Płyta grzewcza do łączenia optycznego lub obróbki płytek półprzewodnikowych musi być nie tylko „płaska”, ale także płaska z dokładnością do kilku mikrometrów. Język specyfikacji to Total Indicated Runout, a umieszczenie go bezpośrednio na rysunku definiuje cały proces produkcyjny. Źle określona płaskość może prowadzić do nierównego kontaktu, zlokalizowanych gorących punktów i odrzucenia części. Dobrze-określony TIR gwarantuje, że płyta grzewcza zapewnia równomierny transfer ciepła na całej powierzchni roboczej, co jest-niepodlegającym negocjacjom wymaganiem w zastosowaniach precyzyjnych.
Co to jest całkowite wskazane bicie (TIR) na płycie grzewczej?
Całkowite wskazane bicie to maksymalna zmiana wysokości powierzchni mierzona czujnikiem zegarowym, gdy część jest obracana lub skanowana na określonym obszarze. W przypadku płaskiej płyty grzewczej TIR jest zasadniczo miarą płaskości i równoległości. Wskaźnik jest zerowany w punkcie odniesienia, a następnie przesuwany po powierzchni roboczej płytki. Rejestrowane jest każde odchylenie-szczytu lub doliny-. Różnica pomiędzy najwyższym i najniższym odczytem w określonym zakresie pomiarowym to wartość TIR.
Specyfikacja TIR < 0,025 mm (25 mikrometrów) na płycie o średnicy 300 mm oznacza, że żaden punkt na powierzchni nie odbiega od płaszczyzny odniesienia o więcej niż ± 0,0125 mm. W zastosowaniach ultra-precyzyjnych mogą być wymagane wartości TIR tak niskie, jak 0,010 mm lub nawet 0,005 mm. Wymagany TIR opiera się zazwyczaj na tolerancji grubości obrabianej części lub kontroli szczeliny wymaganej w procesie laminowania lub klejenia. Cieńsze, bardziej wrażliwe części (np. płytki półprzewodnikowe, szkło optyczne) wymagają mocniejszego TIR.
Dlaczego osiągnięcie ścisłego TIR jest wyzwaniem dla płyt grzewczych
Płyta grzewcza nie jest zwykłą metalową płytą. Zawiera wbudowane elementy grzejne (odlane-lub zaciśnięte w rowkach) lub jest nawiercony pod grzejniki kasetowe. Może mieć tuleje na termopary, otwory montażowe i kanały chłodzące. Proces produkcyjny-obróbka skrawaniem, spawanie i obróbka cieplna-powoduje naprężenia wewnętrzne. Naprężenia te są uwalniane, gdy płyta jest podgrzewana do temperatury roboczej, powodując wypaczenie. Płyta, która w temperaturze pokojowej była idealnie płaska, może wygiąć się o 0,1 mm lub więcej w temperaturze 150 stopni.
W rzeczywistości,płaskość to właściwość-zależna od temperatury płyty grzewczej. Dlatego samo określenie TIR jest niewystarczające. Należy również podać temperaturę, w której wykonywany jest pomiar. Precyzyjną płytę grzejną należy wyposażyć w TIR mierzony albo w temperaturze otoczenia (ze znanym, akceptowalnym dryftem w temperaturze roboczej), albo, w idealnym przypadku, mierzony w zamierzonej temperaturze roboczej.
Etapy procesu prowadzące do uzyskania precyzyjnego TIR
Osiągnięcie specyfikacji TIR poniżej 0,025 mm wymaga dokładnie zaplanowanej sekwencji operacji produkcyjnych.
1. Stres-Zwolniony pusty materiał
Materiał wyjściowy-zazwyczaj stop aluminium (np. 6061-T6 lub 7075) lub stal (np. stal miękka lub stal nierdzewna)-należy poddać odprężeniu-przed jakąkolwiek precyzyjną obróbką. Otrzymane pręty lub płyty często zawierają naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku walcowania lub wytłaczania. Wygrzewanie odprężające termicznie (np. 2–4 godziny w temperaturze 340 stopni w przypadku aluminium lub 600 stopni w przypadku stali), a następnie powolne chłodzenie uwalnia te naprężenia. Bez tego etapu późniejsza obróbka spowoduje niezrównoważenie pola naprężeń, a płyta ulegnie wypaczeniu po włączeniu zasilania grzejnika.
2. Obróbka zgrubna i osadzanie nagrzewnicy
Płyta jest obrobiona zgrubnie do wymiarów bliskich-netto. Elementy grzejne są instalowane (np. odlewane do formy piaskowej do odlewania-grzejników lub wciskane w obrobione maszynowo rowki). Na tym etapie powstają nowe naprężenia ze względu na różnice w rozszerzalności cieplnej pomiędzy osłoną grzejnika a materiałem płyty. W przypadku precyzyjnych zastosowań TIR grzejnik jest często odlewany w oddzielnym aluminiowym rdzeniu, który następnie jest-ponownie odprężany przed ostatecznym napawaniem.
3. Naprężenia termiczne-Odciążanie po montażu
Po całkowitym osadzeniu lub zaciśnięciu elementów grzejnych cały zespół płyty poddawany jest kolejnemu-cyklowi termicznemu odprężającemu. To jest krytyczne. Ciepło pochodzące z samych elementów podczas tego cyklu (doprowadzone do temperatury wyższej od zamierzonej temperatury roboczej) sztucznie starzeje zespół i rozluźnia naprężenia różnicowe. Proces ten nazywany jest czasami „cyklami termicznymi” lub „pre-stabilizacją”.
4. Precyzyjne szlifowanie
Powierzchnia robocza jest szlifowana na-wielkoformatowej szlifierce do płaszczyzn lub szlifierce-dwutarczowej. Szlifowanie usuwa tylko ostatnie 0,2–0,5 mm materiału, uzyskując wykończenie powierzchni (Ra) na poziomie 0,8 µm lub lepszym i płaskość zbliżoną do możliwości maszyny. W przypadku płyt o średnicy do 600 mm nowoczesna szlifierka do płaszczyzn może osiągnąć TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Docieranie końcowe (opcjonalnie)
W przypadku specyfikacji TIR węższych niż 0,010 mm (np.<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.
Określanie TIR na rysunku technicznym
Aby pomyślnie pozyskać płytę grzejną spełniającą wymagania dotyczące precyzji, specyfikacja TIR musi być jednoznaczna i kompletna. Typowe objaśnienie rysunku może brzmieć:
„Całkowite bicie wskazane (TIR) powierzchni roboczej nie może przekraczać 0,020 mm, mierzone zgodnie z normą ASME Y14.5M-1994. Pomiar należy wykonać przy płycie ustabilizowanej pod kątem 100 stopni ± 5 stopni na całej powierzchni roboczej określonej przez średnicę D. Nie jest dozwolone żadne lokalne odchylenie przekraczające 0,010 mm na dowolnym obszarze kwadratowym o boku 25 mm.”
Kluczowe elementy:
Limit TIR.
Norma pomiarowa (ASME Y14.5 lub ISO 1101).
Temperatura, w której wykonywany jest pomiar (temperatura pokojowa, temperatura robocza lub jedno i drugie).
Obszar, na którym obowiązuje TIR (np. „na całej powierzchni roboczej” lub „w środkowych 80% płyty”).
Wszelkie dodatkowe wymagania dotyczące „lokalnej płaskości” (np. kontrola falistości).
Nigdy nie określaj TIR bez podania temperatury.Płyta płaska w temperaturze pokojowej może nie być płaska w temperaturze 150 stopni. W przypadku zastosowań krytycznych producent powinien mieć obowiązek dostarczenia mapy płaskości zarówno w temperaturze otoczenia, jak i roboczej.
Dopasowanie TIR do aplikacji
Wymagany TIR powinien opierać się na tolerancji grubości i zgodności obrabianej części.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 mm)– Dopuszczalny może być TIR wynoszący 0,05–0,10 mm na 500 mm, ponieważ część będzie dopasowywana lub pasta termoprzewodząca wypełni szczeliny.
Cienkie, elastyczne folie lub wafle (<0.5 mm)– TIR musi być<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Kontakt optyczny (bez kleju)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminowanie podłoży sztywnych– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Metody weryfikacji
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), współrzędnościowa maszyna pomiarowa (CMM) lub interferometr laserowy zapewniają dokładniejsze dane.
Jeżeli dla płyty określono TIR mierzony w temperaturze roboczej, należy przeprowadzić kontrolowany test nagrzewania. Płyta jest zasilana do zadanej wartości roboczej, pozostawiana do ustabilizowania się (zwykle 30–60 minut), a następnie mierzony jest TIR za pomocą-odpornego na ciepło wskaźnika lub-bezkontaktowego laserowego czujnika przemieszczenia. Należy skorygować rozszerzalność cieplną stojaka wskaźnika.
Typowe błędy przy określaniu TIR
Przesadne-określanie– Żądanie TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Zapominanie o temperaturze– TIR podany bez temperatury pomiaru jest niejednoznaczny. Producent może dostarczyć płaską płytę o-temperaturze pokojowej-, która podczas użytkowania wygina się w niedopuszczalny sposób.
Pomijam otwory montażowe– Specyfikacja TIR powinna określać, czy pomiar obejmuje obszar bezpośrednio nad otworami na elementy złączne, czy też obszary te są wyłączone. Otwory na śruby lokalnie zniekształcają powierzchnię, jeśli śruby zostaną zbyt mocno dokręcone. Na rysunku należy podać wartości momentów dokręcania przy montażu.
Brak lokalnej kontroli płaskości– Płyta może spełniać globalny współczynnik TIR wynoszący 0,025 mm, ale nadal może mieć ostry garb o średnicy 0,020 mm na okręgu o średnicy 10 mm-co powoduje problem „falistości”. Zapobiegają temu dodatkowe objaśnienia dotyczące „płaskości na dowolnym kwadracie 25 mm”.
Kosztowy wpływ zaostrzenia TIR
Zależność między specyfikacją TIR a kosztem produkcji jest-liniowa. Płyta z TIR-em<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.
Dlatego inżynier określający tablicę powinien ustalić minimalny dopuszczalny TIR w oparciu o fizykę procesu, a następnie dodać skromny margines bezpieczeństwa-ale nie wymagać niepotrzebnie wąskiej tolerancji.
Rola wyboru materiału
Aluminium (6061 lub 7075) jest najpopularniejszym materiałem na płyty grzejne ze względu na jego wysoką przewodność cieplną i łatwość obróbki. Aluminium ma jednak stosunkowo wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (23 µm/m·K) i niską sztywność. Duże płyty aluminiowe (np. o średnicy 600 mm) uginają się pod własnym ciężarem, jeśli nie są odpowiednio podparte. W przypadku wyjątkowo rygorystycznych wymagań TIR można zastosować kompozyty ze stali (16 µm/m·K) lub{{10}aluminium i węglika krzemu, ale są one cięższe i droższe.
Streszczenie: Rysunek jako umowa o wykonanie
Określaniecałkowita wskazana precyzja specyfikacji płyty grzewczejprawidłowo gwarantuje, że płyta faktycznie spełni swoje zadanie, zapewniając jednolity kontakt i ciepło, oraz że proces produkcyjny będzie w stanie spełnić ten standard. Rysunek jest umową o wykonanie, a wymagania dotyczące precyzji muszą być jasno określone. Podając granicę TIR, temperaturę pomiaru, obszar mający zastosowanie i wszelkie lokalne ograniczenia płaskości, inżynier daje producentowi jednoznaczny cel. Rezultatem jest płyta grzewcza, która działa przewidywalnie w precyzyjnych zastosowaniach-niezależnie od tego, czy chodzi o łączenie soczewek optycznych, obróbkę płytek półprzewodnikowych czy laminowanie elastycznych obwodów. Płaskość nie jest w takiej pracy luksusem; jest czynnikiem umożliwiającym proces.
