Нагрівальна пластина для оптичного з’єднання або обробки напівпровідникових пластин має бути не просто «плоскою», а плоскою в межах кількох мікрометрів. Мова специфікації для цього — загальне вказівне биття, і його правильний опис на кресленні визначає весь виробничий процес. Погано визначена площинність може призвести до нерівномірного контакту, локалізованих гарячих точок і бракованих частин. Добре-спеціалізований TIR гарантує, що нагрівальна пластина забезпечує рівномірну передачу тепла по всій робочій поверхні--необговорювана вимога для точних застосувань.
Що таке загальне вказівне биття (TIR) на нагрівальній пластині?
Загальне зазначене биття — це максимальна зміна висоти поверхні, виміряна циферблатним індикатором, коли деталь обертається або сканується через певну область. Для плоскої нагрівальної плити TIR є, по суті, показником площинності та паралельності разом. Індикатор обнуляється на репер, потім переміщується по робочій грані пластини. Будь-яке відхилення-пік або спад-записується. Різниця між найвищим і найнижчим показаннями в зазначеному діапазоні вимірювань є значенням TIR.
Специфікація TIR < 0,025 мм (25 мікрометрів) для пластини діаметром 300 мм означає, що жодна точка на поверхні не відхиляється від базової площини більш ніж на ±0,0125 мм. Для над-прецизійних застосувань можуть знадобитися значення TIR від 0,010 мм або навіть 0,005 мм. Необхідний TIR зазвичай базується на допуску на товщину деталі, що обробляється, або контролі зазору, необхідному для процесу ламінування чи склеювання. Тонші, чутливіші деталі (наприклад, напівпровідникові пластини, оптичне скло) вимагають щільнішого TIR.
Чому досягти герметичності TIR є складним завданням для нагрівальних плит
Нагрівальна плита - це не проста металева плита. Він містить вбудовані нагрівальні елементи (відлиті-в або закріплені в пазах) або просвердлені для картриджних нагрівачів. Він може мати колодязі для термопар, монтажні отвори та канали охолодження. Виробничий процес-механічна обробка, зварювання, термічна обробка-спричиняє внутрішні напруги. Ці напруги звільняються, коли пластина нагрівається до робочої температури, викликаючи викривлення. Пластина, яка була ідеально плоскою за кімнатної температури, може прогнутися на 0,1 мм або більше при 150 градусах.
На практиціплощинність – це-залежна від температури властивість нагрівальної плити. Таким чином, зазначення лише TIR недостатньо. Необхідно також вказати температуру, при якій проводиться вимірювання. Прецизійна нагрівальна пластина повинна бути визначена з TIR, виміряним або при температурі навколишнього середовища (з відомим прийнятним дрейфом при робочій температурі), або, в ідеалі, виміряним при призначеній робочій температурі.
Етапи процесу для досягнення точного TIR
Досягнення специфікації TIR нижче 0,025 мм вимагає ретельно спланованої послідовності виробничих операцій.
1. Пустий матеріал із-зняттям стресу
Початковий матеріал-зазвичай алюмінієвий сплав (наприклад, 6061-T6 або 7075) або сталь (наприклад, м’яка сталь або нержавіюча сталь)-потрібно зняти напругу-перед будь-якою точною механічною обробкою. Під час-отримання прутка чи плити часто містяться залишкові напруги від прокатки чи екструзії. Вимочування для зняття термічної напруги (наприклад, 2–4 години при 340 градусах для алюмінію або 600 градусів для сталі) з наступним повільним охолодженням знімає ці напруги. Без цього етапу подальша механічна обробка призведе до дисбалансу поля напруги, і пластина деформується під час увімкнення нагрівача.
2. Груба обробка та вбудовування нагрівача
Плита грубо оброблена до-чистих розмірів. Нагрівальні елементи встановлюються (наприклад, відливаються в піщану форму для лиття-в нагрівачі або запресовуються в оброблені пази). Цей крок додає нові напруги через різницю в тепловому розширенні між оболонкою нагрівача та матеріалом пластини. Для точних застосувань TIR нагрівач часто відливають в окремий алюмінієвий сердечник, який потім-знову знімає напругу перед остаточним наплавленням.
3. Термічний стрес-Зменшення після складання
Після того, як нагрівальні елементи повністю вставлено або затиснуто, уся пластина піддається ще одному термічному циклу-зняття напруги. Це критично. Тепло від самих елементів під час цього циклу (підведене до температури, вищої за призначену робочу температуру) штучно старить вузол і послаблює диференціальні напруги. Цей процес іноді називають «термічним циклом» або «попередньою{4}}стабілізацією».
4. Точне шліфування
Робочу поверхню шліфують на велико-плоскошліфувальній або дво-дисковій шліфувальній машині. Шліфування видаляє лише останні 0,2–0,5 мм матеріалу, досягаючи якості обробки поверхні (Ra) 0,8 мкм або краще та рівності, що наближається до можливостей машини. Для пластин діаметром до 600 мм сучасна плоскошліфувальна машина може досягти TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. Остаточна притирка (необов'язково)
Для специфікацій TIR щільніше 0,010 мм (наприклад,<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.
Зазначення TIR на технічному кресленні
Для успішного придбання нагрівальної плити, яка відповідає вимогам точності, специфікація TIR має бути однозначною та повною. Типова виноска для креслення може бути такою:
«Загальне вказівне биття (TIR) робочої поверхні не повинно перевищувати 0,020 мм при вимірюванні відповідно до ASME Y14.5M-1994. Вимірювання має виконуватись із пластиною, стабілізованою під кутом 100 градусів ± 5 градусів по всій робочій поверхні, визначеній діаметром D. Жодне локальне відхилення не перевищує 0,010 мм на будь-якій квадратній площі 25 мм».
Ключові елементи:
Ліміт МДП.
Стандарт вимірювання (ASME Y14.5 або ISO 1101).
Температура, при якій проводиться вимірювання (кімнатна температура, робоча температура або обидві).
Площа, на яку поширюється дія TIR (наприклад, «по всій робочій поверхні» або «в межах центральних 80% плити»).
Будь-яка додаткова вимога до "локальної площинності" (наприклад, контроль хвилястості).
Ніколи не вказуйте TIR без вказівки температури.Тарілка, плоска за кімнатної температури, може не бути плоскою за 150 градусів. Для критичних застосувань від виробника слід вимагати надання карти площинності як при температурі навколишнього середовища, так і при робочій температурі.
Зіставлення TIR із заявкою
Необхідний TIR повинен ґрунтуватися на допуску на товщину та відповідності деталі, що обробляється.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 мм)– TIR 0,05–0,10 мм на 500 мм може бути прийнятним, оскільки деталь буде відповідати або термопаста заповнить прогалини.
Тонкі гнучкі плівки або пластини (<0.5 mm)– TIR має бути<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Оптичний контакт (без клею)– МДП<0.005 mm (lapping required).
Ламінування жорсткими підкладками– МДП<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Методи перевірки
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 мм), координатно-вимірювальна машина (CMM) або лазерний інтерферометр надає більш точні дані.
Якщо пластина вказана з TIR, виміряним при робочій температурі, необхідно провести тест на контрольований нагрів. Пластина подається під напругу до заданого робочого значення, дається стабілізація (зазвичай 30–60 хвилин), а потім TIR вимірюється за допомогою термо{3}}індикатора або -контактного лазерного датчика переміщення. Необхідно внести поправку на теплове розширення підставки індикатора.
Поширені помилки під час зазначення TIR
Над-декретизація– Запит TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
Забуття температури– TIR, указаний без температури вимірювання, є неоднозначним. Виробник може постачати плоску тарілку кімнатної-температури-, яка неприйнятно прогинається під час експлуатації.
Ігнорування монтажних отворів– У специфікації TIR має бути зазначено, чи включає вимірювання площу безпосередньо над отворами для кріплення, чи ці ділянки виключаються. Отвори під болти локально деформують поверхню, якщо болти затягнути занадто сильно. На кресленні повинні бути вказані моменти затягування для монтажу.
Немає локального контролю площинності– Пластина може відповідати загальному TIR 0,025 мм, але все ще мати різкий горб розміром 0,020 мм над колом 10 мм-проблема «хвилястості». Додаткові позначки для «площинності над будь-яким квадратом 25 мм» запобігають цьому.
Вплив посилення МДП на витрати
Зв’язок між специфікацією TIR і вартістю виробництва не-лінійний. Табличка з МДП<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.
Тому інженер, який розробляє табличку, має встановити мінімально прийнятний TIR на основі фізики процесу, а потім додати скромний запас міцності-, але не вимагати надмірно жорсткого допуску.
Роль вибору матеріалу
Алюміній (6061 або 7075) є найпоширенішим матеріалом для нагрівальних пластин через його високу теплопровідність і легкість механічної обробки. Однак алюміній має відносно високий коефіцієнт теплового розширення (23 мкм/м·К) і низьку жорсткість. Великі алюмінієві плити (наприклад, діаметром 600 мм) прогинаються під власною вагою, якщо їх не підтримувати належним чином. Для надзвичайно суворих вимог TIR можна використовувати сталь (16 мкм/м·K) або композити з карбіду кремнію-алюмінію, але вони важчі або дорожчі.
Резюме: Креслення як контракт на виконання
Конкретизуючизагальне зазначене биття нагрівальної пластини специфікації точностіналежним чином гарантує, що валик справді справлятиметься зі своєю роботою, забезпечуючи рівномірний контакт і тепло, і що виробничий процес відповідає цьому стандарту. Креслення — це контракт на виконання, і вимоги до точності мають бути чітко передані. Вказуючи межу TIR, температуру вимірювання, застосовну область і будь-які місцеві обмеження площинності, інженер надає виробнику однозначну мету. Результатом є нагрівальна пластина, яка працює передбачувано в прецизійному застосуванні-незалежно від того, чи це склеювання оптичних лінз, обробка напівпровідникових пластин або ламінування гнучких схем. Площина — не розкіш у такій роботі; це активатор процесу.
