Una piastra riscaldante per il bonding ottico o la lavorazione di wafer semiconduttori non deve essere semplicemente "piatta", ma piatta entro pochi micrometri. Il linguaggio delle specifiche per questo è Runout indicato totale e il suo inserimento nel disegno definisce l'intero processo di produzione. Una planarità non adeguatamente specificata può portare a contatti irregolari, punti caldi localizzati e parti scartate. Un TIR ben-specificato garantisce che la piastra riscaldante fornisca un trasferimento termico uniforme su tutta la superficie di lavoro-un requisito non-negoziabile nelle applicazioni di precisione.
Cos'è il runout totale indicato (TIR) su una piastra riscaldante?
L'eccentricità totale indicata è la variazione massima dell'altezza di una superficie misurata da un comparatore quando la parte viene ruotata o scansionata attraverso un'area definita. Per una piastra riscaldante piana, il TIR è essenzialmente una misura della planarità e del parallelismo combinati. L'indicatore viene azzerato su un punto di riferimento, quindi spostato sulla superficie di lavoro della piastra. Viene registrata qualsiasi deviazione-picco o valle-. La differenza tra la lettura più alta e quella più bassa nell'intervallo di misurazione specificato è il valore TIR.
Una specifica di TIR < 0,025 mm (25 micrometri) su una piastra di diametro 300 mm significa che nessun punto sulla superficie devia dal piano di riferimento di più di ± 0,0125 mm. Per applicazioni di ultra-precisione, potrebbero essere richiesti valori TIR fino a 0,010 mm o addirittura 0,005 mm. Il TIR richiesto si basa generalmente sulla tolleranza dello spessore della parte da lavorare o sul controllo dello spazio necessario per un processo di laminazione o incollaggio. Le parti più sottili e sensibili (ad esempio, wafer semiconduttori, vetro ottico) richiedono un TIR più stretto.
Perché ottenere un TIR stretto è difficile per le piastre riscaldanti
Una piastra riscaldante non è una semplice lastra metallica. Contiene elementi riscaldanti incorporati (fusi-o fissati in scanalature) oppure è forato per riscaldatori a cartuccia. Può avere pozzetti per termocoppie, fori di montaggio e canali di raffreddamento. Il processo di produzione-lavorazione meccanica, saldatura, trattamento termico-induce stress interni. Queste sollecitazioni vengono rilasciate quando la piastra viene riscaldata alla temperatura operativa, causando deformazioni. Una piastra perfettamente piatta a temperatura ambiente potrebbe piegarsi di 0,1 mm o più a 150 gradi.
In pratica,la planarità è una proprietà-dipendente dalla temperatura in una piastra riscaldante. Pertanto, specificare solo il TIR non è sufficiente. È inoltre necessario indicare la temperatura alla quale viene effettuata la misurazione. Una piastra riscaldante di precisione dovrebbe essere specificata con un TIR misurato a temperatura ambiente (con una deriva nota e accettabile alla temperatura operativa) o, idealmente, misurato alla temperatura operativa prevista.
Fasi del processo per ottenere un TIR di precisione
Il raggiungimento di una specifica TIR inferiore a 0,025 mm richiede una sequenza attentamente pianificata di operazioni di produzione.
1. Materiale vuoto-alleviato dallo stress
Il materiale di partenza-tipicamente lega di alluminio (ad esempio 6061-T6 o 7075) o acciaio (ad esempio acciaio dolce o inossidabile)-deve essere sottoposto a distensione-prima di qualsiasi lavorazione meccanica di precisione. Come-il materiale ricevuto in barre o piastre spesso contiene tensioni residue derivanti dalla laminazione o dall'estrusione. Un ammollo termico per alleviare lo stress (ad esempio, 2-4 ore a 340 gradi per l'alluminio, o 600 gradi per l'acciaio) seguito da un lento raffreddamento rilascia questi stress. Senza questo passaggio, la lavorazione successiva squilibrerà il campo di sollecitazione e la piastra si deformerà quando il riscaldatore viene alimentato.
2. Lavorazione grossolana e inclusione di riscaldatori
La piastra è lavorata grossolanamente fino a raggiungere dimensioni quasi-nette. Gli elementi riscaldanti sono installati (ad esempio, fusi in uno stampo di sabbia per i riscaldatori fusi-o pressati in scanalature lavorate). Questo passaggio aggiunge nuove sollecitazioni dovute alle differenze di dilatazione termica tra la guaina del riscaldatore e il materiale della piastra. Per le applicazioni TIR di precisione, il riscaldatore viene spesso fuso in un nucleo di alluminio separato, che viene poi nuovamente alleviato-dallo stress prima della superficie finale.
3. Alleviamento dello stress termico- dopo l'assemblaggio
Dopo che gli elementi riscaldanti sono stati completamente incorporati o fissati, l'intero gruppo della piastra viene sottoposto a un altro ciclo termico-di distensione. Questo è fondamentale. Il calore proveniente dagli elementi stessi durante questo ciclo (alimentato a una temperatura superiore alla temperatura di servizio prevista) invecchia artificialmente il gruppo e allenta le sollecitazioni differenziali. Questo processo è talvolta chiamato "ciclo termico" o "pre-stabilizzazione".
4. Rettifica di precisione
La superficie di lavoro viene levigata su una smerigliatrice di superficie di-grande formato o su una smerigliatrice a doppio-disco. La molatura rimuove solo gli ultimi 0,2–0,5 mm di materiale, ottenendo una finitura superficiale (Ra) di 0,8 µm o migliore e una planarità che si avvicina alle capacità della macchina. Per piastre fino a 600 mm di diametro, una moderna levigatrice di superficie può raggiungere il TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Lappatura finale (opzionale)
Per le specifiche TIR inferiori a 0,010 mm (ad es.<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.
Specificare il TIR su un disegno tecnico
Per ottenere con successo una piastra riscaldante che soddisfi i requisiti di precisione, la specifica TIR deve essere inequivocabile e completa. Un tipico richiamo del disegno potrebbe essere:
"L'eccentricità totale indicata (TIR) della superficie di lavoro non deve superare 0,020 mm quando misurata in conformità con ASME Y14.5M-1994. La misurazione deve essere eseguita con la piastra stabilizzata a 100 gradi ± 5 gradi su tutta la superficie di lavoro definita dal diametro D. Non è consentita alcuna deviazione locale superiore a 0,010 mm su un'area quadrata di 25 mm."
Elementi chiave:
Il limite TIR.
Lo standard di misurazione (ASME Y14.5 o ISO 1101).
La temperatura alla quale viene effettuata la misurazione (temperatura ambiente, temperatura operativa o entrambe).
L'area su cui si applica TIR (ad esempio, "su tutta la superficie di lavoro" o "entro l'80% centrale della piastra").
Qualsiasi requisito aggiuntivo di "planarità locale" (ad esempio, controllo dell'ondulazione).
Non specificare mai un TIR senza indicare la temperatura.Una piastra piatta a temperatura ambiente potrebbe non esserlo a 150 gradi. Per le applicazioni critiche, il produttore dovrebbe essere tenuto a fornire una mappa di planarità sia alla temperatura ambiente che a quella operativa.
Abbinamento TIR alla domanda
Il TIR richiesto dovrebbe essere basato sulla tolleranza dello spessore e sulla conformità della parte da lavorare.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 millimetri)– Un TIR di 0,05–0,10 mm su 500 mm può essere accettabile, poiché la parte si conformerà o la pasta termica riempirà gli spazi vuoti.
Film o wafer sottili e flessibili (<0.5 mm)– Il TIR deve essere<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Contatto ottico (senza adesivo)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminazione con substrati rigidi– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Metodi di verifica
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), una macchina di misura a coordinate (CMM) o un interferometro laser forniscono dati più accurati.
Se la piastra è specificata con TIR misurato alla temperatura di esercizio, è necessario eseguire una prova di riscaldamento controllato. La piastra viene energizzata al setpoint di servizio, lasciata stabilizzare (in genere 30-60 minuti), quindi il TIR viene misurato utilizzando un indicatore resistente al calore-o un sensore di spostamento laser senza-contatto. La dilatazione termica del supporto dell'indicatore deve essere corretta.
Errori comuni nella specificazione del TIR
Eccessive-specifiche– Richiesta TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Dimenticare la temperatura– Un TIR specificato senza una temperatura di misurazione è ambiguo. Un produttore può fornire una piastra piana a-temperatura ambiente-che si piega in modo inaccettabile durante l'uso.
Ignorando i fori di montaggio– La specifica TIR dovrebbe indicare se la misurazione include l’area direttamente sopra i fori di fissaggio o se tali aree sono escluse. I fori dei bulloni distorcono localmente la superficie se i bulloni vengono serrati eccessivamente. Il disegno dovrebbe specificare i valori di coppia per il montaggio.
Nessun controllo locale della planarità– Una piastra può soddisfare un TIR globale di 0,025 mm ma avere comunque una forte gobba di 0,020 mm su un cerchio di 10 mm-un problema di "ondulazione". Ulteriori richiami per "planarità su qualsiasi quadrato di 25 mm" lo impediscono.
Impatto sui costi della stretta TIR
La relazione tra la specifica TIR e il costo di produzione non è-lineare. Un piatto con 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.
Pertanto, l'ingegnere che specifica la targa dovrebbe stabilire il TIR minimo accettabile in base alla fisica del processo, quindi aggiungere un margine di sicurezza modesto-ma non richiedere una tolleranza inutilmente stretta.
Il ruolo della scelta dei materiali
L'alluminio (6061 o 7075) è il materiale per piastre riscaldanti più comune grazie alla sua elevata conduttività termica e alla facilità di lavorazione. Tuttavia, l'alluminio ha un coefficiente di dilatazione termica relativamente alto (23 µm/m·K) e una bassa rigidità. Le piastre di alluminio di grandi dimensioni (ad esempio, 600 mm di diametro) si afflosceranno sotto il proprio peso se non supportate adeguatamente. Per requisiti TIR estremamente rigidi, è possibile utilizzare compositi di acciaio (16 µm/m·K) o alluminio-carburo di silicio, ma questi sono più pesanti o più costosi.
Sommario: Il disegno come contratto di prestazione
Specificandoprecisione delle specifiche della piastra riscaldante dell'eccentricità totale indicatagarantisce correttamente che la piastra svolga effettivamente il suo lavoro fornendo contatto e calore uniformi e che il processo di produzione possa soddisfare tale standard. Un disegno è un contratto di prestazione e i requisiti di precisione devono essere comunicati chiaramente. Dichiarando il limite TIR, la temperatura di misurazione, l'area applicabile ed eventuali vincoli di planarità locale, l'ingegnere fornisce al produttore un obiettivo inequivocabile. Il risultato è una piastra riscaldante che offre prestazioni prevedibili nelle applicazioni di precisione-che si tratti di incollare lenti ottiche, elaborare wafer semiconduttori o laminare circuiti flessibili. La planarità non è un lusso in questo tipo di lavoro; è un abilitatore del processo.
