CNC-Keramikbearbeitung: Werkstoff, Prozess, Anwendung

Die Bearbeitung von Keramikteilen ist für die moderne Spanfertigung unerlässlich, da Keramik im Vergleich zu fast allen anderen Werkstoffen Hitze, Verschleiß und Chemikalien besser verträgt. Dieser Artikel erklärt die Herstellung dieser Keramikteile und behandelt gängige Keramikwerkstoffe, den gesamten Fertigungsprozess sowie die Prüfung und Oberflächenbehandlung.

Überblick über Keramik

Keramik sind anorganische, nichtmetallische Werkstoffe, die aus natürlichen Mineralien oder synthetischen Verbindungen durch Zerkleinern, Formen und Sintern bei hohen Temperaturen hergestellt werden. Man unterscheidet zwei Arten von Keramik: traditionelle Keramik und Spezialkeramik.

Traditionelle Keramik verwendet natürliche Mineralien wie Ton (darunter Töpferton, Porzellanerde und Kaolin), Quarz und Feldspat als primäre Rohstoffe. Diese werden durch Zerkleinern, Formen und Sintern hergestellt. Traditionelle Keramik bietet Vorteile wie Feuerbeständigkeit, Säure- und Laugenbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, hervorragende elektrische Isolation und einfache Reinigung.

Spezialkeramiken werden aus synthetischen Verbindungen als Rohmaterialien hergestellt, darunter Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Titandioxid (TiO₂), Siliciumcarbid (SiC), Borcarbid (B₄C), Siliciumnitrid (Si₃N₄) und Bornitrid (BN). Diese Materialien werden zerkleinert und entweder nach traditionellen oder speziellen Verfahren geformt und anschließend bei hohen Temperaturen gebrannt.

Nach dem Brennen benötigen einige moderne Keramikbauteile zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, wie z. B. Präzisionsbearbeitung oder Polarisationsbehandlung. Dadurch wird sichergestellt, dass sie strenge Maß- und Formtoleranzen erfüllen oder spezifische funktionelle Eigenschaften, wie z. B. ferroelektrische Eigenschaften, aufweisen.

Für industrielle Anwendungen geeignete Keramikarten

Keramik spielt aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ihrer elektrischen Eigenschaften eine entscheidende Rolle. Im Folgenden finden Sie eine kurze Einführung in einige gängige technische Keramikwerkstoffe und ihre Anwendungsgebiete:

Aluminiumoxide

Aluminiumoxid besitzt einen hohen Schmelzpunkt von 2072 °C und eine hohe mechanische Festigkeit. Diese nimmt jedoch bei Temperaturen über 1000 °C ab. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ist seine Temperaturwechselbeständigkeit bei extremen Temperaturschwankungen relativ gering.

Der Hauptgrund für die hohe Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumoxid liegt in seiner ausgezeichneten chemischen Stabilität. Zwar ist Aluminiumoxid in starken Säuren (wie heißer Schwefelsäure; auch Salzsäure und Flusssäure wirken korrosiv) und alkalischen Lösungen leicht löslich, jedoch bleibt es in Wasser unlöslich. Aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber chemischer Erosion ist reines Aluminiumoxid ein bevorzugtes Werkstoffmaterial für diverse industrielle Bauteile.

Zirkonia

Zirkonoxid zeichnet sich durch geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit aus und wurde in den 1960er-Jahren erstmals in der Raumfahrt als Wärmebarriere eingesetzt, um den Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre zu ermöglichen. Es ist gut temperaturbeständig und kann in einem Bereich von -85 °C bis 400 °C eingesetzt werden, seine Temperaturwechselbeständigkeit ist jedoch geringer als die von Siliziumnitrid.

Zirkonoxid ist äußerst korrosionsbeständig und eignet sich daher ideal für den Umgang mit stark korrosiven Flüssigkeiten. Seine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Rissausbreitung prädestiniert es für Schweißprozesse, Drahtformwerkzeuge und mechanische Anwendungen mit Bruchrisiko. Darüber hinaus besitzt es einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ähnlich dem von Stahl, wodurch es sich als bevorzugtes Material für die Verbindung von Keramik mit Stahlbauteilen eignet. Aufgrund seiner tribologischen Eigenschaften ist Zirkonoxid bestens für Wälzbewegungen geeignet, beispielsweise in Linear- oder Kugellagern (z. B. von Herstellern wie TK Linear). Sowohl Zirkonoxid- als auch Siliziumnitridkeramik bieten Vorteile wie hohe Vakuumkompatibilität, nichtmagnetische Eigenschaften, elektrische Isolation und lange Lebensdauer.

Siliziumkarbid

Siliciumcarbid ist der am weitesten verbreitete nichtoxidische Keramikwerkstoff. Er besteht hauptsächlich aus SiC und ist eine hochfeste und harte Keramik, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen entwickelt wurde. Selbst bei Temperaturen zwischen 1200 °C und 1400 °C behält er seine hohe Biegefestigkeit.

SiC-Keramiken zeichnen sich zudem durch gute Wärmeleitfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit und hohe Schlagzähigkeit aus. Als robustes und langlebiges Material mit geringer Dichte, niedriger Wärmeausdehnung und hervorragender Temperaturwechselbeständigkeit eignet es sich für ein breites Anwendungsspektrum.

Siliziumnitrid (Si3N4)

Siliziumnitrid ist eine sich rasant entwickelnde, nichtoxidische technische Keramik. Es zeichnet sich durch eine Temperaturwechselbeständigkeit von bis zu 600 °C aus – deutlich höher als die 400 °C von Siliziumkarbid, was ein minimales Bruchrisiko durch plötzliche Temperaturänderungen bedeutet. Wenn Temperaturwechselbeständigkeit höchste Priorität hat, ist Siliziumnitrid die optimale Wahl.

Si3N4 bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gegenüber den meisten Säuren (mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure), Laugen und verschiedenen geschmolzenen Metallen. Es besitzt zudem hervorragende elektrische Isolationseigenschaften und Strahlungsbeständigkeit.

Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid ist ein keramischer Werkstoff, der hohe Wärmeleitfähigkeit mit exzellenter elektrischer Isolation vereint. Es zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Härte und hohe Temperaturbeständigkeit aus. Daher bietet es einzigartige Vorteile als wärmeableitendes Substrat für Hochleistungs-ICs und elektronische Bauelemente.

Bornitrid Werk- und Hilfsstoffe

Bornitrid existiert in zwei typischen Kristallstrukturen: Hexagonales Bornitrid (h-BN) und Kubisches Bornitrid (c-BN).

• Hexagonales Bornitrid: Es ist weiß, hat eine graphitähnliche Struktur und zeichnet sich durch geringe Härte und hervorragende Schmierfähigkeit aus. Es besitzt eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten unter den keramischen Werkstoffen; heißgepresste BN-Produkte erreichen Werte von bis zu 33 W/m·K, was dem Zehnfachen von Quarz entspricht.
• Kubisches Bornitrid: Mit einer diamantähnlichen Struktur ist es derzeit das zweithärteste bekannte Material, nur übertroffen vom Diamanten selbst.

Prozesse der Herstellung keramischer Bauteile

Im Allgemeinen erfolgt die Herstellung von Keramikbauteilen in folgenden Schritten: Rohmaterialien -> Pulververarbeitung/Mischen -> Formen -> Brennen/Sintern -> Fertiges Keramikbauteil.

#1 Pulververarbeitung

Die Verarbeitung von Keramikpulver ähnelt der von Metallpulver. Dabei wird zunächst Pulver durch Mahlen hergestellt, wodurch ein Rohprodukt entsteht, das anschließend zum Endprodukt verfestigt wird. Pulver besteht aus feinen Partikeln. Keramikpulver wird durch Zerkleinern, Mahlen, Abtrennen von Verunreinigungen, Mischen und Trocknen der Rohstoffe gewonnen.

#2 Mischen

Keramische Bauteile werden mithilfe verschiedener Verfahren und Maschinen gemischt. Durch Zugabe von Wasser oder anderen Flüssigkeiten werden sie zu einer Suspension verarbeitet.

#3 Formung

Die Formgebung beginnt üblicherweise nach der Vorbereitung des Grundmaterials. Gängige Formgebungsverfahren sind Pressen, Extrudieren, Spritzgießen und Schlickergießen, abhängig von der Art des benötigten Bauteils. Spritzgießen wird beispielsweise häufig für einfache Produkte wie Rohre eingesetzt. Bei diesen Verfahren wird das verarbeitete Pulver in die gewünschte Form gebracht, den sogenannten Vorformling (oder Grünling). Dieser Vorformling wird anschließend durch Sintern oder Brennen weiter verfestigt, um das fertige Keramikteil zu erhalten. Durch die Zugabe von Bindemitteln während der Formgebung kann die Fließfähigkeit des Pulvers verbessert und somit die Dichte des fertigen Bauteils erhöht werden.

#4 Sintern

Keramische Werkstücke werden in extrem heißen Öfen oder Brennöfen erhitzt, um sie durch die Bindung und Trocknung ihrer Oxide zu härten. Dieser chemische Prozess erzeugt Ionenbindungen, kovalente Bindungen und die Kristallstruktur der Keramik. Beim Sintern sind auch Kationen beteiligt, und die Ionenstruktur lässt sich durch die Berechnung der Elektronegativitätsdifferenz zwischen Kationen und Anionen bestimmen. Während des Vorheizens (bis zu 250 °C) verdampfen organische Zusätze (Bindemittel) und zersetzbare Bestandteile. Verschiedene Zusätze können die Temperaturen senken, die Sinterzeiten verkürzen oder die Dichte erhöhen. Sobald die Brenntemperatur erreicht ist, beginnt sich der Keramikrohling zu verfestigen, was üblicherweise mit Schrumpfung einhergeht. Diese Schrumpfung muss bei der Auslegung des Grünlings berücksichtigt werden.

Zur Fertigstellung von Keramikteilen können Hersteller Nachbearbeitungsschritte durchführen, wie z. B. maschinelles Bearbeiten, Schneiden, Schleifen oder Polieren.

Keramische CNC-Bearbeitung

Zu den CNC-Keramikbearbeitungsverfahren gehören Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen.

CNC Drehen: Im Allgemeinen werden Werkzeuge aus Diamant oder kubischem Bornitrid (CBN) verwendet. Aufgrund der extremen Härte und Sprödigkeit von Keramik ist es schwierig, die erforderlichen Präzisionsanforderungen zu erfüllen und die Effizienz aufrechtzuerhalten; daher wird das Drehen selten angewendet und befindet sich größtenteils noch im Forschungsstadium.

CNC Bohren: Als Spezialbohrer werden Diamantscheiben mit kleinem Durchmesser eingesetzt. Das Material wird durch die mikroschneidende Wirkung der Schleifkörner an der Spitze des Bohrers abgetragen.

CNC Mahlen: Hochharte Werkzeuge wie Diamantschneider werden eingesetzt, um Material unter hochfrequenten, intermittierenden Schnittkräften abzutragen. Allerdings können hochfrequente Stoßkräfte zu Sprödbrüchen an der bearbeiteten Oberfläche führen, und Vibrationen können ungleichmäßige Abtragstiefen verursachen und somit die Oberflächenqualität mindern.

CNC Mahlen: Dies ist das am weitesten verbreitete Bearbeitungsverfahren. Diamantstifte oder -scheiben reiben am Werkstück und tragen Material durch plastische Verformung oder Sprödbruch ab. Die Spanabfuhr stellt eine große Herausforderung dar, die üblicherweise durch Kühlmittel bewältigt wird. Das Kühlmittel spült das Schleifpulver weg, senkt die Temperatur in der Schleifzone, verbessert die Qualität und verhindert die thermische Zersetzung des Bindemittels des Schleifmittels. Die Korngröße des Diamanten beeinflusst die Oberflächenqualität maßgeblich: Größere Körner erhöhen zwar die Effizienz, führen aber zu einer höheren Oberflächenrauheit. Ungleichmäßige Krafteinwirkung beim Schleifen kann leicht zu Rissen führen.

Bearbeitung elektrischer Entladungen

Nichtleitende Keramiken benötigen eine Hilfselektrode auf der Materialoberfläche. Zwischen der Hilfselektrode und der Werkzeugelektrode wird ein Abstand aufrechterhalten, um eine Funkenentladung zu erzeugen. Sobald die Hilfselektrode durchstochen wird, bilden die entstehenden Partikel und der aus dem Arbeitsmedium zersetzte Kohlenstoff eine neue leitfähige Schicht auf der Keramikoberfläche, um die Entladung fortzusetzen. Bearbeitung elektrischer Entladungen Das Verfahren ermöglicht zwar die Bearbeitung komplexer Formen, aufgrund der erforderlichen Leitfähigkeit können jedoch nur isolierende Keramiken mit Hilfselektroden verarbeitet werden. Es weist eine geringe Effizienz, begrenzte Präzision und eine hohe Wärmeentwicklung auf, die zu Mikrorissen führen kann.

Laserstrahlbearbeitung

Für das Schneiden und Ritzen von Keramik stoßen herkömmliche Verfahren oft an ihre Grenzen, wenn es um Effizienz und Kosteneffizienz geht. Die Laserstrahlbearbeitung hingegen ist eine berührungslose Präzisionstechnologie, die effizient und kontrollierbar ist, eine geringe Wärmeeinflusszone aufweist, keine Schnittkräfte oder Werkzeugverschleiß verursacht und die Bearbeitung von Materialien mit hoher Härte, hoher Sprödigkeit und hohem Schmelzpunkt ermöglicht.

Das Prinzip beruht auf der Nutzung eines Laserstrahls hoher Leistungsdichte als Wärmequelle, der auf die Materialoberfläche fokussiert wird, um diese augenblicklich zu schmelzen oder zu verdampfen. Der Nachteil besteht darin, dass die entstehende erhebliche Hitze Oberflächenrisse und Oxidation verursachen kann. Derzeit werden für die Keramikbearbeitung hauptsächlich CO₂-Laser, Faserlaser, UV-Laser und Pikosekundenlaser eingesetzt.

Typische Keramikbauteile

Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit finden technische Keramikbauteile breite Anwendung in kritischen Halbleiteranlagen. Zu diesen Bauteilen zählen unter anderem Keramikroboterarme, Keramiksubstrate, Keramikdüsen, Keramikfenster, Keramikkammerabdeckungen und Keramik-Vakuumspannfutter.

Keramische Roboterarme

In der Halbleiterfertigung werden Keramikroboterarme zum Handling von Wafern eingesetzt. Da Siliziumwafer kontaminationsfrei bleiben müssen, findet dieser Prozess typischerweise in einer Reinraumumgebung statt. Unter Vakuumbedingungen erfüllen mechanische Arme aus den meisten anderen Materialien die Anforderungen nicht. Daher ist der Einsatz von Keramikarmen mit hoher Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Härte erforderlich. Typischerweise werden hochreines Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Siliziumkarbid (SiC) zur Herstellung dieser Arme verwendet. Obwohl SiC-Arme eine höhere Leistung bieten, werden Aluminiumoxid-Arme aufgrund ihrer höheren Kosteneffizienz und der vergleichsweise einfacheren Verarbeitung häufiger eingesetzt.

Keramische Substrate

Keramische Substrate werden hauptsächlich in verschiedenen Bereichen der Elektronikgehäusefertigung eingesetzt, beispielsweise in der Leistungselektronik, bei Lasern, LEDs, thermoelektrischen Kühlern und Hochtemperatur-Elektronik. Da Standardmaterialien extremen Temperaturen nicht standhalten, werden Keramikprodukte aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Zuverlässigkeit bevorzugt. Aluminiumoxid und Siliziumnitrid sind die gängigsten Materialien für diese Substrate.

Keramikdüsen

Bei der HDP-CVD-Abscheidung gelangen die Reaktionsgase durch Keramikdüsen, die das Innere und Äußere der Reaktionskammer verbinden, in diese. Daher bestimmt die Düsenqualität direkt die Reinheit und den Durchfluss des Reaktionsgases. Üblicherweise werden Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid verwendet. Aluminiumnitrid eignet sich jedoch besser für moderne HDP-CVD-Prozesse, da seine überlegene Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit Verunreinigungen durch Plasmaerosion oder thermische Verformung verhindern.

Keramikfenster

Das Keramikfenster ist eine entscheidende Komponente und dient als Kammerdeckel in Halbleiterätzanlagen. Es befindet sich zwischen der Ätzkammer und der Plasmainduktionsspule und gewährleistet eine Vakuumabdichtung, ohne den Plasmaeintritt in die Kammer zu behindern. Seine Konstruktion ermöglicht die Übertragung von Hochfrequenz- und Mikrowellenenergie in die Kammer und widersteht gleichzeitig den aggressiven Bedingungen der Ätzumgebung. Effektive Keramikfenster müssen einen geringen Verlustfaktor im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich aufweisen, um zu verhindern, dass die Energieabsorption in übermäßige Wärme umgewandelt wird, die die Komponente beschädigen könnte. Sie werden durch fortschrittliche Formgebungs-, Sinter-, Präzisionsbearbeitungs- und Beschichtungsverfahren hergestellt.

Keramische Kammerkuppeln

Eine Keramikkammerabdeckung ist eine integrierte Funktionskomponente, bestehend aus einer Keramikkuppel, einem Kühlsystem und einem Elektrodensteuerungssystem. Sie ist eine Schlüsselkomponente in Dünnschichtabscheidungsanlagen für alle Prozesse bei 40 nm und darunter. Die Abdeckung dichtet die CVD-Kammer ab und schafft so eine geschlossene Umgebung. Antennenspulen um die Kuppel erzeugen durch die Zufuhr von Hochfrequenzleistung ein induziertes elektrisches Feld, das Plasma erzeugt. Dieses Plasma wird durch die Keramikabdeckung in die Kammer eingeleitet. Die Abdeckung spielt eine entscheidende Rolle für die Aufrechterhaltung der Kammerabdichtung, der Druckdifferenzen und der Reinheit.

Keramische Vakuumspannfutter

Während die meisten Keramikbauteile für Halbleiter dicht sind, bestehen Vakuumspannfutter aus poröser Keramik. Siliziumwafer sind dünn, hart und spröde und müssen daher beidseitig geschliffen und poliert werden. Vakuumspannfutter dienen zum Positionieren und Spannen dieser Werkstücke. Moderne Keramik-Vakuumspannfutter zeichnen sich typischerweise durch eine poröse Struktur aus, die aus zwei Keramikarten besteht. Eine poröse Keramikplatte ist in eine Aussparung in einem Sockel aus gasdichter, dichter Keramik eingebettet und abgedichtet. Obwohl die beiden Teile unterschiedliche Keramikarten verwenden, sind ihre Verschleißfestigkeit und mechanischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt, um sicherzustellen, dass das Spannfutter die strengen Betriebsanforderungen erfüllt.

Qualitätskontrolle

Nach Abschluss der Bearbeitung werden die Keramikbauteile einer manuellen Prüfung unterzogen, um zu überprüfen, ob ihr Aussehen, ihre Abmessungen, ihre Porosität und ihre Eigenschaften stimmen. Oberflächenrauheit Die Bauteile erfüllen die vorgegebenen Anforderungen. Für Komponenten mit hohen Präzisions- und Qualitätsansprüchen werden spezielle Prüfgeräte eingesetzt, um die Integrität der Halbleiterbauteile sicherzustellen. Produkte, die die Prüfung bestehen, gelangen in die nächste Phase, während fehlerhafte Teile entweder nachbearbeitet oder verschrottet werden.

Oberflächenbearbeitung

In der Halbleiterindustrie gelten höchste Reinheitsstandards. Nach bestandener Qualitätsprüfung müssen Keramikbauteile einer gründlichen Reinigung unterzogen werden, typischerweise durch Säure-, Laugen- oder organische Lösungsmittelreinigung. Nach Reinigung und Trocknung werden die Produkte erneut geprüft. Qualifizierte Teile werden anschließend zur Endverpackung in einen Reinraum transportiert. Für Bauteile in speziellen Anwendungsbereichen können zusätzliche Oberflächenbehandlungen wie Plasmaspritzen, elektrostatisches Sprühen, Dampfabscheidung oder Metallisierung erforderlich sein, um die geforderten Leistungsspezifikationen zu erfüllen.

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