Metalizado LIGA/UV-LIGA | Microestructuras metálicas/Dispositivos de RF/Sensores de inercia/Aplicaciones de microestructuras disipadoras de calor

Microsistema (término europeo), Sistema Microelectromecánico (MEMS, término estadounidense) y Micromáquina (término japonés).Como uno de los cinco componentes principales de la implementación de microsistemas inteligentes, la tecnología MEMS se considera tecnología de microsistemas en sentido estricto, y es esencialmente una tecnología de vanguardia integral para aplicaciones únicas o múltiples, que implica la intersección de la microelectrónica, la informática, la óptica, la acústica, la química, la mecánica de fluidos, el control automático, la ciencia de los materiales y otras disciplinas, La tecnología MEMS es una intersección multidisciplinar de la informática, la óptica, la acústica, la química, la dinámica de fluidos, el control automático, la ciencia de los materiales, etc. Los dispositivos preparados por la tecnología MEMS son miniaturizados, integrados, altamente estables y producidos en serie, y tienen una amplia gama de perspectivas de aplicación en los campos de la información, la biología, la automoción, el ejército, etc. Es de gran importancia para que el país mantenga su liderazgo tecnológico.

El metalizado se ha convertido en una parte integral del proceso de implementación de los dispositivos MEMS a medida que sigue aumentando la demanda y el procesamiento de microestructuras metálicas en la tecnología MEMS. El proceso de metalizado ya no se limita a la aplicación de capas de protección superficial, sino a la preparación de microestructuras mecánicas metálicas específicas, microestructuras funcionales, microestructuras interconectadas y microestructuras térmicas necesarias para los MEMS mediante el metalizado de microáreas. El proceso es relativamente más complejo, ya que requiere pasos de proceso auxiliares basados en obleas, como la preparación de la capa semilla, la litografía, el grabado, el esmerilado y el pulido, el recorte por láser, el apilamiento multicapa, etc.

LIGA es el acrónimo alemán de "Litografía, Electroconformado y Moldeo por Inyección" y es una de las primeras tecnologías de procesamiento de MEMS basadas en estructuras de electroconformado. La fotolitografía requiere la aplicación de un fotoresistente grueso al sustrato conductor, normalmente utilizando metacrilato de metilo (PMMA), que tiene la propiedad química de ser disuelto por el revelador tras la irradiación de rayos X. Para no causar deformaciones en la microestructura, el proceso de metalizado LIGA requiere que el metal depositado tenga una tensión mínima y que no se produzcan adherencias durante el proceso de apertura del molde que dañen la microestructura. El modelo de microestructura metálica chapado se denomina núcleo, y el proceso de replicación de película se utiliza para producir en serie microdispositivos a partir del núcleo. Gracias al altísimo paralelismo y a la intensidad de los rayos X, LIGA puede producir estructuras tridimensionales con relaciones de aspecto de hasta 500, grosores que van de unos cientos de micras a milímetros, paredes laterales lisas y desviaciones de paralelismo en el rango de las submicras, lo que no es posible con otras técnicas de microfabricación. Además, la tecnología LIGA, combinada con múltiples tomas de máscara, el movimiento lineal de la máscara, la inclinación del sustrato y la litografía de inclinación trasera, permite la fabricación de minúsculos componentes tridimensionales con características estructurales como superficies apiladas, biseladas y curvadas.

El elevadísimo coste del proceso LIGA, debido a la necesidad de una fuente de luz de rayos X extremadamente cara y a la fabricación de máscaras complejas, ha limitado el uso generalizado de esta tecnología en la industria. Ha surgido una nueva clase de procesos de fabricación que utilizan fuentes litográficas y máscaras de bajo coste, con un rendimiento de fabricación comparable al de la tecnología LIGA, comúnmente conocida como tecnología cuasi-LIGA o tecnología similar a LIGA. Entre ellas, la tecnología UV-LIGA, que utiliza una fuente de luz ultravioleta para exponer el material fotorresistente, es un proceso relativamente sencillo en términos de coste y pasos, y suele utilizar adhesivo negativo SU-8 en lugar de adhesivo positivo PMMA como adhesivo fotosensible.Es uno de los procesos MEMS más utilizados, que puede reducir el tiempo de exposición y aumentar la eficacia del procesamiento. Es uno de los procesos MEMS más utilizados, con un grosor de 0,5 mm o más, una relación profundidad-anchura de 20:1 o más, y paredes laterales empinadas y rectas y superficies planas.

La técnica UV-LIGA está destinada a microestructuras metálicas con relaciones de aspecto relativamente elevadas y estructuras sencillas, como engranajes, soportes y microtubos con relaciones de aspecto elevadas. Actualmente se tiene constancia de que la mayor relación de aspecto conocida en el proceso UV-LIGA es superior a 190:1, obtenida por la Universidad de Luisiana utilizando el método de compensación de huecos de litografía SU-8 con solución de igualación del índice de refracción de Cargille.

Los sensores inerciales son una gran categoría de aplicaciones representativas de la tecnología MEMS. Los sensores inerciales MEMS incluyen principalmente giroscopios MEMS, acelerómetros MEMS, interruptores inerciales y otros productos típicos, sensores inerciales MEMS integrados, de bajo consumo y bajo coste, principalmente para satisfacer las necesidades de los consumidores civiles, de alto rendimiento, aplicaciones especiales en el entorno de los sensores MEMS se utilizan principalmente en el ámbito militar. La fabricación de sensores inerciales mediante procesos corporales o procesos de micromecanizado de superficies suele requerir equipos costosos, además de equipos de litografía, DRIE, unión de ánodos, deposición de vapor y otros equipos son de uso muy común. Los sensores inerciales MEMS realizados mediante tecnología de chapado como estructura principal utilizan principalmente equipos de litografía UV y electroformación, como la tecnología UV-LIGA, que puede utilizarse para preparar giroscopios, acelerómetros, interruptores inerciales, etc.

El proceso de galvanoplastia tiene una ventaja técnica inherente en la preparación de dispositivos MEMS RF, especialmente los que tienen como estructura principal metales de alta conductividad como el cobre y el chapado en oro.

Los microsistemas formados por dispositivos MEMS están muy integrados, microminiaturizados y son muy potentes, pero al mismo tiempo su estructura impone grandes exigencias al rendimiento térmico del sistema, especialmente con la aplicación gradual de materiales semiconductores de tercera generación como el GaN, lo que provoca un aumento espectacular de la densidad térmica y de la dificultad para disipar el calor del sistema, que se refleja en un elevado flujo térmico superficial, una alta densidad de flujo térmico aparente y un apilamiento térmico. Reducir la temperatura del dispositivo cuando el sistema está en funcionamiento es una forma eficaz de aumentar la vida útil del dispositivo. La tecnología de galvanoplastia permite depositar cobre metálico de alta conductividad térmica como estructura del cuerpo del canal o estructura auxiliar, formando una estructura disipadora en miniatura única.

El proceso de galvanoplastia presenta ventajas típicas que no tienen otras tecnologías de micromecanizado. En primer lugar, la galvanoplastia es un método típico de procesamiento aditivo que puede utilizarse en un modo aditivo similar al apilamiento multicapa, lo que facilita la formación de estructuras de dispositivos tridimensionales y proporciona una buena forma de preparar microdispositivos metálicos complejos. En segundo lugar, la galvanoplastia no requiere un costoso equipo de entorno de vacío, especialmente para aplicaciones de dispositivos basadas en el cobreado y el niquelado, y es un método de procesamiento por lotes de bajo coste con un gran potencial.