یک صفحه حرارتی که به عنوان یک چاک خلاء نیز عمل می کند باید به طور همزمان یک قطعه کار صاف را با مکش روی سطح خود بکشد و تماس حرارتی را با آن حفظ کند. ناهمواری سطح درست در تقاطع این دو نیاز متضاد قرار دارد. انتخاب صحیحناهمواری سطح چاک وکیوم صفحه گرمایش Raاین ترکیب برای دستیابی به نگهداری قابل اعتماد قطعه کار، انتقال حرارت یکنواخت و نتایج پردازش ثابت ضروری است.
نقش دوگانه سطح صفحه گرمایش
در صفحه گرمایش چاک خلاء، سطح دو عملکرد همپوشانی دارد:
آب بندی در برابر از دست دادن خلاء- صفحه شامل شیارها یا کانال های ماشینکاری شده متصل به منبع خلاء است. قطعه کار صاف (به عنوان مثال، یک ویفر سیلیکونی، یک ورق فلزی، یا یک فیلم پلیمری نازک) در بالا قرار می گیرد. تماس بین قطعه کار و نواحی زمین صفحه (سطح جامد بین شیارها) باید آب بندی ایجاد کند تا از نشت هوا به کانال های خلاء جلوگیری شود.
هدایت حرارتی- گرما از صفحه به قطعه کار در سراسر مناطق جامد در تماس منتقل می شود. منطقه تماس واقعی به ناهمواری سطح بستگی دارد: فقط قله های نازک لمس می شوند، در حالی که دره ها توسط شکاف های هوای میکروسکوپی که به عنوان عایق های حرارتی عمل می کنند از هم جدا می شوند.
بنابراین زبری سطح به طور مستقیم بر عملکرد آب بندی خلاء و هدایت تماس حرارتی تأثیر می گذارد. ناهمواری های نامناسب می تواند باعث بلند شدن، جابجایی قطعه، گرم شدن بیش از حد موضعی یا نرسیدن به دمای لازم شود.
چرا بیش از حد خشن باعث مشکلات می شود
اگر سطح بیش از حد ناصاف باشد (به عنوان مثال، Ra> 1.6 میکرومتر، نمونهای از سنگ زنی درشت یا سطوح ماشینکاری شده)، چندین پیامد منفی رخ میدهد:
نشتی خلاء- قلههای نازکی بلند مانع از قرار گرفتن قطعه کار در برابر نواحی زمین میشوند. هوا از میان شکاف های میکروسکوپی بین قطعه کار و صفحه جریان می یابد و شیارهای خلاء را دور می زند. پمپ خلاء ممکن است به طور مداوم کشیده شود، اما نیروی نگهدارنده به طور چشمگیری کاهش می یابد یا به طور کامل از بین می رود.
کاهش تماس حرارتی- فقط بلندترین قله ها تماس مکانیکی برقرار می کنند. سطح تماس واقعی ممکن است کمتر از 10٪ از سطح ظاهری باشد. گرما باید از این نقاط تماس جدا شده عبور کند و مقاومت رابط حرارتی بالایی ایجاد کند. قطعه کار سردتر از نقطه تنظیم شده است و یکنواختی دما در سراسر قطعه آسیب می بیند.
برای کاربردهای چاک خلاء معمولی با فشار قطعه کار 50 تا 80 کیلو پاسکال (خلاء مطلق)، Ra بالای 1.0 میکرومتر معمولاً نشت غیرقابل قبول و عملکرد گرمایش ضعیف ایجاد می کند.
چرا خیلی صاف (آینه ای) نیز مشکل ساز است
یک سطح صیقلی (به عنوان مثال، Ra < 0.1 میکرومتر) ممکن است برای آب بندی ایده آل به نظر برسد، اما مجموعه ای از خرابی های خود را معرفی می کند:
پیچ خوردگی و به دام انداختن هوا– هنگامی که یک قطعه کار بسیار صاف و مسطح روی یک صفحه به همان اندازه صاف قرار می گیرد، دو سطح می توانند به هم «فشرده شوند». لایه های هوای نازک بین سطوح محبوس می شوند و قطعه کار می تواند به طور موقت گیر کند. با این حال، تحت فشار جانبی ابزار (به عنوان مثال، از سر انتخاب و یا یک اسکاج)، قطعه کار ممکن است به طور ناگهانی بلغزد یا بچرخد و تراز را خراب کند. هوای به دام افتاده همچنین از تماس کامل خلاء جلوگیری می کند، زیرا خلاء نمی تواند قطعه را از طریق یک لایه هوای مهر و موم شده به پایین بکشد.
افزایش مقاومت در برابر تماس حرارتی- به طور متناقض، سطوح بسیار صاف می توانند مقاومت حرارتی را افزایش دهند. اثر "فشرده شدن" یک لایه هوای نازک و راکد را به دام می اندازد که به راحتی جابجا نمی شود. هوا رسانای حرارتی ضعیفی است (≈0.026 W/m·K). رسانایی تماس حرارتی ممکن است در واقع کمتر از سطح ریز زمینی باشد که در آن ناهنجاری ها به لایه هوا نفوذ می کنند.
حساسیت به خراش و آلودگی- روکش آینه هر خراش، اثر انگشت یا ذره را نشان می دهد. آلاینده ها قابل مشاهده می شوند و ممکن است قطعه کار را به صورت موضعی بلند کنند و نشت خلاء ایجاد کنند.
بنابراین، پرداخت سطح یک مشکل گلدیلاک برای صفحات خلاء است: نه خیلی زبر، نه خیلی صاف، بلکه درست است.
محدوده زبری توصیه شده: Ra 0.4-0.8 میکرومتر
برای یک چاک خلاء ترکیبی و صفحه گرمایش، محدوده زبری سطح بهینه پذیرفته شده استRa 0.4 تا 0.8 میکرومتر(تقریباً 16-32 میکرو اینچ در واحدهای امپراتوری). این محدوده معمولاً توسطآسیاب خوبیادر هم زدنبا ساینده مناسب
در این محدوده:
آب بندی خلاء- قله های نرمی به اندازه کافی کم هستند (معمولاً 3-5 میکرومتر ارتفاع قله به دره برای Ra 0.4) که یک قطعه کار مسطح قله ها را کمی تغییر شکل می دهد و یک آب بندی تقریباً پیوسته در سراسر مناطق خشکی ایجاد می کند. نشتی خلاء به حداقل می رسد.
تماس حرارتی- سطح تماس برای ارائه رسانایی حرارتی خوب کافی است، معمولاً 50 تا 70٪ حداکثر تئوری برای تماس جامد و جامد به دست می آید. درههای کوچک اجازه میدهند تا هرگونه هوای محبوس شده تخلیه شود، بنابراین قطعه کار میتواند در تماس نزدیک قرار گیرد.
دستگیره قطعه کار- ریزبافت حفظ شده (الگوی زمین ریز) اصطکاک را در برابر حرکت جانبی ایجاد می کند. قطعه ای که روی سطح Ra 0.6 قرار می گیرد در برابر نیروی ابزار متوسط در برابر لغزش مقاومت می کند، اما همچنان می تواند بدون چسبندگی بیش از حد برداشته شود.
لازم به ذکر است که Ra ایده آل کمی به مواد قطعه کار بستگی دارد. مواد نرم (مثلاً فویل مسی یا لاستیک سیلیکونی) راحتتر مطابقت دارند و میتوانند سطوح کمی زبرتر (تا Ra 1.0) را تحمل کنند. مواد سخت و شکننده (مانند ویفرهای سیلیکونی یا شیشه) به سطوح صاف تری نیاز دارند، اما همچنان بالاتر از Ra 0.2 برای جلوگیری از پیچ خوردن. محدوده مشخص شده 0.4-0.8 میکرومتر رایج ترین ترکیبات را ارائه می دهد.
اندازه گیری و تعیین زبری سطح
Ra (زبری متوسط حسابی) متداول ترین پارامتر مورد استفاده برای صفحات گرمایش چاک خلاء است. معمولاً با یک پروفیلومتر قلم اندازه گیری می شود که از یک خط در سراسر سطح عبور می کند. برای الگوی سنگ زنی، اندازه گیری باید عمود بر علائم سنگ زنی انجام شود تا مشخصات زبری کامل را به تصویر بکشد.
در یک نقشه مهندسی، پرداخت سطح باید به وضوح مشخص شود. نماد نمونه:
Ra 0.6 میکرومتر (خرد کردن، بدون لایه گذاری جهت دار مشخص شده است)
یا
SR 0.4-0.8 میکرومتر در ISO 4287
اگر صفحه پوششی دریافت کند (به عنوان مثال، آبکاری نیکل یا اسپری PTFE)، زبری نهایی پس از پوشش باید در محدوده مشخص شده باشد. بسیاری از پوشش ها ناهمواری بستر را تکرار می کنند. سایرین (مانند کروم سخت یا نیکل الکترولس) بسته به ضخامت و فرآیند ممکن است کمی Ra را افزایش یا کاهش دهند. در چنین مواردی، بستر باید تا زبری کمتر از هدف آسیاب شود و محصول پوشش داده شده نهایی با اندازه گیری تأیید شود.
نقش الگوی شیار و عمق
زبری سطح به تنهایی عملکرد خلاء را تضمین نمی کند. الگوی شیار (مارپیچ، دایره های متحدالمرکز، شعاعی یا متقاطع) و عمق شیار به یک اندازه مهم هستند. برای صفحه گرمایش، شیارها باید اجازه توزیع یکنواخت گرما را نیز بدهند. دستورالعمل های رایج طراحی:
عمق شیار- به طور معمول 0.2-0.5 میلی متر. سطح زمین بین شیارها باید حداقل 2-3 برابر عرض شیار باشد.
الگوی شیار- شیارهای دایره ای متحدالمرکز با کانال های اتصال شعاعی، یا یک مارپیچ پیوسته منفرد، برای گرمایش ترجیح داده می شوند، زیرا اجازه می دهند صفحه بدون تغییر در هندسه شیار منبسط و منقبض شود.
نسبت مساحت زمین- برای یک ناهمواری سطح معین، نیروی نگهدارنده متناسب با کل سطح زمین است (منطقه جامد که توسط شیارها بریده نشده است). یک سطح زمین معمولی 50 تا 70 درصد از سطح صفحه، مصالحه ای بین چسبندگی خلاء و یکنواختی گرمایش فراهم می کند.
ناهمواری مناطق زمین باید Ra مشخص شده باشد. ته شیارها می توانند زبرتر باشند (معمولاً به صورت ماشینکاری شده) زیرا با قطعه کار تماس ندارند.
روش های تولید برای دستیابی به هدف Ra
روش های زیر معمولا برای ایجاد زبری سطح مورد نیاز در صفحات گرمایش چاک خلاء استفاده می شود:
| روش | محدوده Ra معمولی (μm) | مناسب بودن |
|---|---|---|
| آسیاب (به عنوان برش) | 1.6–6.3 | خیلی خشن؛ قابل قبول نیست |
| سنگ زنی (چرخ درشت) | 0.8–1.6 | انتهای بالایی، قابل قبول با قطعات کار نرم |
| سنگ زنی ریز (چرخ دقیق) | 0.4–0.8 | محدوده ایده آل- توصیه می شود |
| ساینده (ساینده رایگان) | 0.1–0.4 | فقط در صورتی قابل قبول است که کران پایین به دقت کنترل شود |
| جلا دادن | <0.1 | بیش از حد صاف؛ باعث پیچ خوردگی و گیر افتادن هوا می شود |
پس از رسیدن به زبری صحیح، صفحه باید کاملاً تمیز شود تا بقایای مواد ساینده از بین برود، سپس خشک شود و در محیطی تمیز نگهداری شود. هر گونه آلودگی روی سطح هم آب بندی خلاء و هم تماس حرارتی را تخریب می کند.
اعتبار سنجی عملی
هنگامی که یک صفحه گرمایش با یک زبری مشخص ساخته می شود، عملکرد آن را می توان با دو آزمایش ساده تأیید کرد:
تست پوسیدگی خلاء- یک قطعه کار آزمایشی جامد و بدون متخلخل (به عنوان مثال، یک صفحه فولادی ضد زنگ با صافی مشخص) روی چاک قرار می گیرد. سیستم خلاء تا یک سطح هدف (به عنوان مثال، 70 کیلو پاسکال مطلق) فعال می شود. سپس پمپ جدا می شود و افزایش فشار در طول زمان اندازه گیری می شود. افزایش کمتر از 5 کیلو پاسکال در دقیقه معمولاً نشان دهنده آب بندی قابل قبول است.
تست هدایت تماس حرارتی- قطعه کار آزمایشی در حالی که صفحه در دمای مشخصی نگهداری می شود تا یک حالت ثابت گرم می شود. اختلاف دما در سطح رابط با ترموکوپل های تعبیه شده اندازه گیری می شود. اختلاف کمتر از 5 درجه در دمای صفحه 100 درجه نشان دهنده تماس حرارتی کافی است.
اگر هر یک از آزمایشها ناموفق باشد، زبری سطح باید دوباره اندازهگیری شود و احتمالاً در پنجره 0.4 تا 0.8 میکرومتر به سطح ریزتر (اما نه خیلی ریز) آسیاب شود.
نتیجه گیری: یک رابط حرارتی-مکانیکی محاسبه شده
زبری سطح صفحه گرمایش خلاء یک پارامتر دقیقا مهندسی شده است که مستقیماً امنیت نگهداری و راندمان انتقال حرارت را تعیین می کند. انتخاب سمت راستناهمواری سطح چاک وکیوم صفحه گرمایش Raترکیب به معنای اجتناب از سطوح بیش از حد ناصاف (که خلاء نشتی دارند و گرما را به خوبی هدایت میکنند) و سطوح صیقلی آینه (که هوا را به دام میاندازند و اجازه میدهند قطعه لغزنده شود) اجتناب کنید. محدوده بهینه-Ra 0.4 تا 0.8 میکرومتر، که با سنگ زنی ریز به دست می آید- آب بندی خلاء قابل اعتماد، سطح تماس حرارتی خوب، و بافت میکرو کافی برای گرفتن قطعه کار را فراهم می کند. چیزی که به نظر می رسد یک پرداخت ساده است، در واقع یک رابط حرارتی-مکانیکی محاسبه شده است. مشخص کردن، اندازهگیری و تأیید این ناهمواری تضمین میکند که صفحه گرمایش نقش دوگانه خود را بهطور پیوسته، دسته به دسته، بدون جابجایی قطعه یا عدم یکنواختی حرارتی انجام میدهد.
