O placă de încălzire pentru legarea optică sau procesarea plachetelor semiconductoare trebuie să fie nu doar „plată”, ci plană în câțiva micrometri. Limbajul de specificare pentru aceasta este Total Indicated Runout, iar apariția corectă pe desen definește întregul proces de fabricație. O planeitate prost specificată poate duce la contact neuniform, puncte fierbinți localizate și piese respinse. Un TIR bine-specificat asigură că placa de încălzire oferă un transfer termic uniform pe întreaga suprafață de lucru-o cerință ne-negociabilă în aplicațiile de precizie.
Ce este runout total indicat (TIR) pe o placă de încălzire?
Runout total indicat este variația maximă a înălțimii unei suprafețe, măsurată de un indicator cadran atunci când piesa este rotită sau scanată pe o zonă definită. Pentru o placă de încălzire plată, TIR este în esență o măsură a planeității și paralelismului combinate. Indicatorul este pus la zero pe un punct de referință, apoi este mutat pe fața de lucru a plăcii. Orice abatere-vârf sau vale-este înregistrată. Diferența dintre valoarea cea mai mare și cea mai scăzută din intervalul de măsurare specificat este valoarea TIR.
O specificație a TIR < 0,025 mm (25 micrometri) pe o placă cu diametrul de 300 mm înseamnă că niciun punct de pe suprafață nu se abate de la planul de referință cu mai mult de ±0,0125 mm. Pentru aplicații de ultra-precizie, pot fi solicitate valori TIR de până la 0,010 mm sau chiar 0,005 mm. TIR-ul necesar se bazează de obicei pe toleranța de grosime a piesei care este prelucrată sau pe controlul golului necesar pentru un proces de laminare sau lipire. Piesele mai subțiri, mai sensibile (de exemplu, plachete semiconductoare, sticlă optică) necesită TIR mai strâns.
De ce obținerea unui TIR strâns este o provocare pentru plăcile de încălzire
O placă de încălzire nu este o simplă placă de metal. Conține elemente de încălzire încorporate (turnate-în sau prinse în caneluri) sau este găurit pentru încălzitoare cu cartuș. Poate avea puțuri de termocuplu, găuri de montare și canale de răcire. Procesul de fabricație-prelucrare, sudare, tratament termic-induce solicitări interne. Aceste tensiuni sunt eliberate atunci când placa este încălzită la temperatura de funcționare, provocând deformarea. O placă care a măsurat perfect plat la temperatura camerei se poate înclina cu 0,1 mm sau mai mult la 150 de grade.
În practică,planeitatea este o proprietate-dependentă de temperatură într-o placă de încălzire. Prin urmare, doar specificarea TIR este insuficientă. Trebuie precizată și temperatura la care se face măsurarea. O placă de încălzire de precizie ar trebui să fie specificată cu un TIR măsurat fie la temperatura ambiantă (cu o deviere cunoscută, acceptabilă la temperatura de funcționare), fie, în mod ideal, măsurată la temperatura de funcționare prevăzută.
Pași de proces pentru a obține un TIR de precizie
Atingerea unei specificații TIR sub 0,025 mm necesită o secvență atent planificată a operațiunilor de fabricație.
1. Material goale eliberat-de stres
Materialul de pornire-de obicei aliaj de aluminiu (de exemplu, 6061-T6 sau 7075) sau oțel (de exemplu, oțel moale sau inoxidabil)-trebuie să fie eliberat-înainte de orice prelucrare de precizie. Pe măsură ce-a primit, stocul de bare sau plăci conține adesea tensiuni reziduale de la laminare sau extrudare. O înmuiere termică pentru ameliorarea stresului (de exemplu, 2-4 ore la 340 de grade pentru aluminiu sau 600 de grade pentru oțel) urmată de o răcire lentă eliberează aceste tensiuni. Fără acest pas, prelucrarea ulterioară va dezechilibra câmpul de stres, iar placa se va deforma atunci când încălzitorul este alimentat.
2. Prelucrare brută și încorporare a încălzitorului
Placa este prelucrată brut la dimensiuni aproape-nete. Elementele de încălzire sunt instalate (de exemplu, turnate într-o matriță de nisip pentru turnare-în încălzitoare sau presate în caneluri prelucrate). Acest pas adaugă noi solicitări datorită diferenţelor de dilatare termică dintre mantaua încălzitorului şi materialul plăcii. Pentru aplicații TIR de precizie, încălzitorul este adesea turnat într-un miez separat de aluminiu, care este apoi eliberat din nou de stres înainte de suprafața finală.
3. Stresul termic-Ameliorarea după asamblare
După ce elementele de încălzire sunt complet încorporate sau prinse, întregul ansamblu de plăci este supus unui alt ciclu termic de eliberare a tensiunilor. Acest lucru este critic. Căldura de la elementele în sine în timpul acestui ciclu (alimentată la o temperatură peste temperatura de serviciu prevăzută) îmbătrânește artificial ansamblul și relaxează tensiunile diferențiale. Acest proces este uneori numit „ciclu termic” sau „pre-stabilizare”.
4. Slefuire de precizie
Suprafața de lucru este șlefuită pe o mașină de șlefuit cu suprafață de-format mare sau pe o mașină de șlefuit cu disc dublu{-. Măcinarea îndepărtează doar ultimii 0,2–0,5 mm de material, obținând un finisaj al suprafeței (Ra) de 0,8 µm sau mai bine și o planeitate apropiată de capacitatea mașinii. Pentru plăci cu diametrul de până la 600 mm, un polizor de suprafață modern poate obține TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Lepătura finală (opțional)
Pentru specificațiile TIR mai strânse de 0,010 mm (de exemplu,<0.005 mm over 200 mm), lapping is required. Lapping uses a fine abrasive slurry between the plate and a precision flat lapping plate. The process is slow but can produce near-optical flatness. Lapped surfaces are typically specified for semiconductor hot chucks or optical bond platen.
Specificarea TIR pe un desen tehnic
Pentru a obține cu succes o placă de încălzire care să îndeplinească cerințele de precizie, specificația TIR trebuie să fie clară și completă. O înștiințare tipică a desenului ar putea citi:
„Total Indicated Runout (TIR) al suprafeței de lucru nu trebuie să depășească 0,020 mm atunci când este măsurat în conformitate cu ASME Y14.5M-1994. Măsurarea trebuie efectuată cu placa stabilizată la 100 grade ± 5 grade pe întreaga suprafață de lucru definită de diametrul D. Nu este permisă nicio abatere locală care depășește 0,015 mm pătrat.”
Elemente cheie:
Limita TIR.
Standardul de măsurare (ASME Y14.5 sau ISO 1101).
Temperatura la care se efectuează măsurarea (temperatura camerei, temperatura de funcționare sau ambele).
Zona peste care se aplică TIR (de exemplu, „pe întreaga suprafață de lucru” sau „în cadrul a 80% centrală a plăcii”).
Orice cerință suplimentară de „planeitate locală” (de exemplu, controlul ondulației).
Nu specificați niciodată un TIR fără a preciza temperatura.O farfurie care este plată la temperatura camerei poate să nu fie plată la 150 de grade. Pentru aplicații critice, producătorului ar trebui să i se solicite să furnizeze o hartă de planeitate atât la temperatura ambiantă, cât și la temperatura de funcționare.
Potrivirea TIR cu aplicația
TIR-ul necesar trebuie să se bazeze pe toleranța de grosime și pe conformitatea piesei care este prelucrată.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 mm)– Un TIR de 0,05–0,10 mm peste 500 mm poate fi acceptabil, deoarece piesa se va conforma sau pasta termică va umple golurile.
Filme subțiri, flexibile sau plachete (<0.5 mm)– TIR trebuie să fie<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Contact optic (fără adeziv)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminare cu substraturi rigide– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Metode de verificare
The buyer or end user should verify TIR upon receipt. A simple method uses a dial test indicator mounted on a surface plate. The heating plate is placed on three precision height-adjustable supports set to a reference plane. The indicator is traversed in a grid pattern. For larger plates (>500 mm), o mașină de măsurat în coordonate (CMM) sau un interferometru laser oferă date mai precise.
Dacă placa este specificată cu TIR măsurat la temperatura de funcționare, trebuie efectuat un test de încălzire controlată. Placa este alimentată la punctul de referință de serviciu, lăsată să se stabilizeze (de obicei 30-60 de minute), apoi TIR-ul este măsurat utilizând un indicator rezistent la căldură-sau un senzor de deplasare laser fără-contact. Dilatarea termică a suportului indicator trebuie corectată.
Greșeli frecvente în specificarea TIR
Peste-specificarea– Solicitare TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Uitând de temperatură– Un TIR specificat fără o temperatură de măsurare este ambiguu. Un producător poate furniza o placă plană la-temperatura camerei-care se înclină în mod inacceptabil în timpul funcționării.
Ignorarea orificiilor de montare– Specificația TIR ar trebui să precizeze dacă măsurarea include zona direct deasupra orificiilor de fixare sau dacă acele zone sunt excluse. Găurile pentru șuruburi deformează local suprafața dacă șuruburile sunt strânse excesiv. Desenul trebuie să specifice valorile cuplului pentru montare.
Fără control local al planeității– O placă poate îndeplini un TIR global de 0,025 mm, dar are totuși o cocoașă ascuțită de 0,020 mm peste un cerc de 10 mm-o problemă de „ondulare”. Indicații suplimentare pentru „planeitate peste orice pătrat de 25 mm” împiedică acest lucru.
Impactul costurilor strângerii TIR
Relația dintre specificația TIR și costul de producție este ne-liniară. O placă cu TIR<0.05 mm can be produced from stress-relieved plate stock using conventional milling and minimal grinding. At TIR <0.025 mm, dedicated grinding and stress-relieving cycles become mandatory. At TIR <0.010 mm, lapping and possibly multiple thermal stabilization cycles are required, doubling or tripling the cost.
Prin urmare, inginerul care specifică placa ar trebui să stabilească TIR-ul minim acceptabil pe baza fizicii procesului, apoi să adauge o marjă de siguranță modestă-dar să nu solicite o toleranță inutil de strânsă.
Rolul alegerii materialelor
Aluminiul (6061 sau 7075) este cel mai comun material al plăcilor de încălzire datorită conductivității sale termice ridicate și ușurinței de prelucrare. Cu toate acestea, aluminiul are un coeficient relativ ridicat de dilatare termică (23 µm/m·K) și o rigiditate scăzută. Plăcile mari din aluminiu (de exemplu, 600 mm diametru) se vor lăsa sub propria greutate dacă nu sunt susținute corespunzător. Pentru cerințe TIR extrem de stricte, pot fi utilizate compozite din oțel (16 µm/m·K) sau aluminiu-carbură de siliciu, dar acestea sunt mai grele sau mai scumpe.
Rezumat: Desenul ca contract de executare
PrecizândPrecizia totală a plăcii de încălzire indicatăasigură corect că platanul își va face treaba de a furniza contact uniform și căldură și că procesul de fabricație poate îndeplini acest standard. Un desen este un contract de performanță, iar cerințele de precizie trebuie comunicate clar. Prin stabilirea limitei TIR, a temperaturii de măsurare, a zonei aplicabile și a oricăror constrângeri locale de planeitate, inginerul oferă producătorului o țintă clară. Rezultatul este o placă de încălzire care funcționează previzibil în aplicațiile de precizie-fie că se lipează lentile optice, se prelucrează plachete semiconductoare sau se plasează circuite flexibile. Planeitatea nu este un lux într-o astfel de muncă; este un activator de proces.
