Az optikai ragasztáshoz vagy a félvezető lapkák feldolgozásához használt fűtőlemeznek nemcsak "laposnak" kell lennie, hanem néhány mikrométeren belül is. Ennek specifikációs nyelve a Total Indicated Runout, és ennek a rajzon való elhelyezése határozza meg a teljes gyártási folyamatot. A rosszul meghatározott síkság egyenetlen érintkezéshez, helyi forró pontokhoz és kiselejtezett alkatrészekhez vezethet. A jól-meghatározott TIR biztosítja, hogy a fűtőlemez egyenletes hőátadást biztosítson a teljes munkafelületen,-ez a precíziós alkalmazásoknál megtárgyalhatatlan követelmény.
Mi az a teljes jelzett lefutás (TIR) a fűtőlapon?
A teljes jelzett kifutás a felület magasságának maximális változása, amelyet egy tárcsajelző mér, amikor az alkatrészt egy meghatározott területen elforgatják vagy pásztázzák. Egy lapos fűtőlemez esetében a TIR lényegében a síkság és a párhuzamosság mértéke. A jelzőt egy referenciaponton nullázzák, majd a lemez munkafelületén átmozgatják. Minden eltérés-csúcs vagy völgy-rögzítésre kerül. A megadott mérési tartomány legmagasabb és legalacsonyabb értéke közötti különbség a TIR érték.
A TIR < 0,025 mm (25 mikrométer) specifikációja egy 300 mm átmérőjű lemezen azt jelenti, hogy a felület egyetlen pontja sem tér el ±0,0125 mm-nél nagyobb mértékben a referenciasíktól. Ultra-precíziós alkalmazásokhoz akár 0,010 mm-es vagy akár 0,005 mm-es TIR-értékek is megkövetelhetők. A szükséges TIR jellemzően a megmunkálandó alkatrész vastagságtűrésén vagy a laminálási vagy ragasztási folyamathoz szükséges hézagszabályozáson alapul. A vékonyabb, érzékenyebb alkatrészek (pl. félvezető lapkák, optikai üvegek) szigorúbb TIR-t igényelnek.
Miért jelent kihívást a szoros TIR elérése a fűtőlemezek számára?
A fűtőlap nem egyszerű fémlemez. Beágyazott fűtőelemeket tartalmaz (beöntött- vagy hornyokba szorítva), vagy fúrt patronfűtéshez. Lehetnek benne hőelem-lyukak, rögzítőnyílások és hűtőcsatornák. A gyártási folyamat-megmunkálás, hegesztés, hőkezelés-belső feszültségeket idéz elő. Ezek a feszültségek felszabadulnak, amikor a lemezt üzemi hőmérsékletre melegítik, és vetemedést okoznak. A szobahőmérsékleten teljesen síkra mért lemez 150 fokos szögben legalább 0,1 mm-rel meghajolhat.
Gyakorlatban,a síkság a fűtőlemez hőmérsékletétől{0}}függő tulajdonsága. Ezért a TIR meghatározása önmagában nem elegendő. Meg kell adni azt a hőmérsékletet is, amelyen a mérést végezték. A precíziós fűtőlemezt vagy környezeti hőmérsékleten (az üzemi hőmérsékleten ismert, elfogadható eltolódással), vagy ideális esetben a tervezett üzemi hőmérsékleten mért TIR-vel kell meghatározni.
Folyamat lépései a precíziós TIR eléréséhez
A 0,025 mm alatti TIR-specifikáció eléréséhez gondosan megtervezett gyártási műveletsor szükséges.
1. Stressz{1}}mentesített üres anyag
A kiindulási anyagot-jellemzően alumíniumötvözet (pl. 6061-T6 vagy 7075) vagy acélt (pl. lágyacél vagy rozsdamentes)-feszesség-mentesíteni kell a precíziós megmunkálás előtt. Mivel-a kapott rúd- vagy lemezalapanyag gyakran hengerlésből vagy extrudálásból eredő maradék feszültségeket tartalmaz. A hőfeszültség-mentesítő áztatás (pl. 2-4 óra 340 fokon alumíniumnál, vagy 600 fok acélnál), majd lassú hűtés feloldja ezeket a feszültségeket. E lépés nélkül a későbbi megmunkálás kiegyensúlyozza a feszültségmezőt, és a lemez meghajlik, amikor a fűtőelem feszültség alá kerül.
2. Durva megmunkálás és fűtőbeágyazás
A lemez durván megmunkálva közel -nettó méretre van. A fűtőelemek be vannak szerelve (pl. homokformába öntve a fűtőtestekbe öntéshez, vagy megmunkált hornyokba préselve). Ez a lépés új feszültségeket ad a fűtőburkolat és a lemez anyaga közötti hőtágulási különbségek miatt. A precíziós TIR-alkalmazásoknál a fűtőtestet gyakran egy különálló alumíniummagba öntik, amelyet azután ismét feszültségmentesítenek, mielőtt a végső felületet felviszik.
3. Hőfeszültség-mentesítés az összeszerelés után
A fűtőelemek teljes beágyazása vagy rögzítése után a teljes lemezszerelvényt egy újabb feszültségcsökkentő -hőciklusnak vetjük alá. Ez kritikus. A ciklus során magukból az elemekből származó hő (amely a tervezett üzemi hőmérséklet feletti hőmérsékletre áramlik) mesterségesen öregíti a szerelvényt és enyhíti a differenciális feszültségeket. Ezt a folyamatot néha „hőciklusnak” vagy „elő-stabilizálásnak” nevezik.
4. Precíziós köszörülés
A munkafelületet egy nagy-formátumú felületcsiszolóval vagy egy dupla-tárcsás csiszolóval csiszolják. A köszörülés csak a végső 0,2–0,5 mm-es anyagot távolítja el, így a felületi minőség (Ra) 0,8 µm vagy annál jobb, és a gép képességét megközelítő síkság érhető el. Legfeljebb 600 mm átmérőjű lemezeknél a modern felületcsiszoló képes elérni a TIR-t<0.010 mm under controlled conditions.
5. Utolsó körítés (opcionális)
0,010 mm-nél szorosabb TIR-előírások esetén (pl.<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.
A TIR meghatározása egy műszaki rajzon
A pontossági követelményeknek megfelelő fűtőlemez sikeres beszerzéséhez a TIR specifikációnak egyértelműnek és teljesnek kell lennie. Egy tipikus rajzfelirat a következő lehet:
"A munkafelület teljes jelzett kifutása (TIR) nem haladhatja meg a 0,020 mm-t az ASME Y14.5M-1994 szerint mérve. A mérést úgy kell elvégezni, hogy a lemezt 100° ± 5°-os szögben stabilizálják a D átmérővel meghatározott teljes munkafelületen. A 0,010 mm-nél nagyobb helyi eltérés nem megengedett 25 mm-nél.
Főbb elemek:
A TIR határérték.
A mérési szabvány (ASME Y14.5 vagy ISO 1101).
A mérési hőmérséklet (szobahőmérséklet, üzemi hőmérséklet vagy mindkettő).
Az a terület, amelyre a TIR vonatkozik (pl. "a teljes munkafelületen" vagy "a lemez középső 80%-án belül").
Bármilyen további "helyi síkosság" követelmény (pl. hullámosság szabályozása).
Soha ne adjon meg TIR-t a hőmérséklet megadása nélkül.A szobahőmérsékleten lapos tányér nem biztos, hogy 150 fokon lapos. Kritikus alkalmazások esetén a gyártónak elő kell írnia egy síksági térképet környezeti és üzemi hőmérsékleten egyaránt.
A TIR illesztése az alkalmazáshoz
A szükséges TIR-nek a megmunkálandó alkatrész vastagságtűrésén és megfelelőségén kell alapulnia.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 mm)– A 0,05-0,10 mm-es TIR 500 mm felett elfogadható, mivel az alkatrész megfelel, vagy a hőpaszta kitölti a hézagokat.
Vékony, rugalmas fóliák vagy ostyák (<0.5 mm)– TIR kell<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
Optikai érintkezés (ragasztó nélkül)– TIR<0.005 mm (lapping required).
Laminálás merev aljzatokkal– TIR<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
Ellenőrzési módszerek
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), egy koordináta mérőgép (CMM) vagy egy lézeres interferométer nyújt pontosabb adatokat.
Ha a lemezt üzemi hőmérsékleten mért TIR-rel írják elő, akkor ellenőrzött fűtési tesztet kell végezni. A lemezt a szolgáltatás alapértékére feszültség alá helyezik, hagyják stabilizálódni (általában 30–60 percig), majd a TIR-t hőálló -jelzővel vagy érintésmentes lézeres elmozdulásérzékelővel- mérik. A jelzőállvány hőtágulását korrigálni kell.
Gyakori hibák a TIR megadásakor
Túl-meghatározzuk– TIR igénylés<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
A hőmérséklet elfelejtése– A mérési hőmérséklet nélkül megadott TIR nem egyértelmű. A gyártó szállíthat szobahőmérsékletű-síklapot, amely elfogadhatatlanul meghajlik használat közben.
A rögzítési furatok figyelmen kívül hagyása– A TIR-specifikációnak fel kell tüntetnie, hogy a mérés magában foglalja-e a közvetlenül a rögzítőelemek furatai feletti területet, vagy ezeket a területeket kizárják. A csavarlyukak helyileg torzítják a felületet, ha a csavarokat túlfeszítik. A rajznak meg kell adnia a rögzítéshez szükséges nyomatékértékeket.
Nincs helyi síkosság-szabályozás– Egy lemez megfelelhet a 0,025 mm-es globális TIR-nek, de még mindig éles, 0,020 mm-es domborulattal rendelkezik egy 10 mm-es körön -ez a "hullámosság" probléma. A „25 mm-es négyzet feletti síkság” kiegészítő feliratok megakadályozzák ezt.
A TIR-szigorítás költséghatása
A TIR-specifikáció és a gyártási költség közötti kapcsolat nem{0}}lineáris. Egy tányér TIR-rel<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.
Ezért a táblát meghatározó mérnöknek meg kell határoznia a minimálisan elfogadható TIR-értéket a folyamatfizika alapján, majd hozzá kell adnia egy szerény biztonsági ráhagyást,{0}}de nem követelhet meg szükségtelenül szűk tűrést.
Az anyagválasztás szerepe
Az alumínium (6061 vagy 7075) a legelterjedtebb fűtőlemez anyag, magas hővezető képessége és könnyű megmunkálhatósága miatt. Az alumíniumnak azonban viszonylag magas a hőtágulási együtthatója (23 µm/m·K) és alacsony a merevsége. A nagy alumíniumlemezek (pl. 600 mm átmérőjű) saját súlyuk hatására megereszkednek, ha nem támasztják alá megfelelően. A rendkívül szigorú TIR-követelményekhez acél (16 µm/m·K) vagy alumínium{10}}szilícium-karbid kompozitok használhatók, de ezek nehezebbek vagy drágábbak.
Összegzés: A rajz mint teljesítési szerződés
Meghatározásateljes jelzett kifutási fűtőlap specifikáció pontosságamegfelelően biztosítja, hogy a nyomólap ténylegesen ellátja feladatát az egyenletes érintkezés és hő biztosítása érdekében, és hogy a gyártási folyamat megfeleljen ennek a szabványnak. A rajz teljesítési szerződés, és a pontossági követelményeket egyértelműen közölni kell. A TIR határérték, a mérési hőmérséklet, az alkalmazható terület és a helyi síkossági korlátozások megadásával a mérnök egyértelmű célt ad a gyártónak. Az eredmény egy olyan fűtőlemez, amely kiszámíthatóan teljesít a precíziós alkalmazásban,-legyen szó optikai lencsék ragasztásáról, félvezető lapkák feldolgozásáról vagy hajlékony áramkörök laminálásáról. A laposság nem luxus az ilyen munkákban; ez egy folyamat lehetővé teszi.
