Metodologie di caratterizzazione e qualificazione dimensionale e superficiale di microcomponenti.

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INTRODUZIONE 
 
Nel campo della realizzazione di microprodotti e microcomponenti, una problematica 
molto sentita è quella riguardante la misura e il controllo dei pezzi. Date le dimensioni e 
dato il livello di precisione richiesto nei componenti prodotti, è necessaria un’approfondita 
analisi non solo geometrica, ma anche micro strutturale e di finitura superficiale, che 
implica l’utilizzo di strumenti di analisi altamente performanti quali SEM, profilometri e 
sistemi di misura ottici. 
In questo lavoro di tesi ci si propone, innanzi tutto, di fare una ricerca bibliografica dei 
metodi attualmente disponibili per la caratterizzazione sia geometrico-dimensionale che 
delle superfici di microcomponenti, realizzando, quindi, uno studio approfondito delle 
principali tecnologie di misura disponibili al fine di evidenziarne gli ambiti applicativi e le 
principali limitazioni. Il risultato di tale studio sarà oggetto del Primo Capitolo, dove, dopo 
aver dato la definizione di microprodotto e di microcomponente, verranno descritte le 
tipologie di materiali impiegati nel settore micro, partendo dai sistemi integrati di silicio 
fino alle ultime innovazioni nel campo, e successivamente presentati alcuni 
microcomponenti e microprodotti disponibili in commercio suddivisi a seconda del settore 
di impiego. In seguito sarà fornita una classificazione generale delle principali tecnologie 
di lavorazione per la fabbricazione di microcomponenti e microprodotti, arrivando infine 
alla mappatura delle tecnologie di misura in relazione alle dimensioni, complessità ed 
accessibilità delle superfici dei microprodotti e suddivisi a seconda del loro principio di 
funzionamento  di tipo meccanico, elettronico od ottico. 
Successivamente la tesi si propone di definire dei casi di riferimento specifici 
individuando dei microcomponenti sia di materiale polimerico, ottenuti per 
microstampaggio a iniezione (μIM), sia metallici, ottenuti per microelettroerosione 
(μEDM), che dovranno essere significativi per lo studio e l’applicazione di alcuni dei 
metodi individuati.  
Pertanto, nel Secondo e Terzo Capitolo verranno descritte le attrezzature di 
microstampaggio ad iniezione e di microelettroerosione presenti nel laboratorio ITIA-CNR 
di Bari e non (Università di Nottingham) con cui sono stati realizzati i microcomponenti, e  
saranno anche descritti gli strumenti di misura, quali lo stereomicroscopio ed il 
rugosimetro, impiegati per la caratterizzazione dimensionale e superficiale dei 
microcomponenti presi in esame, messi a disposizione sempre dal laboratorio e dal
INTRODUZIONE 
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Politecnico di Bari. Infine in questi due capitoli verranno anche presentati le proprietà dei 
materiali impiegati per la realizzazione dei microcomponenti esaminati: polimerici, quali il 
poliossimetilene (POM) ed i polimeri a cristalli liquidi (LCP), e metallici, quale la lega di 
alluminio. 
Il Quarto Capitolo rappresenta la fase operativa del lavoro di tesi, dove saranno descritte 
le attività sperimentali ed i casi di riferimento di caratterizzazione dimensionale e 
superficiale seguiti nel laboratorio ITIA-CNR. 
La prima attività sperimentale realizzata è stata la caratterizzazione dimensionale di 
micro canalini ottenuti per micro stampaggio ad iniezione. Tale attività è stata preceduta 
dallo studio dei parametri di acquisizione dello stereomicroscopio Zeiss V20 per la misura 
dei micro canalini stessi. Infatti, sono stati effettuati due piani preliminari per verificare sia  
il settaggio ottimale dei fattori maggiormente influenti dello strumento (ingrandimento, 
tempo di esposizione e posizione del campione) per rendere la misura ripetibile, sia le 
capacità dell’operatore nell’esecuzione della misura stessa. Tale piano di settaggio è stato 
fatto sia per il provino in POM che su quello in LCP. L’ingrandimento ed il tempo di 
esposizione sono stati fatti variare su 3 livelli mentre la posizione del campione su due 
livelli (canalini in orizzontale e verticale). I settaggi ottimali individuati e la valutazione 
dell’errore dell’operatore sono stati poi tenuti in considerazione per la definizione della 
successiva caratterizzazione dimensionale dei microcanali. Sono stati misurati, sempre con 
lo stereomicroscopio, i campioni in POM ed LCP ottenuti con diversi parametri di 
processo della macchina per micro stampaggio ad iniezione (macchina Battenfled): 
temperatura di fusione, velocità di iniezione e pressione di iniezione e sono stati individuati 
i provini con il minor errore dimensionale percentuale rispetto al valore di riferimento 
nominale ed i relativi parametri di produzione. 
La seconda attività sperimentale ha riguardato la caratterizzazione superficiale di micro 
provini di trazione, realizzati sempre per micro stampaggio con la macchina DesmaTec. I 
provini sempre di POM e LCP sono stati misurati con il rugosimetro Surtronic 25 fornito 
dal Politecnico di Bari. Dopo la calibrazione iniziale dello strumento realizzata con un 
campione di riferimento tarato, sono state misurate le rugosità (Ra) dei provini ottenuti con 
differenti parametri di processo (temperatura di fusione, temperatura dello stampo, 
pressione di mantenimento, tempo di mantenimento e velocità di iniezione), e sono stati 
valutati i parametri che maggiormente hanno influenzato la rugosità dei prodotti e che 
fornivano migliori risultati.
INTRODUZIONE 
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La terza ed ultima caratterizzazione è stata di tipo dimensionale e ha riguardato micro-
componenti metallici in lega di alluminio-magnesio, lavorati per microelettroerosione con 
la macchina Sarix. I campioni esaminati sono stati una serie di cavità quadrate su una lastra 
metallica lavorati a diverse impostazioni di parametri di processo della macchina, e un 
prototipo di portalente, in procinto per essere brevettato. Lo strumento impiegato per 
entrambe le misure è stato lo stereomicroscopio V20 della Zeiss. 
La misura delle cavità è servita per stabilire l’incidenza di due effetti tipici della 
lavorazione per elettroerosione: lo sparking gap e il run-out, che portano ad avere nel 
prodotto finito un working diameter superiore al diametro dell’elettrodo. Per ogni cavità 
realizzata sono stati variati 3 parametri di funzionamento (livello di energia, diametro 
dell’elettrodo e incremento della profondità), e si è provveduto a misurare le larghezze 
delle cavità, e a confrontarle con i diametri nominali degli elettrodi, individuando infine 
quelle che fornivano il gap minore. 
La prova sul portalente infine ha riguardato la verifica della qualità dimensionale di 
alcune geometrie caratteristiche che componevano il pezzo, e attraverso la misura delle 
immagini acquisite al microscopio, sono state valutate la ripetibilità e la qualità delle 
misure nelle varie zone del componente nel rispetto dei valori di progetto. Sono stati 
pertanto calcolati gli errori percentuali rispetto ai dati di riferimento per ogni zona e sono 
state individuate quelle zone le cui dimensioni erano piø vicine a quelle nominali.
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CAPITOLO 1 
 
I microcomponenti: stato dell’arte 
 
1.1 Introduzione 
I processi di lavorazione meccanica hanno sempre avuto un ruolo importante nella 
realizzazione dei prodotti e la loro precisione è migliorata costantemente nel tempo, 
contemporaneamente con la sempre crescente tendenza verso la miniaturizzazione. La 
richiesta di dimensioni e pesi ridotti, miglior qualità superficiale e accuratezza delle parti, e 
nel contempo il tentativo di riduzione del costo dei componenti e della dimensione dei lotti di 
produzione, è ben illustrata dal diagramma di Taniguchi modificato da Byrne (figura 1.1) [1-
2]. 
 
 
Figura 1.1: sviluppo della precisione nelle lavorazioni  
nel corso degli anni (diagramma di Taniguchi) [1]. 
 
Dal seguente diagramma è facile notare come a partire dal XX secolo fino ai nostri giorni 
si sia avuto un progressivo aumento di accuratezza per le diverse tipologie di lavorazioni, da
CAPITOLO 1 
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quelle convenzionali fino ad arrivare a quelle ad altissima precisione. Infatti, dagli anni ‘50 
fino agli anni 2000: 
- per le lavorazioni convenzionali si è passati da un’accuratezza di 0.1mm ad una di 
1.0μm; 
- per le lavorazioni piø precise si è passati da un’accuratezza di 0.01mm ad una di 0.1μm; 
- per le lavorazioni ad altissima precisione l’accuratezza è passata da 1.0μm a 0.01μm; 
- infine per le lavorazioni ad ultra-altissima precisione l’accuratezza è passata da 0.01μm 
ad addirittura oltre il nanometro. 
I risultati fin qui raggiunti sono frutto di una lunga e dettagliata ricerca, che ha portato 
notevoli progressi soprattutto in applicazioni dove sono maggiormente richieste la ridotta 
dimensione e la miglior tolleranza possibile del pezzo, quali le strumentazioni 
elettromeccaniche come i componenti IT, le apparecchiature biomedicali, l’industria 
automobilistica e le telecomunicazioni. Questo tipo di apparecchiature, per la loro ridottissima 
dimensione, sono comunemente chiamate “microcomponenti”. 
Lo sviluppo del microprodotto/microcomponente e delle tecnologie di produzione 
richiedono una definizione del concetto di microingegneria. D’altronde la microingegneria è 
strettamente legata all’intero processo di ideazione, progettazione e realizzazione del 
microcomponente e in tal modo non può essere espressa pienamente senza una definizione del 
concetto di microprodotto stesso. 
Può essere pertanto difficile dare una definizione esatta di un termine che sembra essere 
connesso solo alla dimensione in un settore in rapida evoluzione, dal momento che le capacità 
della produzione sorpassano continuamente il limite inferiore della gamma. Per cui ha poco 
senso definire un microprodotto solo in termini di dimensioni e la definizione deve contenere 
la filosofia e le caratteristiche di un microprodotto. Naturalmente un microprodotto è 
caratterizzato da dimensioni ridotte sia del prodotto stesso, sia delle caratteristiche funzionali 
sia delle tecnologie applicate allo sviluppo del prodotto.  
Inoltre un microprodotto è di solito costituito da diversi componenti che devono essere 
assemblati in modo da ottenere la funzionalità desiderata. Appare evidente quindi dover fare 
una distinzione tra un microprodotto e un microcomponente. La realizzazione di un 
microprodotto richiede la riduzione delle dimensioni delle componenti costituenti. Questo 
crea sfide in termini di manipolazione e assemblaggio dei componenti nel prodotto e quindi 
sarà auspicabile l’integrazione di diverse funzioni, in modo che lo stesso componente possa 
soddisfare finalità diverse. In questo modo si rendono necessarie specifiche proprietà
CAPITOLO 1 
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meccaniche, termiche, elettriche, magnetiche e chimiche per la costituzione del materiale al 
fine di ottenere il livello di prestazione richiesto per un componente. 
La microingegneria si occupa quindi dello sviluppo e della fabbricazione di microprodotti 
in generale, come illustrato in figura 1.2 secondo la [3], e non è limitato a specifici materiali e 
processi. Nello sviluppo dei prodotti, i principi e le metodologie per la progettazione dei 
microprodotti che prendono in considerazione la funzionalità così come la producibilità sono 
un settore chiave di interesse. Per la fase di produzione è invece fondamentale definire la 
produzione industriale di massa dei microprodotti. Infatti, molti microprodotti sono stati 
sviluppati con successo come prototipi in laboratori di ricerca tramite l’utilizzo di tecniche 
costose, ma il piø delle volte la produzione di massa è avvenuta in ritardo a causa delle 
difficoltà nello sviluppare un processo di fabbricazione redditizio. In questo caso la relazione 
tra progettazione del prodotto e progettazione del sistema di produzione non è stata 
adeguatamente considerata. Questo perchØ lo sviluppo di un microprodotto non è solo una 
questione di ridimensionamento di un prodotto macro e del relativo processo, ma bensì di un 
modo diverso di pensare sulla base di principi e metodologie differenti. Una definizione di 
microingegneria può essere quella adottata dalla [3], la quale afferma che: 
La microingegneria si occupa dello sviluppo e della produzione di prodotti, le cui 
caratteristiche funzionali o almeno una dimensione sono dell’ordine del micrometro. I 
prodotti sono generalmente caratterizzati da un elevato grado di integrazione di funzionalità 
e di componenti. 
 
 
Figura 1.2: definizione del concetto di microingegneria [3]. 
 
Una discussione importante per quanto riguarda i microprodotti è la posizione relativa del 
“micro” rispetto al “macro” e al “nano”. Infatti, appare evidente dalla definizione adottata che 
un qualsiasi prodotto (non importano le dimensioni fisiche) le cui principali caratteristiche
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funzionali sono nell’ordine del micrometro rientri sotto la definizione di microprodotto. 
Questo sarebbe il caso per esempio delle cartucce per stampanti a getto di inchiostro, in cui le 
caratteristiche funzionali sono costituite da una serie di fori con un diametro di circa 25μm 
[4], e come questo, altri esempi saranno riportati in figura 1.5. Tutto questo sottolinea 
l’importanza dell’interconnessione tra prodotto “micro” e “macro”: condizione necessaria per 
un prodotto micro è il potersi interfacciare con il mondo macro al fine di poter funzionare. In 
questi termini l’interfaccia può essere, per esempio, un insieme di collegamenti fisici, elettrici 
o ottici. Un’altra prospettiva è considerare un microprodotto come costituito da un insieme di 
nano-strutture. Un valido esempio possono essere i nanotubi di carbonio che sono combinati 
entro unità funzionali per dei dispositivi elettronici [5]. Tuttavia, le relazioni sia verso l’alto 
sia verso il basso rispetto alla scala dimensionale sono sicuramente prospettive importanti 
nell’ambito della microingegneria. 
Per quanto riguarda lo sviluppo del concept di prodotto, il processo che va dall’origine 
della prima idea alla sua fabbricazione industriale è lungo e deve eventualmente includere 
competenze ingegneristiche. Le idee per le funzionalità che si vogliono ottenere attraverso i 
microprodotti derivano da molte aree scientifiche. Tutto questo rappresenta una sfida per le 
capacità dell’ingegnere di creare prodotti funzionali e di scegliere tra le molte soluzioni 
possibili. Alcuni errori comuni durante lo sviluppo del concept di prodotto includono i 
seguenti punti: 
- esame delle poche alternative e mancata capacità di prendere in considerazione altri 
concept; 
- integrazione inefficace di promettenti soluzioni parziali; 
- l’incapacità di prendere in considerazione intere categorie di soluzioni. 
Questi punti, validi per i prodotti macro, diventano particolarmente rilevanti nello sviluppo 
del microprodotto poichØ il progettista è spesso limitato da uno specifico background 
scientifico. L’integrazione delle tecnologie dei semiconduttori, ad esempio, con le tecnologie 
di produzione convenzionale e la scienza dei materiali rappresentano la sfida piø grande per lo 
sviluppo dei microprodotti, ma anche la tendenza piø promettente in termini di innovazione. 
Per quanto riguarda la produzione dei microprodotti si deve tener conto della loro 
producibilità e quindi delle loro limitazioni, nonchØ delle loro potenzialità connesse alle 
tecnologie di produzione. Quindi da un lato la miniaturizzazione costituisce una limitazione 
per l’applicabilità della maggior parte delle tecnologie di produzione tradizionali come il 
taglio, la formatura ecc., ma dall’altro lato apre la possibilità di impiegare nuove tecnologie, 
come esempio quella per incisione, le lavorazioni per fascio concentrato di ioni e fascio laser,
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ecc., che sono caratterizzate da un basso tasso di rimozione del materiale. Il numero e la 
diversità di tecnologie utilizzate per la produzione di microcomponenti e microprodotti sono 
enormi. Lo sviluppo delle nuove tecnologie segue tre percorsi principali: 
- ridimensionamento di processi di produzione già esistenti (principalmente nel settore 
della meccanica di precisione); 
- uso di processi MEMS (dal settore della microelettronica); 
- sviluppo di nuove tecnologie nel settore in concomitanza con tecnologie già esistenti 
(ad esempio, nuove combinazioni di processi e materiali). 
Inoltre, la realizzazione di un prodotto richiede spesso diversi processi, con capacità 
complementari, che devono essere organizzati insieme in un processo a catena. La stretta 
interazione di processi di microlavorazione richiede quindi attenzione, e la sequenza del 
processo deve essere attentamente considerata al fine di prevedere possibili problemi durante 
la combinazione dei diversi processi. 
La manipolazione e il montaggio diventano particolarmente difficili quando si tratta di 
microprodotti. Un approccio naturale è quindi quello di cercare di ridurre quanto piø possibile 
la manipolazione di microcomponenti attraverso un piø elevato livello di integrazione rispetto 
ai prodotti di dimensioni convenzionali. 
Il controllo qualità è un problema che riguarda qualsiasi tipo di produzione, e a maggior 
ragione riguarderanno anche i microcomponenti. Quando le dimensioni delle parti sono 
ridotte, i sistemi di misura convenzionali possono non essere piø adatti e deve essere 
sviluppata una tipologia di strumentazione speciale. Anche se l’importanza della metrologia è 
ampiamente riconosciuta in tutte le fasi del processo a catena di sviluppo del prodotto, lo 
sviluppo di strumenti per un efficace e affidabile controllo qualità dei microcomponenti e dei 
microprodotti non ha ricevuto finora molta attenzione [3]. 
Tutte le problematiche fin qui descritte saranno discusse in dettaglio in questo capitolo, nel 
quale verrà dato uno sguardo piø profondo nel processo di sviluppo del prodotto, dei processi 
di produzione applicati ai microprodotti e ai microcomponenti, e delle tipologie di misura. 
 
1.2 Generalità sui microcomponenti 
Dalla definizione di microingegneria è possibile ricavare una definizione di 
microcomponente strettamente correlata, inteso come un prodotto costituito da caratteristiche 
funzionali o anche da una sola dimensione dell’ordine del micron.
CAPITOLO 1 
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Come accennato in precedenza esiste una sostanziale differenza tra un microcomponente e 
un microprodotto: il microprodotto è di per se un prodotto le cui dimensioni e la cui sua totale 
funzionalità è su scala micrometrica, mentre un microcomponente può tranquillamente 
integrarsi con un dispositivo di ordine macro [3]. Questo non sminuisce assolutamente il 
valore di un microcomponente, in quanto il piø delle volte è garanzia della funzionalità 
dell’intero sistema. Per comprendere meglio questa affermazione si pone come esempio 
banale l’insieme degli ingranaggi che costituisce un orologio da polso: l’assenza anche di un 
solo ingranaggio nel rotismo che costituisce la struttura dell’orologio non permetterebbe 
assolutamente il funzionamento dello stesso, rendendo l’intero strumento completamente 
inutile. 
Alla luce di tutto ciò, in questo paragrafo saranno illustrati sia i materiali “storici” sia quelli 
innovativi impiegati per la realizzazione dei microcomponenti, sarà fornita una classificazione 
dei sistemi e dei prodotti attualmente in commercio che utilizzano microcomponenti, e infine 
saranno brevemente presentati il posizionamento nel mercato e gli sviluppi futuri dei diversi 
settori specializzati nei microcomponenti. 
 
1.2.1 I materiali 
L’origine della micro-tecnologia è stato il settore della micro-elettronica, pertanto appare 
chiaro che in principio erano stati preferiti materiali semiconduttori a base di silicio. Il settore 
delle componenti IT (le componenti per il computer) ha per lungo tempo trainato lo sviluppo 
sia di questi materiali sia delle tecnologie legate ai semiconduttori in generale e al silicio in 
particolare. D’altra parte, anche altri materiali piø tradizionali, come i polimeri, i metalli e le 
ceramiche, e i processi di produzione a loro associati si sono ben integrati alla produzione di 
massa di microcomponenti, benchØ il loro utilizzo nei micro-prodotti fino a qualche anno fa 
non fosse ancora così diffuso (figura 1.3). 
 
 
Figura 1.3: materiali utilizzati per microcomponenti.
CAPITOLO 1 
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Uno dei piø importanti criteri che riguardano un prodotto è il costo per componente o per 
prodotto. Anche se un materiale può essere costoso, la quantità di materiale da utilizzare in un 
microprodotto è di solito molto piccola, e tutto questo non fa altro che aprire nuove possibilità 
di applicazioni di materiali che normalmente non sarebbero potuti essere considerati come 
una scelta appropriata. Combinazioni di materiali (ad esempio multi-layer di film sottili), 
inoltre, permettono di ampliare ulteriormente la gamma di possibilità di materiale. 
Le proprietà specifiche dei materiali tradizionali spesso pongono dei limiti per quanto 
riguarda l’uso diretto nei microprodotti. Il comportamento del materiale è spesso influenzato 
da effetti di scala a causa della riduzione delle dimensioni. Per esempio, la microstruttura del 
materiale rimane invariata così come la topografia superficiale, perciò le reazioni dei micro-
componenti sono interessate per lo piø da interazioni esterne (come ad esempio i carichi 
meccanici e termici, gli ingressi elettrici, ecc) [3]. 
 
1.2.2 Classificazione dei microcomponenti 
Il campo dei microcomponenti è attualmente un mercato così ampio, vario, intricato e in 
continua fase di espansione, che si trova molta difficoltà a realizzare una classificazione 
universale, e tendenzialmente ne è riconosciuta piø di una. 
La classificazione piø semplice si basa sulle sole dimensioni. Tale classificazione è spesso 
usata quando si parla di nanotecnologia intesa come ricerca e sviluppo tecnologico a livello 
atomico, molecolare, macromolecolare, o di nano strutture. Tuttavia, a causa della grande 
diversità di “componenti” e il continuo miglioramento durante gli anni sulla riduzione delle 
dimensioni, si ritiene che una definizione basata puramente sulle “grandezze”, in alcuni casi 
possa essere non sufficiente.  
Un’altra tipologia di classificazione può essere quella intesa da un punto di vista 
geometrico. La suddivisione dei microcomponenti in questo caso consiste in tre gruppi: 
- strutture bidimensionali (2D), quali ad esempio le griglie ottiche; 
- strutture 2D con una terza dimensione (2½D), come per esempio sensori fluidici (la 
struttura del sistema di canali stesso è bidimensionale, ma poichØ i canali hanno una 
certa profondità può essere considerata come una struttura 2½D); 
- strutture reali tridimensionali (3D), come per esempio i componenti per apparecchi 
acustici. 
La geometria influenza i metodi di produzione possibili e la produzione associata la 
sostiene in termini di manipolazione, montaggio e metrologia.