La technologie additive UV-LIGA est aussi appelée électroformage. Elle ouvre de nouvelles perspectives dans la miniaturisation des composants ainsi que dans la micro-structuration de surface. Elle permet de réaliser des géométries d’une très grande précision, irréalisables à l’aide des procédés de production courants, tels que le fraisage, l’étampage, l’électroérosion ou la découpe laser.
Cette technologie a l’avantage d’être peu coûteuse et rapidement mise en œuvre ce qui rend le procédé très compétitif face aux méthodes traditionnelles par enlèvement de matière. Idéal pour le prototypage rapide ainsi que pour la production de grande série, ce procédé permet d’atteindre un niveau de précision micrométrique ainsi qu’une qualité d’état de surface inégalée.
Le procédé UV-LIGA combine de la photolithographie et de la croissance de matière dans un bain galvanique. Elle nécessite des outillages (photomasques), des équipements industriels et des techniques différentes des méthodes de micro-fabrication conventionnelles. La technologie UV-LIGA a prouvé́ son efficacité depuis plus de vingt ans dans la production d’applications industrielles. Ses applications typiques sont l’horlogerie mécanique, les micro-engrenages, la micro-injection plastique et les pointes de test pour micro-processeurs.
La fabrication débute avec l’étape de photolithographie. Une résine photosensible est déposée sur un substrat, séchée et illuminée au travers d’un photomasque, puis développée. Il en résulte un moule en négatif de la pièce finale que l’on veut obtenir. En itérant ces opérations, il est possible d’obtenir des pièces à plusieurs niveaux quand ceci est nécessaire. L’étape suivante consiste à remplir le moule de métal par électroformage. La pièce métallique résultante est ensuite rodée jusqu’à son épaisseur finale.
Préparation du wafer (substrat)
Une couche d’or (Fig. 1) est déposée pour rendre le wafer électriquement conducteur, puis une couche de résine photosensible (Fig. 2) d’une épaisseur un peu supérieure à celle de la pièce finale est appliquée, dans le but d’avoir suffisamment de matière pour les opérations de finition.
Photolithographie – développement
La couche de résine photosensible est illuminée par une lumière UV (Fig. 3) collimatée et d’intensité contrôlée au travers d’un photomasque pour définir le contour de la pièce à fabriquer. Dans le cas d’une résine négative, le volume de résine qui a été traversé par la lumière UV va se réticuler. Quand ce wafer est ensuite immergé dans un solvant, la partie non illuminée va se dissoudre, créant ainsi le moule de la pièce (Fig. 4). Dans le cas d’une roue d’échappement, environ 1000 cavités strictement identiques sont créées sur la surface du wafer.
Pour des composants multi-niveaux, les opérations décrites ci-dessus sont répétées pour chaque niveau du composant.
Le cœur du procédé UV-LIGA se trouve dans cette première série d’opérations. C’est grâce à l’extrême précision de ce procédé, issu des technologies de fabrication des microprocesseurs, qu’il est possible d’obtenir des formes aussi variées et précises. La maîtrise des procédés est évidemment essentielle pour atteindre la précision souhaitée. Pour des dimensions millimétriques, la précision est de l’ordre de ± 2μ
Croissance galvanique
Une fois le wafer structuré, il est ensuite immergé dans un bain galvanique (Fig. 5) afin de remplir le moule atome par atome, par croissance galvanique nommée «électroformage». C’est la maîtrise du procédé de croissance galvanique qui permet d’obtenir une phase métallique très homogène. Ce procédé additif de « remplissage à froid » d’une cavité (Fig. 6) très précise s’affranchit des défauts habituels des autres techniques, tels que : la création de contraintes localisées ; la modification locale des propriétés mécaniques, etc…
Une fois la cavité remplie de métal, la partie supérieure du wafer appelée aussi la «face galvano», est usinée pour obtenir l’épaisseur du composant désiré dans une tolérance pouvant atteindre ± 5μm.
Dissolution du moule SU-8
La libération des composants se passe en deux étapes :
• L’élimination de la résine par une attaque chimique sèche
• La dissolution chimique du wafer pour libérer les pièces
Plusieurs étapes s’en suivent :
• Polissage en vrac
• Des opérations de nettoyage
• Un contrôle qualité final qui englobe la mesure des dimensions et une inspection visuelle
Méthodes de fabrication concurrentes à la technologie UV-LIGA
• La découpe laser, l’électroérosion à fil, l’étampage
• Le décolletage,
• Le micro-fraisage
Ces méthodes mentionnées ci-dessus permettent de couvrir un large spectre d’applications allant des petites aux grandes pièces, de formes 2D ou 3D.
La technologie UV-LIGA est quant à elle idéale pour la réalisation
de petits composants 2.5D à faible épaisseurs (≤ 800μm) et qui nécessitent une précision micrométrique. Là où les méthodes traditionnelles s’arrêtent, la technologie UV-LIGA prend tout son sens.
Longtemps considérée comme une technologie dédiée pour des quantités de quelques centaines de composants, elle est aujourd’hui également utilisée pour des besoins annuels de plus d’un million de pièces par référence. Ce qui en fait une solution industrielle éprouvée et économiquement compétitive pour certaines typologies de pièce.
Le coût d’un composant est principalement dicté par sa superficie ainsi que par le nombre d’étages que celui-ci comporte. Plus la pièce sera petite en termes de surface, plus la technologie UV-LIGA sera compétitive face aux méthodes concurrentes.
Les avantages de l’UV-LIGA
Précision
Les composants obtenus par le procédé UV-LIGA ont une précision supérieure aux méthodes de fabrications traditionnelles. Ils ne sont pas issus d’un procédé par enlèvement de matière mais d’une croissance galvanique issu d’un moule réalisé par un procédé photolitographique.
La résultante est garantie avec une précision de ± 1μm de cette empreinte sacrificielle. Cette précision se verra quelque peu péjorée après le passage dans un bain galvanique, à température d’environ 60°C qui impactera sur la dilatation de la résine. Cette dérive étant connue, elle sera anticipée lors du design du photomasque.
Par conséquent la limite de précision sur le composant terminé se situera aux environs de ± 2μm pour un trou ≤ 1mm.
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Longtemps considérée comme une technologie dédiée pour des quantités de quelques centaines de composants, elle est aujourd’hui également utilisée pour des besoins annuels de plus d’un million de pièces par référence.
