แผ่นทำความร้อนสำหรับการเชื่อมด้วยแสงหรือการประมวลผลเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จะต้องไม่เพียงแค่ "แบน" เท่านั้น แต่ยังต้องแบนราบภายในไม่กี่ไมโครเมตรด้วย ภาษาข้อกำหนดสำหรับสิ่งนี้คือ Total Indicated Runout และการทำให้ถูกต้องบนแบบร่างจะกำหนดกระบวนการผลิตทั้งหมด ความเรียบที่ระบุไม่ดีอาจทำให้เกิดการสัมผัสที่ไม่สม่ำเสมอ จุดร้อนเฉพาะที่ และชิ้นส่วนที่ถูกปฏิเสธ TIR ที่ระบุอย่างดี-ช่วยให้แน่ใจว่าแผ่นทำความร้อนให้การถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิวการทำงานทั้งหมด- ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่ไม่สามารถ-ต่อรองได้ในการใช้งานที่มีความแม่นยำ
Total Indicated Runout (TIR) บนแผ่นทำความร้อนคืออะไร?
การเบี่ยงเบนหนีศูนย์รวมคือความแปรผันสูงสุดของความสูงของพื้นผิว โดยวัดโดยตัวบ่งชี้หน้าปัด เมื่อชิ้นส่วนถูกหมุนหรือสแกนทั่วพื้นที่ที่กำหนด สำหรับแผ่นทำความร้อนแบบเรียบ TIR เป็นตัววัดความเรียบและความขนานรวมกัน ตัวบ่งชี้จะเป็นศูนย์ที่จุดอ้างอิง จากนั้นจึงเคลื่อนไปทั่วหน้าการทำงานของแผ่น การเบี่ยงเบนใดๆ-จุดสูงสุดหรือหุบเขา-จะถูกบันทึกไว้ ความแตกต่างระหว่างการอ่านค่าสูงสุดและต่ำสุดในช่วงการวัดที่ระบุคือค่า TIR
ข้อมูลจำเพาะของ TIR < 0.025 มม. (25 ไมโครเมตร) บนแผ่นเส้นผ่านศูนย์กลาง 300 มม. หมายความว่าไม่มีจุดใดบนพื้นผิวเบี่ยงเบนไปจากระนาบอ้างอิงมากกว่า ±0.0125 มม. สำหรับการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง- อาจต้องใช้ค่า TIR ที่ต่ำเพียง 0.010 มม. หรือ 0.005 มม. โดยทั่วไป TIR ที่ต้องการจะขึ้นอยู่กับความทนทานต่อความหนาของชิ้นส่วนที่กำลังแปรรูปหรือการควบคุมช่องว่างที่จำเป็นสำหรับกระบวนการเคลือบหรือติดประสาน ชิ้นส่วนที่บางกว่าและละเอียดอ่อนกว่า (เช่น เวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ แก้วแสง) ต้องการ TIR ที่เข้มงวดมากขึ้น
เหตุใดการบรรลุ TIR ที่รัดกุมจึงเป็นเรื่องท้าทายสำหรับแผ่นทำความร้อน
แผ่นทำความร้อนไม่ใช่แผ่นโลหะธรรมดา ประกอบด้วยองค์ประกอบความร้อนแบบฝัง (หล่อ-เข้าหรือยึดไว้ในร่อง) หรือเจาะสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบตลับ อาจมีบ่อเทอร์โมคัปเปิล รูยึด และช่องระบายความร้อน กระบวนการผลิต-การตัดเฉือน การเชื่อม และการอบชุบด้วยความร้อน-ทำให้เกิดความเครียดภายใน ความเค้นเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาเมื่อแผ่นถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิใช้งาน ทำให้เกิดการบิดเบี้ยว จานที่วัดได้เรียบสนิทที่อุณหภูมิห้องอาจโค้งงอได้ 0.1 มม. หรือมากกว่าที่ 150 องศา
ในทางปฏิบัติความเรียบเป็นคุณสมบัติขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ-ในแผ่นทำความร้อน. ดังนั้นการระบุ TIR เพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ ต้องระบุอุณหภูมิที่ใช้ในการวัดด้วย ควรระบุแผ่นทำความร้อนที่แม่นยำด้วย TIR ที่วัดได้ที่อุณหภูมิแวดล้อม (โดยทราบค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ที่อุณหภูมิใช้งาน) หรือตามหลักการแล้ว วัดที่อุณหภูมิการทำงานที่ต้องการ
ขั้นตอนกระบวนการเพื่อให้ได้ TIR ที่แม่นยำ
การบรรลุข้อกำหนดเฉพาะของ TIR ที่ต่ำกว่า 0.025 มม. จำเป็นต้องมีการวางแผนลำดับขั้นตอนการผลิตอย่างรอบคอบ
1. ความเครียด-วัสดุเปล่าโล่งใจ
วัสดุตั้งต้น-โดยทั่วไปแล้วคืออะลูมิเนียมอัลลอยด์ (เช่น 6061-T6 หรือ 7075) หรือเหล็กกล้า (เช่น เหล็กเหนียวหรือสเตนเลส)-จะต้องได้รับการคลายความเค้น-ก่อนการตัดเฉือนที่มีความเที่ยงตรงใดๆ ตามที่-ได้รับสต็อกแท่งหรือเพลทมักจะมีความเค้นตกค้างจากการรีดหรือการอัดขึ้นรูป การแช่ตัวเพื่อบรรเทาความเครียดจากความร้อน (เช่น 2–4 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 340 องศาสำหรับอลูมิเนียม หรือ 600 องศาสำหรับเหล็ก) ตามด้วยการระบายความร้อนอย่างช้าๆ จะช่วยคลายความเครียดเหล่านี้ หากไม่มีขั้นตอนนี้ การตัดเฉือนในภายหลังจะทำให้สนามความเค้นไม่สมดุล และเพลตจะบิดเบี้ยวเมื่อเปิดเครื่องทำความร้อน
2. การกลึงหยาบและการฝังเครื่องทำความร้อน
เพลตได้รับการตัดเฉือนหยาบจนมีขนาดใกล้เคียง-สุทธิ มีการติดตั้งองค์ประกอบความร้อน (เช่น หล่อลงในแม่พิมพ์ทรายเพื่อหล่อ-ในเครื่องทำความร้อน หรือกดลงในร่องที่กลึง) ขั้นตอนนี้เพิ่มความเค้นใหม่เนื่องจากความแตกต่างในการขยายตัวทางความร้อนระหว่างเปลือกเครื่องทำความร้อนและวัสดุแผ่น สำหรับการใช้งาน TIR ที่แม่นยำ เครื่องทำความร้อนมักจะถูกหล่อลงในแกนอะลูมิเนียมที่แยกจากกัน ซึ่งจากนั้นจะคลายความเครียด-อีกครั้งก่อนการปูพื้นผิวขั้นสุดท้าย
3. ความเครียดจากความร้อน-การบรรเทาหลังการประกอบ
หลังจากที่องค์ประกอบความร้อนถูกฝังหรือยึดไว้จนสุด ชุดประกอบแผ่นทั้งหมดจะต้องเผชิญกับความเครียดอีก-เพื่อบรรเทาวงจรความร้อน นี่เป็นสิ่งสำคัญ ความร้อนจากองค์ประกอบต่างๆ ในระหว่างรอบนี้ (จ่ายไฟให้มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการใช้งานที่ต้องการ) จะทำให้การประกอบมีอายุมากขึ้นและผ่อนคลายความเครียดที่แตกต่างกัน กระบวนการนี้บางครั้งเรียกว่า "การหมุนเวียนด้วยความร้อน" หรือ "การทำให้เสถียรก่อน-"
4. การเจียรที่แม่นยำ
พื้นผิวการทำงานบดด้วยเครื่องบดพื้นผิวรูปแบบขนาดใหญ่-หรือเครื่องเจียรจานคู่- การเจียรจะเอาวัสดุสุดท้าย 0.2–0.5 มม. เท่านั้น ให้ได้พื้นผิวสำเร็จ (Ra) 0.8 µm หรือดีกว่า และความเรียบใกล้เคียงกับความสามารถของเครื่องจักร สำหรับเพลตที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 600 มม. เครื่องเจียรผิวสมัยใหม่สามารถใช้ TIR ได้<0.010 mm under controlled conditions.
5. การขัดขั้นสุดท้าย (ไม่บังคับ)
สำหรับข้อกำหนด TIR ที่แน่นกว่า 0.010 มม. (เช่น<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.
การระบุ TIR ในการเขียนแบบทางวิศวกรรม
เพื่อให้ได้รับแผ่นทำความร้อนที่ตรงตามข้อกำหนดด้านความแม่นยำ ข้อกำหนด TIR จะต้องไม่คลุมเครือและครบถ้วน คำบรรยายภาพแบบทั่วไปอาจอ่านว่า:
"ค่า Runout ที่ระบุทั้งหมด (TIR) ของพื้นผิวการทำงานจะต้องไม่เกิน 0.020 มม. เมื่อวัดตามมาตรฐาน ASME Y14.5M-1994 การวัดจะต้องดำเนินการด้วยแผ่นที่มีความเสถียรที่ 100 องศา ± 5 องศา ทั่วทั้งพื้นผิวการทำงานทั้งหมดที่กำหนดโดยเส้นผ่านศูนย์กลาง D ไม่อนุญาตให้มีการเบี่ยงเบนเฉพาะที่เกิน 0.010 มม. เหนือพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส 25 มม. ใดๆ "
องค์ประกอบสำคัญ:
ขีดจำกัด TIR
มาตรฐานการวัด (ASME Y14.5 หรือ ISO 1101)
อุณหภูมิที่ใช้วัด (อุณหภูมิห้อง อุณหภูมิในการทำงาน หรือทั้งสองอย่าง)
พื้นที่ที่ใช้ TIR (เช่น "เหนือพื้นผิวการทำงานทั้งหมด" หรือ "ภายใน 80% ตรงกลางของเพลต")
ข้อกำหนด "ความเรียบเฉพาะที่" เพิ่มเติมใดๆ (เช่น การควบคุมความคลื่น)
ห้ามระบุ TIR โดยไม่ระบุอุณหภูมิจานที่แบนที่อุณหภูมิห้องอาจไม่แบนที่ 150 องศา สำหรับการใช้งานที่สำคัญ ผู้ผลิตควรต้องจัดให้มีแผนที่ความเรียบทั้งที่อุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิในการทำงาน
จับคู่ TIR กับแอปพลิเคชัน
TIR ที่ต้องการควรขึ้นอยู่กับความทนทานต่อความหนาและความสอดคล้องของชิ้นส่วนที่กำลังดำเนินการ
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 มม.)– อาจยอมรับ TIR ที่ 0.05–0.10 มม. มากกว่า 500 มม. เนื่องจากชิ้นส่วนจะสอดคล้องกันหรือแผ่นระบายความร้อนจะเติมเต็มช่องว่าง
ฟิล์มหรือเวเฟอร์บางและยืดหยุ่นได้ (<0.5 mm)– TIR ต้องเป็น<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
หน้าสัมผัสด้วยแสง (ไม่มีกาว)– ทีไออาร์<0.005 mm (lapping required).
เคลือบด้วยพื้นผิวแข็ง– ทีไออาร์<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
วิธีการตรวจสอบ
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 มม.) เครื่องวัดพิกัด (CMM) หรือเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์จะให้ข้อมูลที่แม่นยำยิ่งขึ้น
หากระบุเพลตโดยวัด TIR ที่อุณหภูมิใช้งาน จะต้องดำเนินการทดสอบความร้อนแบบควบคุม เพลตถูกจ่ายพลังงานไปที่จุดกำหนดการบริการ ปล่อยให้เสถียร (โดยทั่วไปคือ 30–60 นาที) จากนั้นวัด TIR โดยใช้ตัวแสดงการต้านทานความร้อน-หรือเซ็นเซอร์ดิสเพลสเมนต์เลเซอร์แบบไม่สัมผัส- ต้องแก้ไขการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของขาตั้งตัวบ่งชี้
ข้อผิดพลาดทั่วไปในการระบุ TIR
ระบุเกิน-– การขอ TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
ลืมอุณหภูมิ– TIR ที่ระบุโดยไม่มีอุณหภูมิที่วัดไม่ชัดเจน ผู้ผลิตอาจจัดหาจานแบน-อุณหภูมิ-ห้องที่โค้งงอจนไม่สามารถให้บริการได้
ละเว้นรูยึด– ข้อกำหนดเฉพาะของ TIR ควรระบุว่าการวัดรวมพื้นที่เหนือรูยึดโดยตรงหรือไม่ หรือไม่รวมพื้นที่เหล่านั้นหรือไม่ รูโบลต์จะทำให้พื้นผิวบิดเบี้ยวเฉพาะที่หากขันโบลต์แน่นเกินไป แบบร่างควรระบุค่าแรงบิดสำหรับการติดตั้ง
ไม่มีการควบคุมความเรียบเฉพาะที่– จานสามารถตอบสนอง TIR โดยรวมได้ 0.025 มม. แต่ยังคงมีโหนกแหลม 0.020 มม. บนวงกลมขนาด 10 มม.-ซึ่งเป็นปัญหา "ความคลื่น" คำอธิบายเพิ่มเติมสำหรับ "ความเรียบเหนือสี่เหลี่ยมจัตุรัส 25 มม." จะป้องกันสิ่งนี้
ผลกระทบด้านต้นทุนของการกระชับ TIR
ความสัมพันธ์ระหว่างข้อกำหนด TIR และต้นทุนการผลิตไม่เป็น-เชิงเส้น จานที่มี 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.
ดังนั้น วิศวกรที่ระบุเพลตควรกำหนด TIR ขั้นต่ำที่ยอมรับได้โดยอิงจากฟิสิกส์ของกระบวนการ จากนั้นจึงเพิ่มระยะขอบด้านความปลอดภัยเล็กน้อย-แต่ไม่จำเป็นต้องมีพิกัดความเผื่อที่แน่นเกินไปโดยไม่จำเป็น
บทบาทของการเลือกใช้วัสดุ
อะลูมิเนียม (6061 หรือ 7075) เป็นวัสดุแผ่นทำความร้อนที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากมีการนำความร้อนสูงและความง่ายในการตัดเฉือน อย่างไรก็ตาม อลูมิเนียมมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนค่อนข้างสูง (23 µm/m·K) และมีความแข็งต่ำ แผ่นอะลูมิเนียมขนาดใหญ่ (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง 600 มม.) จะย้อยตามน้ำหนักของตัวเองหากไม่ได้รับการรองรับอย่างเหมาะสม สำหรับข้อกำหนด TIR ที่รัดกุมอย่างยิ่ง คุณสามารถใช้คอมโพสิตที่ทำจากเหล็ก (16 µm/m·K) หรืออะลูมิเนียม-ซิลิกอนคาร์ไบด์ได้ แต่จะมีน้ำหนักมากกว่าหรือมีราคาแพงกว่า
สรุป: การเขียนแบบเป็นสัญญาเพื่อการปฏิบัติงาน
การระบุความแม่นยำของข้อมูลจำเพาะแผ่นทำความร้อนความส่ายโดยรวมที่ระบุช่วยให้มั่นใจได้ว่าแท่นวางจะทำงานโดยให้การสัมผัสและความร้อนสม่ำเสมอ และกระบวนการผลิตสามารถเป็นไปตามมาตรฐานนั้นได้ การเขียนแบบเป็นสัญญาเกี่ยวกับการปฏิบัติงาน และข้อกำหนดด้านความแม่นยำต้องได้รับการสื่อสารอย่างชัดเจน ด้วยการระบุขีดจำกัด TIR อุณหภูมิในการวัด พื้นที่ที่ใช้บังคับ และข้อจำกัดด้านความเรียบในพื้นที่ใดๆ วิศวกรจะมอบเป้าหมายที่ชัดเจนให้กับผู้ผลิต ผลลัพธ์ที่ได้คือแผ่นทำความร้อนที่ทำงานได้อย่างคาดการณ์ในการใช้งานที่มีความแม่นยำ- ไม่ว่าจะเป็นการเชื่อมเลนส์ออพติคอล การประมวลผลเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ หรือการเคลือบวงจรที่ยืดหยุ่น ความเรียบไม่ใช่สิ่งฟุ่มเฟือยในงานดังกล่าว มันเป็นตัวเปิดใช้งานกระบวนการ
