Uma placa de aquecimento para ligação óptica ou processamento de wafer semicondutor precisa ser não apenas "plana", mas plana dentro de alguns micrômetros. A linguagem de especificação para isso é Total Indicated Runout, e acertar no desenho define todo o processo de fabricação. Uma planicidade mal especificada pode causar contato desigual, pontos quentes localizados e peças rejeitadas. Um TIR bem-especificado garante que a placa de aquecimento forneça transferência térmica uniforme em toda a superfície de trabalho-um requisito não-negociável em aplicações de precisão.
O que é o esgotamento total indicado (TIR) em uma placa de aquecimento?
O desvio total indicado é a variação máxima na altura de uma superfície medida por um relógio comparador quando a peça é girada ou digitalizada em uma área definida. Para uma placa de aquecimento plana, o TIR é essencialmente uma medida de planicidade e paralelismo combinados. O indicador é zerado em um ponto de referência e depois movido pela face de trabalho da placa. Qualquer desvio-pico ou vale-é registrado. A diferença entre a leitura mais alta e a mais baixa na faixa de medição especificada é o valor TIR.
Uma especificação de TIR < 0,025 mm (25 micrômetros) em uma placa de 300 mm de diâmetro significa que nenhum ponto na superfície se desvia do plano de referência em mais de ±0,0125 mm. Para aplicações de ultra{5}precisão, valores TIR tão baixos quanto 0,010 mm ou até 0,005 mm podem ser exigidos. O TIR necessário normalmente se baseia na tolerância de espessura da peça que está sendo processada ou no controle de folga necessário para um processo de laminação ou colagem. Peças mais finas e sensíveis (por exemplo, wafers semicondutores, vidro óptico) exigem TIR mais rígido.
Por que alcançar um TIR apertado é um desafio para placas de aquecimento
Uma placa de aquecimento não é uma simples placa de metal. Ele contém elementos de aquecimento incorporados (fundidos-ou fixados em ranhuras) ou é perfurado para aquecedores de cartucho. Pode ter poços de termopar, orifícios de montagem e canais de resfriamento. O processo de fabricação-usinagem, soldagem, tratamento térmico-induz tensões internas. Essas tensões são liberadas quando a placa é aquecida até a temperatura operacional, causando empenamento. Uma placa perfeitamente plana à temperatura ambiente pode curvar-se 0,1 mm ou mais a 150 graus.
Na prática,planicidade é uma propriedade-dependente da temperatura em uma placa de aquecimento. Portanto, especificar apenas o TIR é insuficiente. A temperatura na qual a medição é feita também deve ser indicada. Uma placa de aquecimento de precisão deve ser especificada com um TIR medido à temperatura ambiente (com um desvio conhecido e aceitável na temperatura operacional) ou, idealmente, medido na temperatura operacional pretendida.
Etapas do processo para obter um TIR de precisão
Alcançar uma especificação TIR abaixo de 0,025 mm requer uma sequência cuidadosamente planejada de operações de fabricação.
1. Material em branco com alívio de tensão-
O material inicial,-normalmente liga de alumínio (por exemplo, 6061-T6 ou 7075) ou aço (por exemplo, aço-carbono ou inoxidável)-deve sofrer alívio de tensão-antes de qualquer usinagem de precisão. As-barras ou chapas recebidas geralmente contêm tensões residuais de laminação ou extrusão. Uma imersão térmica para alívio de tensões (por exemplo, 2–4 horas a 340 graus para alumínio ou 600 graus para aço) seguida de resfriamento lento libera essas tensões. Sem esta etapa, a usinagem subsequente desequilibrará o campo de tensão e a placa irá deformar quando o aquecedor for energizado.
2. Usinagem de desbaste e incorporação de aquecedor
A placa é usinada em desbaste até atingir-dimensões líquidas. Os elementos de aquecimento são instalados (por exemplo, fundidos em um molde de areia para moldagem-em aquecedores ou prensados em ranhuras usinadas). Esta etapa adiciona novas tensões devido às diferenças na expansão térmica entre a bainha do aquecedor e o material da placa. Para aplicações TIR de precisão, o aquecedor geralmente é fundido em um núcleo de alumínio separado, que é então aliviado-de tensão novamente antes da superfície final.
3. Alívio do estresse térmico-após a montagem
Depois que os elementos de aquecimento são totalmente incorporados ou fixados, todo o conjunto da placa é submetido a outro ciclo térmico de{0}alívio de tensão. Isto é crítico. O calor dos próprios elementos durante este ciclo (alimentados a uma temperatura acima da temperatura de serviço pretendida) envelhece artificialmente o conjunto e relaxa as tensões diferenciais. Esse processo às vezes é chamado de "ciclagem térmica" ou "pré-estabilização".
4. Moagem de precisão
A superfície de trabalho é retificada em uma esmerilhadeira de-formato grande ou em uma esmerilhadeira-de disco duplo. A retificação remove apenas os 0,2–0,5 mm finais do material, alcançando um acabamento superficial (Ra) de 0,8 µm ou melhor e uma planicidade que se aproxima da capacidade da máquina. Para placas de até 600 mm de diâmetro, uma retificadora de superfície moderna pode atingir TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Lapidação Final (Opcional)
Para especificações TIR com espessura superior a 0,010 mm (por exemplo,<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.
Especificando TIR em um desenho de engenharia
Para adquirir com sucesso uma placa de aquecimento que atenda aos requisitos de precisão, a especificação TIR deve ser inequívoca e completa. Uma chamada de desenho típica pode ser:
"O desvio total indicado (TIR) da superfície de trabalho não deve exceder 0,020 mm quando medido de acordo com ASME Y14.5M-1994. A medição deve ser realizada com a placa estabilizada a 100 graus ± 5 graus em toda a superfície de trabalho definida pelo diâmetro D. Nenhum desvio local superior a 0,010 mm em qualquer área quadrada de 25 mm é permitido."
Elementos principais:
O limite TIR.
O padrão de medição (ASME Y14.5 ou ISO 1101).
A temperatura na qual a medição é feita (temperatura ambiente, temperatura operacional ou ambas).
A área sobre a qual o TIR se aplica (por exemplo, “em toda a superfície de trabalho” ou “dentro dos 80% centrais da placa”).
Qualquer requisito adicional de “planicidade local” (por exemplo, controle de ondulação).
Nunca especifique um TIR sem indicar a temperatura.Uma placa plana à temperatura ambiente pode não ser plana a 150 graus. Para aplicações críticas, o fabricante deve ser obrigado a fornecer um mapa de planicidade tanto na temperatura ambiente quanto na temperatura operacional.
Combinando TIR com o aplicativo
O TIR exigido deve ser baseado na tolerância e conformidade da espessura da peça que está sendo processada.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3mm)– Um TIR de 0,05–0,10 mm acima de 500 mm pode ser aceitável, pois a peça ficará em conformidade ou a pasta térmica preencherá as lacunas.
Filmes ou wafers finos e flexíveis (<0.5 mm)– O TIR deve ser<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Contato óptico (sem adesivo)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminação com substratos rígidos– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Métodos de verificação
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), uma máquina de medição por coordenadas (CMM) ou um interferômetro a laser fornecem dados mais precisos.
Se a placa for especificada com TIR medido à temperatura operacional, um teste de aquecimento controlado deverá ser realizado. A placa é energizada até o ponto de ajuste de serviço, estabilizada (normalmente de 30 a 60 minutos) e então o TIR é medido usando um indicador-resistente ao calor ou um-sensor de deslocamento a laser sem contato. A expansão térmica do suporte do indicador deve ser corrigida.
Erros comuns na especificação do TIR
Excesso de-especificação– Solicitar TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Esquecendo a temperatura– Um TIR especificado sem uma temperatura de medição é ambíguo. Um fabricante pode fornecer uma placa plana em-temperatura{2}}ambiente que se curva inaceitavelmente em serviço.
Ignorando os furos de montagem– A especificação TIR deve indicar se a medição inclui a área diretamente sobre os furos dos fixadores ou se essas áreas são excluídas. Os furos dos parafusos distorcem localmente a superfície se os parafusos forem apertados demais. O desenho deve especificar os valores de torque para montagem.
Sem controle de planicidade local– Uma placa pode atingir um TIR global de 0,025 mm, mas ainda assim ter uma protuberância acentuada de 0,020 mm sobre um círculo de 10 mm-um problema de "ondulação". Textos explicativos adicionais para "planicidade sobre qualquer quadrado de 25 mm" evitam isso.
Impacto nos custos do aperto TIR
A relação entre a especificação TIR e o custo de fabricação não é-linear. Uma placa com 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.
Portanto, o engenheiro que especifica a placa deve estabelecer o TIR mínimo aceitável com base na física do processo e, em seguida, adicionar uma margem de segurança modesta,-mas não exigir uma tolerância desnecessariamente restrita.
O papel da escolha do material
O alumínio (6061 ou 7075) é o material de placa de aquecimento mais comum devido à sua alta condutividade térmica e facilidade de usinagem. No entanto, o alumínio tem um coeficiente de expansão térmica relativamente alto (23 µm/m·K) e baixa rigidez. Placas grandes de alumínio (por exemplo, 600 mm de diâmetro) cederão com o próprio peso se não forem apoiadas adequadamente. Para requisitos TIR extremamente rígidos, compósitos de aço (16 µm/m·K) ou alumínio{10}}carboneto de silício podem ser usados, mas estes são mais pesados ou mais caros.
Resumo: O desenho como contrato de execução
Especificandoprecisão de especificação da placa de aquecimento de excentricidade total indicadagarante corretamente que a placa realmente fará seu trabalho de fornecer contato e calor uniformes e que o processo de fabricação pode atender a esse padrão. Um desenho é um contrato de desempenho e os requisitos de precisão devem ser comunicados de forma clara. Ao indicar o limite TIR, a temperatura de medição, a área aplicável e quaisquer restrições locais de planicidade, o engenheiro fornece ao fabricante uma meta inequívoca. O resultado é uma placa de aquecimento com desempenho previsível em aplicações de precisão,-seja na colagem de lentes ópticas, no processamento de wafers semicondutores ou na laminação de circuitos flexíveis. A planicidade não é um luxo nesse tipo de trabalho; é um facilitador de processos.
