Usinagem CNC de cerâmica: material, processo e aplicação.

A usinagem de cerâmica é essencial na fabricação moderna de peças usinadas, pois elas suportam calor, desgaste e produtos químicos melhor do que quase qualquer outro material. Este artigo explicará como essas peças de cerâmica são fabricadas, abordando materiais cerâmicos comuns, todo o processo de fabricação, inspeção e tratamento de superfície.

Visão geral da cerâmica

A cerâmica é um material inorgânico, não metálico, produzido a partir de minerais naturais ou compostos sintéticos por meio de processos de trituração, conformação e sinterização em alta temperatura. A cerâmica pode ser classificada em duas categorias: cerâmica tradicional e cerâmica especial.

A cerâmica tradicional utiliza minerais naturais como argila (incluindo argila para cerâmica, caulim e argila da China), quartzo e feldspato como principais matérias-primas. Esses minerais são produzidos por meio de trituração, moldagem e sinterização. A cerâmica tradicional oferece vantagens como resistência ao fogo, resistência a ácidos e álcalis, resistência à oxidação, excelente isolamento elétrico e facilidade de limpeza.

Cerâmicas especiais são fabricadas utilizando compostos sintéticos como matérias-primas, incluindo alumina, zircônia, dióxido de titânio (TiO2), carbeto de silício (SiC), carbeto de boro (B4C), nitreto de silício (Si3N4) e nitreto de boro (BN). Esses materiais são triturados e moldados utilizando métodos tradicionais ou especializados, e então queimados em altas temperaturas.

Após a queima, alguns componentes cerâmicos avançados requerem processamento secundário adicional, como usinagem de precisão ou tratamento de polarização. Isso garante que atendam a tolerâncias dimensionais e de forma rigorosas ou possuam propriedades funcionais específicas, como desempenho ferroelétrico.

Tipos de cerâmica adequados para aplicação industrial

Os materiais cerâmicos desempenham um papel fundamental devido à sua alta resistência à temperatura, ao desgaste, à corrosão e às suas propriedades elétricas. Abaixo, segue uma breve introdução a alguns materiais cerâmicos comuns utilizados em engenharia e suas aplicações:

Alumina

A alumina possui um alto ponto de fusão de 2072 °C e alta resistência mecânica. No entanto, sua resistência mecânica tende a diminuir quando as temperaturas ultrapassam 1000 °C. Devido às diferenças nos coeficientes de expansão térmica, sua resistência ao choque térmico é relativamente baixa quando exposta a flutuações extremas de temperatura.

O principal fator por trás de sua alta resistência à corrosão é sua excelente estabilidade química. Embora a alumina seja ligeiramente solúvel em ácidos fortes (como o ácido sulfúrico quente; HCl e HF também apresentam certos efeitos corrosivos) e soluções alcalinas, ela permanece insolúvel em água. Sua capacidade de resistir à erosão química faz da alumina pura uma escolha primordial para diversos componentes industriais.

Zircônia

Caracterizada por baixa condutividade térmica e alta resistência, a zircônia foi usada pela primeira vez em viagens espaciais durante a década de 1960 como uma barreira térmica para permitir que as espaçonaves reentrassem na atmosfera terrestre. Ela suporta bem altas temperaturas, com uma faixa de operação de -85 °C a 400 °C, embora sua resistência ao choque térmico seja inferior à do nitreto de silício.

A zircônia é altamente resistente à corrosão, o que a torna perfeita para o manuseio de líquidos altamente corrosivos. Sua excepcional resistência à propagação de trincas a torna ideal para processos de soldagem, ferramentas de conformação de arame e aplicações mecânicas com risco de fratura. Além disso, possui um alto coeficiente de expansão térmica, semelhante ao do aço, o que a torna o material preferido para unir cerâmica a componentes de aço. Devido às suas propriedades tribológicas, a zircônia é adequada para movimentos de rolamento, como em rolamentos lineares ou de esferas (por exemplo, de fabricantes como a TK Linear). Ademais, tanto a zircônia quanto as cerâmicas de nitreto de silício oferecem vantagens como alta compatibilidade com vácuo, propriedades não magnéticas, isolamento elétrico e longa vida útil.

Carboneto de silício

O carboneto de silício é o material cerâmico não óxido mais utilizado. Composto principalmente de SiC, é uma cerâmica de alta resistência e dureza, projetada para uso em altas temperaturas. Mantém alta resistência à flexão mesmo em temperaturas entre 1200 °C e 1400 °C.

A cerâmica de SiC também apresenta boa condutividade térmica, resistência à oxidação, condutividade elétrica e alta resistência ao impacto. Como um material robusto e durável, com baixa densidade, baixa expansão térmica e excelente resistência ao choque térmico, é adequado para uma ampla gama de aplicações.

Nitreto de silício (Si3N4)

O nitreto de silício é uma cerâmica de engenharia não óxida em rápido desenvolvimento. Ele apresenta uma resistência ao choque térmico de até 600 °C — significativamente superior aos 400 °C do carboneto de silício, indicando um risco mínimo de fratura devido a mudanças bruscas de temperatura. Quando a resistência ao choque térmico é a principal prioridade, o nitreto de silício é a escolha ideal.

O Si3N4 oferece excelente resistência à corrosão contra a maioria dos ácidos (exceto o ácido fluorídrico), álcalis e diversos metais fundidos. Possui também isolamento elétrico e resistência à radiação superiores.

Nitreto de Alumínio

O nitreto de alumínio é um material cerâmico que combina alta condutividade térmica com excelente isolamento elétrico. Apresenta alta resistência, alta dureza e resistência a altas temperaturas. Consequentemente, possui uma vantagem única como substrato dissipador de calor para circuitos integrados de alta potência e dispositivos eletrônicos.

Nitreto de boro

O nitreto de boro existe em duas estruturas cristalinas típicas: nitreto de boro hexagonal (h-BN) e nitreto de boro cúbico (c-BN).

• Nitreto de boro hexagonal: De aparência branca e com estrutura semelhante à do grafite, oferece baixa dureza e excelente lubricidade. Possui uma das maiores condutividades térmicas entre os materiais cerâmicos; produtos de BN prensados ​​a quente podem atingir 33 W/m·K, o que é dez vezes maior que o quartzo.
• Nitreto de boro cúbico: Com uma estrutura semelhante à do diamante, é atualmente o segundo material mais duro conhecido, superado apenas pelo próprio diamante.

Processos de fabricação de componentes cerâmicos

Em geral, o processo de fabricação de componentes cerâmicos segue estas etapas: Matérias-primas -> Processamento/mistura do pó -> Moldagem -> Queima/sinterização -> Componente cerâmico final.

#1 Processamento de Pó

O processamento de pó cerâmico é semelhante ao de pós metálicos. Envolve a produção de pó por meio de moagem, criando um produto "bruto" e, em seguida, consolidando-o no produto final. Pó é uma coleção de partículas finas. O pó cerâmico é obtido por meio de trituração, moagem, separação de impurezas, mistura e secagem das matérias-primas.

#2 Mistura

Os componentes cerâmicos são misturados utilizando diversos procedimentos e máquinas. Com a adição de água ou outros líquidos, eles são transformados em uma pasta.

#3 Formando

A conformação geralmente começa após a preparação da base. Os processos de conformação mais comuns incluem prensagem, extrusão, moldagem por injeção e moldagem por barbotina, dependendo do tipo de componente necessário. Por exemplo, a moldagem por injeção é frequentemente usada para produtos simples, como tubos. Esses processos transformam o pó processado em um formato desejado, conhecido como pré-forma (ou corpo verde). A pré-forma é então consolidada por meio de sinterização ou queima para se tornar a peça cerâmica final. Durante a conformação, a adição de aglutinantes pode melhorar a fluidez do pó, aumentando assim a densidade do componente final.

#4 Sinterização

As peças cerâmicas são colocadas em fornos ou estufas extremamente quentes para fortalecer a peça através da ligação e secagem de seus óxidos. Esse processo químico cria ligações iônicas, ligações covalentes e a estrutura cristalina da cerâmica. A sinterização também envolve cátions, e a estrutura iônica pode ser determinada calculando-se a diferença de eletronegatividade entre cátions e ânions. Durante o pré-aquecimento (até 250 °C), aditivos orgânicos (aglutinantes) e componentes decomponíveis evaporam. Diferentes aditivos podem reduzir as temperaturas, encurtar os tempos de sinterização ou aumentar a densidade. Quando a temperatura atinge o ponto de queima, a pré-forma cerâmica começa a se consolidar, geralmente acompanhada de contração. Essa contração deve ser considerada durante o projeto do estado verde.

Para dar acabamento às peças cerâmicas, os fabricantes podem realizar processos secundários, incluindo usinagem, corte, retificação ou polimento.

Usinagem CNC de Cerâmica

Os métodos de usinagem CNC de cerâmica incluem torneamento, furação, fresagem e retificação.

CNC Girando: Geralmente são utilizadas ferramentas de diamante ou nitreto cúbico de boro (CBN). Devido à extrema dureza e fragilidade da cerâmica, é difícil atender aos requisitos de precisão e manter a eficiência; portanto, o torneamento é raramente utilizado e permanece em grande parte na fase de pesquisa.

CNC Perfuração: Discos diamantados de pequeno diâmetro são usados ​​como brocas especializadas. O material é removido pela ação de microcorte dos grãos abrasivos na ponta da broca.

CNC Moagem: Ferramentas superduras, como fresas diamantadas, são usadas para remover material sob forças de corte intermitentes de alta frequência. No entanto, forças de impacto de alta frequência podem causar fraturas frágeis na superfície usinada, e vibrações podem levar a profundidades de remoção inconsistentes, reduzindo a qualidade da superfície.

CNC Esmerilhamento: Este é o método de usinagem mais utilizado. Pinos ou rebolos diamantados friccionam a peça, removendo material por deformação plástica ou fratura frágil. A remoção de cavacos é um grande desafio, geralmente resolvido com o uso de fluido de corte. O fluido de corte remove o pó, reduz a temperatura na zona de retificação, melhora a qualidade e previne a decomposição térmica do aglomerante abrasivo. O tamanho do grão de diamante afeta significativamente a qualidade da superfície: grãos maiores aumentam a eficiência, mas resultam em maior rugosidade superficial. Força desigual durante a retificação pode facilmente levar ao surgimento de trincas.

Usinagem por descarga elétrica

Cerâmicas não condutoras requerem um eletrodo auxiliar posicionado sobre a superfície do material. Um espaço é mantido entre o eletrodo auxiliar e o eletrodo principal para formar uma descarga elétrica. Uma vez que o eletrodo auxiliar é perfurado, os detritos e o carbono resultantes da decomposição do fluido de trabalho formam uma nova camada condutora na superfície da cerâmica, permitindo a continuidade da descarga. Usinagem por descarga elétrica Permite a criação de formas complexas, mas sua necessidade de condutividade significa que só pode processar cerâmicas isolantes com eletrodos auxiliares. Apresenta baixa eficiência, precisão limitada e alta temperatura, que pode causar microfissuras.

Usinagem por feixe de laser

Para corte e gravação de cerâmica, os métodos tradicionais muitas vezes não atendem às demandas de eficiência e baixo custo. Como uma tecnologia de precisão sem contato, a usinagem por feixe de laser é eficiente, controlável, possui uma pequena zona afetada pelo calor, não envolve força de corte ou desgaste da ferramenta e pode processar materiais de alta dureza, alta fragilidade e alto ponto de fusão.

O princípio envolve o uso de um feixe de laser de alta densidade de potência como fonte de calor, focado na superfície do material para fundi-lo ou vaporizá-lo instantaneamente. A desvantagem é que o calor significativo gerado pode causar fissuras superficiais e oxidação. Atualmente, lasers de CO2, lasers de fibra, lasers UV e lasers de picossegundos são os mais utilizados no processamento de cerâmica.

Componentes típicos de cerâmica

Devido às suas excelentes propriedades, como alta resistência à temperatura e à corrosão, os componentes cerâmicos de engenharia são amplamente utilizados em equipamentos críticos para semicondutores. Esses componentes incluem braços robóticos de cerâmica, substratos cerâmicos, bicos cerâmicos, janelas cerâmicas, tampas de câmaras cerâmicas, mandris de vácuo de cerâmica e muito mais.

Braços robóticos de cerâmica

Na fabricação de semicondutores, braços robóticos de cerâmica são usados ​​para manipular wafers. Como os wafers de silício devem permanecer livres de contaminação, esse processo normalmente ocorre em um ambiente a vácuo. Sob condições de vácuo, braços mecânicos feitos da maioria dos outros materiais não atendem aos requisitos. Isso torna necessário o uso de braços de cerâmica caracterizados por alta resistência à temperatura, resistência ao desgaste e alta dureza. Normalmente, alumina de alta pureza (Al₂O₃) e carboneto de silício (SiC) são usados ​​para fabricar esses braços. Embora os braços de SiC ofereçam desempenho superior, os braços de alumina são mais comumente usados ​​devido à sua maior relação custo-benefício e relativa facilidade de processamento.

Substratos Cerâmicos

Os substratos cerâmicos são utilizados principalmente em diversas áreas de encapsulamento eletrônico, como encapsulamento de dispositivos eletrônicos de potência, encapsulamento de lasers, encapsulamento de LEDs, encapsulamento de refrigeradores termoelétricos e encapsulamento de dispositivos eletrônicos de alta temperatura. Como os materiais convencionais não suportam calor extremo, os produtos cerâmicos, que oferecem alta condutividade térmica, resistência ao calor, resistência mecânica e confiabilidade, são os preferidos. Alumina e nitreto de silício são os materiais mais comuns para esses substratos.

Bicos de cerâmica

Na deposição química de vapor por plasma de alta pressão (HDP-CVD), os gases reativos entram na câmara de reação através de bicos cerâmicos que fazem a ponte entre o interior e o exterior da câmara. Portanto, a qualidade do bico determina diretamente a pureza e a vazão do gás reativo. Alumina e nitreto de alumínio são comumente utilizados. No entanto, o nitreto de alumínio é mais adequado para processos avançados de HDP-CVD, pois sua condutividade térmica superior e resistência ao choque térmico previnem a contaminação por impurezas causada pela erosão do plasma ou deformação térmica.

Janelas de cerâmica

A janela cerâmica é um componente crítico usado como tampa da câmara em equipamentos de gravação de semicondutores. Posicionada entre a câmara de gravação e a bobina de indução de plasma, ela proporciona uma vedação a vácuo sem obstruir a entrada do plasma na câmara. Seu design facilita a transmissão de energia de radiofrequência (RF) e micro-ondas para dentro da câmara, resistindo ao ambiente agressivo da gravação. Janelas cerâmicas eficazes devem apresentar baixa tangente de perda em frequências de RF e micro-ondas para evitar que a absorção de energia se converta em calor excessivo, o que poderia degradar o componente. Elas são produzidas por meio de processos avançados de conformação, sinterização, usinagem de precisão e revestimento.

Cúpulas de cerâmica para câmaras

A tampa de câmara cerâmica é um componente funcional integrado, composto por uma cúpula cerâmica, um sistema de refrigeração e um sistema de controle de eletrodos. É um componente essencial em equipamentos de deposição de filmes finos para todos os processos com espessura de 40 nm ou inferior. A tampa veda a câmara de CVD, criando um ambiente fechado. Bobinas de antena ao redor da cúpula aplicam energia de alta frequência para gerar um campo elétrico induzido, criando plasma que é introduzido na câmara através da tampa cerâmica. Ela desempenha um papel vital na manutenção da vedação da câmara, no controle dos diferenciais de pressão e na limpeza.

Mandris de vácuo de cerâmica

Embora a maioria das peças cerâmicas semicondutoras seja densa, os mandris de vácuo são feitos de cerâmica porosa. Os wafers de silício são finos, duros e quebradiços, exigindo retificação e polimento em ambos os lados. Os mandris de vácuo são usados ​​para posicionar e fixar essas peças. Os mandris de vácuo de cerâmica modernos geralmente apresentam uma estrutura porosa formada pela união de dois tipos de cerâmica. Uma placa de cerâmica porosa é embutida e selada em um rebaixo em uma base feita de cerâmica densa e hermética. Embora as duas partes utilizem tipos diferentes de cerâmica, sua resistência ao desgaste e propriedades mecânicas são compatíveis para garantir que o mandril atenda aos rigorosos requisitos operacionais.

Inspeção de qualidade

Após a usinagem, os componentes cerâmicos passam por inspeção manual para verificar sua aparência, dimensões, porosidade e... rigidez da superfície Atender aos requisitos especificados. Para componentes com alta precisão e exigências de qualidade, são utilizados equipamentos de teste especializados para garantir a integridade das peças de grau semicondutor. Os produtos aprovados na inspeção seguem para a próxima etapa, enquanto os itens não conformes são retrabalhados ou descartados.

Tratamento da superfície

Os equipamentos semicondutores exigem padrões de limpeza extremamente elevados. Após passarem pela inspeção de qualidade, os componentes cerâmicos devem ser submetidos a uma limpeza rigorosa, geralmente utilizando métodos como lavagem ácida, lavagem alcalina ou limpeza com solventes orgânicos. Após o processo de limpeza e secagem, os produtos são reinspecionados. As peças aprovadas são então transferidas para uma sala limpa para a embalagem final. Para componentes utilizados em cenários específicos, tratamentos de superfície adicionais, como aspersão por plasma, aspersão eletrostática, deposição de vapor ou metalização, podem ser necessários para atender às especificações de desempenho exigidas.

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