Обработка керамики на станках с ЧПУ: материал, процесс, применение.

Обработка керамических деталей имеет важное значение в современном производстве микросхем, поскольку они лучше, чем практически любой другой материал, выдерживают воздействие тепла, износа и химических веществ. В этой статье мы объясним, как изготавливаются эти керамические детали, обсудим распространенные керамические материалы, весь производственный процесс, контроль качества и обработку поверхности.

Обзор керамики

Керамика — это неорганические неметаллические материалы, изготавливаемые из природных минералов или синтетических соединений посредством процессов измельчения, формования и высокотемпературного спекания. Керамику можно разделить на две категории: традиционную керамику и специальную керамику.

Традиционная керамика использует в качестве основного сырья природные минералы, такие как глина (включая гончарную глину, каолин и каолин), кварц и полевой шпат. Производство осуществляется путем измельчения, формования и спекания. Традиционная керамика обладает такими преимуществами, как огнестойкость, кислото- и щелочестойкость, стойкость к окислению, отличная электроизоляция и легкость очистки.

Специальная керамика изготавливается с использованием синтетических соединений в качестве сырья, включая оксид алюминия, диоксид циркония, диоксид титана (TiO2), карбид кремния (SiC), карбид бора (B4C), нитрид кремния (Si3N4) и нитрид бора (BN). Эти материалы измельчаются и формуются с использованием традиционных или специализированных методов, а затем обжигаются при высоких температурах.

После обжига некоторые современные керамические компоненты требуют дополнительной вторичной обработки, такой как прецизионная механическая обработка или поляризационная обработка. Это гарантирует соответствие строгим допускам по размерам и форме или наличие у них специфических функциональных свойств, таких как сегнетоэлектрические характеристики.

Виды керамики, пригодные для промышленного применения

Керамика играет важную роль благодаря своей высокой термостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и электрическим свойствам. Ниже представлено краткое описание нескольких распространенных конструкционных керамических материалов и областей их применения:

Оксид алюминия

Оксид алюминия имеет высокую температуру плавления (2072 °C) и высокую механическую прочность. Однако его механическая прочность имеет тенденцию снижаться при температурах выше 1000 °C. Из-за различий в коэффициентах теплового расширения его термостойкость относительно низка при воздействии резких перепадов температуры.

Основной фактор, обеспечивающий высокую коррозионную стойкость, — это превосходная химическая стабильность. Хотя оксид алюминия слабо растворим в сильных кислотах (таких как горячая серная кислота; HCl и HF также обладают определенным коррозионным действием) и щелочных растворах, он остается нерастворимым в воде. Способность противостоять химической эрозии делает чистый оксид алюминия основным материалом для различных промышленных компонентов.

Цирконий

Отличаясь низкой теплопроводностью и высокой прочностью, диоксид циркония впервые был использован в космических полетах в 1960-х годах в качестве теплового барьера, позволяющего космическим аппаратам входить в атмосферу Земли. Он хорошо выдерживает высокие температуры, рабочий диапазон составляет от -85°C до 400°C, хотя его термостойкость уступает нитриду кремния.

Диоксид циркония обладает высокой коррозионной стойкостью, что делает его идеальным материалом для работы с высококоррозионными жидкостями. Исключительная устойчивость к распространению трещин делает его идеальным для сварочных процессов, инструментов для формовки проволоки и механических применений, связанных с риском разрушения. Кроме того, он имеет высокий коэффициент теплового расширения, аналогичный стали, что делает его предпочтительным материалом для соединения керамики со стальными компонентами. Благодаря своим трибологическим свойствам диоксид циркония хорошо подходит для вращательных движений, например, в линейных или шариковых подшипниках (например, от таких производителей, как TK Linear). Более того, как керамика на основе диоксида циркония, так и керамика на основе нитрида кремния обладают такими преимуществами, как высокая совместимость с вакуумом, немагнитные свойства, электрическая изоляция и длительный срок службы.

Карбид кремния

Карбид кремния — наиболее широко используемый неоксидный керамический материал. Состоящий в основном из SiC, это высокопрочная и высокотвердая керамика, предназначенная для использования при высоких температурах. Она сохраняет высокую прочность на изгиб даже при температурах от 1200°C до 1400°C.

Керамика на основе карбида кремния (SiC) также обладает хорошей теплопроводностью, стойкостью к окислению, электропроводностью и высокой ударной вязкостью. Будучи прочным и долговечным материалом с низкой плотностью, низким коэффициентом теплового расширения и выдающейся термостойкостью, она подходит для широкого спектра применений.

Нитрид кремния (Si3N4)

Нитрид кремния — это быстро развивающаяся неоксидная конструкционная керамика. Он обладает термостойкостью до 600°C, что значительно выше, чем у карбида кремния (400°C), и указывает на минимальный риск разрушения из-за резких перепадов температуры. Когда термостойкость является первостепенной задачей, нитрид кремния — оптимальный выбор.

Si3N4 обладает превосходной коррозионной стойкостью к большинству кислот (за исключением фтористоводородной кислоты), щелочам и различным расплавленным металлам. Он также обладает превосходной электроизоляцией и радиационной стойкостью.

Нитрид алюминия

Нитрид алюминия — это керамический материал, сочетающий высокую теплопроводность с превосходной электроизоляцией. Он обладает высокой прочностью, твердостью и термостойкостью. Следовательно, он имеет уникальное преимущество в качестве теплоотводящей подложки для мощных интегральных схем и электронных устройств.

Нитрид бора

Нитрид бора существует в двух типичных кристаллических структурах: гексагональном нитриде бора (h-BN) и кубическом нитриде бора (c-BN).

• Гексагональный нитрид бора: имеет белый цвет и структуру, похожую на графит, отличается низкой твердостью и превосходными смазывающими свойствами. Обладает одной из самых высоких теплопроводностей среди керамических материалов; теплопроводность изделий из BN, полученных методом горячего прессования, может достигать 33 Вт/м·К, что в десять раз выше, чем у кварца.
• Кубический нитрид бора: по структуре он похож на алмаз и в настоящее время является вторым по твердости известным материалом, уступая только самому алмазу.

Процессы производства керамических компонентов

В целом, процесс производства керамических компонентов включает следующие этапы: Сырье -> Обработка/смешивание порошков -> Формование -> Обжиг/спекание -> Готовый керамический компонент.

#1 Обработка порошков

Обработка керамического порошка аналогична обработке металлических порошков. Она включает в себя производство порошка путем измельчения, создания «зеленого» продукта, а затем его консолидацию в конечный продукт. Порошок представляет собой совокупность мелких частиц. Керамический порошок получают путем дробления, измельчения, отделения примесей, смешивания и сушки сырья.

#2 Смешивание

Керамические компоненты смешиваются с использованием различных методов и оборудования. Путем добавления воды или других жидкостей они превращаются в суспензию.

#3 Формирование

Формование обычно начинается после подготовки основы. К распространенным процессам формования относятся прессование, экструзия, литье под давлением и шликерное литье, в зависимости от типа требуемого компонента. Например, литье под давлением часто используется для простых изделий, таких как трубки. Эти процессы преобразуют обработанный порошок в желаемую форму, известную как заготовка (или сырая заготовка). Затем заготовка дополнительно уплотняется путем спекания или обжига, чтобы стать конечной керамической деталью. В процессе формования добавление связующих веществ может повысить текучесть порошка, тем самым увеличивая плотность конечного компонента.

#4 Спекание

Керамические заготовки помещают в очень горячие печи или обжиговые камеры для упрочнения детали путем связывания и высушивания оксидов. Этот химический процесс создает ионные связи, ковалентные связи и кристаллическую структуру керамики. Спекание также включает катионы, и ионную структуру можно определить, рассчитав разницу электроотрицательности между катионами и анионами. Во время предварительного нагрева (до 250 °C) испаряются органические добавки (связующие вещества) и разлагаемые компоненты. Различные добавки могут снижать температуру, сокращать время спекания или увеличивать плотность. Когда температура достигает точки обжига, керамическая заготовка начинает уплотняться, обычно сопровождаясь усадкой. Эту усадку необходимо учитывать при проектировании заготовки в сыром состоянии.

Для окончательной обработки керамических деталей производители могут применять вторичную обработку, включая механическую обработку, резку, шлифовку или полировку.

Керамическая обработка с ЧПУ

К методам обработки керамики на станках с ЧПУ относятся токарная обработка, сверление, фрезерование и шлифование.

ЧПУ Превращение: Обычно используются инструменты из алмаза или кубического нитрида бора (КНБ). Из-за чрезвычайной твердости и хрупкости керамики трудно обеспечить требуемую точность и сохранить эффективность; поэтому токарная обработка используется редко и в основном остается на стадии исследований.

ЧПУ Бурение: Алмазные круги малого диаметра используются в качестве специализированных сверл. Удаление материала происходит за счет микрорежущего действия абразивных зерен на кончике сверла.

ЧПУ Фрезерование: Для удаления материала под воздействием высокочастотных прерывистых сил резания используются сверхтвердые инструменты, такие как алмазные резцы. Однако высокочастотные ударные воздействия могут вызывать хрупкие разрушения на обрабатываемой поверхности, а вибрации могут приводить к непостоянной глубине удаления материала, снижая качество поверхности.

ЧПУ Помол: Это наиболее распространенный метод обработки. Алмазные штифты или шлифовальные круги трутся о заготовку, удаляя материал путем пластической деформации или хрупкого разрушения. Удаление стружки является серьезной проблемой, которая обычно решается с помощью охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость смывает порошок, снижает температуру в зоне шлифования, улучшает качество и предотвращает термическое разложение абразивного связующего. Размер алмазных зерен существенно влияет на качество поверхности: более крупные зерна повышают эффективность, но приводят к большей шероховатости поверхности. Неравномерное усилие во время шлифования может легко привести к образованию трещин.

Электроэрозионная обработка

Для обработки непроводящей керамики требуется вспомогательный электрод, размещенный на поверхности материала. Между вспомогательным электродом и электродом инструмента поддерживается зазор для образования искрового разряда. После прокола вспомогательного электрода образующиеся частицы и углерод, разложившиеся из рабочей жидкости, формируют новый проводящий слой на поверхности керамики, что позволяет продолжить разряд. Электроэрозионная обработка Позволяет создавать сложные формы, но требование к проводимости означает, что он может обрабатывать изоляционную керамику только с помощью вспомогательных электродов. Он страдает от низкой эффективности, ограниченной точности и высокой температуры, которая может вызывать микротрещины.

Лазерная обработка

При резке и разметке керамики традиционные методы часто не обеспечивают необходимой эффективности и низкой стоимости. Лазерная обработка, как бесконтактная технология точного луча, является эффективной, контролируемой, имеет небольшую зону термического воздействия, не требует усилий резания или износа инструмента и может обрабатывать материалы с высокой твердостью, высокой хрупкостью и высокой температурой плавления.

Принцип работы заключается в использовании лазерного луча высокой мощности в качестве источника тепла, сфокусированного на поверхности материала для его мгновенного расплавления или испарения. Недостатком является то, что значительное количество выделяемого тепла может вызывать образование трещин на поверхности и окисление. В настоящее время для обработки керамики в основном используются CO2-лазеры, волоконные лазеры, УФ-лазеры и пикосекундные лазеры.

Типичные керамические компоненты

Благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая термостойкость и коррозионная стойкость, компоненты из конструкционной керамики широко используются в ответственном полупроводниковом оборудовании. К таким компонентам относятся керамические манипуляторы роботов, керамические подложки, керамические сопла, керамические окна, керамические крышки камер, керамические вакуумные зажимы и многое другое.

Керамические роботизированные манипуляторы

В полупроводниковом производстве для работы с кремниевыми пластинами используются керамические роботизированные манипуляторы. Поскольку кремниевые пластины должны оставаться чистыми, этот процесс обычно происходит в вакуумно-чистой среде. В вакуумных условиях механические манипуляторы из большинства других материалов не соответствуют требованиям. Это обуславливает необходимость использования керамических манипуляторов, характеризующихся высокой термостойкостью, износостойкостью и высокой твердостью. Как правило, для изготовления таких манипуляторов используются высокочистый оксид алюминия (Al2O3) и карбид кремния (SiC). Хотя манипуляторы из SiC обеспечивают превосходные характеристики, манипуляторы из оксида алюминия используются чаще из-за их более высокой экономической эффективности и относительной простоты обработки.

Керамические подложки

Керамические подложки в основном используются в различных областях электронной упаковки, таких как упаковка силовых электронных устройств, лазеров, светодиодов, термоэлектрических охладителей и высокотемпературных электронных устройств. Поскольку стандартные материалы не выдерживают экстремальных температур, предпочтение отдается керамическим изделиям, обладающим высокой теплопроводностью, термостойкостью, прочностью и надежностью. Наиболее распространенными материалами для таких подложек являются оксид алюминия и нитрид кремния.

Керамические насадки

В процессе HDP-CVD реактивные газы поступают в реакционную камеру через керамические форсунки, соединяющие внутреннюю и внешнюю части камеры. Таким образом, качество форсунки напрямую определяет чистоту и скорость потока реактивного газа. Обычно используются оксид алюминия и нитрид алюминия. Однако нитрид алюминия лучше подходит для передовых процессов HDP-CVD, поскольку его превосходная теплопроводность и термостойкость предотвращают загрязнение примесями, вызванное плазменной эрозией или термической деформацией.

Керамические окна

Керамическое окно — это важнейший компонент, используемый в качестве крышки камеры в оборудовании для травления полупроводников. Расположенное между камерой травления и катушкой плазменной индукции, оно обеспечивает вакуумную герметизацию, не препятствуя проникновению плазмы в камеру. Его конструкция облегчает передачу радиочастотной и микроволновой энергии в камеру, одновременно противодействуя агрессивной среде травления. Эффективные керамические окна должны иметь низкий тангенс угла диэлектрических потерь на радиочастотах и ​​микроволновых частотах, чтобы предотвратить преобразование поглощенной энергии в чрезмерное тепло, которое может привести к деградации компонента. Эти окна изготавливаются с помощью передовых процессов формования, спекания, прецизионной обработки и нанесения покрытий.

Керамические купола камер

Керамическая крышка камеры представляет собой интегрированный функциональный компонент, состоящий из керамического купола, системы охлаждения и системы управления электродами. Это ключевой компонент оборудования для осаждения тонких пленок для всех процессов с размером частиц 40 нм и меньше. Крышка герметизирует камеру CVD, создавая замкнутую среду. Антенные катушки вокруг купола подают высокочастотный сигнал для генерации индуцированного электрического поля, создавая плазму, которая вводится в камеру через керамическую крышку. Она играет жизненно важную роль в поддержании герметичности камеры, перепадов давления и чистоты.

Керамические вакуумные патроны

В то время как большинство полупроводниковых керамических деталей имеют высокую плотность, вакуумные зажимы изготавливаются из пористой керамики. Кремниевые пластины тонкие, твердые и хрупкие, поэтому требуют шлифовки и полировки с обеих сторон. Вакуумные зажимы используются для позиционирования и зажима этих заготовок. Современные керамические вакуумные зажимы обычно имеют пористую структуру, образованную двумя типами керамики. Пористая керамическая пластина встраивается и герметизируется в зенковку в основании, изготовленном из газонепроницаемой, плотной керамики. Хотя в двух деталях используются разные типы керамики, их износостойкость и механические свойства подобраны таким образом, чтобы зажим соответствовал строгим эксплуатационным требованиям.

Проверка качества

После завершения механической обработки керамические компоненты проходят ручную проверку для подтверждения их внешнего вида, размеров, пористости и т.д. шероховатость поверхности Соответствовать установленным требованиям. Для компонентов с высокими требованиями к точности и качеству используется специализированное испытательное оборудование для обеспечения целостности полупроводниковых деталей. Изделия, прошедшие проверку, переходят на следующий этап, а несоответствующие изделия либо дорабатываются, либо утилизируются.

Обработка поверхности

Оборудование для производства полупроводников требует соблюдения чрезвычайно высоких стандартов чистоты. После прохождения контроля качества керамические компоненты должны пройти тщательную очистку, как правило, с использованием таких методов, как кислотная промывка, щелочная промывка или очистка органическими растворителями. После процесса очистки и сушки изделия проходят повторную проверку. Затем соответствующие требованиям детали передаются в чистое помещение для окончательной упаковки. Для компонентов, используемых в специализированных областях, могут потребоваться дополнительные методы обработки поверхности, такие как плазменное напыление, электростатическое напыление, осаждение из паровой фазы или металлизация, для соответствия требуемым техническим характеристикам.

Как Getzshape может помочь

Компания Getzshape предлагает продукцию высокого качества. индивидуальная обработка с ЧПУМы занимаемся изготовлением изделий из листового металла, электроэрозионной обработкой, литьем под давлением и многим другим. Используя современное оборудование и строгий контроль качества, мы гарантируем точность и своевременную доставку как прототипов, так и крупных производственных партий. В качестве вашего комплексного партнера по производству мы оптимизируем процессы закупки материалов, механической обработки, постобработки и логистики.