Как да определите нагревателна плоча със специфично общо указано биене (TIR) ​​за прецизно приложение?

Нагревателна плоча за оптично свързване или обработка на полупроводникови пластини трябва да бъде не само "плоска", но и плоска в рамките на няколко микрона. Езикът на спецификацията за това е Total Indicated Runout. Получаването му правилно на чертежа определя целия производствен процес. Лошо дефинираната плоскост може да доведе до неравномерен контакт, горещи зони и отхвърлени части. Добре определен TIR осигурява равномерен топлинен трансфер от нагревателната плоча през цялата работна зона – абсолютно задължително, където прецизността е името на играта. TIR или общо указано изтичане на нагревателна плоча? Общо показано отклонение е максималната флуктуация във височината на повърхността, определена от циферблатен индикатор, докато частта се върти или сканира върху определена област. За плоска нагревателна плоча TIR наистина е мярка за плоскост и успоредност заедно. Индикаторът се настройва на нула спрямо референтна точка и след това се премества върху работната повърхност на плочата. Всяка промяна - пик или спад - се отбелязва. Стойността на TIR е разликата между най-високото и най-ниското показание в посочения диапазон на измерване. Критерият за TIR < 0,025 mm (25 микрометра) през плоча с диаметър 300 mm означава, че никоя точка на повърхността не е на повече от ± 0,0125 mm от референтната равнина. При ултра{17}}прецизни приложения може да са необходими стойности на TIR от 0,010\\;mm или дори 0,005\\;mm. Необходимият TIR често се определя от толеранса на дебелината на обекта, който се обработва, или от контрола на празнините, необходим за процес на ламиниране или залепване. По-тънките, по-чувствителни части (напр. полупроводникови пластини, оптично стъкло) изискват по-тесен TIR. Защо е трудно да получите стегнат TIR за нагревателни плочи Нагревателната плоча не е просто плоча от метал. Той е снабден с отлети-или закрепени-жлебове за нагревателни елементи или пробити за патронни нагреватели. Може да има гнезда за термодвойки, монтажни отвори и охлаждащи канали. Вътрешните напрежения са причинени от производствения процес - механична обработка, заваряване, топлинна обработка. Тези напрежения се освобождават, когато плочата се нагрее до работната температура, създавайки деформация. Плоска, която е плоска при нормална температура, може да се огъне с 0,1 mm или повече при 150 C. На практика плоскостта е зависима от температурата характеристика на нагревателната плоча. Следователно TIR сам по себе си не е достатъчен за уточняване. Трябва да се посочи температурата, при която се извършва измерването. Прецизната нагревателна плоча трябва да бъде специфицирана с TIR, измерен или при температура на околната среда (с известен, приемлив дрейф при работна температура), или по-добре, измерен при очакваната работна температура. Стъпки на процеса за получаване на прецизен TIR За да се постигне TIR стандарт под 0,025 mm, е необходима добре обмислена поредица от производствени дейности. 1. Заготовка с облекчен стрес Преди каквато и да е прецизна обработка, суровината, обикновено алуминиева сплав (напр. . 6061-T6 или 7075) или стомана (напр. мека стомана или неръждаема стомана), трябва да бъде подложена на напрежение облекчен. Остатъчните напрежения в-приетия прът или плоча са често срещани, поради валцуване или екструдиране. Тези напрежения могат да бъдат облекчени чрез накисване (да речем 2-4 часа при 340C за алуминий или 600C за стомана) и бавно охлаждане. Без този процес последващата машинна обработка ще дисбалансира полето на напреженията и плочата ще се деформира, когато нагревателят е захранен. 2. Груба обработка и вграждане на нагреватели Плочата е грубо обработена до почти чисти размери. Нагревателните елементи са позиционирани (например отлети в пясъчна форма за отливане-в нагреватели или пресовани в машинно обработени канали). Този етап носи нови налягания поради разликата в топлинното разширение между обвивката на нагревателя и материала на плочата. За прецизни TIR приложения, нагревателят често се отлива в отделна алуминиева сърцевина и отново се освобождава-напрежението преди окончателното напластяване. 3. След-Термичното напрежение на сглобяването-Освобождаване След като нагревателните елементи са напълно имплантирани или захванати, целият монтаж на плочата преминава още един термичен цикъл за облекчаване на напрежението. това е важно В този цикъл самите елементи се нагряват до температура над определената работна температура и топлината, която генерират, изкуствено състарява сглобката и отпуска диференциалните напрежения. Това понякога се нарича „термичен цикъл“ или „предварителна-стабилизация“. 4. Шлифоване с прецизност Работната повърхност се шлайфа с широкоформатна мелница или мелница с двоен диск. Шлифоването отстранява само последните 0,2 до 0,5 mm материал и произвежда повърхностно покритие (Ra) от 0,8 µm или повече и плоскост, която се доближава до капацитета на машината. При регулирани настройки, съвременен повърхностен мелник може да произведе TIR<0.010 mm for plates up to 600 mm in diameter. 5. Optional Final Lapping Lapping is essential for TIR specs tighter than 0.010 mm (i.e., <0.005 mm over 200 mm). Lapping employs a fine abrasive slurry between the plate and a precise flat lapping plate. It is a long procedure but near-optical flatness can be obtained. Semiconductor hot chucks or optical bond platen are often required to have lapped surfaces. Engineering Drawing – TIR Specification To effectively acquire a heating plate that meets the accuracy requirements, the TIR specification must be unambiguous and thorough. A typical callout on a drawing might be: The Total Indicated Runout (TIR) of the working surface shall not be greater than 0.020 mm as measured to ASME Y14.5M-1994. The measurement shall be made with the plate stabilised at 100 °C ± 5 °C over the whole working surface as described by diameter D. "No local deviation greater than 0.010 mm over any 25 mm square area is permitted." Key elements: The TIR limit. The measurement standard (ASME Y14.5 or ISO 1101).. . • Measurement temperature (room temperature, operating temperature or both). The TIR zone applicable (for example, "over the whole working surface" or "in the central 80% of the plate"). Any other "local flatness" requirement (e.g., waviness control) Never give a TIR without the temperature. A flat plate at room temperature may no longer be flat at 150 °C. For sensitive applications the manufacturer should be compelled to submit a flatness map at both ambient and operating temperature. Matching TIR to Application The TIR required must be defined by the thickness tolerance and compliance of the part being machined. Thick, inflexible parts (e.g. metal sheets >3 mm) – TIR от 0,05-0,10 mm над 500 mm може да бъде приемлив, тъй като артикулът ще съответства или термичната паста ще запълни празнините. Тънки, гъвкави филми или вафли (<0.5mm) - TIR must be <0.025mm. • Common TIR for semiconductor wafers produced on a vacuum chuck is <.010 mm. Optical contacts (no adhesive) – <0.005 mm TIR (lapping necessary). Laminating with rigid substrates - TIR <0.020 mm over the laminate area to avoid voids. Verification Procedures TIR needs to be verified by the buyer or end user upon receipt. A easy way is to utilise a dial test indicator on a surface plate. The heating plate is supported by three supports of precise height adjustment calibrated to a reference plane. The indicator is walked in a grid-like manner. For larger plates (>500 mm) машина за измерване на координати (CMM) или лазерен интерферометър предлага по-точни данни. Ако табелата е посочена с TIR, измерен при работна температура, трябва да се проведе изпитване за контролирано нагряване. Плочата се захранва до сервизната зададена точка и се оставя да се стабилизира (обикновено 30-60 минути) и TIR се записва с топло-устойчива индикация или без-контактен лазерен сензор за изместване. Необходима е корекция за термичното разширение на стойката на индикатора. Често срещани грешки в спецификацията на TIR над-уточняването - Посочване на TIR<0.005mm when the application only needs 0.05mm increases expense unnecessarily (lapping is expensive). Forgetting temperature - A TIR without a defined measuring temperature is unclear. A manufacturer may deliver a room temperature flat plate that bows in service to an unacceptable degree. Mounting Holes Ignored - The TIR standard should indicate if the measurement includes the area right above the fastener holes or if such areas are omitted. Overtightening of bolts leads to local distortion of the surface. There should be specific torque values for mounting shown on the drawing. No local flatness control - A plate can meet a global TIR of 0.025 mm and still have a sharp 0.020 mm hump over a 10 mm circle - a "waviness" concern. This is offset by further calls for "flatness over any 25 mm square". Cost Impact on TIR of Tightening The TIR specification and the manufacturing cost are not linearly related. A stress relieved plate stock can be milled by standard methods to a TIR <0.05 mm plate requiring little grinding. If the TIR is less than 0.025 mm, special cycles of grinding and stress alleviation are necessary. At TIR <0.010 mm, lapping and numerous cycles of thermal stabilisation are necessary, increasing or triple the cost. Thus, the engineer designing the plate should pick the least permissible TIR based on process physics, then add a little safety margin, but not specify a needlessly tight tolerance. Material Selection Aluminium (6061 or 7075) is the most frequent heating plate material because of its excellent thermal conductivity and ease of machining. Aluminium, however, has a rather high coefficient of thermal expansion (23 µm/m·K) and poor rigidity. Large aluminium plates (e.g. 600 mm diameter) will sag under their own weight unless they are adequately supported. For very tight TIR requirements, steel (16 µm/m.K) or aluminum-silicon carbide composites can be employed although they are heavier or more expensive. Summary : The Drawing as Contract for Performance Properly specifying the total suggested runout of the heating plate assures that the platen will really accomplish its job of providing uniform contact and heat, and that the manufacturing process is capable of meeting that spec. A drawing is a performance contract and the precise standards must be explicitly defined. The engineer gives the manufacturer a clear goal by defining the TIR limit, the measurement temperature, the area where the application is to be used and any local flatness requirements. The outcome is a heated plate that is predictable in the precision application -- be it glueing optical lenses, manufacturing semiconductor wafers or laminating flexible circuits. Flatness is not a luxury in such job. It is a process enabler.