MICROTECNOLOGÍAS: Pasado, Presente y Futuro€¦ · en el diseño de circuitos electrónicos, ... • Ligereza y portabilidad • Dispositivos de gran sensibilidad con funcionamiento

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

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INDICE

1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 2 2. PERSPECTIVA HISTÓRICA.................................................................................... 2 3. 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. MANIPULACIÓN, MONTAJE, ASEGURAMIENTO DE CALIDAD Y METROLOGÍA …………………………………………………………………………………….3

8. LÍNEAS FUTURAS ................................................................................................. 3 9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................................... 3


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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.


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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 EJEMPLO Nivel de integración Coste Velocidad Potencia Tamaño Funcionalidad

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. TERMINOLOGÍA

3.1. 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.


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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%).


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Figura 4. Tamaño, precisión absoluta y precisión relativa en mecanizado de precisión [10].


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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).


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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].


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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:


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• 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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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.


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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.


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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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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 Automoción y transporte o Tecnologías de información y telecomunicaciones o Salud y biotecnologías o 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.


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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.


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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 c

d 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


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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].


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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).


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Tabla 3. Revisión de las tecnologías de fabricación de microproductos por Mazusawa [39].

Material interaction

Working principle Substractive Mass

containing Additive Joining

Mechanical force

- Cutting - Grinding - Blasting - Ultrasonic machining

- Rolling - Deep drawing - Forging - Punching - Bending

- Ultrasound - Cold pressure welding

Melting/Vaporization (Thermal)

- EDM - LBM - EBM

- CVD - PVD

- Welding - Soldering - Bonding

Ablation - LBM

Dissolution

- ECM - Isot.&anisot. etching

- Reactive ion etching

Solidification - Casting

- Injection moulding

Recomposition - Electroforming

- Chemical deposition

Polymerisation / Lamination

- Stereo-lithography - Photo-forming - Polymer deposition

- Gluing

Sintering - Combination of

mechanical and thermal principles

Tabla 4. Clasificación de los métodos de miniaturización por Madou [10].

Traditional techniques (not involving

photolithography-defined mask)

Non traditional techniques (involving


Non traditional techniques (not using


AFM, STM (A,S), (Se)Self-assembled monolayers

LIGA (S/A)UV transparent resists (S/A)Molded polysilicon HEXSIL (S/A)Erect polysilicon (S/A)Micromolding (A), (Ba)

Photofabrication (S)Photochemical milling (S)Wet etching of anisotropic material (S)Dry etching (S)Polysilicon surface micromach. (S/A)SOI (S)

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)

Chemical Milling (S), (Ba)

Electrochemical machining (S/A), (Ba)

EDM (S), (Se)

EDWC (S), (Se)

EBM (S/A), (Se)

Continuous deposition (A), (C)FIB (S/A), (Se)Hybrid thick film (A), (Ba)

A=Additive C=ContinuousS=SerialBa=BatchS=Subtractive


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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.


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Microsystem Technologies (MST)

Microengineering Technologies (MET)

MEMS processes

Replication techniques

Mechanical processes

Energy assisted processes

Handling, assembly, packaging, quality assurance and metrology

Technologies

Origin

Micro ProductMicro

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.


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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) Ataque selectivo

(eliminación de material) 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

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 micro-fabricación de MEMS [10].


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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).


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7.2. PROCESOS ASISTIDOS ENERGÉTICAMENTE

Los procesos asistidos con energía, denominados de forma similar procesos electro-térmicos, 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,


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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


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(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).


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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


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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).


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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].


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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


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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).


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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.


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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.


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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 micro-fluídico [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].


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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 pre-industriales visionarias e industrialmente avanzadas, incluyendo los procesos de validación, que facilitan la rápida introducción de tecnologías innovadoras en sistemas


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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.


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9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Bell laboratories, Website: www.bell-labs.com

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