يجب ألا تكون لوحة التسخين الخاصة بالربط البصري أو معالجة رقائق أشباه الموصلات "مسطحة" فحسب، بل يجب أن تكون مسطحة ضمن بضعة ميكرومترات. لغة المواصفات لهذا هي Total Indicated Runout، والحصول عليها بشكل صحيح في الرسم يحدد عملية التصنيع بأكملها. يمكن أن يؤدي التسطيح المحدد بشكل سيئ إلى اتصال غير متساوٍ ونقاط ساخنة موضعية وأجزاء مرفوضة. يضمن TIR - المحدد جيدًا أن لوحة التسخين توفر نقلًا حراريًا موحدًا عبر سطح العمل بالكامل -وهو مطلب غير قابل للتفاوض في التطبيقات الدقيقة.
ما هو إجمالي الجريان المشار إليه (TIR) على لوحة التسخين؟
إجمالي الجريان المشار إليه هو أقصى تباين في ارتفاع السطح كما يتم قياسه بواسطة مؤشر القرص عند تدوير الجزء أو مسحه ضوئيًا عبر منطقة محددة. بالنسبة للوحة التسخين المسطحة، يعد TIR في الأساس مقياسًا للاستواء والتوازي معًا. يتم تثبيت المؤشر على نقطة مرجعية، ثم يتم نقله عبر الوجه العامل للوحة. يتم تسجيل أي انحراف-الذروة أو الوادي-. الفرق بين أعلى وأدنى قراءة خلال نطاق القياس المحدد هو قيمة TIR.
مواصفات TIR < 0.025 مم (25 ميكرومتر) على لوحة قطرها 300 مم تعني أنه لا توجد نقطة على السطح تنحرف عن المستوى المرجعي بأكثر من ± 0.0125 مم. بالنسبة للتطبيقات فائقة الدقة-، قد تكون قيم TIR منخفضة تصل إلى 0.010 مم أو حتى 0.005 مم. يعتمد TIR المطلوب عادةً على مدى تحمل سمك الجزء الذي تتم معالجته أو التحكم في الفجوة اللازمة لعملية الترقق أو الربط. تتطلب الأجزاء الرقيقة والأكثر حساسية (مثل رقائق أشباه الموصلات والزجاج البصري) TIR أكثر إحكامًا.
لماذا يمثل تحقيق TIR محكم تحديًا بالنسبة لألواح التسخين
لوحة التسخين ليست لوحًا معدنيًا بسيطًا. يحتوي على عناصر تسخين مدمجة (مسبوكة أو مثبتة في الأخاديد) أو يتم حفرها لسخانات الخرطوشة. قد تحتوي على آبار مزدوجة حرارية وفتحات تركيب وقنوات تبريد. تؤدي عملية التصنيع-التصنيع واللحام والمعالجة الحرارية- إلى حدوث ضغوط داخلية. يتم تحرير هذه الضغوط عند تسخين اللوحة إلى درجة حرارة التشغيل، مما يسبب الالتواء. قد تنحني اللوحة التي تم قياسها بشكل مسطح تمامًا في درجة حرارة الغرفة بمقدار 0.1 مم أو أكثر عند 150 درجة.
في الممارسة العملية،التسطيح هو خاصية تعتمد على درجة الحرارة-في لوحة التسخين. ولذلك، فإن تحديد TIR وحده لا يكفي. ويجب أيضًا ذكر درجة الحرارة التي يتم عندها القياس. يجب تحديد لوحة تسخين دقيقة باستخدام TIR يتم قياسه إما عند درجة الحرارة المحيطة (مع انحراف معروف ومقبول عند درجة حرارة التشغيل) أو، بشكل مثالي، يتم قياسه عند درجة حرارة التشغيل المقصودة.
خطوات العملية لتحقيق TIR دقيق
يتطلب تحقيق مواصفات TIR أقل من 0.025 مم تسلسلًا مخططًا بعناية لعمليات التصنيع.
1. إجهاد-المادة الفارغة المخففة
مادة البداية-عادةً سبائك الألومنيوم (على سبيل المثال، 6061-T6 أو 7075) أو الفولاذ (على سبيل المثال، الفولاذ الطري أو الفولاذ المقاوم للصدأ)-يجب تخفيف الضغط عليها-قبل أي معالجة دقيقة. نظرًا لأن-القضبان أو الألواح المستلمة غالبًا ما تحتوي على ضغوط متبقية من الدرفلة أو البثق. إن النقع الحراري لتخفيف الضغط (على سبيل المثال، 2-4 ساعات عند 340 درجة للألمنيوم، أو 600 درجة للصلب) متبوعًا بالتبريد البطيء يحرر هذه الضغوط. بدون هذه الخطوة، فإن المعالجة اللاحقة سوف تؤدي إلى عدم توازن مجال الضغط، وسوف تتشوه اللوحة عند تنشيط المدفأة.
2. الآلات الخام ودمج السخان
تم تصنيع اللوحة بشكل خشن بحيث تقترب من-أبعادها الصافية. يتم تركيب عناصر التسخين (على سبيل المثال، صبها في قالب رمل لصبها-في سخانات، أو ضغطها في الأخاديد الآلية). تضيف هذه الخطوة ضغوطًا جديدة بسبب الاختلافات في التمدد الحراري بين غلاف السخان ومادة اللوحة. بالنسبة لتطبيقات TIR الدقيقة، غالبًا ما يتم صب السخان في قلب ألومنيوم منفصل، والذي يتم بعد ذلك تخفيف الضغط- مرة أخرى قبل السطح النهائي.
3. تخفيف الضغط الحراري-بعد التجميع
بعد أن يتم دمج عناصر التسخين أو تثبيتها بالكامل، تخضع مجموعة اللوحة بالكامل لدورة حرارية أخرى-تخفف الضغط. هذا أمر بالغ الأهمية. الحرارة المنبعثة من العناصر نفسها خلال هذه الدورة (التي يتم تشغيلها إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الخدمة المقصودة) تؤدي إلى تقادم عملية التجميع بشكل مصطنع وتخفيف الضغوط التفاضلية. تُسمى هذه العملية أحيانًا "التدوير الحراري" أو "التثبيت المسبق-".
4. الطحن الدقيق
يتم طحن سطح العمل باستخدام مطحنة سطحية كبيرة الحجم- أو مطحنة قرصية مزدوجة-. يزيل الطحن فقط 0.2-0.5 مم من المادة النهائية، مما يؤدي إلى تشطيب السطح (Ra) بمقدار 0.8 ميكرومتر أو أفضل واستواء يقترب من قدرة الماكينة. بالنسبة للألواح التي يصل قطرها إلى 600 مم، يمكن لطاحونة السطح الحديثة تحقيق TIR<0.010 mm under controlled conditions.
5. اللف النهائي (اختياري)
بالنسبة لمواصفات TIR التي تكون أكثر صرامة من 0.010 مم (على سبيل المثال،<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.
تحديد TIR على الرسم الهندسي
للحصول على لوحة تسخين تفي بمتطلبات الدقة بنجاح، يجب أن تكون مواصفات TIR كاملة لا لبس فيها. قد تقرأ وسيلة شرح الرسم النموذجية ما يلي:
"يجب ألا يتجاوز إجمالي الجريان المشار إليه (TIR) لسطح العمل 0.020 مم عند قياسه وفقًا لـ ASME Y14.5M-1994. يجب إجراء القياس مع تثبيت اللوحة عند 100 درجة ± 5 درجة عبر كامل سطح العمل المحدد بالقطر D. لا يُسمح بأي انحراف محلي يتجاوز 0.010 مم على أي مساحة مربعة تبلغ 25 مم."
العناصر الرئيسية:
حد TIR.
معيار القياس (ASME Y14.5 أو ISO 1101).
درجة الحرارة التي يتم عندها إجراء القياس (درجة حرارة الغرفة، أو درجة حرارة التشغيل، أو كليهما).
المنطقة التي يتم تطبيق TIR عليها (على سبيل المثال، "على سطح العمل بأكمله" أو "ضمن 80% المركزية من اللوحة").
أي متطلبات إضافية "للاستواء المحلي" (على سبيل المثال، التحكم في التموج).
لا تحدد أبدًا TIR دون ذكر درجة الحرارة.اللوحة المسطحة في درجة حرارة الغرفة قد لا تكون مسطحة عند 150 درجة. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، يجب أن يُطلب من الشركة المصنعة توفير خريطة التسطيح عند درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة التشغيل.
مطابقة TIR مع التطبيق
يجب أن يعتمد TIR المطلوب على مدى تحمل الجزء الذي تتم معالجته وتوافقه مع السُمك.
Thick, rigid parts (e.g., metal sheets >3 ملم)- قد يكون TIR بمقدار 0.05-0.10 مم على 500 مم مقبولاً، حيث أن الجزء سوف يتوافق أو سوف يملأ المعجون الحراري الفجوات.
أغشية أو رقائق رقيقة ومرنة (<0.5 mm)– يجب أن يكون TIR<0.025 mm. For semiconductor wafers processed on a vacuum chuck, TIR <0.010 mm is typical.
الاتصال البصري (لا يوجد لاصق)– النقل البري الدولي<0.005 mm (lapping required).
الترقق مع ركائز صلبة– النقل البري الدولي<0.020 mm over the laminate area to avoid voids.
طرق التحقق
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 مم)، توفر آلة قياس الإحداثيات (CMM) أو مقياس التداخل الليزري بيانات أكثر دقة.
إذا تم تحديد اللوحة باستخدام TIR مقاسًا عند درجة حرارة التشغيل، فيجب إجراء اختبار تسخين متحكم فيه. يتم تنشيط اللوحة حتى نقطة ضبط الخدمة، ويُسمح لها بالاستقرار (عادةً من 30 إلى 60 دقيقة)، ثم يتم قياس TIR باستخدام مؤشر مقاوم للحرارة - أو مستشعر إزاحة الليزر غير المتصل. يجب تصحيح التمدد الحراري لحامل المؤشر.
الأخطاء الشائعة في تحديد TIR
أكثر من-التحديد– طلب TIR<0.005 mm when the application only requires 0.05 mm adds unnecessary cost (lapping is expensive).
نسيان درجة الحرارة- يعتبر TIR المحدد بدون درجة حرارة قياس غامضًا. قد توفر الشركة المصنعة لوحًا مسطحًا-درجة حرارة الغرفة-ينحني بشكل غير مقبول أثناء الخدمة.
إهمال فتحات التثبيت- ينبغي أن توضح مواصفات TIR ما إذا كان القياس يشمل المنطقة الموجودة مباشرة فوق فتحات التثبيت أو ما إذا كانت تلك المناطق مستبعدة. تشوه فتحات المسامير السطح محليًا إذا تم تشديد البراغي. يجب أن يحدد الرسم قيم عزم الدوران للتركيب.
لا يوجد تحكم في التسطيح المحلي– يمكن أن تلبي اللوحة TIR عالمي يبلغ 0.025 مم ولكن لا يزال بها حدبة حادة مقاس 0.020 مم فوق دائرة مقاس 10 مم-مشكلة "التموج". وسائل الشرح الإضافية لـ "التسطيح على أي مربع 25 مم" تمنع ذلك.
تأثير تكلفة تشديد TIR
العلاقة بين مواصفات TIR وتكلفة التصنيع ليست -خطية. لوحة مع 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.
لذلك، يجب على المهندس الذي يحدد اللوحة أن يحدد الحد الأدنى المقبول من TIR استنادًا إلى فيزياء العملية، ثم يضيف هامش أمان متواضعًا-ولكن لا يطالب بتسامح مشدد دون داع.
دور اختيار المواد
الألومنيوم (6061 أو 7075) هو مادة ألواح التسخين الأكثر شيوعًا بسبب موصليتها الحرارية العالية وسهولة تصنيعها. ومع ذلك، يتمتع الألومنيوم بمعامل تمدد حراري مرتفع نسبيًا (23 ميكرومتر/م · كلفن) وصلابة منخفضة. سوف تتدلى ألواح الألومنيوم الكبيرة (على سبيل المثال، قطر 600 مم) تحت وزنها إذا لم يتم دعمها بشكل صحيح. بالنسبة لمتطلبات TIR الضيقة للغاية، يمكن استخدام مركبات الصلب (16 ميكرومتر/م·ك) أو الألومنيوم-من كربيد السيليكون، ولكنها أثقل أو أكثر تكلفة.
ملخص: الرسم كعقد للأداء
تحديدإجمالي دقة مواصفات لوحة تسخين الجريان المشار إليهايضمن بشكل صحيح أن اللوح سيؤدي فعليًا وظيفته في توفير اتصال موحد وحرارة، وأن عملية التصنيع يمكن أن تلبي هذا المعيار. الرسم هو عقد للأداء، ويجب توصيل متطلبات الدقة بوضوح. من خلال تحديد حد TIR ودرجة حرارة القياس والمنطقة القابلة للتطبيق وأي قيود محلية على التسطيح، يزود المهندس الشركة المصنعة بهدف لا لبس فيه. والنتيجة هي لوحة تسخين تؤدي أداءً متوقعًا في التطبيقات الدقيقة-سواء كانت ربط العدسات البصرية، أو معالجة رقائق أشباه الموصلات، أو تصفيح الدوائر المرنة. التسطيح ليس ترفًا في مثل هذا العمل؛ إنه عامل تمكين للعملية.
