך synchrotron מאחד למשנהו. סוגיית המקור השני יש לכן עדיין לא נפתרו לחלוטין, אבל הטיעונים מספיק הם בהישג יד, כי זה לא מהווה בעיה לגבי הזמנות גדולות פוטנציאליים.

LIGA התקנים

לוז רון ואחרים טענו בכנסים HARMST כמה במשך שנים רבות כי הקבוצות השונות LIGA צריכים להסכים על עיצוב אחד, אחד בתהליך סט אחד של נכסים כדי להימדד, אולי באמצעות שיטות שונות, מה שהופך מבנים השוואת התוצאות של כל הקבוצות. למרבה הצער, זה מעולם לא התרחשה. אולי חוקר טיפוסי ראיתי שום גמול המו"פ עושה את אותו הדבר שוב ושוב, גם, את כל קבוצות ליגה כבר בתחרות אחד עם השני.

כתוצאה מכך, אם ביקש היום מה מפרטים LIGA בעצם יכול להשיג, הקהילה אין תשובה בעניין, דיוק מרבי היבט ratios, חספוס דפנות, נצבות וכו 'מה יש לנו, לעומת זאת, היא מצב שבו כל ההשפעות העיקריות תוצאות לייצר הלא אידיאלי זוהו, ואת ההשפעות הללו בדרך כלל ניתן לצמצם על ידי גישות הנדסה טיפוסי.

LIGA מסכות

לדעתנו, כאן נמצאים ליקויים חמורים ביותר של העשורים האחרונים: בעוד טכנולוגיות אצווה אחרים עברו בין 4 אינץ' ל 6 - 8 ו - או אפילו 12 אינץ' ופלים, LIGA עדיין עובד עם ² 20x60 מ"מ ממברנות טיטניום (קיט) , ² 30x30 מ"מ סיליקון ניטריד ממברנות (CAMD ו HTmicro), ו 83 מ"מ עגול ממברנות גרפיט (CAMD ו בסי). כמו כן, פרויקטים נכשלו מספר ניסיונות להשתמש בריליום עבור יתרונות ברורים שלה רנטגן יישומים ⁵ .

הסיבה העיקרית אזורים גדולים כבר גורם עלות DRIE, UV LIGA וכדומה. נקודה זו מעולם לא לטפל בכל המרכזים LIGA. עם זאת, אנו טוענים כי המניעים העיקריים לפיתוח שטח גדול LIGA תהיה תאימות עם טכנולוגיות אחרות, ואת האפשרות לעשות מכשירים גדולים.

מה הושג הוא כי מסכת ההחלטות הפכה realiable יותר בשילוב עם גישה טובה יותר הפעם הקורה, המאפשר פעמים קצר יותר באופן משמעותי לפיתוח של מוצרי הראשונה. עם זאת, שתי חזרות של עיצוב חדש עדיין יש צורך ברוב המקרים, וזה עדיין לוקח יותר משישה חודשים.

מה צריך להיות מושגת עבור פרספקטיבה עתידית עבור LIGA היא עלייה של האזור מסכה ללא או כמעט ללא פשרה על איכות מבנית.

Microworks "הגישה

מלכתחילה, המשימה שלנו הייתה להיות יצרנית מובילה LIGA. זה מעולם לא היה "במקרה העסק" חזק, כי אחרת אנחנו לא היה המפעל הראשון מסוגו באירופה. יש לנו חיפש הזדמנויות ייצור אחרים, ובתוך שנה או כך, מספר פרויקטים שנרכשו. ניתוח תיק עשוי להיות נדיר למדי עבור חברה קטנה כמו microworks, אבל זה עוזר לנו לשמור על המיקוד שלנו. התמונה נראתה מגוונת מאוד, בדרך למעשה מגוונים גם בשנת 2008. ארגון מחדש של הפרויקטים שלנו, ואחרון אחרון חביב נאכף על ידי המשבר הכלכלי, שעושה microworks עכשיו נראה שונה לגמרי.

איור 2. פורטפוליו של פרויקטים "microworks בסוף 2008. גודל אליפסה בערך נותן את ערך הפרויקט הכולל, צבע מציין את הסיכונים הטכנולוגיים הקשורים הדרישות הטכנולוגיות (מ נמוך בסיכון גבוה: אפור כהה, אפור בהיר, ירוק, צהוב, כתום).

איור 3. בדיוק כמו תאנה. 2 אבל באמצע 2010. ההבדלים עד 18 חודשים קודם לכן ניתן לסכם כדלקמן: הסכמנו במידה מעט גבוה יותר של סיכונים טכנולוגיים על סיכון גבוה פרויקטים הממוצע אך בוטלה עם הטבות נמוכות, הוסיף מפתח אחד מו"פ בפרויקט (בשיתוף עם KIT) והמשיך פרות מזומנים.

ההבדל הופך להיות ברור יותר כאשר אנו מסתכלים על העלילה עוד תיק הבאים Wheelright וקלארק ⁶ . אנחנו צריכים לדלג על התמונה ענן מעמד בסוף 2008 ורק להראות איך הדברים נראים היום:

איור 4. microworks מיקומו עצמו ביחס למגוון של פרויקטים שלה. R & מרכזי פרויקט D, עם תמיכה של מדינת באדן וירטמברג, הוא יצא כדי להגדיל את גודל המסכה באופן דרמטי. כל הפרויקטים האחרים להשתלב בפלטפורמות הנוכחית או לכלול שינויים קלים בלבד.

פרויקט מרכזי מו"פ מתמקדת ביצירת מסכה, עם דגש על מחפש דרך להשיג שטח גדול מסכות. למרבה הצער, אנחנו לא יכולים לדווח על היבטים אלה מאז היום בקשה לפטנט היא עדיין בעיצומה. אבל אנחנו יכולים לומר שאם נצליח, נוכל להתקדם שטחים גדולים מאוד, נניח מעל 10 ס"מ, ועדיין לשמור את האופציה של דפוסים המסכות בקרן אלקטרוני.

מסקנות

במהלך השנים, COMS מספר כנסים HARMST ראיתי תרומות מצוין ממומחים LIGA על הפיתוחים של הטכנולוגיה הזו. החברה מצליחה מבחינה מסחרית עדיין לא הופיעה. יש לנו תרומה זו טען כי אילוצי גודל של דיוק גבוהה, קרן אלקטרוני שנכתב רנטגן מסכות להיות הגורם המגביל לא רק מבחינת עלויות, אלא גם ביחס לגודל המכשיר תאימות עם טכנולוגיות אחרות. פתרון אילוצים אלה גודל היא סוגיית המפתח לעתידה של LIGA הטכנולוגיה. יש לנו נטען כי המיצוב האסטרטגי של פרויקטים "microworks יחד עם פתרון אפשרי לבעיה המסכה עשויה להוביל LIGA מסחרי רנטגן.

הפניות

1. LIGA ושימושיה; V. Saile, ע Wallrabe, א Tabata, JG Korvink (עורכים), ויילי, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
2. FELIG: Modulare Fertigungsstraße für Mikrobauteile סופר Röntgentiefenlithographie und Galvanik; הפרויקט ממומן על ידי משרד הגרמני לחינוך ולמחקר, 2005-2009; http://www.imt.kit.edu/downloads/FELIG-Broschuere.pdf (בגרמנית)
3. INNOLIGA: חדשני להתנגד-und Direkt-LIGA-Technologieentwicklung für ומוזיקת ​​rentable Fertigungsmethode für LIGA-Präzisionsteile für KMUs mit einem stabil arbeitenden רנטגן-Negativresist; הפרויקט ממומן על ידי משרד הגרמני לחינוך ולמחקר, 2007-2010 תחת מספר חוזה 16SV3522
4. EW בקר, וו Ehrfeld, פ Hagmann, א Maner, וד Muenchmeyer, "המצאה של Microstructures עם High-Aspect יחסים ועל הגולן מבנית הגדול על ידי ליתוגרפיה קרינה synchrotron, Galvanoforming, פלסטיק Moulding (תהליך LIGA)," Microelectronic הנדסה, vol. 4, עמ '35ff, 1986.
5. ראה את המאמר על ידי יוסט Göttert ב: LIGA ושימושיה; וולקר Saile, אולריקה Wallrabe, אוסמו Tabata, יאן ג Korvink (עורכים), ויילי, 2009, ISBN: 978-3-527-31698-4
6. "יצירת פרויקט מתכננת להתמקד בפיתוח המוצר", ש Wheelright, ק 'קלארק, Harvard Business Review, מרץ, אפריל 1992, עמ' 2-14

כל הזכויות AZoNano.com, MANCEF.org