یک صفحه حرارتی برای پیوند نوری یا پردازش ویفر نیمه هادی باید نه فقط "مسطح" بلکه در عرض چند میکرومتر صاف باشد. زبان مشخصات این کار، Total Indicated Runout است، و قرار دادن آن به درستی روی نقشه، کل فرآیند تولید را مشخص می کند. صافی مشخص نشده می تواند منجر به تماس ناهموار، نقاط داغ موضعی و قطعات رد شده شود. یک -TIR مشخص شده تضمین میکند که صفحه گرمایش انتقال حرارتی یکنواخت را در کل سطح کار ارائه میکند{4}}یک نیاز غیرقابل مذاکره در کاربردهای دقیق.
خروجی کل نشان داده شده (TIR) در صفحه گرمایش چیست؟
مجموع خروجی نشان داده شده حداکثر تغییر در ارتفاع یک سطح است که توسط یک نشانگر شماره گیری هنگام چرخش یا اسکن قطعه در یک منطقه مشخص اندازه گیری می شود. برای یک صفحه گرمایش مسطح، TIR اساساً معیاری از همواری و موازی بودن ترکیب است. نشانگر در یک نقطه مرجع صفر می شود، سپس در سطح صفحه کاری صفحه حرکت می کند. هرگونه انحراف-قله یا دره- ثبت میشود. تفاوت بین بالاترین و کمترین مقدار در محدوده اندازه گیری مشخص شده، مقدار TIR است.
مشخصات TIR < 0.025 میلی متر (25 میکرومتر) روی صفحه ای با قطر 300 میلی متر به این معنی است که هیچ نقطه ای روی سطح از صفحه مرجع بیش از 0.0125 ± میلی متر منحرف نمی شود. برای کاربردهای بسیار{5}دقیق، مقادیر TIR کمتر از 0.010 میلی متر یا حتی 0.005 میلی متر ممکن است مورد نیاز باشد. TIR مورد نیاز معمولاً بر اساس تحمل ضخامت قطعه در حال پردازش یا کنترل شکاف مورد نیاز برای فرآیند لمینیت یا اتصال است. قطعات نازک تر و حساس تر (مانند ویفرهای نیمه هادی، شیشه نوری) نیاز به TIR محکم تری دارند.
چرا دستیابی به TIR محکم برای صفحات گرمایش چالش برانگیز است
صفحه گرمایش یک صفحه فلزی ساده نیست. حاوی عناصر گرمایش تعبیهشده (ریختهشده یا گیرهشده در شیارها) یا برای بخاریهای کارتریجی سوراخشده است. ممکن است چاه های ترموکوپل، سوراخ های نصب و کانال های خنک کننده داشته باشد. فرآیند تولید-ماشین کاری، جوشکاری، عملیات حرارتی- باعث ایجاد تنش های داخلی می شود. این تنشها زمانی که صفحه تا دمای عملیاتی گرم میشود آزاد میشوند و باعث تاب خوردن میشوند. صفحه ای که در دمای اتاق کاملاً مسطح اندازه گیری می شود ممکن است 0.1 میلی متر یا بیشتر در 150 درجه خم شود.
در عمل،صاف بودن یک ویژگی{0}}وابسته به دما در صفحه گرمایش است. بنابراین، تعیین TIR به تنهایی کافی نیست. دمایی که در آن اندازه گیری انجام می شود نیز باید ذکر شود. یک صفحه گرمایش دقیق باید با یک TIR اندازهگیری شده در دمای محیط (با رانش شناخته شده و قابل قبول در دمای کار) یا در حالت ایدهآل، در دمای کاری مورد نظر اندازهگیری شود.
مراحل فرآیند برای دستیابی به TIR دقیق
دستیابی به مشخصات TIR کمتر از 0.025 میلی متر، مستلزم یک توالی برنامه ریزی دقیق از عملیات تولید است.
1. استرس{1}}مواد خالی کاهش یافته
مواد اولیه-معمولاً آلیاژ آلومینیوم (مثلاً 6061-T6 یا 7075) یا فولاد (مثلاً فولاد ملایم یا ضد زنگ)-باید قبل از هر ماشینکاری دقیقی از تنش برداشته شود. همانطور که{13}}استوک میله یا صفحه دریافتی اغلب حاوی تنش های پسماند ناشی از نورد یا اکستروژن است. یک خیساندن تنش حرارتی (مثلاً 2 تا 4 ساعت در دمای 340 درجه برای آلومینیوم، یا 600 درجه برای فولاد) و به دنبال خنک شدن آهسته این تنش ها را آزاد می کند. بدون این مرحله، ماشینکاری بعدی باعث عدم تعادل میدان تنش میشود و صفحه هنگام روشن شدن بخاری منحرف میشود.
2. ماشینکاری خشن و تعبیه بخاری
این صفحه به اندازههای نزدیک به-تخت ماشینکاری شده است. عناصر گرمایشی نصب میشوند (مثلاً در قالب ماسهای برای ریختهگری-در بخاریها ریخته میشوند، یا در شیارهای ماشینکاری شده فشرده میشوند). این مرحله به دلیل تفاوت در انبساط حرارتی بین غلاف بخاری و مواد صفحه، تنش های جدیدی را اضافه می کند. برای کاربردهای دقیق TIR، بخاری اغلب در یک هسته آلومینیومی مجزا ریخته میشود، که سپس قبل از لایهبرداری نهایی مجدداً- تنش کاهش مییابد.
3. استرس حرارتی{1}}تسکین پس از مونتاژ
پس از اینکه عناصر گرمایشی به طور کامل جاسازی یا گیره شدند، کل مجموعه صفحه تحت تنش دیگری قرار میگیرد-که چرخه حرارتی کاهش میدهد. این مهم است. گرمای خود عناصر در طول این چرخه (تا دمایی بالاتر از دمای سرویس مورد نظر تامین می شود) به طور مصنوعی مجموعه را پیر می کند و تنش های دیفرانسیل را کاهش می دهد. این فرآیند گاهی اوقات "چرخه حرارتی" یا "پیش{4}}پایداری" نامیده می شود.
4. سنگ زنی دقیق
سطح کار بر روی یک آسیاب سطح بزرگ-یا یک آسیاب دیسکی دوبل- آسیاب میشود. سنگ زنی تنها 0.2 تا 0.5 میلی متر نهایی مواد را حذف می کند و به سطح (Ra) 0.8 میکرومتر یا بهتر و صافی نزدیک به توانایی دستگاه می رسد. برای صفحات تا قطر 600 میلی متر، یک آسیاب سطح مدرن می تواند به TIR برسد<0.010 mm under controlled conditions.
5. لپینگ نهایی (اختیاری)
برای مشخصات TIR محکم تر از 0.010 میلی متر (به عنوان مثال،<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.
تعیین TIR در نقشه مهندسی
برای تهیه موفقیت آمیز صفحه گرمایشی که الزامات دقیق را برآورده می کند، مشخصات TIR باید بدون ابهام و کامل باشد. یک پیام طراحی معمولی ممکن است به شرح زیر باشد:
کل سطح کار (TIR) زمانی که مطابق با ASME Y14.5M-1994 اندازه گیری می شود نباید از 0.020 میلی متر تجاوز کند. اندازه گیری باید با صفحه تثبیت شده در 100 درجه ± 5 درجه در کل سطح کار تعریف شده با قطر D انجام شود.
عناصر کلیدی:
حد TIR
استاندارد اندازه گیری (ASME Y14.5 یا ISO 1101).
دمایی که اندازه گیری در آن انجام می شود (دمای اتاق، دمای عملیاتی یا هر دو).
منطقه ای که TIR روی آن اعمال می شود (به عنوان مثال، "در کل سطح کار" یا "در 80٪ مرکزی صفحه").
هر گونه نیاز اضافی "مسطح بودن محلی" (به عنوان مثال، کنترل موجی).
هرگز یک TIR را بدون ذکر دما مشخص نکنید.صفحه ای که در دمای اتاق صاف است ممکن است در دمای 150 درجه صاف نباشد. برای کاربردهای حیاتی، سازنده باید ملزم به ارائه نقشه صافی هم در دمای محیط و هم در دمای عملیاتی باشد.
تطبیق TIR با برنامه
TIR مورد نیاز باید بر اساس تحمل ضخامت و انطباق قطعه در حال پردازش باشد.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 میلی متر)- TIR 0.05-0.10 میلیمتر بیش از 500 میلیمتر ممکن است قابل قبول باشد، زیرا قطعه مطابق میشود یا خمیر حرارتی شکافها را پر میکند.
لایه های نازک و انعطاف پذیر یا ویفر (<0.5 mm)- TIR باید باشد<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
تماس نوری (بدون چسب)- تیر<0.005 mm (lapping required).
لمینیت با بسترهای سفت و سخت- تیر<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
روش های تایید
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 میلی متر)، دستگاه اندازه گیری مختصات (CMM) یا تداخل سنج لیزری داده های دقیق تری را ارائه می دهد.
اگر صفحه با TIR اندازه گیری شده در دمای عملیاتی مشخص شده باشد، باید یک آزمایش گرمایش کنترل شده انجام شود. صفحه تا نقطه تنظیم سرویس روشن می شود، اجازه داده می شود تثبیت شود (معمولا 30 تا 60 دقیقه)، و سپس TIR با استفاده از یک نشانگر مقاوم در برابر حرارت یا یک حسگر جابجایی لیزری غیر تماسی اندازه گیری می شود. انبساط حرارتی پایه نشانگر باید اصلاح شود.
اشتباهات رایج در تعیین TIR
بیش از-مشخص کردن- درخواست TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
فراموشی دما- TIR مشخص شده بدون دمای اندازه گیری مبهم است. یک سازنده ممکن است صفحه مسطحی-درجه حرارت- اتاق را ارائه دهد که به طور غیرقابل قبولی در سرویس خم می شود.
نادیده گرفتن سوراخ های نصب- مشخصات TIR باید بیان کند که آیا اندازهگیری شامل مساحت مستقیم روی سوراخهای بست میشود یا اینکه آیا این مناطق مستثنی هستند. اگر پیچ ها بیش از حد سفت شوند، سوراخ های پیچ به صورت موضعی سطح را منحرف می کنند. نقشه باید مقادیر گشتاور را برای نصب مشخص کند.
بدون کنترل مسطح بودن محلی– یک صفحه میتواند با یک TIR جهانی 0.025 میلیمتری برخورد کند، اما همچنان یک قوز تیز 0.020 میلیمتری روی یک دایره 10 میلیمتری دارد-مشکل «مواج بودن». فراخوان های اضافی برای "صافی بیش از هر مربع 25 میلی متری" از این امر جلوگیری می کند.
تاثیر هزینه سفت کردن TIR
رابطه بین مشخصات TIR و هزینه ساخت غیرخطی-است. بشقاب با 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.
بنابراین، مهندس تعیین کننده صفحه باید حداقل TIR قابل قبول را بر اساس فیزیک فرآیند تعیین کند، سپس یک حاشیه ایمنی متوسط را اضافه کند-اما تلورانس شدید غیر ضروری را درخواست نکند.
نقش انتخاب مواد
آلومینیوم (6061 یا 7075) به دلیل رسانایی حرارتی بالا و سهولت ماشینکاری، رایج ترین ماده صفحه گرمایش است. با این حال، آلومینیوم دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالایی (23 میکرومتر بر m·K) و سفتی کم است. صفحات آلومینیومی بزرگ (مثلاً با قطر 600 میلی متر) در صورت عدم پشتیبانی مناسب، تحت وزن خود فرو می روند. برای الزامات TIR بسیار محکم، میتوان از کامپوزیتهای فولاد (16 میکرومتر/متر· K) یا آلومینیوم{10}کاربید سیلیکون استفاده کرد، اما این کامپوزیتها سنگینتر یا گرانتر هستند.
خلاصه: نقشه به عنوان یک قرارداد برای اجرا
مشخص کردنکل دقت مشخصات صفحه گرمایش خروجی نشان داده شده استبه درستی اطمینان حاصل می کند که صفحه در واقع کار خود را در ارائه تماس و گرمای یکنواخت انجام می دهد و فرآیند تولید می تواند آن استاندارد را برآورده کند. نقشه یک قرارداد برای اجرا است و الزامات دقت باید به وضوح بیان شود. مهندس با بیان حد TIR، دمای اندازهگیری، منطقه قابل اجرا و هرگونه محدودیت مسطح محلی، یک هدف بدون ابهام را در اختیار سازنده قرار میدهد. نتیجه صفحه گرمایشی است که در کاربردهای دقیق{3}}چه لنزهای نوری چسباندن، چه پردازش ویفرهای نیمه هادی، چه لایه لایه کردن مدارهای انعطاف پذیر، به طور قابل پیش بینی عمل می کند. مسطح بودن در چنین کارهایی تجمل نیست. این یک فعال کننده فرآیند است.
