Полиэфирэфиркетон (PEEK) широко используется в полупроводниковом производстве, когда традиционные конструкционные пластмассы не могут обеспечить необходимое сочетание чистоты, химической стойкости, термической стабильности, износостойкости и контроля размеров. Он применяется в системах обработки пластин, оборудовании для химико-механической полировки (CMP), узлах обработки фотошаблонов, тестовых приспособлениях и другом полупроводниковом оборудовании, где пластиковые компоненты работают в непосредственной близости от пластин, химикатов или прецизионных систем перемещения.
Однако указание состава PEEK — это только начало. Для полупроводниковых компонентов может потребоваться первичный PEEK, PEEK полупроводникового класса, статически диссипативные марки или армированные материалы, и каждый из них ведет себя по-разному во время обработки и эксплуатации. Поэтому геометрию детали, состояние заготовки, остаточные напряжения, теплоту резки и требования к чистоте необходимо учитывать в совокупности.
В этом руководстве объясняется, где PEEK используется в полупроводниковом оборудовании, как следует выбирать различные марки PEEK и что инженерам необходимо учитывать при закупке деталей из PEEK, изготовленных на станках с ЧПУ.
Почему PEEK используется в производстве полупроводников?
Производство полупроводников включает в себя резку, полировку, очистку, литографию, осаждение, травление, химико-механическую полировку (CMP), контроль качества, упаковку и электрические испытания. В ходе этих процессов пластины необходимо транспортировать, позиционировать, защищать и тестировать, избегая попадания частиц, царапин или химического загрязнения. Это создает спрос на конструкционные пластмассы, которые могут сочетать механическую точность с технологической совместимостью.
Полиэфирэфиркетон (PEEK) привлекателен тем, что одновременно отвечает нескольким требованиям. Он обладает высокой химической стойкостью, низким влагопоглощением, хорошей стабильностью размеров, полезной износостойкостью и значительно более высокой термостойкостью, чем обычные конструкционные пластики. В областях применения, близких к кремниевым пластинам или чувствительной оптике, низкое образование частиц и наличие высокочистых или контролируемых по электростатическому разряду марок еще больше повышают его ценность.
Однако не следует рассматривать PEEK как универсально подходящий материал. Химическая совместимость зависит от конкретного химического вещества, его концентрации, температуры и продолжительности воздействия, а чистота зависит от марки смолы, наполнителей, процесса обработки и последующей обработки.
Свойства PEEK, имеющие отношение к полупроводниковым компонентам.
Химическая стойкость и термическая стабильность
Системы влажной обработки, очистки и химико-механической полировки (CMP) могут подвергать пластиковые детали воздействию кислот, щелочей, растворителей и химических суспензий. Полиэфирэфиркетон (PEEK) устойчив к широкому спектру химических веществ, сохраняя при этом полезную механическую прочность при повышенных температурах, что делает его пригодным для изготовления приспособлений, направляющих, несущих элементов и технологических компонентов, где менее эффективные пластмассы могут набухать, ослабевать или деформироваться.
Ненаполненный PEEK имеет температуру плавления приблизительно 343°C и температуру стеклования около 143°C. Фактическая температура непрерывного использования зависит от марки материала и механических требований, поэтому предельные значения следует всегда определять в соответствии с техническими характеристиками конкретного материала, а не на основе одного общего значения температуры для PEEK.
Стабильность размеров и влагопоглощение
Для точной обработки кремниевых пластин требуется повторяемое позиционирование, а отклонения размеров, вызванные влажностью или температурой, могут создавать проблемы. Полиэфирэфиркетон (PEEK) поглощает относительно мало влаги и обеспечивает лучшую стабильность размеров, чем многие распространенные конструкционные пластики.
Тем не менее, точность обработки в значительной степени зависит от способа изготовления исходного материала и количества удаляемого материала. Глубокие пазы, тонкие стенки и сильно асимметричная геометрия могут снимать остаточные напряжения и вызывать деформацию после обработки, поэтому состояние материала и последовательность обработки имеют такое же значение, как и номинальная точность станка.
Износ, частицы и чистота
Повторяющиеся нагрузки, скольжение и перемещение пластин могут приводить к образованию продуктов износа. Вблизи пластины это не просто проблема механической прочности; это становится проблемой загрязнения. Износостойкость PEEK делает его полезным для направляющих, держателей, стопорных колец и других компонентов, находящихся в постоянном контакте.
Для применений, чувствительных к загрязнениям, инженерам следует также учитывать добавки и наполнители. Углеродное или стекловолоконное армирование может повысить жесткость, но может изменить износостойкость, образование частиц, электрические свойства и обрабатываемость. Поэтому самый прочный сорт PEEK не обязательно является лучшим сортом для полупроводниковых применений.
Применение PEEK в полупроводниковом оборудовании
Компоненты для транспортировки пластин из полиэфирэфиркетона (PEEK)
Держатели пластин, направляющие, вилки и компоненты для переноса должны сохранять положение, минимизируя при этом царапины и попадание частиц. В зависимости от системы, материал может также требовать химической стойкости и контролируемых электрических характеристик.
Первичный или высокочистый PEEK может быть подходящим материалом там, где преобладают чистота и изоляция, в то время как антистатический PEEK может быть предпочтительнее, когда накопление заряда представляет риск электростатического разряда. Обработка на станках с ЧПУ особенно полезна для мелкосерийного производства деталей для обработки кремниевых пластин, поскольку узкие пазы, сложные профили и индивидуальные интерфейсы оборудования могут быть изготовлены без использования формовочной оснастки.
Основная сложность при механической обработке часто заключается в обработке тонких геометрических форм. Длинные пазы, ребра и незакрепленные участки могут смещаться по мере удаления материала, поэтому черновая обработка, контроль напряжений и чистовая обработка с малым усилием становятся крайне важными.
Стопорные кольца PEEK CMP
Стопорные кольца CMP находятся в постоянном контакте с полировальными подушками и суспензией, контролируя положение пластины. Поэтому их материал должен обеспечивать баланс между износостойкостью, химической совместимостью, жесткостью, стабильностью размеров и контролем загрязнения.
В данном применении используются как PEEK, так и PPS. PEEK может обеспечить более длительный срок службы в некоторых условиях химико-механической полировки, но его не следует считать универсально превосходящим другие материалы. Химический состав суспензии, материал подушки, давление, геометрия кольца и параметры процесса могут изменять относительные характеристики PEEK и PPS.
При обработке на станках с ЧПУ большие стопорные кольца создают проблемы с плоскостностью, концентричностью и деформацией. Симметричное удаление материала и стабильность размеров заготовки особенно важны, поскольку большое кольцо может заметно смещаться после снятия зажимных усилий.
Компоненты для работы с прицельной сеткой и фотошаблоном
Фотошаблоны и фотосетки очень чувствительны к частицам, царапинам и загрязнениям. Полиэфирэфиркетон (PEEK) можно использовать для опор, направляющих, зажимов и позиционирующих компонентов, поскольку он сочетает в себе износостойкость, стабильность размеров и низкое газовыделение.
В данном случае качество кромок так же важно, как и номинальный допуск. Деталь, прошедшая контроль размеров, все же может загрязниться, если мелкие заусенцы или шероховатые контактные поверхности будут оставлять частицы во время использования.
Полупроводниковые тестовые разъемы и приспособления
Для изготовления тестовых разъемов и полупроводниковых оснасток необходима стабильная геометрия при изменении температуры, а также электрическая изоляция и механическая прочность. В зависимости от конкретных электрических, тепловых и механических требований используются материалы PEEK, PPS, PAI, PI и PEI.
Обработка на станках с ЧПУ имеет большое значение, поскольку тестовые компоненты часто содержат небольшие отверстия, углубления, элементы выравнивания и изменяющуюся геометрию, специфичную для конкретного изделия. Таким образом, можно производить небольшие и средние партии продукции без использования специальных формовочных инструментов.
Как выбрать правильный сорт PEEK
Указание на чертеже только «PEEK» часто бывает недостаточным. Первичный, статически диссипативный, проводящий, наполненный углеродом, наполненный стеклом и модифицированный для износостойкости PEEK может вести себя совершенно по-разному.
| Тип PEEK | Главное преимущество | Типичное использование |
|---|---|---|
| Девственный PEEK | Чистота и электроизоляция | Приспособления и общая обработка кремниевых пластин |
| Полиэфирэфиркетон (PEEK) полупроводникового класса | Контролируемое загрязнение | Компоненты, контактирующие с пластиной |
| Статически рассеивающий PEEK | ЭСР-контроль | Транспортные средства и погрузочно-разгрузочное оборудование |
| Проводящий PEEK | Более высокая электропроводность | Компоненты заземления и контроля статического электричества |
| Углеродистый ПЭЭК | Более высокая жесткость и более низкий коэффициент теплового расширения. | Конструкционные прецизионные детали |
| Износостойкий PEEK | Сниженное трение и улучшенная износостойкость | Направляющие и скользящие детали |
| PEEK, специфичный для CMP | Оптимизированные характеристики износостойкости | Стопорные кольца CMP |
Класс материала должен определяться областью применения. Когда компонент работает в непосредственной близости от кремниевой пластины, чистота и поведение частиц могут быть важнее, чем максимальная жесткость.
PEEK против PPS для полупроводниковых компонентов
Полифениленсульфид (PPS) часто дешевле, чем полиэфирэфиркетон (PEEK), при этом он обладает высокой химической стойкостью, стабильностью размеров и термостойкостью. Поэтому он является хорошим выбором, когда в процессе применения не требуется полная прочность, износостойкость или термостойкость, присущие PEEK.
PEEK становится привлекательным, когда его более высокая стоимость обеспечивает измеримую операционную выгоду, такую как увеличение срока службы деталей, повышение прочности, снижение частоты замены или улучшение характеристик при более высоких температурах. В частности, для деталей, изготовленных методом химико-механической полировки (CMP), выбор материала следует проверять в реальных условиях процесса, а не основываться на общем сравнении PEEK и PPS.
Ключевые проблемы обработки PEEK на станках с ЧПУ
Остаточные напряжения являются одной из наиболее распространенных причин нестабильности размеров. Деталь может иметь правильные размеры после черновой обработки, а затем деформироваться после чистовой обработки, поскольку напряжение, накопленное в исходной пластине или стержне, высвобождается. Тонкие стенки, асимметричные углубления и большой объем одностороннего удаления материала увеличивают этот риск.
Нагрев при механической обработке создает еще одну проблему, поскольку полимеры расширяются сильнее металлов и обладают более низкой теплопроводностью. Острая оснастка, подходящие подачи и скорости, эффективное удаление стружки и низкое давление зажима помогают сохранить геометрию. Для ответственных деталей черновая обработка, стабилизация или отжиг, а также окончательная чистовая обработка могут обеспечить лучшую точность размеров, чем попытка достичь конечного размера за одну операцию.
Особого внимания заслуживает также контроль за заусенцами. Полупроводниковые компоненты не следует обрабатывать так же, как обычные пластиковые детали, поскольку незакрепленные края или отходы обработки могут стать источниками загрязнения.
Рекомендации по проектированию деталей из полиэфирэфиркетона (PEEK), изготовленных на станках с ЧПУ.
Детали из PEEK не должны просто копировать геометрию металлических компонентов. Чрезвычайно тонкие стенки, глубокие узкие выемки, острые внутренние углы и жесткие допуски на нефункциональных поверхностях увеличивают стоимость и риск деформации.
Более совершенная конструкция отделяет функциональные элементы от обычной геометрии. Опорные поверхности, элементы контакта с пластиной, базовые интерфейсы и прецизионные пазы могут подвергаться более жесткому контролю, в то время как для некритичных внешних элементов используются более реалистичные допуски.
Для составления коммерческого предложения и анализа DFM заказчику необходимо указать марку PEEK, условия эксплуатации, воздействие химических веществ, требования к защите от электростатического разряда (ESD), требования к чистоте, критические допуски, требования к сертификации материала и количество.
Изготовление деталей из PEEK на станках с ЧПУ для полупроводниковой промышленности.
Успех полупроводниковых компонентов из PEEK зависит от согласованной работы выбора материала, конструкции детали и стратегии обработки. Высокоэффективный полимер не может компенсировать нестабильную геометрию, плохую оснастку или неподходящие допуски.
Для деталей, используемых при обработке полупроводниковых пластин, стопорных колец для химико-механической полировки, тестовых приспособлений, направляющих и других компонентов полупроводниковых изделий, обработка на станках с ЧПУ обеспечивает эффективный способ изготовления прототипов и мелкосерийного и среднесерийного производства. Предоставление модели STEP, инженерного чертежа, спецификации материалов и критически важных требований к применению позволяет поставщику услуг по обработке выявлять риски деформации, альтернативные материалы и возможности снижения затрат до начала производства.
