MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro

MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Por cortesía de la Tesis Doctoral de Endika Gandarias:
“MICROM: A revolutionary monitoring system to detect tool breakages & collisions,
enhance machine cycles and introduce a new probing concept in micromilling”.
(Versión original: Inglés)
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
INDICE
1.
2.
3.
INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 2
PERSPECTIVA HISTÓRICA.................................................................................... 2
TERMINOLOGÍA .................................................................................................... 3
3.1.
Tecnologías de los MicroSistemas/ Sistemas MicroElectroMecánicos (MST/MEMS)
………………………………………………………………………………………3
3.2.
Tecnologías de Microfabricación (MET) ............................................................. 3
4. INVESTIGACIÓN EN MICROFABRICACIÓN: POLÍTICAS INTERNACIONACIONALES 3
4.1.
Política de investigación en Japón .................................................................... 3
4.2.
Política de investigación en Estados Unidos ...................................................... 3
4.3.
Política de investigación en Europa ................................................................... 3
5. EXPECTATIVAS DE MERCADO.............................................................................. 3
6. APLICACIONES DE MICROFABRICACIÓN: SITUACIÓN ACTUAL Y TENDENCIAS .... 3
6.1.
Automoción y transporte .................................................................................. 3
6.2.
Tecnologías de información y telecomunicaciones ............................................. 3
6.3.
Salud y biotecnologías ..................................................................................... 3
6.4.
Instrumentacion y sensores .............................................................................. 3
7. CLASIFICACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN .......................................... 3
7.1.
PROCESOS MEMS ........................................................................................ 3
7.1.1.
Micromecanizado en volumen ....................................................................... 3
7.1.2.
icromecanizado superficial ............................................................................ 3
7.1.3.
LIGA & Micromoldeo ................................................................................... 3
7.2.
PROCESOS ASISTIDOS ENERGÉTICAMENTE ............................................... 3
7.2.1.
Mecanizado por haz de láser (LBM) ................................................................ 3
7.2.2.
Mecanizado por Microelectroerosión (MEDM) ................................................... 3
7.2.3.
Mecanizado por haz de Electrones (EBM) ........................................................ 3
7.2.4.
Mecanizado por haz de iones focalizados (FIB) ................................................. 3
7.2.5.
Mecanizado por haz de plasma (PBM)............................................................. 3
7.3.
PROCESOS MECÁNICOS............................................................................... 3
7.3.1.
Procesos de corte ....................................................................................... 3
7.3.2.
Microrectificado .......................................................................................... 3
7.3.3.
Ultrasonic Machining (USM) .......................................................................... 3
7.4.
TÉCNICAS DE REPLICADO ............................................................................ 3
7.4.1.
Microinyección (MIM)................................................................................... 3
7.4.2.
Estampado de precisión en caliente (hot embossing) .......................................... 3
7.4.3.
Moldeo ..................................................................................................... 3
7.4.4.
Microconformado ........................................................................................ 3
7.5.
8.
9.
MANIPULACIÓN, MONTAJE, ASEGURAMIENTO DE CALIDAD Y METROLOGÍA
…………………………………………………………………………………….3
LÍNEAS FUTURAS ................................................................................................. 3
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .......................................................................... 3
1
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
1.
INTRODUCCIÓN
En este primer apartado, se hace una descripción de las tecnologías en fase de
desarrollo a nivel internacional para la fabricación de microcomponentes. Con el fin de
que el documento sea más ilustrativo, se han incluido también tecnologías propias de
la industria de semiconductores, que se encuentran en un estadio de madurez muy
superior respecto al del resto de técnicas de microfabricación descritas, y que no serán
objeto de investigación en el ámbito de este proyecto.
2.
PERSPECTIVA HISTÓRICA
A mediados del siglo pasado, se realizaron importantes avances en microtecnologías.
El más significativo fue sin duda la invención del transistor, reconocido con el Premio
Nobel de Física a Bardeen, Brattain y Shockley. El transistor tuvo un tremendo impacto
en el diseño de circuitos electrónicos, reemplazando las costosas, poco fiables y
energéticamente ineficientes válvulas de vacío (véase Figura 1).
a
b
Figura 1. El primer transistor: (a) fue inventado en 1947 por Bell Labs [1]; (b) los inventores
del transistor William Shockley (sentado), John Bardeen (con gafas), y Walter Brattain [2].
A finales de la década de los cincuenta, el eminente físico Richard Feynman publicó
un sugerente estudio titulado There’s Plenty of Room at the Bottom, en el que
preconizaba una gran revolución en las tecnologías de miniaturización. Inspirado en el
funcionamiento de los sistemas biológicos y su capacidad para ejecutar funciones
complejas y almacenar ingentes cantidades de información a nivel microscópico,
Feynman especulaba sobre los nuevos campos de aplicación que se abrirían a la
humanidad en caso de desarrollar la capacidad de fabricar dispositivos miniaturizados
[3,4].
Las tecnologías de fabricación se desarrollaron inicialmente impulsadas por el auge de
la industria de los circuitos integrados. Desde los primeros prototipos creados por
Texas Instruments a finales de los cincuenta (Figura 2), los avances en este campo se
han traducido en pocas décadas en un notable incremento de la calidad de vida a
través de la proliferación de ordenadores, tecnologías de comunicación y electrónica
de consumo. Uno de los factores más conocidos en este desarrollo es probablemente
el nivel de integración alcanzado en los circuitos, comúnmente expresado a través de
la Ley de Moore, según la cual el número de componentes por chip se dobla cada dos
años. Otros factores importantes se muestran en la Tabla 1.
2
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 2. Primer circuito integrado, inventado por Jack Kilby en 1958, Texas Instruments;
contenía un total de cinco componentes, entre transistores, resistencias y condensadores [5].
Actualmente, un procesador Pentium IV contiene más de 125 millones de transistores [6].
Tabla 1. Factores de mejora en la industria de circuitos integrados [7].
FACTOR
Nivel de integración
Coste
Velocidad
Potencia
Tamaño
Funcionalidad
EJEMPLO
Componentes por chip, Ley de Moore
Coste por función en dispositivos multifunción
Velocidad de microprocesador (GHz)
Batería de móviles y portátiles
Productos pequeños y ligeros
Memoria no volátil
En la actualidad, la Sociedad demanda la extensión de los éxitos de miniaturización en
microelectrónica a otros sectores. La miniaturización conlleva muchas mejoras, entre
las que se pueden citar:
•
•
•
•
•
Reducción de energía y consumo de materiales durante la fabricación
Ligereza y portabilidad
Dispositivos de gran sensibilidad con funcionamiento más selectivo
Aplicaciones menos invasivas
Mejor relación coste/funcionalidad
Las microtecnologías hacen de enlace entre los mundos atómico y macroscópico y
desempeñarán un papel muy importante en la industria del futuro (véase apartado 3),
en especial en sectores como medicina, biotecnología, energía y telecomunicaciones.
3.
3.1.
TERMINOLOGÍA
Tecnologías de los MicroSistemas/ Sistemas
MicroElectroMecánicos (MST/MEMS)
La industria microelectrónica adoptó el término MST (MicroStructures o MicroSystems
Technology) para describir las tecnologías de miniaturización de componentes
basados en silicio. Más recientemente, numerosas compañías americanas adoptaron
el término MEMS (MicroElectroMechanical Systems) como vocablo de estas
tecnologías, lo que ha suscitado cierta confusión a nivel internacional.
Etimológicamente, el término MEMS debería ser considerado como un subconjunto de
MST, porque un verdadero componente MEMS incluiría tanto componentes eléctricos
como mecánicos, habiendo simultáneamente al menos una pieza móvil o deformable y
operaciones alimentadas eléctricamente.
3
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
3.2.
Tecnologías de Microfabricación (MET)
En sectores distintos de la microelectrónica, no existen tecnologías bien establecidas
para fabricar microcomponentes en materiales diferentes al silicio. Por este motivo, se
ha adoptado el término MET (MicroEngineering Technologies) para referirse a la
fabricación de productos con geometría 3D de gran precisión en una variedad de
materiales [8], con tamaños que van desde décimas de micra hasta unos pocos
milímetros (Figura 3).
Figura 3. Escala y precisión en procesos de micromecanizado [9].
Además de los anteriores términos, los términos generales que se adoptarán en esta
memoria para referirse a las tecnologías de miniaturización de componentes serán
microingeniería (concepto y diseño) y microfabricación (creación física del producto).
Se entiende que un producto pertenece al ámbito de la microfabricación cuando al
menos una de sus características funcionales en una dimensión es del orden de
micras.
Finalmente, antes de proceder a la descripción de las tecnologías de microfabricación
existentes, conviene aclarar que si bien la precisión absoluta que se puede alcanzar
en procesos de microfabricación es excelente (del orden de 1 μm), la precisión en
relación al tamaño es bastante pequeña. Por ejemplo, en procesos de mecanizado
convencionales, se pueden obtener precisiones relativas de 10-6, valores inaccesibles
en micromecanizado mecánico. Para clarificar este concepto, en la Figura 4 se
muestra gráficamente el orden de tamaños, precisiones absolutas y precisiones
relativas que se puede alcanzar en ambos procesos. Se observa que, para
componentes muy pequeños, la tolerancia relativa es aproximadamente igual a la que
se obtiene en la fabricación de una casa (del orden del 1%).
4
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 4. Tamaño, precisión absoluta y precisión relativa en
mecanizado de precisión [10].
5
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
4.
INVESTIGACIÓN EN MICROFABRICACIÓN: POLÍTICAS
INTERNACIONACIONALES
En términos generales, la conjunción de la iniciativa privada y el apoyo gubernamental
a la investigación es un factor clave para promocionar la competitividad industrial y
tecnológica de un país. En el caso de las microtecnologías, este hecho es incluso más
cierto debido al riesgo profundamente arraigado en este sector y la necesidad de
investigación básica.
La comparativa en relación a las microtecnologías entre las tres mayores economías
del mundo, Europa, Estados Unidos y Japón, muestra considerables diferencias
respecto a políticas de investigación, nivel de aplicación y penetración en el mercado.
Estados Unidos y Japón reconocieron antes que Europa la importancia de las
tecnologías micro y nano como el motor para el crecimiento futuro de su sistema
industrial. En el caso de las nanotecnologías en particular, los esfuerzos de los
americanos y japoneses han sido significativamente más intensos, especialmente en
Estados Unidos, que se encuentra liderando varios campos nuevos de aplicación.
No obstante, el énfasis actual de investigación en microfabricación en Estados Unidos
está por debajo del resto del mundo, a pesar de todos los esfuerzos e inversiones
anteriores. Este hecho tendrá indudablemente serias implicaciones a largo plazo,
puesto que está bien reconocido por científicos e industriales que la microfabricación
será una tecnología crítica para aunar el hueco entre las ciencias a nivel nanométrico
con el desarrollo de productos reales. La Tabla 2 muestra el estado actual de las
políticas en microtecnología de diferentes regiones mundiales
Tabla 2. Estado relativo de las tecnologías de microfabricación a nivel internacional [11].
4.1.
Política de investigación en Japón
La actividad en Asia se centra básicamente en Japón, Corea, Singapur y Taiwán.
Tanto Japón como Corea dan apoyo a programas de investigación extensos,
plurianuales y abarcando a instituciones de todo el país, si bien en Corea este es un
fenómeno muy reciente. En Japón, el programa the 10 años sobre micromecanizado
(1991-2001), constituyó una enorme inversión del gobierno y en el mismo dieron
comienzo un gran número de iniciativas industriales que continúan todavía (MITI).
6
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Ejemplos de éxitos se encuentran sistemas de microfabricación y ensamblaje en
Olympus, Seiko, Hitachi, Fanuc y Mitsubishi. En Corea, el Instituto Coreano de
Máquinas y Metales obtuvo un contrato gubernamental para el desarrollo de
microfactorías (véase Figura 5).
Figura 5. Proyecto microfactoría [12].
En Japón, el Instituto para la Investigación en Física y Química (RIKEN) y el Instituto
Nacional para la Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada tienen misiones
fuertemente orientadas hacia la I+D con aplicación industrial y ambos hacen un gran
esfuerzo en microfabricación, con resultados de calidad. En ambos laboratorios, los
programas están produciendo métodos de procesado complejos y altamente
innovadores. Es interesante hacer notar que buena parte del equipamiento ha sido
desarrollado para la obtención de dispositivos sofisticados de gran precisión y bajo
volumen de producción, que requieren de inversiones importantes, entre cien mil y un
millón de euros.
Las compañías con fuerza en sectores tradicionales de fabricación, como por ejemplo
FANUC (controles numéricos), Matsushita Electric (productos de consumo), Mitsubishi
Electric (productos electrónicos, dispositivos) y Olympus (óptica) han realizado fuertes
inversiones en tecnologías de microfabricación de forma continuada en los últimos
quince años [13].
Respecto a las relaciones entre universidades y empresas en Japón, las empresas
esperan de las universidades la enseñanza de los principios fundamentales y que
ofrezcan una educación científica amplia, mientras ellas proporcionan formación
específica específicamente orientada a las aplicaciones en los primeros años de
empleo. La política del gobierno en relación a la propiedad intelectual proporciona una
favorable situación para la industria respecto a las innovaciones lideradas por la
universidad en proyectos realizados bajo financiación del gobierno. Las empresas
pueden adquirir licencias del gobierno, que es el propietario de la propiedad intelectual
en proyectos financiados, para comercializar estas innovaciones.
En Taiwán, hay también inversión institucional por parte del gobierno, pero es
generalmente a través de grandes corporación y enfocado hacia productos concretos.
El Instituto de Investigación en Tecnología Industrial es el mayor laboratorio financiado
por el gobierno y da soporte a las compañías taiwanesas de alta tecnologías, con un
gran segmento dedicado a la investigación y desarrollo en microfabricación. Otra
instalación del gobierno, el Instituto para la Investigación en la Industria del Metal está
iniciando un programa en métodos de fabricación multiescalar micro/meso (M4) [14].
7
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
4.2.
Política de investigación en Estados Unidos
Estados Unidos es probablemente el país líder en microtecnologías en muchos
campos de aplicación gracias a los enormes esfuerzos realizados en el desarrollo de
circuitos integrados desde los años sesenta y el impulso dado en la evolución de las
tecnologías de microfabricación de silicio. Esto permite que las empresas americanas,
especialmente en Silicon Valley (California), tengan acceso a este tipo de sofisticadas
tecnologías de fabricación, esencial en el desarrollo de microsistemas. En los últimos
veinte años en Estados Unidos, el desarrollo de MEMS ha permitido que se generen
muchas nuevas empresas.
Las políticas de apoyo públicas comenzaron inicialmente en el campo de MEMS
gracias el apoyo del National Science Foundation (NSF), con menos de un millón de
dólares por año. Sin embargo, actualmente es el Departamento de Defensa el principal
organismo público de subvención, excediendo cincuenta millones de dólares por año.
No obstante, el esfuerzo de I+D es limitado respecto a otras regiones, debido a un
cambio en las políticas de subvención del gobierno americano, que ha dado prioridad
nacional a la nanotecnología, en la consideración de que su impacto en las
propiedades de materiales, diagnóstico y terapia, y en el almacenamiento, procesado y
transmisión de datos. Este hecho ha relegado todas las inversiones en
microfabricación, lo que está permitiendo que países asiáticos y europeos reduzcan
gradualmente la diferencia en el estado del arte en tecnologías de microfabricación
[11].
4.3.
Política de investigación en Europa
Históricamente, en la Unión Europea no ha habido programas dedicados a las
necesidades específicas de las microtecnologías, y su desarrollo ha estado relegado a
universidades y centros de investigación.
Durante los últimos años, se ha producido un significativo cambio estratégico y los
gobiernos han comenzado a hacer importantes inversiones. El énfasis parece estar
haciéndose en la creación de infraestructura para apoyar la conversión de resultados
de investigación básica en tecnologías precompetitivas, hasta el punto de que sean
atractivas a las compañías para su aplicación y comercialización.
Ejemplos de investigación en microsistemas pueden encontrarse en el programa
EURIMUS II, iniciativa industrial dentro del programa EUREKA para apoyar el
desarrollo de productos y sistemas en el campo de las microtecnologías [15].
Otras dos iniciativas han proporcionado ayuda adicional dentro de la Unión Europea:
NEXUS (Network of Excellence in Multifunctional Microsystems), establecida en 1992,
promociona la I+D y la comercialización de MEMS y microsistemas a través de la
creación de un conjunto de foros coordinados para la discusión e intercambio de
información entre investigadores y empresas. EUROPRACTICE que reúne a varios
centros europeos proporciona soporte al diseño, prototipado y fabricación de
microsistemas [16].
Más recientemente, dentro del VI Programa Marco, la Unión Europea ha impulsado la
Red de Excelencia en microtecnologías Multi-Material Micro Manufacture (4M), en el
que se integran varios de los participantes en este proyecto. Asimismo, están activos
los siguientes proyectos:
8
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
•
LAUNCH-MICRO (MicroTechnologies for Re-launching European Machine
Manufacturing SMEs), liderado por Soraluce S. Coop., cuyo principal objetivo es el
aumento de la competitividad de los fabricantes de máquinas europeos en este
sector. En este proyecto también se integran Ideko, la Escuela Politécnica Superior
de Mondragon Unibertsitatea y Kendu.
•
PROFORM (An innovative manufacture process concept for a flexible and cost
effective production of the vehicle body in white: Profile Forming), en el que
participa Escuela Politécnica Superior de Mondragon Unibertsitatea y cuya
aportación más destacada es el desarrollo de procesos de fabricación por perfilado
asistido láser, de manera muy localizada en la zona del radio de perfilado.
•
MASMICRO (Integration of manufacturing systems for mass-manufacture of
miniature/micro products bulk forming), en el que participa Tekniker
•
Nano-CMM (Universal and flexible 3D coordinate metrology for micro and nano
components production), en el que participa Tekniker
•
PHODYE (New photonic systems on a chip based on dyes for sensor applications
scalable at wafer fabrication), en el que se integra el Centro Láser de la
Universidad Politécnica de Madrid
•
Production4micro (Production technologies for micro systems), del cual es socio
Ascamm, y que tiene como objetivo disponer a escala de altas producciones
tecnologías de microfabricación, fundamentalmente aplicadas al sector óptico
(desde aplicaciones en lentes para sistemas microscópicos y fotográficos hasta
leds y sensores para automoción).
A partir de lo expresado en los anteriores párrafos, queda claro que la Unión Europea
considera estratégico realizar un fuerte impulso en el sector de la microfabricación. No
obstante, dentro de Europa el estado de desarrollo por países es diferente,
dependiendo de las inversiones de cada gobierno en la investigación y desarrollo en
microfabricación; los países mejor posicionados son en estos momentos Alemania,
Francia, Reino Unido, Suiza y, más recientemente, los países escandinavos y España.
Las grandes inversiones realizadas en Alemania han lanzado a este país a la tercera
posición mundial, detrás de Estados Unidos y Japón. En Alemania, hay una conjunción
de financiación pública y privada orientada a largo plazo, que hace énfasis en refinar y
optimizar las tecnologías hasta tal punto que hace que sean comercialmente atractivas
y fáciles de adaptar. La unión de las empresas con las universidades parece ser muy
importante en la consecución de tal éxito. En este sentido, el sistema de los Institutos
Fraunhofer es un ejemplo excepcional de cómo debe liderarse la investigación en
microfabricación, el desarrollo de tecnologías y la comercialización, con fuertes lazos
entre el sistema universitario y la industria, que da lugar a resultados extraordinarios.
Una tendencia observada en este caso es la tendencia a comercializar equipamiento
de menor tamaño, como por ejemplo las máquinas-herramienta de Kugler, la máquina
de medición por coordenadas de Carl Zeiss, los sistemas robóticos microescalares de
Klocke Nanotechnik, etc. [11].
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MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
5.
EXPECTATIVAS DE MERCADO
De acuerdo a un estudio de la organización europea NEXUS (Red de Excelencia en
microsistemas multifuncionales), el mercado mundial de microtecnologías está
creciendo a un ritmo medio del 11% anual, e irá desde 36.000 millones de dólares en
2005 hasta 52.000 millones en 2009. Este estudio incluye una explosión de mercado
para paquetes de primer nivel de MEMS/MST, como cabezales de tinta de impresoras,
desde 11.500 millones hasta 25.000 millones de dólares (Figura 6).
Figura 6. Crecimiento del mercado de productos con componentes microfabricados [17].
El documento Market Analysis for MEMS and Microsystems III, 2005-2009 de NEXUS
afirma que sensores y actuadores basados en microtecnologías consolidan su
posición en aplicaciones de tecnologías de información como cabezales de
lectura/escritura y de impresoras, además de crear nuevas oportunidades en áreas
como micrófonos, memorias, fuertes de microenergía y refrigeradores de chips (véase
Figura 7) [17]. Según estas investigaciones de mercado, se espera que el sector de
automoción siga suponiendo un gran campo de aplicación para grandes producciones
de dispositivos de seguridad, incluyendo airbags y sistemas de monitorización de
presión de ruedas.
10
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 7. Mercado para 26 tipos de productos MEMS/MST [17].
El principal impulso para el creciente mercado será el segmento de electrónica de
consumo, del que se espera que casi cuadruplique su share en MEMS/MST desde el
6% en 2004 hasta el 22% en 2009. Los expertos preveen un gran crecimiento en los
sistemas de visión de home cinema, discos duros para aumentar la capacidad de
almacenamiento de grabadores de DVD, cámaras y videocámaras digitales y
reproductores MP3 portátiles. Otros productos importantes serán los teléfonos móviles,
en los que es posible integrar una gran variedad de sensores adicionales y funciones
como lentes líquidas para el zoom de las cámaras, sensores de huellas dactilares,
microcélulas de combustible como baterías, sensores de gas y barómetros para el
tiempo (Figura 8).
Figura 8. Distribución del mercado en 2004 y 2009 [17].
En relación a las inversiones totales en MST y MET, se prevé que sea mucho menor
en MET porque éstas representan tecnologías emergentes. No obstante, respecto a
las expectativas de crecimiento en porcentaje, las tecnologías MET presentan un
considerable y muy prometedor incremento, así como la extensión a muchas
aplicaciones y campos.
El crecimiento global del mercado de microsistemas depende igualmente de las
aplicaciones bien establecidas y de las nuevas tecnologías que se desarrollan a partir
de la investigación básica. Las tendencias en nuevas tecnologías se resumen en la
Figura 9.
11
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 9. Nuevas tendencias en microtecnologías [15].
La automoción continúa siendo un sector impulsor de innovaciones en microsistemas,
ofreciendo aplicaciones de gran volumen de producción para sólo unos pocos grandes
clientes. Las innovaciones pueden darse a todos los niveles: materiales, componentes,
sistemas y uso.
Los sectores de telecomunicaciones y biomédicos son otros dos sectores que también
darán gran impulso al desarrollo de microsistemas. En este campo, por ejemplo, se
espera que los sistemas de diagnóstico in-vitro (fundamentalmente biochips y
microplacas) supongan otras oportunidades de negocio de gran volumen de
producción y valor añadido.
El campo de las tecnologías de información depende enormemente de las
capacidades de miniaturización. El motor de la revolución de los ordenadores es la
microfabricación. Las nuevas tecnologías son capaces de empaquetar cada vez más
dispositivos en cada chip, dispositivos que conmutan más rápido y consumen menos
energía. En 1945, las computadores utilizaban válvulas de vacío del tamaño de un
pulgar. Como se muestra en la Figura 10, hoy en día los transistores son tan pequeños
que podrían alojarse 100 en la sección transversal de un pelo humano.
Figura 10. Evolución del número de transistores por circuito integrado [18]
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MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Todos los estudios apuntan a una revolución que avanza hacia los límites impuestos
por las leyes físicas y la naturaleza no continua de la materia. Las tendencias a la
miniaturización hacen prever resultados remarcables en las próximas décadas; el
tamaño de los dispositivos tiende a reducirse a dimensiones moleculares y la energía
de conmutación a vibraciones atómicas.
6.
APLICACIONES DE MICROFABRICACIÓN: SITUACIÓN
ACTUAL Y TENDENCIAS
Las nuevas oportunidades de negocio para empresas de sectores tradicionales
provienen de su capacidad de fabricar máquinas ultraprecisas y/o adaptar sus
procesos de fabricación hacia los exigencias de nuevos microdispositivos.
Hay una demanda creciente para fabricar productos más pequeños, con tolerancias en
el rango de la micra. Las aplicaciones industriales para componentes microfabricados
pueden ser divididos en los siguientes campos:
o
o
o
o
Automoción y transporte
Tecnologías de información y telecomunicaciones
Salud y biotecnologías
Instrumentación y sensores
Muchas de estas aplicaciones tendrán un drástico aumento en el mercado mundial en
los próximo años.
Las tecnologías de información y salud/biotecnologías suponen la mayor parte del
mercado, con un 60% y 30% respectivamente. Sin embargo, las telecomunicaciones,
que representan entre el 5% y 7% del mercado total, está mostrando una de las
mayores tasas de crecimiento en estos momentos y proporcionará un gran impulso en
el crecimiento de las microtecnologías y especialmente nanotecnologías [14].
Análogamente, las aplicaciones en automoción también están ganando mayor peso
relativo en el mercado.
Respecto a la instrumentación, este campo de aplicación tienen un importante grado
de solapamiento con los otros tres sectores considerados. No obstante, existe un buen
número de aplicaciones para estos sistemas miniaturizados, como sensores para el
control medioambiental o en domótica que justifica su tratamiento diferenciado.
La situación actual y tendencias en estos cuatro campos se describe en más detalle en
las próximas secciones. Algunos de los productos listados han estado en el mercado
desde hace largo tiempo, pero muchos de ellos no se han introducido hasta hace muy
poco tiempo.
6.1.
Automoción y transporte
Las aplicaciones en automoción subsanan problemas principalmente relacionados con
seguridad, calidad y fiabilidad. Actualmente, los productos comerciales en uso son de
tipo MST y sistemas electrónicos miniaturizados (véase Figura 11). Sin embargo, se
espera que haya un hueco importante para las microtecnologías en otras aplicaciones
como nuevos tipos de pinturas, nuevos catalizadores y nuevos materiales, que podrían
influenciar de forma notable las características y el uso de las próximas generaciones
de coches.
13
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
a
b
c
d
Figura 11. Aplicaciones en automoción y transporte. (a) Algunas aplicaciones de
microfabricación en sensores de automoción [19]. (b) Acelerómetro MS7000 [20]. (c) Válvula de
inyección de diesel [21]. (d) Microgiróscopo [22].
En un sistema electrónico y electrómecánico tan complejo como un coche moderno, se
requieren sensores efectivos, precisos, fiables y de bajo coste. Mientras que en 1980,
la electrónica sólo significaba el 2% del valor total del coche, hoy en día este valor ha
alcanzado casi el 30% [10]. Hay entre 20 y 100 sensores instalados en un automóvil
moderno, dependiendo de la marca y modelo. Algunos de los sensores más
demandados actualmente son acelerómetros (para el airbag), microválvulas (para
sistemas de inyección), sensores de presión (recirculación de gas), giróscopos
(navegación), sensores de nivel, luz y temperatura (indicadores de aceite y
combustible, encendido automático de luces, medida de temperatura interior y
exterior), sensores de parking (prevención de colisiones) y sensores de flujo de aire
[23].
6.2.
Tecnologías de información y telecomunicaciones
En la sociedad de la información en que vivimos, los ciudadanos de los países
desarrollados tienen la posibilidad de recibir, almacenar, procesar y transmitir ingentes
cantidades de información, y esta cantidad de información crecerá de forma regular
durante los próximos años. Las microtecnologías han sido las que han permitido este
progreso, respondiendo exitosamente a la demanda de dispositivos de mayor
rendimiento y menor coste.
14
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Esta área de aplicación sigue constituyendo hoy en día el mayor mercado para las
tecnologías de microfabricación, dominado principalmente por dos productos: los
cabezales de discos duros y de impresoras de tinta. Otras importantes aplicaciones
son cabezales ópticos, monitores, proyectores, papel electrónico, giróscopos,
conmutadores ópticos, atenuadores, ecualizadores, microrelays, componentes de
radiofrecuencia, etc. [10] (Figura 12).
a
b
d
c
e
Figura 12. Aplicaciones en tecnologías de información y telecomunicaciones. (a) Disco duro de
Toshiba de 0.85 pulgadas de tamaño, que puede almacenar hasta 4 GB [24]. (b) Boquilla de
diámetro 5 μm [25]. (c) Microespejos fabricados en la superficie de una oblea de silicio para un
proyector de imagen [26]. (d) Teclado virtual [27]. (e) Guante con sensores de aceleración [28].
6.3.
Salud y biotecnologías
La salud y las biotecnologías tendrán un impacto profundo y de gran influencia en el
futuro de las microtecnologías. Es necesario resolver simultáneamente problemas de
miniaturización de dispositivos ya existentes, aumentar su biocompatibilidad y
funcionalidad y disminuir el tiempo para medir.
En el mercado sanitario, el conjunto de aplicaciones posible es muy amplio (Figura
13), abarcando posibilidades como [14]:
•
•
•
•
•
•
Sistemas implantables: marcapasos cardíacos, audífonos implantables
Sistemas de diagnóstico: sensores de presión sanguínea, sensores de glucosa
Cirugía no invasiva: endoscopia, herramientas para cirugía mínimamente invasiva
Aplicaciones farmacéuticas: sistemas de suministro de medicinas inteligente,
fármacos más específicos
Aplicaciones biotécnicas: biochips o minilaboratorios, nanopartículas en terapia y
tecnología genética
Dispositivos biofuncionales: ingeniería de tejidos para órganos y piel bioartificiales
15
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
a
b
c
d
e
f
Figura 13. Aplicaciones en salud y biotecnología. (a) Microrobots guiados magnéticamente
[11]. (b) Dispositivo de ayuda a la audición [29]. (c) Microfluidica: herramienta para recuento y
separación de células [30]. (d) Micropiezas para implantes dentales [31]. (e) Chip para sistema
de diagnóstico microbiológico [32]. (f) Micropinza para cirugía [33].
6.4.
Instrumentacion y sensores
El término instrumentación puede referirse a un amplio rango de productos y
microtecnologías. Los objetivos perseguidos son muy diversos debido a la variedad de
productos que conforman este campo: reducción de consumo de energía, materia
prima y coste final, control autónomo, fácil mantenimiento, mejora de la calidad
medioambiental, incremento del confort del usuario, etc.
Los sensores están adquiriendo gran relevancia en microtecnologías porque hacen
viable la detección y/o medida de parámetros físicos y químicos en ámbitos como el
control de condiciones ambientales, automatización industrial, domótica, control y
medida de producción industrial (Figura 14). Los principales sensores en el mercado
son de presión, temperatura, aceleración, flujo y fuerza; dos tercios del mercado son
cubiertos prácticamente por los de presión y temperatura [14].
16
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
a
b
c
d
e
f
Figura 14. Aplicaciones en instrumentación. (a) Micrófono de teléfono móvil [34]. (b) Microchip
con sensor de gas [35]. (c) Microestación metereológica wireless, del tamaño de un rollo de
película [36]. (d) Microespectrómetro [37]. (e) Dispositivo biométrico [38]. (f) Sensor de gas [20].
7.
CLASIFICACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN
La cantidad y variedad de tecnologías que se están desarrollando a nivel internacional
para fabricar microcomponentes y microproductos es enorme. Todas estas tecnologías
se pueden clasificar en tres grandes grupos. Por un lado, se encuentran los métodos
de fabricación de arriba hacia abajo (top-down approach), donde partiendo de una
pieza inicial se obtienen piezas más pequeñas. Por otro lado, están los métodos de
fabricación de abajo hacia arriba (bottom-up approach), donde partiendo de partículas
pequeñas, véanse átomos o moléculas, se construyen estructuras funcionales más
grandes. Y por último, están las tecnologías completamente nuevas o combinación de
las tecnologías existentes.
De forma muy similar, se han publicado muchas otras clasificaciones respecto a las
tecnologías de microfabricación. Mazusawa, por ejemplo, clasificó las tecnologías de
micromecanizado en base al principio de trabajo o fenómeno que se producía en cada
una de ellas. La Tabla 3 muestra esta clasificación teniendo en cuenta las
interacciones entre proceso y material.
Madou enumeró las tecnologías de miniaturización más relevantes, organizándolas en
métodos tradicionales o no tradicionales y métodos litográficos o no litográficos, y
realizó una detallada descripción de los métodos de microfabricación existentes [10]
(véase Tabla 4).
17
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Tabla 3. Revisión de las tecnologías de fabricación de microproductos por Mazusawa [39].
Material interaction
Working principle
Substractive
Mechanical force
Melting/Vaporization
(Thermal)
Ablation
Dissolution
- Cutting
- Grinding
- Blasting
- Ultrasonic
machining
- EDM
- LBM
- EBM
- LBM
- ECM
- Isot.&anisot.
etching
- Reactive ion
etching
Mass
containing
- Rolling
- Deep drawing
- Forging
- Punching
- Bending
Additive
Joining
- Ultrasound
- Cold pressure
welding
- CVD
- PVD
- Welding
- Soldering
- Bonding
- Casting
- Injection
moulding
Solidification
- Electroforming
- Chemical
deposition
- Stereo-lithography
- Photo-forming
- Polymer
deposition
- Combination of
mechanical and
thermal principles
Recomposition
Polymerisation /
Lamination
Sintering
- Gluing
Tabla 4. Clasificación de los métodos de miniaturización por Madou [10].
Chemical Milling (S), (Ba)
Electrochemical machining (S/A), (Ba)
Traditional techniques
(not involving
photolithographydefined mask)
EDM (S), (Se)
EDWC (S), (Se)
EBM (S/A), (Se)
Continuous deposition (A), (C)
FIB (S/A), (Se)
Hybrid thick film (A), (Ba)
Non traditional
techniques (involving
photolithographydefined mask)
Photofabrication (S)
Photochemical milling (S)
Wet etching of anisotropic material (S)
Dry etching (S)
Polysilicon surface micromach. (S/A)
SOI (S)
Non traditional
techniques (not using
photolithographydefined mask)
AFM, STM (A,S), (Se)
Self-assembled monolayers
S=Subtractive
A=Additive
LBM (S/A), (Se)
PBM (S/A), (Se/Ba)
Stereolithography (A), (Se)
Ultraprecision mechanical mach. (S), (Se)
Microdispensing (A), (Se/Ba)
Injection molding, hot embossing (A), (Ba)
Power blasting (S), (Se)
Abrasive water jet (S), (Se)
LIGA (S/A)
UV transparent resists (S/A)
Molded polysilicon HEXSIL (S/A)
Erect polysilicon (S/A)
Micromolding (A), (Ba)
Ba=Batch
S=Serial
C=Continuous
18
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Algunos autores dividieron las tecnologías de microfabricación en tecnologías de
eliminación, deposición y moldeo [40], otros como la Universidad de Nebraska Lincoln
hicieron su clasificación particular teniendo en cuenta si empleaban herramientas o
máscaras (isotrópicas y anisotrópicas) [41], etc.
Sin embargo, a día de hoy la clasificación realizada por Brinksmeier (véase Figura 15)
es una de las más extendidas y se tomará como referencia en esta memoria.
Brinksmeier [41] hace una primera distinción de las técnicas de fabricación en función
de su origen: las Tecnologías de MicroSistemas (MST) y las Tecnologías de
MicroIngeniería (MET). Los procesos MST engloban principalmente métodos de
fabricación de productos provenientes de Sistemas Micro Electro Mecánicos (MEMS) y
Sistemas Micro Opto Electro Mecánicos (MOEMS). Los procesos MET incluyen otra
serie de procesos que se caracterizan por la producción de componentes, moldes y
superficies microestructuradas de elevada precisión, como por ejemplo el
micromecanizado mecánico.
A continuación, y con independencia de su origen, Brinksmeier clasifica las
tecnologías de microfabricación en cuatro grupos:
•
Procesos MEMS, como la litografía ultravioleta, el micromecanizado del silicio y el
método LIGA.
•
Procesos asistidos por energía, entre los que se incluyen, por ejemplo, el
mecanizado por haz láser, el mecanizado por haz de iones focalizado, el
mecanizado por haz de electrones y la electroerosión.
•
Procesos mecánicos, como el mecanizado con diamante (torneado, fresado,
taladrado y pulido), el microfresado y el microrectificado.
•
Métodos de réplica, como el estampado, la inyección o el moldeo. Estas
tecnologías se clasifican en un grupo en sí mismo aunque requieran de una etapa
de microfabricación previa para la obtención de moldes.
•
Además de estos cuatro grupos tecnologías, Brinksmeier incluye un grupo
adicional en el que aparecen fases tan importantes en microfabricación como la
metrología, el ensamblado, la manipulación, etc.
La Figura 15 muestra de forma gráfica la clasificación de Brinksmeier, si bien es
conveniente aclarar que los grupos no son completamente independientes entre sí,
presentando un cierto grado de solapamiento entre ellos. El tamaño de las flechas
representa con qué frecuencia cada grupo se emplea en las tecnologías MST y MET.
En los apartados siguientes se describe de forma más detallada las tecnologías que
integran cada uno de estos grupos.
19
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Origin
T
e
c
h
n
o
l
o
g
i
e
s
Microsystem Technologies
(MST)
MEMS
processes
Microengineering Technologies
(MET)
Energy assisted
processes
Mechanical
processes
Replication
techniques
Handling, assembly, packaging, quality assurance and metrology
Micro
Product
Figura 15. Clasificación de tecnologías de procesos en el mecanizado de componentes de
precisión y microestructuras por Brinksmeier [41].
7.1.
PROCESOS MEMS
Los procesos de fabricación relacionados con los Sistemas Micro Electro Mecánicos
(MEMS) y los sectores de la microelectrónica se basan en tecnologías planas o 2D.
Esto conlleva que se produzcan componentes o productos dentro o sobre obleas
planas.
Los componentes MEMS parten de una oblea preparada normalmente de silicio, limpia
y oxidada. Una vez preparada, las obleas se procesan generando estructuras en
capas diferentes. Esta estructuración consiste en proyectar mediante técnicas
fotográficas la estructura deseada sobre una capa fotosensible que cubre la oblea,
seguido de un proceso químico o físico que elimina o añade material con el fin de
crear una estructura [8]. El diagrama básico del proceso de micromecanizado MEMS
se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Diagrama de flujo típico para la fabricación de MEMS.
20
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
La fotolitografía es la técnica de estructurado más empleada de entre otras muchas
técnicas similares, como la litografía de rayos X, litografía por haz de partículas
cargadas, litografía ultravioleta extrema, etc. Por otra parte resulta muy importante la
tendencia al alza de nuevas tecnologías de litografía, como la microesterolitografía,
que presenta la capacidad de generar microestructuras con gran repetibilidad en 3D
(véase Figura 17a).
La mayoría de los procesos químicos y físicos mencionados anteriormente se
enumeran en la
Tabla 5.
La microfabricación de MEMS se divide actualmente en tres tecnologías principales
que son el micromecanizado en volumen, el micromecanizado superficial y el
micromoldeo (LIGA). Estas técnicas agrupan diferentes tecnologías previamente
mencionadas.
Tabla 5. Técnicas de deposición de capas finas y técnicas de ataque selectivo [8].
Deposición de capas finas
(procesos de adición)
CVD
• Atmospheric pressure
• Low pressure
• Plasma enhanced
• Vapour phase epitaxy
PVD
• Vacuum evaporation
• Molecular beam epitaxy
• Sputtering
Electrochemical deposition
• Electroplating
• Electroless plating
Spin-on deposition
Ataque selectivo
(eliminación de material)
Wet etching
• Isotropic wet etching
• Anisotropic wet etching
(single crystal)
Dry etching
• Vapour etching
• Plasma etching
• Reactive ion etching
7.1.1. Micromecanizado en volumen
En los procesos de micromecanizado en volumen, parte de la pieza inicial (substrato)
se elimina con el fin de crear estructuras mecánicas libres de contacto, como
estructuras en voladizo o membranas, o estructuras tridimensionales, como cavidades
o agujeros que atraviesan la oblea mediante el uso de reactivos dependientes de la
orientación (isotrópicos) y/o independientes de la orientación (anisotrópicos) (véase
Figura 17b-c). El micromecanizado en volumen se puede aplicar en piezas de silicio,
vidrio, arseniuro de galio u otros materiales de interés [42].
Esta técnica fue la más empleada en la industria de los circuitos integrados y, por lo
tanto, ha sido una de las primeras tecnologías en adaptarse y emplearse en la microfabricación de MEMS [10].
21
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
7.1.2. icromecanizado superficial
A primera vista, el micromecanizado superficial puede resultar bastante parecido al
micromecanizado en volumen. Sin embargo, existen varias diferencias claras entre
estas dos técnicas. En el micromecanizado en volumen, la estructura tridimensional se
genera por medio de un ataque selectivo del substrato, mientras que, en el
micromecanizado superficial, la estructura se construye mediante deposiciones capa a
capa (véase Figura 17d). Además, en el micromecanizado superficial, las geometrías
en el plano X-Y no están limitadas por las orientaciones cristalográficas como es el
caso del micromecanizado en volumen. La Tabla 6 muestra una comparación entre el
micromecanizado superficial y en volumen.
Algunas de las limitaciones asociadas con el micromecanizado superficial mostradas
en la Tabla 6, han sido superadas mediante modificaciones de proceso y/o diseños
alternativos.
Tabla 6. Comparación entre las técnicas de micromecanizado superficial y en volumen [10].
Micromecanizado en volumen
Micromecanizado superficial
- Dimensión en z limitada por el espesor de la
oblea
- No se requiere proceso de recocido
- Pueden fabricarse componentes partiendo de Si
- Se pueden emplear orientaciones cristalográficas
para el control dimensional
- La adherencia no es un problema
- Dimensión en z limitada por las técnicas de
deposición
- Se require recocido a altas temperaturas
- Sólo empleable con polisilicio
- Es posible el control dimensional cristalográfico
- Puede producirse adherencia superficia
7.1.3. LIGA & Micromoldeo
El método LIGA es una combinación de procesos empleados en la fabricación de
microestructuras de elevado ratio de forma con profundidades en el rango del
milímetro, precisiones laterales por debajo de la micra y rugosidades muy pequeñas
(véase Figura 17e-f). Esta técnica permite fabricar una gran variedad de materiales,
desde polímeros, metales o aleaciones hasta cerámicas.
El método LIGA se desarrolló en el centro Forschungszentrum Karlsruhe (Alemania) y
viene a significar LIthographie (litografia), Galvanoformung (electrodeposición) y
Abformung (moldeo), los cuales son los principales pasos que se dan en este proceso
En el método LIGA original, se emplea primeramente la litografía de rayos X sobre un
substrato conductor recubierto con PMMA. Las cavidades son rellenadas
posteriormente con metal mediante la técnica de electrodeposición. Finalmente la
estructura de metal resultante se emplea como molde en el sinterizado cerámico o
replicado de plástico (estampado en caliente o inyección).
22
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
7.2.
PROCESOS ASISTIDOS ENERGÉTICAMENTE
Los procesos asistidos con energía, denominados de forma similar procesos electrotérmicos, se clasifican en mecanizado por haz láser (LBM, Laser Beam Machining),
microelectroerosión (MicroEDM, Micro Electro Discharge Machining), mecanizado por
haz de electrones (EBM, Electron Beam Machining), mecanizado por haz de iones
focalizado (FIB, Focused Ion Beam) y mecanizado por haz de plasma (PBM, Plasma
Beam Machining).
a
b
c
d
e
f
Figura 17. Aplicaciones de LIGA y micromoldeo. (a) 3D Componentes en 3D de
Microesterolitografía [43]. (b) Ranuras en V mediante micro-mecanizado en volumen
(anisotrópico) [10]. (c) Micro turbina de aire de silicio mediante micromecanizado en volumen
[44]. (d) Micropinza mediante micromecanizado superficial [45]. (e) Pared con ratio de forma ≈
60:1 en SU-8 mediante LIGA [43]. (f) Microengrane en SU-8 mediante UV LIGA [43].
7.2.1. Mecanizado por haz de láser (LBM)
El uso de la tecnología láser (LBM) en el mecanizado de materiales para la fabricación
de microproductos ha sido estudiada durante la última década [46,47,48] y se
presenta, a día de hoy, como una tecnología ampliamente insertada en el mundo
industrial. La aplicación de la tecnología láser a procesos de microfabricación se
encuentra en una zona de precisión intermedia que la convierte en una tecnología de
elevada demanda en función del volumen de componentes para cuya fabricación será
previsiblemente aplicada.
Las herramientas basadas en el empleo del láser proporcionan alternativas de
fabricación particularmente interesantes a escala microscópica. En particular, la
posibilidad de utilizar el láser como herramienta de precisión ofrece una alternativa
ventajosa en la realización de procesos de microfabricación tales como corte,
23
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
soldadura, taladrado, marcado, ablación y conformado, procesos por otra parte
tradicionales entre las aplicaciones industriales de los láseres de potencia.
La precisión en el dominio micrométrico debe ir acompañada de unas reducidas
cargas térmicas y mecánicas con relación a los procesos tradicionales de fabricación
de componentes de igual tipo a mayor escala. La microfabricación con láser
representa, por tanto, un desafío para los ingenieros mecánicos, los especialistas en
tecnología láser y los expertos en ciencia e ingeniería de materiales.
Los materiales que más se emplean en la producción de microproductos son metales,
cerámicas, vidrio, polímeros y semiconductores, siendo posible su mecanizado
mediante una o varias tecnologías láser diferentes (véase Figura 18a) [48].
El desarrollo de las aplicaciones industriales de los láseres en tareas de
micromecanizado, que requieren de longitudes de onda cada vez más cortas a medida
que el grado de miniaturización aumenta, queda actualmente al alcance tanto de los
láseres de excímero como de los láseres de estado sólido multiplicados en frecuencia
(típicamente Nd:YAG con moduladores de pulso, ya bombeados por lámparas de gas
noble o por fotodiodos de emisión en el infrarrojo cercano).
Los primeros son preferentemente utilizados para trabajos en metales y materiales de
gran dureza, que conllevan una muy elevada razón de aspecto (relación entre la
profundidad del mecanizado y su anchura) y precisiones dimensionales en torno al
micrómetro, mientras que los segundos están siendo utilizados con gran éxito en
aplicaciones de micromecanizado con no tan elevadas razones de aspecto y
dimensiones características en el entorno de una o varias decenas de micrómetro. En
los últimos años, como consecuencia de la mejora sustancial de eficiencia energética
lograda en la generación de haces láser, ha resultado posible la disponibilidad de
haces intensos de radiación tanto en el infrarrojo cercano, dominio característico de los
láseres de Nd:YAG, como en el visible y en el ultravioleta, a través de procedimientos
de multiplicación de frecuencia en cristales no lineales. De esta forma, la eficiencia, la
calidad de haz y la estabilidad de los correspondientes láseres ha mejorado
notablemente, posibilitando mayores potencias totales y mayores densidades de
energía en haz en beneficio del desarrollo de nuevas aplicaciones. La utilización de
longitudes de onda cortas ofrece ventajas importantes en el micromecanizado de
ciertos materiales, pudiéndose conseguir elevadas razones de aspecto (hasta 50:1) en
el mecanizado de piezas relativamente gruesas.
7.2.2. Mecanizado por Microelectroerosión (MEDM)
El mecanizado por electroerosión es una tecnología de fabricación relativamente lenta,
que se ha empleado tradicionalmente en el mecanizado de geometrías no
convencionales en metales duros y frágiles. El material se elimina al hacer saltar
chispas eléctricas a frecuencias elevadas (fundiéndose y evaporándose parcialmente
material de la pieza), generadas emitiendo pulsos de elevado voltaje entre la
herramienta (cátodo) y la pieza (ánodo), siendo la polaridad invertida en operaciones
de acabado de microelectroerosión. Tanto la pieza como la herramienta están
sumergidos en un fluido dieléctrico [10]. El proceso exige que la pieza sea conductora
aunque su dureza no es crítica. Los electrodos que se fabrican son normalmente de
grafito, cobre o incluso plata (véase Figura 18b).
Las tecnologías típicas que se pueden diferenciar dentro del MEDM son la
electroerosión por hilo (WEDM), electroerosión por penetración (SEDM), taladrado por
electroerosión, fresado por electroerosión y rectificado por electroerosión con hilo
24
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
(WEDG). Las tecnologías WEDM y SEDM son las más empleadas de entre todas
ellas.
En el proceso de WEDM se emplean a día de hoy hilos (electrodo) muy finos de
diámetro hasta 20 μm (véase Figura 18c). Este proceso se emplea mayormente en el
mecanizado de geometrías regladas y fabricación de electrodos [8].
Respecto a la tecnología SEDM, la fabricación de los electrodos es una etapa de gran
importancia debido a que define la calidad de las geometrías mecanizadas. El
electrodo-herramienta se puede modelar bien con la forma de la cavidad deseada o
bien con una geometría sencilla, evitando de este modo el desgaste notable que sufre
el electrodo durante el mecanizado [49]. Se han conseguido diámetros de agujero de
hasta 5 μm con ratios de forma de 10-20 [50,51], microranuras e incluso estructuras
complejas en 3D [39].
7.2.3. Mecanizado por haz de Electrones (EBM)
La eliminación de material mediante haz de electrones es otra de las tecnologías en
auge. En lugar de hacer saltar arcos eléctricos, este método emplea un haz focalizado
de alta velocidad de electrones, el cual funde y vaporiza el material.
La tecnología EBM se emplea para la escritura sobre una célula electrosensible o para
crear variaciones superficiales del material (véase Figura 18d). Las técnicas básicas
están muy desarrolladas para la producción de máscaras de los circuitos integrados y
especialmente para la fabricación de estructuras superficiales, como por ejemplo la
óptica binaria [52]. El diámetro transversal típico del haz de electrones está
comprendido entre 10 y 200 μm para el punto de focalización sobre la pieza [10].
7.2.4. Mecanizado por haz de iones focalizados (FIB)
Algunos autores clasifican la tecnología FIB como una tecnología puramente
mecánica, en la cual la punta de la broca se reemplaza por un haz de iones altamente
energéticos. Se emplea una fuente líquida de iones metálicos, por ejemplo galio,
obteniendo diámetros de haz por debajo de la micra en la zona focalizada [10].
El mecanizado por haz de iones focalizados es una tecnología idónea para el
mecanizado de estructuras de dimensiones muy reducidas, detalles muy finos e
incluso estructuras en 3D, gracias al diámetro de haz de 10-50 nm [53,54,55] (véase
Figura 18e). Los iones son dirigidos y focalizados desde una fuente de plasma sobre la
superficie donde se elimina el materia [56].
7.2.5. Mecanizado por haz de plasma (PBM)
El vaporizado de plasma es una tecnología de partículas adaptado para la deposición
rápida de una capa gruesa (>30 μm). En cuanto a su mayor aplicación a la hora de
fabricar micro-componentes a futuro, se puede destacar la producción por lotes de
sensores de gas de estado sólido. Sin embargo, a día de hoy resulta ser una
tecnología no demasiado empleada (véase Figura 18f).
25
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
a
b
c
d
e
f
Figura 18. Aplicaciones de los procesos asistidos con energía: (a) Microengrane de zafiro
mecanizado mediante UV LBM [57]. (b) Varilla de diámetro 12 μm mecanizado mediante
WEDG [58]. (c) Molde para la extrusión de polímero aplicado a la producción de pita de pescar,
fabricado mediante hilo de 30 μm en WEDM [59]. (d) Filtro con 3,5 millones de agujeros de
Ø100 μm en 316 S/S mediante EBM [60]; (e) Toro mecanizado en diamante por medio de FIB
[61]. (f) Turbina de un aeromotor con recubrimiento térmico mediante PBM [62].
7.3.
PROCESOS MECÁNICOS
Los procesos mecánicos se emplean principalmente en la fabricación directa de
pequeña cantidad de componentes de precisión. Dentro de estos procesos se agrupan
los procesos de microcorte, microrectificado y mecanizado ultrasónico.
Entre los mayores problemas para alcanzar la precisión requerida en procesos de
mecanizado se pueden citar la deformación de la pieza y herramienta, vibraciones,
deformación térmica e inexactitudes de la máquina [10].
7.3.1. Procesos de corte
Los procesos de microcorte se caracterizan por la interacción mecánica de la
herramienta con la pieza. Esto origina la separación del material en las zonas de
interacción y el material se elimina en forma de viruta. Las tecnologías de microcorte
26
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
deben cumplir que la herramienta sea de mayor dureza que la pieza y que además no
sufra difusión activada térmicamente entre la herramienta y la pieza [8].
Las tecnologías de microcorte más habituales son el torneado con diamante, fresado
con diamante, microfresado, taladrado con diamante y pulido con diamante de
estructuras. El microcorte presenta la gran ventaja de que las herramientas en estos
procesos contactan con la pieza y existe una gran correlación geométrica entre las
trayectorias de la herramienta y la superficie generada. El mayor inconveniente de
estos procesos es el efecto de las fuerzas de mecanizado en la precisión y el límite del
tamaño de mecanizado debido a las deformaciones elásticas existentes tanto en la
microherramienta como en la pieza [57].
Torneado con diamante
El micromecanizado presenta cada día mayor importancia, siendo una de las
tecnologías más adecuadas para la fabricación de componentes de microóptica [63].
El torneado de diamante es muy empleado en la fabricación de elementos ópticos no
esféricos de elevada calidad para vidrio, cristales, metales, acrílicos y otros materiales
(véase Figura 9). Algunas de las aplicaciones de los elementos ópticos generados en
el torneado de diamante son el montaje óptico de telescopios, proyectores de TV,
sistemas guía de misiles e instrumentos para investigación científica.
La alineación de la herramienta es uno de los parámetros clave del torneado de
diamante para conseguir la calidad deseada (errores de inclinación en los planos X-Y,
X-Z y Y-Z).
Figura 19. Torneado con diamante [64].
Fresado con diamante
El fresado con diamante se puede dividir en dos tipos de procesos a la hora de
generar microestructuras; el fresado circunferencial (denominado como fly cutting, que
emplea herramientas de diamante monocristalino en forma de V) y el fresado con
punta de bola (Figura 20).
27
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 20. Diamond milling processes for the fabrication of microstructured surfaces [57].
Las aplicaciones comunes del fresado circunferencial son microprismas y matrices de
reflectores, mientras que entre las aplicaciones del fresado de punta de bola se
encuentran los cilindros repujados (véase Figura 23a-b).
Microfresado
El micromecanizado tradicional utiliza materiales de fabricación tales como el acero, el
aluminio, el latón, etc. Con las herramientas de carburo de wolframio es capaz de
satisfacer muchas de las demandas de los componentes miniaturizados (véase Figura
23c).
Muchos procesos de microfabricación carecen de la capacidad para conformar
materiales diferentes del silicio o el plástico, y no son apropiados para generar
geometrías tridimensionales de tamaño pequeño y medio. El microfresado es una
tecnología prometedora para superar estas limitaciones, que soportan muchas de las
tecnologías de microfabricación más tradicionales, y será analizado en detalle en el
subproyecto No. 1.
Mandrinado con diamante
En algunas aplicaciones especiales, el torneado y el fresado empleando herramientas
de diamante monocristalino pueden no ser muy útiles debido a sus limitaciones
geométricas y cinemáticas. Por ello, se ha desarrollado el mandrinado de contornos
con diamante para la fabricación de micromoldes para óptica (véase Figura 21).
Figura 21. Mandrinado con herramientas de diamante monocristalino de medio arco [57].
Pulido
Si la calidad superficial de moldes de alta precisión para la fabricación de elementos
ópticos no es suficiente para satisfacer las crecientes demandas en lo referente a
rugosidad superficial y forma, una operación posterior de pulido puede ser necesaria
(Figura 22) [65].
28
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 22. Pulido de piezas [57].
7.3.2. Microrectificado
El microrectificado se aplica en la fabricación de piezas de precisión de materiales de
elevada dureza; lentes para gafas, silicio, cerámicos, etc. (véase Figura 23d). Sus
aplicaciones principales son la fabricación de vástagos, ranuras y microcavidades de
dimensiones del orden de la micra.
El microrectificado tiene ciertas restricciones en cuanto a tamaño y forma de muela,
limitando la calidad, geometría de micropiezas y superficies mecanizadas obtenibles.
Además, la dificultad de fabricación de muelas y su preparación (incluyendo el
diamantado) también reduce de manera significativa la aplicación del microrectificado
en la microfabricación a gran escala.
7.3.3. Ultrasonic Machining (USM)
El USM, también conocido como rectificado por impacto ultrasónico, es un método en
el que se emplea una herramienta y abrasivos sueltos. Se hace vibrar la herramienta a
una frecuencia ultrasónica y ésta arrastra a los abrasivos generando una rotura frágil
en la superficie de la pieza. La forma y dimensiones de la pieza están en función de la
herramienta. Como el arranque del material está basado en la rotura frágil, este
método es adecuado para mecanizar materiales tan frágiles como el vidrio, los
materiales cerámicos, el silicio o el grafito (prácticamente cualquier material duro)
[66,67] (Figura 23e-f).
Los principales problemas son la precisión de la puesta a punto y el comportamiento
del equipo. La vibración ultrasónica del cabezal dificulta el amarre preciso de la
herramienta [39].
a
b
c
d
e
f
29
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 23. Aplicaciones de los procesos mecánicos. (a) Microcoche (L=7 mm, W=2.3 mm &
H=3 mm), obtenido mediante mecanizado con diamante, y varios granos de arroz [68].
(b) Lentes Fresnel de plástico replicados a partir de moldes mecanizados con diamante para
paneles fotovoltaicos [57]. (c) Molde para engranaje fresado en acero mediante microfresado
[65]. (d) Componente con Ra<5 nm mediante microrectificado [69]. (e) Microagujero en cuarzo
mecanizado mediante USM [70]. (f) Microartilugios fabricados mediante USM [71].
7.4.
TÉCNICAS DE REPLICADO
En muchos casos el objetivo de la fabricación es la producción en serie. La producción
en serie de micropiezas y microestructuras de manera económica se consigue
principalmente mediante técnicas de réplica como la microinyección (MIM), el
estampado de precisión en caliente (hot embossing) y el micromoldeo. No obstante
existen varias técnicas de conformado en estado incipiente (forjado en frío, doblado,
punzonado, extrusión, etc.) que se están desarrollando rápidamente y podrían
presentar un futuro prometedor [72].
7.4.1. Microinyección (MIM)
El MIM consiste en calentar un material termoplástico hasta que se funda e inyectarlo
mediante una presión de inyección controlada en la cavidad de un micromolde hasta
su solidificación.
La microinyección por compresión y la inyección de paredes finas son dos buenos
candidatos MIM para la microfabricación [10] (Figura 24a).
7.4.2. Estampado de precisión en caliente (hot embossing)
El proceso de estampado en caliente de polímeros termoplásticos se basa en el flujo
plástico de un material alrededor de una herramienta de geometría inversa a la pieza
deseada. Primeramente el material se calienta hasta un punto intermedio entre la
temperatura de transición vítrea (Tg) y la temperatura de fusión (Tf), y después la
herramienta se presiona contra el material uniaxialmente [73]. Se suele utilizar una
máquina similar a una prensa. La máquina desarrolla una fuerza de estampado del
orden de 5 a 20 toneladas.
El estampado de precisión en caliente presenta varias ventajas frente al MIM, tales
como el relativo bajo coste de las herramientas de estampación, la simplicidad del
proceso y una alta precisión en el conformado de piezas pequeñas. Sin embargo, tiene
el inconveniente de generar tensiones residuales elevadas y ser sólo aplicable a
piezas con ratio de forma bajo [10] (véase Figura 24b).
30
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
7.4.3. Moldeo
El moldeo es un método atractivo de prototipado rápido para el desarrollo de nuevos
productos. Esta técnica, llamada litografía blanda, ha sido utilizada por muchos
investigadores debido a su simplicidad (véase Figura 24c).
Sin embargo, el largo tiempo de ciclo y la contracción que sufre al polimerizarse el
material hacen difícil su empleo en la producción en serie de la mayoría de las
aplicaciones industriales [10].
a
b
c
Figura 24. Aplicaciones de las técnicas de réplica. (a) Piezosensor mediante MIM [74].
(b) Elementos microópticos mediante estampado de precisión en caliente [75]. (c) Moldeo de
aluminio [76].
7.4.4. Microconformado
El vocablo microconformado hace referencia a las tecnologías de fabricación por
deformación de componentes con al menos dos dimensiones por debajo del milímetro.
Se incluyen en esta disciplina tanto la mera miniaturización de procesos (máquinas,
utillajes, modelos numéricos...), como el desarrollo de nuevos modelos y técnicas de
fabricación específicos para microcomponentes, que hagan frente a las limitaciones de
la miniaturización.
31
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
Figura 25. Procesos de microconformado
7.5.
MANIPULACIÓN, MONTAJE, ASEGURAMIENTO DE
CALIDAD Y METROLOGÍA
La manipulación y el montaje de micropiezas es una tarea que se enfrenta a nuevos
problemas, que no aparecen en la fabricación en serie convencional. Entre estos
problemas, se pueden citar pequeñas tolerancias de unión, efecto dominante de las
fuerzas superficiales e incluso rotura de micropiezas por fuerzas excesivas, errores de
posicionamiento debido a cambios de temperatura, vibraciones y contaminación [59].
Además la manipulación y el empaquetado de microcomponentes resulta
trascendental para su posterior aplicación y actualmente engloba hasta el 80% del
coste total de fabricación [41] (Figura 26a-b).
En cuanto al control de la calidad y la metrología, el control del proceso en todo
momento es la clave para llegar a una producción satisfactoria de productos a escala
micro. Los ensayos funcionales de los microproductos presentan una gran importancia
a la hora de determinar su comportamiento. Esto implica la necesidad de realizar
ensayos dinámicos bajo condiciones de trabajo diferentes, así como la monitorización
simultánea del comportamiento del producto.
32
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
La estandarización en el campo de la microtecnología es necesaria para el desarrollo
de un lenguaje unificado. Es preciso integrar las experiencias del mundo de la
tecnología de los MEMS y del mundo de la ingeniería de precisión de cara a definir las
pautas y estrategias comunes en cuanto a tolerancias e instrumentos de medida, así
como métodos de medida y calibración [77].
Por otro lado, el ratio entre el área superficial y las dimensiones genera serios
problemas metrológicos en el caso de piezas de reducidas dimensiones. A medida que
las piezas son menores, la capacidad de distinguir entre una dimensión superficial y
una lineal se hace más compleja. Hay una fuerte necesidad de comercializar
instrumentos capaces de medir microproductos 3D reales, aunque ya se han realizado
algunos esfuerzos en este sentido (véase Figura 26c).
a
b
c
Figura 26. Manipulación, montaje, empaquetado, control de calidad y metrología.
(a) Micropinza quirúrgica del tamaño de dos granos de sal [78]. (b) Empaquetado electro microfluídico [79]; (c) Máquina de Medición por Coordenadas 3D Zeiss F-25, de 7,5 nm de resolución
y 250 nm de incertidumbre para un volumen de 1 cm3 [80].
33
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
8.
LÍNEAS FUTURAS
Hoy en día se cree que las tecnologías de microfabricación y los microproductos
tendrán una excelente aceptación industrial y comercial, y las expectativas del
mercado revelan un enorme potencial.
Sin embargo, se deben afrontar algunos retos para que se pueda llevar a cabo una
extensión más rápida y una mayor aceptación.
Capacidad de producción. Una implementación masiva de las microtecnologías en la
industria requiere la posibilidad de producir grandes lotes de microcomponentes con
un coste reducido. En consecuencia, se deberían desarrollar nuevos procesos de
fabricación, nuevas máquinas y otros medios de producción, o si no las
microtecnologías actuales deberían de ser adaptadas.
Técnicas de embalaje y montaje. Las técnicas de embalaje y montaje permiten a los
microsistemas conectarse con aplicaciones externas. Sin embargo, las técnicas
existentes implican un aumento significativo del precio final de los microsistemas. Por
lo tanto, se requieren técnicas más económicas y novedosas de fácil conexión y
adaptadas para trabajar en condiciones ambientales agresivos.
Nuevos materiales. Las exigencias de los microsistemas varían según su aplicación, y
por tanto, satisfacer estas necesidades supone emplear uno u otro tipo de material.
Generalmente la necesidad de reducir el coste de fabricación y la producción en
grandes lotes de microcomponentes, la compatibilidad de los materiales, la posibilidad
de trabajar en ambientes agresivos, el comportamiento concreto ante ciertas
propiedades físicas y otros factores de demanda el uso de materiales alternativos al
silicio, como polímeros, metales, cerámicas, composites, etc. o el desarrollo de nuevos
materiales con estructuras internas a escala nanométrica modficadas.
Herramientas específicas de ingeniería. Una adecuada simulación y diseño de los
microsistemas ayuda a reducir errores, ahorrar tiempo y dinero. Las herramientas de
diseño y simulación deberían ser específicas para cada tecnología de fabricación y
estar adaptados para trabajar con altas precisiones y dimensiones reducidas,
incluyendo librerías del material adecuado para los microcomponentes teniendo en
cuenta el efecto escala.
Estandarización. Si se pretende conseguir una mayor aceptación de los
microsistemas, los costos y el tiempo de desarrollo deberían reducirse. La
normalización es una forma eficaz de reducirlos, aumentado la demanda para producir
microcomponentes, superando las economías de escala y haciendo posible la
construcción de microsistemas a través de la integración de bloques modulares. La
industria necesita ser activa y consciente de las cuestiones de normalización, así como
ser eficaces para lograr que sus normas sean aceptadas en el mercado.
Mano de obra cualificada y equipos multidisciplinares. Un sistema educativo capaz de
fomentar la diversidad y multidisciplinaridad en la investigación, diseño y producción
de mano de obra es necesario. Es imprescindible tomar nota de que la creciente
complejidad de la tecnología requiere una educción multidisciplinar y programas de
formación específicas.
Creación de la infraestructura. Se debería de construir un entorno de investigación y
una infraestructura adecuada capaz de apoyar actividades de investigación preindustriales visionarias e industrialmente avanzadas, incluyendo los procesos de
validación, que facilitan la rápida introducción de tecnologías innovadoras en sistemas
34
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
de fabricación, productos y servicios para compartir resultados significativos a nivel
mundial de manera rápida.
Apoyo financiero e institucional. Un marco jurídico y financiero favorable (incluida la
rápida respuesta de apoyo normativo) acelerará la participación de los principales
participantes en la cadena de valor para las enormes y cada vez mayores inversiones
necesarias en la competitividad globalizada del mercado. Las asociaciones
estratégicas publico-privadas deben ser recompensadas, en el cual industrias fuertes
comparten sus visiones a largo plazo con socios de investigación, y se movilizan
recursos en el modo más coherente posible.
35
MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro
9.
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