Técnicas de Microfabricación

Técnicas de microfabricación

A lo largo de los últimos años las exigencias del mercado han provocado una creciente tendencia a la fabricación de componentes cada vez más reducidos. Es por ello que la microingeniería ha tomado enorme relevancia lo que justifica los numerosos estudios e investigaciones sobre los procesos de fabricación de microcomponentes que actualmente se están llevando a cabo. Se denomina MET (MicroEngineerign Technologies) a la fabricación de productos con geometría 3D de gran precisión en una serie de materiales y con tamaños que pueden ir desde los milímetros hasta las décimas de micra.

Contenido

Historia

Válvula de vacío

El inicio de esta tecnología surgió con el invento del transistor por Bardeen, Brattain y Shockley. Este dispositivo sustituía las voluminosas, ineficientes y poco fiables válvulas de vacío.

A raíz del nacimiento de este dispositivo se fueron desarrollando las técnicas de fabricación necesarias para la mejora de los circuitos integrados. Los logros conseguidos en este campo tienen como máximo exponente el chip, componente que a través de sus aplicaciones ha conseguido transformar por completo los sistemas automatizados, las tecnologías de comunicación y la electrónica de consumo en general.

Esta revolución en la electrónica ha creado una expectativa en otros sectores, como pueden ser la medicina, biotecnología, energía y telecomunicaciones, a miniaturizarse y aprovechar las mejoras que estas tecnologías le pueden aportar: Reducción de energía y consumo de materiales en la fabricación, ligereza y portabilidad, dispositivos de gran sensibilidad, aplicaciones menos invasivas y mejor relación coste/funcionalidad.

Técnicas de microfabricación

Procesos MEMS

Están basados en tecnologías planas o 2D. Se parte de una oblea preparada, se generan capas en estructuras diferentes proyectando mediante técnicas fotográficas la estructura deseada sobre una capa fotosensible. A continuación un proceso físico o químico (CVD, PVD, Deposición electromecánica, etc.) añade o elimina el material que forma la estructura.

Micromecanizado en volumen

Se puede aplicar a materiales como el Silicio, vidrio, Arseniuro de galio. Se parte de la pieza inicial (substrato) y se elimina el material para crear las estructuras mecánicas libres de contacto.

Micromecanizado superficial

La principal diferencia con el proceso anteriormente descrito es que en el micromecanizado superficial la estructura se construye mediante deposiciones capa a capa y además las geometrías en el plano X-Y no están limitadas por las orientaciones cristalográficas.

LIGA y micromoldeo

LIGA es el acrónimo en alemán de: litografía, electrodeposición y moldeo. En el primer paso se aplica la litografía de Rayos X sobre un substrato conductor recubierto con PMMA. A continuación los huecos se rellenan con metal mediante electrodeposición. Por último, la estructura de metal se emplea como molde para hacer un sinterizado cerámico o un replicado de plástico.

Procesos asistidos energéticamente

Mecanizado por haz de láser (LBM Laser Beam Machining)

La aplicación de la tecnología láser en procesos de microfabricación se encuentra en una zona de precisión intermedia y ofrece la posibilidad de utilizarla como herramienta en la realización de procesos como corte, soldadura, taladrado, marcado, etc. Una de las virtudes que ofrece este sistema con respecto a los procesos tradicionales de fabricación es la reducción de la zona afectada por el calor y por tanto se consigue una reducción en las cargas mecánicas. Se suele aplicar en materiales como los metales, cerámicas, vidrio y polímeros.
Estas aplicaciones al micromecanizado requieren longitudes de onda más cortas cuanto más preciso deba ser el proceso. Por ello los láseres principalmente utilizados en la actualidad son del tipo: de excímer o de estado sólido multiplicados en frecuencia. Los primeros aportan una precisión en torno al micrómetro mientras que los segundos se limitan a las décimas de micrómetro. Por último se puede reseñar que en los últimos años se han desarrollado los láseres de Nd-Yag, que ofrecen mayores potencias y densidades de energía en haz.

Microelectroerosión (MicroEDM, MicroElectro Discharge Machining)

El proceso de electroerosión consiste en la generación de un arco eléctrico entre una pieza y un electrodo en un medio dieléctrico para arrancar partículas de la pieza hasta conseguir reproducir en ellas las formas del electrodo. Tanto la pieza como el conductor deben ser de materiales conductores para que pueda establecerse el arco eléctrico que provoque el arranque de material. Es un proceso relativamente lento que se emplea en geometrías no convencionales de metales duros y frágiles.
Dentro del grupo se pueden diferenciar la electroerosión por hilo (WEDM), por penetración (SEDM), taladrado por electroerosión, fresado por electroerosión y rectificado por electroerosión (WEDG). Como referente, a día de hoy se emplean electrodos de hasta 20μm de diámetro.

Mecanizado por haz de electrones (EBM, Electro Beam Machining)

Este método empela un haz focalizado de alta velocidad de electrones que funde y elimina el material. Se usa para crear variaciones superficiales en la superficie de éste. El diámetro de haz incidente está comprendido entre los 10 y 200 mm.

Mecanizado por haz de iones focalizado (FIB, Focused Ion Beam)

En este caso se emplea una fuente líquida de iones metálicos, como el Galio, para poder obtener diámetros de haz menores de la micra. (10~50nm).

Mecanizado por haz de plasma (PBM, Plasma Beam Machining)

A pesar de que es una tecnología no demasiado empleada hoy día se basa en la deposición de una capa gruesa de partículas mediante vaporizado.

Procesos mecánicos

Procesos de corte

Se denomina a aquellos procesos en que se efectúa un contacto entre la pieza y la herramienta. Se elimina material en forma de viruta debido a que la herramienta es más dura que la pieza.

Operaciones más habituales
  • Torneado con diamante: muy útil en operaciones de elementos ópticos no esféricos para vidrio, cristales y metales.
  • Fresado con diamante: existen dos tipos principalmente, el que emplea herramientas de diamante monocristalino (fly cutting) y el fresado con punta de bola.
  • Mandrinado con diamante: A través de la fabricación de contornos con diamante se realiza la operación de mandrinado, útil en micromoldes para el campo de la óptica.
  • Pulido: Operación necesaria para aquellos procesos que necesiten una rugosidad superficial determinada.

Microrectificado

Proceso aplicable a piezas de alta precisión y en materiales con gran dureza. La dificultad de este proceso reside en la muela utilizada. El proceso tiene limitaciones debido a la forma y calidad de las mismas así como a su complejidad de fabricación.

Ultrasonic Machining (USM)

El rectificado por impacto ultrasónico consiste en hacer vibrar a la herramienta a frecuencia ultrasónica y mediante los abrasivos sueltos que están en contacto con la pieza, provocan la rotura frágil en la superficie. Por tanto sólo es aplicable a materiales como el vidrio, cerámicos, el silicio o grafito.

Técnicas de replicado

Para la fabricación en serie se hace uso de técnicas como la microinyección (MIM), estampado de precisión en caliente (hot embossing) y el micromoldeo.

  • Microinyección (MIM): fundición de un material termoplástico e inyección controlada en un micromolde.
  • Estampado en caliente (hot embossing): Para esta operación es necesario disponer de una pieza de geometría inversa a la deseada. Se calienta el material termoplástico hasta la temperatura de transición vítrea y entonces la herramienta se presiona contra el material. Este procedimiento presenta muy bajos costes y una alta precisión. Por contra, en el proceso se generan altas tensiones residuales.

Aplicaciones de la microfabricación

Acelerómetro

Las aplicaciones industriales más importantes y que más demandan avances en estas técnicas son las siguientes:

  • Tecnologías de la información y telecomunicaciones
  • Automoción y transporte
  • Salud y biotecnologías
  • Instrumentación y sensores

Analizando la situación actual se puede decir que las primeras copan el mayor porcentaje con un 60% de la demanda. En segundo lugar los avances en medicina y biotecnología suponen el 30%. Las telecomunicaciones sin embargo se mostraban entre un 6%, si bien hay que decir que últimamente está aumentando significativamente su tasa de crecimiento.

Por poner ejemplos de aplicaciones concretas a continuación se listan algunos:

  • Automoción: sensores efectivos, precisos y fiables, acelerómetros, microválvulas, sensores de presión, giróscopos para los sistemas de navegación, etc.
  • Salud y biotecnologías: Sistemas implantables como marcapasos, audífonos, sensores de presión sanguínea, de glucosa, herramientas de cirugía mínimamente invasiva, sistemas de suministro de fármacos inteligentes, biochips, ingeniería de tejidos y piel bioartificiales, etc.


Próximas tendencias

Cada vez se tiene más certeza de que las técnicas de microfabricación tendrán una gran expansión en el ámbito industrial pero para ello será necesario superar los límites que ésta por sí misma ofrece.

  • Aumento de la capacidad de producción: Para que los microproductos cumplan las expectativas de demanda que en este momento se tiene de ellos, la capacidad de producción se tiene que ver ampliamente aumentada mediante nuevas máquinas o procesos de fabricación que impliquen un coste reducido en los productos.
  • Conectividad con aplicaciones externas: Las técnicas actuales provocan un aumento notable del precio si se desea una interactividad con otros dispositivos.
  • Nuevos materiales: No todos los materiales son compatibles con los actuales sistemas de fabricación, además el comportamiento de algunos materiales respecto a sus propiedades físicas demandan el desarrollo de nuevos materiales con estructura interna modificada a escala nanométrica.
  • Estandarización: La normalización en estos sistemas es una forma eficaz de reducir tiempos, aprovechar economías de escala y la fabricación modular.
  • Formación específica: Trabajar con sistemas de este tipo implica conocer bien varias tecnologías, capacidad d innovación diseño y una mano de obra altamente cualificada así como multidisciplinariedad en la investigación.
  • Apoyo institucional: Los principales actores del sistema se implicarán más en estas tecnologías cuanto mayor sean las ventajas recibidas por los gobiernos. Esto implicará fuertes inversiones en el sector que acelerarán su desarrollo.


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