Transcript เทคโนโลยีซินโครตรอนเพือ่ การผลิตชิ้นส่ วนขนาดเล็ก ระดับไมโคร Synchrotron Technology for Manufacturing of Micro Parts นิมิต ชมนาวัง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี / สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์ การมหาชน)

เทคโนโลยีซินโครตรอนเพือ่ การผลิตชิ้นส่ วนขนาดเล็ก ระดับไมโคร
Synchrotron Technology for Manufacturing of Micro Parts
นิมิต ชมนาวัง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี / สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์ การมหาชน)
Outline
ชิ้นส่ วนจุลภาค (Micro parts) และกรรมวิธีการผลิต
 การประยุกต์ใช้งานชิ้นส่ วนจุลภาค
 ระบบลาเลียงแสงซิ นโครตรอน XRL (BL-6) เพื่อการผลิตชิ้นส่ วนจุลภาค
 กระบวนการ LIGA
 การให้บริ การผลิตชิ้นส่ วนจุลภาคต้นแบบ

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
2
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ชิ้นส่ วนจุลภาค (Micro parts)

ชิ้นส่ วนที่

ขนาดเล็ก ในระดับไมโครเมตร-มิลลิเมตร

น้ าหนัก ในระดับไมโครกรัม-กรัม

โลหะ

เซรามิก

พลาสติก
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
Oechsler.com
3
Micromoulding.co.uk
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค
Medicine
 Pharmacy
 Biotechnology
 Electronics / MEMS
 Optics / MOEMS
 Auto mobile
 Sensors / Actuators / Micro-mechanics

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
4
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ตัวอย่ างการประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค

Sumitomo Electric Industries

Contact probe pins:

Extremely small.

High density / highly accurate

Varying degrees of spring force.
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
5
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ตัวอย่ างการประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค (ต่ อ)

Sumitomo Electric Industries

Ultrasound composite transducers:

Superfine / high-aspect-ratio columns of PZT suitable for medical imaging.
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
6
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ตัวอย่ างการประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค (ต่ อ)

AXUN Technologies

Precision metal spring

Fiber-optic aligner
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
7
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ตัวอย่ างการประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค (ต่ อ)

Boehringer-Ingelheim

Microfluidic chip for clinical microbiology

ใช้สารตัวอย่างในปริ มาตรน้อย
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
8
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ตัวอย่ างการประยุกต์ ใช้ งานชิ้นส่ วนจุลภาค (ต่ อ)

Harmonic Drive

ชุดเฟื องทดรอบสาหรับมอเตอร์จิ๋ว

ไม่มีระยะห่างระหว่างฟั นเฟื อง

ขับเคลื่อนได้อย่างสมบูรณ์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
9
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การผลิตชิ้นส่ วนจุลภาค

Serial fabrication (ผลิตชิ้นงานทีละชิ้น)

Micro EDM (Electro-Discharge Machining) ใช้การดิสชาร์ จทางไฟฟ้ าสกัดวัสดุ

Laser ablation ใช้แสงเลเซอร์ สกัดวัสดุ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
10
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การผลิตชิ้นส่ วนจุลภาค (ต่ อ)

Batch fabrication (ผลิตชิ้นงานจานวนมากในแต่ละครั้ง)

Silicon Machining ใช้การสกัดผลึกซิ ลิคอนด้วยสารเคมี

LIGA / photo-electroforming
ใช้ แสงซินโครตรอน ในการกาหนดรู ปร่ างพอลิเมอร์ ไวแสง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
11
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การกาหนดรูปร่ างชิ้นส่ วนจุลภาคด้ วยแสง UV

หลักการของกระบวนการ Photo Lithography
ชิ้นงาน
กระจกใส
แหล่งกาเนิดแสง
เงาของ
ลวดลายจุลภาค
ลวดลายจุลภาค
(ทึบแสง)
ส่ วนประกอบของกระบวนการ Photo Lithography
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
12
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การกาหนดรูปร่ างชิ้นส่ วนจุลภาคด้ วยรังสี เอ็กซ์
จากแสงซินโครตรอน

หลักการของกระบวนการ X-ray Lithography
ชิ้นงาน
ฐานรองโปร่ งแสงต่อรังสี เอ็กซ์
รังสี เอ็กซ์จาก
แสงซินโครตรอน
เงาของลวดลาย
วัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์
ส่ วนประกอบของกระบวนการ X-ray Lithography
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
13
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
คุณลักษณะของรังสี เอ็กซ์ จากซินโครตรอน

ความเข้มแสงสูง (high intensity)

อานาจทะลุทะลวงสูง (high penetration)

ลาแสงขนาน (low divergence)

ความละเอียดภาพสูง (extremely high resolution) ระดับซับไมครอน
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
14
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
กระบวนการ LIGA
 LIGA Process
เป็ นกระบวนการสาหรับสร้างชิ้นงานจุลภาค ซึ่งเริ่ มพัฒนาขึ้นเมื่อปี
ค.ศ. 1970 คาว่า LIGA เป็ นภาษาเยอรมันย่อมาจาก
LI = X-ray Lithography กระบวนการลิโธกราฟฟี ด้วยรังสี เอ็กซ์
G = Galvanoformung (Electroforming) กระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้ า
A = Abformung (Molding) กระบวนการสร้างชิ้นงานด้วยแม่พิมพ์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
15
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การลิโธกราฟฟี ด้ วยรังสี เอ็กซ์

กระบวนการลิโธกราฟฟี ด้วยรังสี เอ็กซ์ (X-ray Lithography)
รังสี เอ็กซ์
วัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์
บริ เวณที่รังสี เอ็กซ์ตกกระทบ
สารไวแสง SU-8
แม่พิมพ์พอลิเมอร์
1.) ขั้นตอนการอาบรังสี เอ็กซ์ลง
บนชิ้นงานผ่านหน้ากากกั้นรังสี
เอ็กซ์เพื่อสร้างลวดลาย
2.) หลังจากการล้างสารไวแสง
ด้วยน้ ายา Developer บริ เวณที่ไม่
มี แสงตกกระทบจะถูกล้างทิ้งไป
ฐานรอง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
16
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การเติมโลหะในแม่ พมิ พ์พอลิเมอร์

กระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้ า (Electroforming)
แม่พิมพ์โลหะ
แยกสองส่วน
ออกจากกัน
แม่พิมพ์พอลิเมอร์
ฐานรอง
แม่พิมพ์โลหะ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
17
3.) ขั้นตอนการชุบโลหะด้วย
ไฟฟ้ าเพื่อสร้างแม่พิมพ์ แล้ว
แยกทั้ง สองส่ วนออกจากกัน
4.) หลังจากแยกแม่พิมพ์โลหะออกจาก
แม่พิมพ์พอลิเมอร์ แล้ว จะได้แม่พิมพ์
โลหะ ที่เป็ นหลุมของลวดลายใน
ลักษณะกลับด้าน
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การใช้ งานแม่ พมิ พ์โลหะ

การผลิตซ้ าชิ้นงาน พลาสติกหรื อ เซรามิก ด้วยแม่พิมพ์โลหะ (Replication)
5.) สาเนาโครงสร้างชิ้นส่ วนจากแม่พิมพ์
โลหะ
ด้วยเทคนิค
- injection molding
- hot embossing
- powder casting
แม่พิมพ์โลหะ
ชิ้นงานที่สร้างขึ้นในแม่พิมพ์
6.) แกะชิ้นส่ วนจุลภาคออกจากแม่พิมพ์
โลหะ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
18
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
แนะนาระบบลาเลียงแสง XRL (BL-6)

สถานีทดลองเอ็กซ์เรย์ลิโธกราฟฟี
วงกักเก็บอิเล็คตรอน
สถานีทดลอง
เอ็กซ์เรย์ลิโธกราฟฟี
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
19
ท่อลาเลียงแสง
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
แนะนาระบบลาเลียงแสง XRL (BL-6)

โครงสร้างระบบลาเลียงแสง

แม่เหล็กโค้ง BM-6 กาเนิดแสงที่มีสเปกตรัมกว้างมาก (white light)

ฟิ ลเตอร์ สร้างจากผลึก Be หนา 100 ไมครอน
ใช้ตดั แสงย่านอื่นนอกจากรังสี เอ็กซ์พลังงานต่า และใช้ก้ นั แยกระบบท่อ
ลาเลียงแสงบริ เวณสุ ญญากาศระดับสู ง และบริ เวณที่บรรจุชิ้นงานซึ่ งเป็ น
สุ ญญากาศระดับต่าถึงความดันบรรยากาศ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
20
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
แนะนาระบบลาเลียงแสง XRL (BL-6)

โครงสร้างระบบลาเลียงแสง (ต่อ)

เครื่ องสแกนแสงลงบนชิ้นงาน

ลักษณะลาแสงที่ตกกระทบชิ้นงาน
8.4 mm
ชิ้นงาน
ลารังสี เอ็กซ์
ขนาดของลารังสี เอ็กซ์ ณ ชิ้นงาน
มีขนาด กว้าง 94.5 mm สูง 8.4 mm
94.5 mm
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
21
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ระบบสแกนชิ้นงาน
Beryllium filter
ชิ้นงาน
ลาแสงซินโครตรอน
X-ray Mask
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
22
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ระบบขับเคลือ่ นชิ้นงาน
ระบบการขับเคลื่อนชิ้นงานภายใน
ห้องสุ ญญากาศ
ชิ้นงาน
ห้องสุ ญญากาศสาหรับ
การฉายรังสี เอ็กซ์ลงบนชิ้นงาน
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
23
ระยะขึ้น-ลง
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การกาหนดรูปร่ างชิ้นส่ วนจุลภาคด้ วย x-ray mask

หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์ (X-ray Mask)
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์ที่ให้โครงสร้าง
ในลักษณะหลุมของสารไวแสง เมื่อ
ใช้กบั สารไวแสงชนิ ดลบ
วัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์ (ทองคา)
ฐานรอง (โปร่ งแสงต่อรังสี เอ็กซ์)
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์ที่ให้โครงสร้าง
ในลักษณะแท่งของสารไวแสง เมื่อใช้
กับสารไวแสงชนิดลบ
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
24
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การออกแบบรูปร่ างของชิ้นส่ วนจุลภาค
วาดรู ปร่ างของชิ้นส่ วนจุลภาคด้วย
โปรแกม CAD ต่าง ๆ เช่น AutoCAD
หรื อ SolidWork
โปรแกรม Open Source เช่น Layout
Editor ก็ใช้ได้ดี
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
25
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ภาพต้ นแบบของชิ้นส่ วนจุลภาค
กระจก
โปร่ งใส
ทึบแสง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
26
 ลวดลายทึบแสงของ
ชิ้นส่ วน จุลภาคบนกระจก
โปร่ งแสง ซึ่ งวาดด้วย laser
plotter ความละเอียด 64,000
dpi พร้อมจะถูกถ่ายทอดลงบน
แผ่นวัสดุโปร่ งรังสี เอ็กซ์ เช่น
แผ่นกราไฟต์ ด้วย
กระบวนการ UV lithography
มาตรฐาน
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การถ่ ายทอดลวดลายลงบน x-ray mask

ใช้การถ่ายทอดลวดลายต้นแบบโดยกระบวนการลิโธกราฟฟี ด้วย
รังสี อตั ราไวโอเลต
แหล่งกาเนิดแสง UV
สารไวแสง
แข็งตัวถาวร
อบ
ลวดลายที่ถูกถ่ายทอดลงบน
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
27
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
วัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์
สเปกตรัมของแสงซินโครตรอน
จาก BM-6 เมือ่ เดินทางผ่านวัสดุ
ต่ าง ๆ
แสงที่ตกกระทบชิ้นงานมีความ
ยาวคลืน่ ต่ากว่ า 1 นาโนเมตร
โลหะทอง หรือ เงิน กั้นรังสี เอ็กซ์
ได้ ดี
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
28
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การดูดกลืนพลังงานของหน้ ากากกั้นรังสี เอ็กซ์
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์
วัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์
Top Dose
Critical Dose
Bottom Dose
พอลิเมอร์ไวแสง
ฐานรองชิ้นงาน
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
29
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การเติมวัสดุดูดกลืนรังสี เอ็กซ์ ลงบน x-ray mask

ทาการชุบเงินลงไปในหลุมของสารไวแสง
แหล่งจ่ายไฟฟ้ ากระแสคงที่
แผ่น Anode
(platinized
titanium)
ชิ้นงาน
สารละลายเงิน
การต่อวงจรสาหรับการ Electroplating
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
30
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การติดตั้งชิ้นงานในการฉายรังสี เอ็กซ์

ติดหน้ากากเข้ากับชิ้นงานก่อน
นาเข้ากับเครื่ องสแกน
แสงซินโครตรอน
Scanner ชิ้นงาน x-ray mask
ฟิ ลเตอร์ เบอริ ลเลียม
แผ่นอลูมิเนี ยม
รังสี เอ็กซ์
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์
(x-ray mask)
ชิ้นงาน
Kapton tape
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
31
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การล้ างฟิ ล์ มไวแสง

หลังจากกระบวนการฉายแสง พอลิเมอร์ที่ไม่ถูกฉายแสงจะถูกล้างทิ้งใน
developer
สารไวแสงแข็ง
หลุมของลวดลาย
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
32
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การสร้ างชิ้นงานจากแม่ พมิ พ์
วัสดุดูดกลืน
รังสี เอ็กซ์
ฐานรองโปร่ งแสง
ต่อรังสี เอ็กซ์
หน้ากากกั้นรังสี เอ็กซ์
ฐานรอง
ชิ้นงาน
สารไวแสง
หลุมของสารไวแสง เมื่อสิ้นสุด กระบวนการ
ลิโธกราฟฟี ด้วยรังสี เอ็กซ์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
33

พิจารณาลักษณะของชิ้นงานที่ได้จากการ
ถอดแบบจากแม่พิมพ์
โครงสร้างโลหะและฐานรองโลหะ
ซึ่งเป็ นเนื้อเดียวกัน
แท่งชิ้นงาน หลังการชุบโลหะลงใน หลุมแม่พิมพ์จนล้น
กลายเป็ นฐาน และกัดสารไวแสงทิ้ง
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
สกัดสารไวแสงออกจากชิ้นงาน

เศษสารไวแสงที่อยูบ่ ริ เวณซอกขนาดเล็กของโครงสร้าง

CF4/O2 plasma etching
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
34
โครงสร้างโลหะ
สารไวแสงตกค้าง
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
สรุปกระบวนการ LIGA
Bessy | AZM
1.
ฉายแสง
2. ล้างฟิ ล์ม
ซินโครตรอน
ผ่าน x-ray mask
กระบวนการลิโธกราฟฟี ด้วยแสงซินโครตรอน
Bessy | AZM
4. ขัดเรี ยบ และ
3. ชุบโลหะ
สกัดพอลิเมอร์ทิ้ง
ด้วยไฟฟ้ า
การเติมโลหะในแม่พิมพ์พอลิเมอร์ / การสกัดพอลิเมอร์ทิ้ง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
35
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ชิ้นส่ วนจุลภาคโลหะ โดย SLRI/SUT
ชิ้นงานที่ได้จากการชุบโลหะนิ กเกิลด้วยไฟฟ้ าลงในแม่พิมพ์พอลิเมอร์ไวแสง
(สกัดแม่พิมพ์พอลิเมอร์ ออกแล้ว)
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
36
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ชิ้นส่ วนจุลภาคโลหะ โดย SLRI/SUT
ชิ้นงานที่ได้จากการชุบโลหะนิ กเกิลด้วยไฟฟ้ าลงในแม่พิมพ์พอลิเมอร์ไวแสง
(สกัดแม่พิมพ์พอลิเมอร์ ออกแล้ว)
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
37
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
ชิ้นส่ วนจุลภาคโลหะ โดย SLRI/SUT
ชิ้นส่ วนเฟื องโลหะจุลภาคหลังจากการขัดผิวหน้าให้เรี ยบ (planarization)
และปลดปล่อยออกจากฐานรอง
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
38
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)
การให้ บริการผลิตชิ้นส่ วนจุลภาคต้ นแบบ

สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) (SLRI)

ทีมบุคคลากรห้องปฏิบตั ิการสิ่ งประดิษฐ์จุลภาค (SLRI Micromachining Lab)
จัดให้มี บริ การผลิตต้นแบบชิ้นส่ วนจุลภาค (Micro parts prototyping service)
แก่ นักวิจยั ในภาครัฐ เอกชน และผูผ้ ลิตชิ้นส่ วนจุลภาคอุตสาหกรรม

ผูส้ นใจใช้บริ การสอบถามรายละเอียดได้ที่ ดร.นิมิต ชมนาวัง
อีเมล์: [email protected]
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
39
โทร. 08-1877-9601
สถาบันวิจยั แสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)