În echipamentele de fabricare a semiconductoarelor, componentele ceramice de precizie (cum ar fi mandrinele electrostatice (ESC), inelele de focalizare, suporturile izolatoare, căptușelile camerei de vid și alte poziții ale miezului) sunt utilizate pe scară largă în pozițiile miezului datorită rezistenței superioare la temperatură ridicată, rezistenței la eroziune cu plasmă, izolației ridicate și caracteristicilor de deformare termică scăzută. Cu toate acestea, materialele ceramice sunt materiale în mod inerent fragile, cu duritate mare, fără capacitate de deformare plastică și proprietăți fizice care sunt extrem de sensibile la stresul termic și șocul termic. Aceasta înseamnă că gândirea tradițională de proiectare mecanică pentru metale sau materiale plastice eșuează complet în domeniul ceramicii - metalele pot absorbi concentrațiile de tensiuni prin cedarea plastică localizată, în timp ce ceramica suferă fracturi fragile doar atunci când limita lor elastică este depășită. Prin urmare, pentru a proiecta desene ceramice de precizie care să țină cont cu adevărat de cerințele funcționale și de fezabilitatea procesării, proiectarea pentru fabricabilitate (DFM) trebuie să fie integrată în întregul proces de configurare geometrică, sistemul de toleranță, interfața de asamblare și proprietățile materialului.

1. Configurația geometrică și limitările tehnologiei de procesare

Din perspectiva optimizării configurației geometrice, desenul trebuie să respecte limitele de proces ale tehnologiilor moderne de prelucrare a ceramicii (cum ar fi șlefuirea cu diamant, prelucrarea cu ultrasunete, tăierea cu laser și prelucrarea verde) în cea mai mare măsură. În proiectarea structurală, eliminarea surselor de concentrare a tensiunilor este primul principiu. Colțurile interioare ascuțite (cum ar fi tranzițiile în unghi drept) trebuie evitate pe desene, deoarece aceste zone pot deveni cu ușurință sursa de inițiere și expansiune a micro-fisurilor sub câmpul de tensiune termică în timpul procesului de sinterizare și a prelucrării mecanice ulterioare, ceea ce duce la așchierea marginii de prelucrare sau la rupere de serviciu. Toate colțurile interne trebuie proiectate fileuri de tranziție cât mai mari posibil (colțurile R); dacă unghiurile drepte trebuie păstrate din cauza cerințelor de asamblare, trebuie adăugate structurii caneluri subdecupate sau caneluri de relief. În același timp, uniformitatea grosimii peretelui este esențială pentru determinarea calității sinterizării ceramice. Deoarece ceramica industrială este formată din pulbere și densificată prin sinterizarea la temperatură înaltă, diferența uriașă de grosime a secțiunii transversale va duce la contracție neuniformă, provocând deformare severă a deformarii, stres rezidual intern și chiar crăpare. În plus, cavitățile adânci, găurile oarbe adânci și structurile cu raport de aspect ridicat ar trebui să fie strict limitate în designul caracteristicilor, deoarece acest lucru nu numai că va face ca capetele de șlefuit cu diamant și uneltele de prelucrare cu ultrasunete să se confrunte cu rigiditate și uzură insuficientă severă a sculei, dar va înrăutăți și condițiile de evacuare și răcire a așchiilor.

2. Compromis științific între sistemul de toleranță și calitatea suprafeței

Când vine vorba de definirea sistemelor de toleranță și a calității suprafeței, inginerii trebuie să renunțe la gândirea inerțială că „cu cât este mai mare precizia, cu atât mai bine”. Toleranțe excesive sunt responsabile pentru creșterea costurilor de prelucrare și ratele ridicate de deșeuri ale componentelor ceramice tehnice. Deși ceramica avansată (cum ar fi oxidul de aluminiu, nitrura de aluminiu, carbura de siliciu) poate obține o precizie dimensională submicroană prin șlefuire de precizie, desenele nu trebuie să impună toleranțe stricte asupra tuturor dimensiunilor fără distincție. Dimensiunile care nu sunt legate de suprafețele de îmbinare, suprafețele libere sau poziționarea ansamblului ar trebui să fie suficient de relaxate pentru a le permite să respecte toleranțele convenționale de turnare verde sau sinterizare pentru ceramică. Etichetarea rugozității suprafeței (Ra) trebuie să fie vizată - suprafața originală sinterizată neprelucrată are de obicei o rugozitate mai mare, în timp ce suprafețele funcționale (cum ar fi suprafața de adsorbție în vid a plachetei, suprafața de aliniere cu precizie a etanșării dinamice, suprafața de izolație de înaltă frecvență și tensiune înaltă) trebuie să specifice clar cerințele pentru prelucrarea de precizie sau lustruire exactă a diamantelor asupra procesului de șlefuire sau lustruire cu precizie. performanța tribologică, rata de generare a particulelor și proprietățile de etanșare în vid.

3. Interfață de asamblare și adaptare la dilatare termică

În plus, condițiile extreme de lucru ale echipamentelor semiconductoare determină ca piesele ceramice să fie asamblate cu piese structurale metalice, ceea ce ridică provocări grave pentru proiectarea interfeței de asamblare și de fixare din desene. Deoarece ceramica tare nu poate fi lovită direct pentru a crea filete fiabile (atingerea directă poate duce cu ușurință la crăparea profilului dintelui sau la alunecarea dintelui), proiectarea fileturilor interne directe pe corpul ceramicii trebuie evitată complet în desene. Alternativele rezonabile includ: proiectarea găurilor traversante cu capete sau trepte înfundate și utilizarea șuruburilor metalice pentru găuri traversante pentru prindere și fixare; folosind adezivi anorganici la temperatură înaltă sau manșoane fierbinți cu inserții metalice încorporate; sau folosind plăci de presiune de precizie și structuri de flanșă pentru a presa piesele ceramice pe baza metalică. Mai critic, diferențele mari în coeficienții de dilatare termică trebuie compensate în desene și toleranțe de potrivire. Coeficientul de dilatare termică al ceramicii (cum ar fi alumina, carbura de siliciu) este mult mai mic decât cel al metalelor structurale precum oțelul inoxidabil, aliajele de aluminiu sau aliajele de titan. Dacă nu sunt rezervate suficiente goluri de dilatare termică între găurile sau știfturile de împerechere în timpul proiectării, atunci când cavitatea semiconductoare este supusă unor procese de temperatură înaltă (cum ar fi CVD, efectul de perete fierbinte al cavității Etch sau coacere la temperatură înaltă), deoarece viteza de dilatare a metalului este mult mai mare decât cea a ceramicii, stresul de extrudare va fi inevitabil generat pe piesele ceramice, făcându-le catastrofă făcând un război caustic.

4. Definirea cerințelor tehnice cheie

În cele din urmă, un desen de inginerie ceramică cu semiconductor matur și standardizat trebuie să aibă definiții absolut clare ale proprietăților materialelor și proceselor de post-procesare în cerințele tehnice sau coloana de titlu. Aceasta include în principal următoarele patru dimensiuni de bază:

• Calitatea materialului și puritatea: De exemplu, 6% sau 99,9% alumină de înaltă puritate și carbură de siliciu sinterizată prin reacție sunt utilizate pentru a controla strict riscul de contaminare a proceselor avansate de semiconductor cu urme de impurități, cum ar fi metalele alcaline.
• Indicatori de compactitate și etanșeitate la aer: Definiți clar dacă piesa trebuie să fie absolut densă, cu zero pori deschisi (pentru a îndeplini cerințele mediilor cu vid ultra-înalt) sau dacă este permisă o structură cu o porozitate specifică.
• Specificații de microprocesare Edge: Este obligatoriu ca toate marginile ascuțite să fie ușor teșite sau tocite (cum ar fi 2 × 45° sau R0,2) pentru a elimina bavurile microscopice și pentru a preveni generarea de particule microscopice în timpul manipulării și asamblarii în camera curată.
• Specificații de curățare și ambalare: Produsul final trebuie să fie supus curățării și uscării cu ultrasunete cu apă deionizată de înaltă puritate și să fie ambalat într-un pachet de vid cu două straturi, care îndeplinește standardele camerei curate pentru semiconductori.