En varmeplade til optisk bonding eller halvlederwaferbehandling skal ikke bare være "flad", men flad inden for få mikrometer. Specifikationssproget for dette er Total Indicated Runout, og at få det rigtigt på tegningen definerer hele fremstillingsprocessen. En dårligt specificeret fladhed kan føre til ujævn kontakt, lokale hot spots og afviste dele. En vel-specificeret TIR sikrer, at varmepladen leverer ensartet termisk overførsel over hele arbejdsfladen-et ikke-omsætteligt krav i præcisionsapplikationer.
Hvad er Total Indicated Runout (TIR) på en varmeplade?
Total Indicated Runout er den maksimale variation i højden af en overflade målt med en måleur, når delen roteres eller scannes hen over et defineret område. For en flad varmeplade er TIR i det væsentlige et mål for fladhed og parallelitet kombineret. Indikatoren nulstilles på et referencepunkt og flyttes derefter hen over pladens arbejdsflade. Enhver afvigelse-top eller dal-registreres. Forskellen mellem højeste og laveste aflæsning over det specificerede måleområde er TIR-værdien.
En specifikation på TIR < 0,025 mm (25 mikrometer) over en plade med en diameter på 300 mm betyder, at intet punkt på overfladen afviger fra referenceplanet med mere end ±0,0125 mm. Til ultra-præcisionsapplikationer kan der kræves TIR-værdier så lave som 0,010 mm eller endda 0,005 mm. Den nødvendige TIR er typisk baseret på tykkelsestolerancen af den del, der behandles, eller den nødvendige spaltekontrol til en laminerings- eller limningsproces. Tyndere, mere følsomme dele (f.eks. halvlederskiver, optisk glas) kræver tættere TIR.
Hvorfor det er en udfordring at opnå en tæt TIR for varmeplader
En varmeplade er ikke en simpel metalplade. Den indeholder indstøbte varmeelementer (støbt-i eller fastspændt i riller) eller er boret til patronvarmere. Det kan have termoelementbrønde, monteringshuller og kølekanaler. Fremstillingsprocessen-bearbejdning, svejsning, varmebehandling-fremkalder interne spændinger. Disse spændinger frigøres, når pladen opvarmes til driftstemperatur, hvilket forårsager forvridning. En plade, der måler perfekt flad ved stuetemperatur, kan bøje sig med 0,1 mm eller mere ved 150 grader.
I praksisfladhed er en temperatur-afhængig egenskab i en varmeplade. Det er derfor ikke tilstrækkeligt at angive TIR alene. Den temperatur, som målingen er foretaget ved, skal også oplyses. En præcisionsvarmeplade bør specificeres med en TIR målt enten ved omgivelsestemperatur (med en kendt, acceptabel drift ved driftstemperatur) eller ideelt set målt ved den tilsigtede driftstemperatur.
Procestrin for at opnå en præcisions-TIR
At opnå en TIR-specifikation under 0,025 mm kræver en nøje planlagt sekvens af fremstillingsoperationer.
1. Stress-Lettet blankt materiale
Udgangsmaterialet -typisk aluminiumslegering (f.eks. 6061-T6 eller 7075) eller stål (f.eks. blødt stål eller rustfrit)-skal være spændingsaflastet- før enhver præcisionsbearbejdning. Som-modtaget stang- eller plademateriale indeholder ofte restspændinger fra valsning eller ekstrudering. En termisk spændingsaflastende iblødsætning (f.eks. 2-4 timer ved 340 grader for aluminium eller 600 grader for stål) efterfulgt af langsom afkøling frigiver disse spændinger. Uden dette trin vil efterfølgende bearbejdning ubalancere spændingsfeltet, og pladen vil deformeres, når varmeren aktiveres.
2. Grov bearbejdning og varmeindstøbning
Pladen er råbearbejdet til næsten-nettomål. Varmeelementer er installeret (f.eks. støbt ind i en sandform til støbning-i varmelegemer eller presset ind i bearbejdede riller). Dette trin tilføjer nye spændinger på grund af forskellene i termisk ekspansion mellem varmekappen og pladematerialet. Til præcise TIR-applikationer støbes varmelegemet ofte ind i en separat aluminiumskerne, som derefter aflastes- igen før den endelige overflade.
3. Termisk stress-Aflastning efter samling
Efter at varmeelementerne er helt indlejret eller fastspændt, udsættes hele pladesamlingen for endnu en belastning-aflastende termisk cyklus. Dette er kritisk. Varmen fra selve elementerne under denne cyklus (drevet til en temperatur over den tilsigtede driftstemperatur) ælder enheden kunstigt og aflaster differentielle spændinger. Denne proces kaldes nogle gange "termisk cykling" eller "præ-stabilisering."
4. Præcisionsslibning
Arbejdsfladen slibes på en stor-overfladesliber eller en dobbelt-skivesliber. Slibning fjerner kun de sidste 0,2-0,5 mm materiale, hvilket opnår en overfladefinish (Ra) på 0,8 µm eller bedre og en planhed, der nærmer sig maskinens kapacitet. Til plader op til 600 mm i diameter kan en moderne overfladesliber opnå TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Sidste omgang (valgfrit)
For TIR-specifikationer, der er tættere end 0,010 mm (f.eks.<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.
Angivelse af TIR på en ingeniørtegning
For at skaffe en varmeplade, der opfylder præcisionskravene, skal TIR-specifikationen være entydig og fuldstændig. En typisk tegningsforklaring kan lyde:
"Total Indicated Runout (TIR) af arbejdsfladen må ikke overstige 0,020 mm, når den måles i overensstemmelse med ASME Y14.5M-1994. Måling skal udføres med pladen stabiliseret ved 100 grader ± 5 grader over hele arbejdsfladen defineret af diameter D. Ingen lokal afvigelse på mere end 0,010 mm er tilladt over et kvadratisk areal på 25 mm."
Nøgleelementer:
TIR-grænsen.
Målestandarden (ASME Y14.5 eller ISO 1101).
Den temperatur, som målingen foretages ved (rumtemperatur, driftstemperatur eller begge dele).
Det område, som TIR gælder for (f.eks. "over hele arbejdsfladen" eller "inden for de centrale 80 % af pladen").
Eventuelle yderligere krav om "lokal fladhed" (f.eks. bølgekontrol).
Angiv aldrig en TIR uden at angive temperaturen.En plade, der er flad ved stuetemperatur, er muligvis ikke flad ved 150 grader. Til kritiske applikationer bør producenten være forpligtet til at levere et planhedskort ved både omgivelses- og driftstemperatur.
Matcher TIR til applikationen
Den påkrævede TIR bør være baseret på tykkelsestolerancen og overensstemmelsen af den del, der behandles.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 mm)– En TIR på 0,05–0,10 mm over 500 mm kan være acceptabel, da delen vil tilpasse sig, eller den termiske pasta vil udfylde huller.
Tynde, fleksible film eller wafers (<0.5 mm)– TIR skal være<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Optisk kontakt (ingen klæbemiddel)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminering med stive underlag– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Verifikationsmetoder
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), en koordinatmålemaskine (CMM) eller et laserinterferometer giver mere nøjagtige data.
Hvis pladen er specificeret med TIR målt ved driftstemperatur, skal der udføres en kontrolleret varmetest. Pladen strømforsynes til serviceindstillingspunktet, får lov til at stabilisere sig (typisk 30-60 minutter), og derefter måles TIR ved hjælp af en varme-modstandsdygtig indikator eller en ikke-kontakt laserforskydningssensor. Termisk udvidelse af indikatorstativet skal korrigeres for.
Almindelige fejl ved angivelse af TIR
Over-angivelse– Anmoder om TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Glemte temperatur– En TIR angivet uden en måletemperatur er tvetydig. En producent kan levere en-rumtemperatur-flad plade, der bøjer uacceptabelt under brug.
Ignorer monteringshuller– TIR-specifikationen bør angive, om målingen omfatter området direkte over hullerne til fastgørelsesanordninger, eller om disse områder er udelukket. Boltehuller forvrænger lokalt overfladen, hvis boltene overspændes. Tegningen skal angive momentværdier for montering.
Ingen lokal planhedskontrol– En plade kan møde en global TIR på 0,025 mm, men stadig have en skarp 0,020 mm pukkel over en 10 mm cirkel-et problem med "bølger". Yderligere forklaringer for "fladhed over enhver 25 mm firkant" forhindrer dette.
Omkostningspåvirkning af TIR-stramning
Forholdet mellem TIR-specifikation og produktionsomkostninger er ikke-lineært. En tallerken med TIR<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.
Derfor bør ingeniøren, der specificerer pladen, etablere den mindst acceptable TIR baseret på procesfysik og derefter tilføje en beskeden sikkerhedsmargin-men ikke kræve en unødvendig snæver tolerance.
Materialevalgets rolle
Aluminium (6061 eller 7075) er det mest almindelige varmeplademateriale på grund af dets høje varmeledningsevne og lette bearbejdning. Imidlertid har aluminium en relativt høj termisk udvidelseskoefficient (23 µm/m·K) og lav stivhed. Store aluminiumsplader (f.eks. 600 mm i diameter) vil synke under deres egen vægt, hvis de ikke understøttes korrekt. Til ekstremt stramme TIR-krav kan stål (16 µm/m·K) eller aluminium-siliciumcarbidkompositter bruges, men disse er tungere eller dyrere.
Resumé: Tegningen som en kontrakt om præstation
Specificerertotal angivet runout varmeplade specifikation præcisionsikrer korrekt, at pladen rent faktisk vil gøre sit arbejde med at levere ensartet kontakt og varme, og at fremstillingsprocessen kan opfylde denne standard. En tegning er en kontrakt om udførelse, og præcisionskrav skal kommunikeres tydeligt. Ved at angive TIR-grænsen, måletemperaturen, det relevante område og eventuelle lokale fladhedsbegrænsninger giver ingeniøren producenten et utvetydigt mål. Resultatet er en varmeplade, der præsterer forudsigeligt i præcisionsapplikationen-uanset om det binder optiske linser, behandler halvlederwafers eller laminerer fleksible kredsløb. Fladhed er ikke en luksus i sådant arbejde; det er en procesaktiverer.
