U opremi za proizvodnju poluvodiča, precizne keramičke komponente (kao što su elektrostatske stezne glave (ESC), fokusni prstenovi, izolacijski nosači, obloge vakuumskih komora i drugi položaji jezgri) naširoko se koriste u položajima jezgri zbog svoje vrhunske otpornosti na visoke temperature, otpornosti na plazma eroziju, visoke izolacije i niskih karakteristika toplinske deformacije. Međutim, keramički materijali su inherentno krti materijali visoke tvrdoće, bez sposobnosti plastične deformacije i fizičkih svojstava koja su izuzetno osjetljiva na toplinski stres i toplinski šok. To znači da tradicionalno razmišljanje o mehaničkom dizajnu za metale ili plastiku potpuno ne uspijeva u području keramike - metali mogu apsorbirati koncentracije naprezanja kroz lokalizirano plastično popuštanje, dok keramika dolazi do krhkog loma samo kada se prijeđe njihova granica elastičnosti. Stoga, da bi se dizajnirali precizni keramički crteži koji doista uzimaju u obzir funkcionalne zahtjeve i izvedivost obrade, dizajn za proizvodnost (DFM) mora biti integriran u cijeli proces geometrijske konfiguracije, sustava tolerancije, sučelja montaže i svojstava materijala.

1. Geometrijska konfiguracija i ograničenja tehnologije obrade

Iz perspektive optimizacije geometrijske konfiguracije, dizajn crteža mora u najvećoj mjeri biti u skladu s ograničenjima procesa modernih tehnologija obrade keramike (kao što su dijamantsko brušenje, ultrazvučna obrada, lasersko rezanje i zelena strojna obrada). U projektiranju konstrukcija prvo je načelo uklanjanje izvora koncentracije naprezanja. Oštre unutarnje kutove (kao što su prijelazi pod pravim kutom) treba izbjegavati na crtežima, jer ta područja mogu lako postati izvor mikropukotina i širenja pod poljem temperaturnog naprezanja tijekom procesa sinteriranja i naknadne mehaničke obrade, što dovodi do lomljenja ruba prilikom obrade ili loma tijekom rada. Svi unutarnji kutovi moraju biti projektirani što je moguće većim prijelaznim kutovima (R kutovi); ako se zbog zahtjeva montaže moraju zadržati pravi kutovi, strukturi se moraju dodati utorni utori ili reljefni utori. U isto vrijeme, ujednačenost debljine stjenke ključna je za određivanje kvalitete sinteriranja keramike. Budući da se industrijska keramika oblikuje od praha i zgušnjava sinteriranjem na visokoj temperaturi, velika razlika u debljini poprečnog presjeka dovest će do neravnomjernog skupljanja, uzrokujući teške deformacije savijanja, unutarnje zaostalo naprezanje, pa čak i pucanje. Osim toga, duboke šupljine, duboke slijepe rupe i strukture s visokim omjerom visine trebaju biti strogo ograničene u dizajnu značajki, jer to ne samo da će uzrokovati da se dijamantne glave za brušenje i ultrazvučni alati za obradu suoče s ozbiljnom nedostatnom krutošću i trošenjem alata, već će također uvelike pogoršati uvjete evakuacije strugotine i hlađenja.

2. Znanstveni kompromis između sustava tolerancije i kvalitete površine

Kada se radi o definiranju sustava tolerancije i kvalitete površine, inženjeri moraju napustiti inercijsko razmišljanje da "što je veća točnost, to bolje." Prevelike tolerancije odgovorne su za skokovito visoke troškove strojne obrade i visoke stope otpada komponenti tehničke keramike. Iako napredna keramika (kao što je aluminijev oksid, aluminijev nitrid, silicij karbid) može postići submikronsku dimenzionalnu točnost kroz precizno brušenje, crteži ne smiju nametati stroge tolerancije na sve dimenzije bez razlike. Dimenzije koje nisu povezane s površinama spajanja, slobodnim površinama ili pozicioniranjem sklopa trebale bi biti dovoljno opuštene kako bi im se omogućilo da slijede konvencionalne tolerancije zelenog kalupljenja ili sinteriranja za keramiku. Označavanje hrapavosti površine (Ra) mora biti ciljano - neobrađena sinterirana originalna površina obično ima veću hrapavost, dok funkcionalne površine (kao što su površina za vakuumsku adsorpciju vafera, površina za precizno poravnavanje dinamičkog brtvljenja, visokofrekventna i visokonaponska izolacijska površina) moraju jasno specificirati zahtjeve za preciznu obradu dijamantnim brušenjem ili poliranjem i točno odvagnuti njihov stvarni utjecaj na tribološke performanse, brzina stvaranja čestica i svojstva vakuumskog brtvljenja.

3. Montažno sučelje i prilagodba toplinske ekspanzije

Osim toga, ekstremni radni uvjeti poluvodičke opreme određuju da se keramički dijelovi moraju sastaviti s metalnim konstrukcijskim dijelovima, što predstavlja ozbiljne izazove za dizajn sučelja za sklapanje i pričvršćivanje na crtežima. Budući da se tvrda keramika ne može izravno narezivati ​​kako bi se stvorili pouzdani navoji (izravno narezivanje može lako dovesti do pucanja profila zuba ili klizanja zuba), dizajn izravnog narezivanja unutarnjih navoja na keramičkom tijelu treba u potpunosti izbjegavati na crtežima. Razumne alternative uključuju: projektiranje prolaznih rupa s upuštenim glavama ili stepenicama i korištenje metalnih vijaka za stezanje i pričvršćivanje; korištenjem visokotemperaturnih anorganskih ljepila ili vrućih rukava s ugrađenim metalnim umetcima; ili pomoću preciznih tlačnih ploča i prirubnih struktura za utiskivanje keramičkih dijelova na metalnu podlogu. Još kritičnije, velike razlike u koeficijentima toplinskog širenja moraju se kompenzirati u crtežima i tolerancijama pristajanja. Koeficijent toplinskog širenja keramike (kao što je aluminijev oksid, silicijev karbid) puno je niži od koeficijenta konstrukcijskih metala poput nehrđajućeg čelika, aluminijskih legura ili legura titana. Ako se tijekom dizajna ne osiguraju dovoljni razmaci za toplinsku ekspanziju između spojnih rupa ili iglica, kada se poluvodička šupljina podvrgne visokotemperaturnim procesima (kao što je CVD, efekt vruće stjenke Etch šupljine ili pečenje na visokoj temperaturi), budući da je brzina ekspanzije metala mnogo veća od one keramike, na keramičkim dijelovima neizbježno će se stvoriti stres ekstruzije, uzrokujući njihovo katastrofalno slomiti bez upozorenja.

4. Definicija ključnih tehničkih zahtjeva

Konačno, zreli i standardizirani inženjerski crtež poluvodičke keramike mora imati apsolutno nedvosmislene definicije svojstava materijala i procesa naknadne obrade u tehničkim zahtjevima ili naslovnom stupcu. To uglavnom uključuje sljedeće četiri osnovne dimenzije:

• Vrsta i čistoća materijala: Na primjer, 6% ili 99,9% glinice visoke čistoće i reakcijski sinterirani silicijev karbid koriste se za strogu kontrolu rizika od kontaminacije naprednih procesa poluvodiča nečistoćama u tragovima kao što su alkalni metali.
• Indikatori kompaktnosti i zrakonepropusnosti: Jasno definirajte treba li dio biti apsolutno gust s nula otvorenih pora (kako bi se zadovoljili zahtjevi okruženja s ultra visokim vakuumom) ili je dopuštena struktura s određenom poroznošću.
• Specifikacije rubne mikroprocesure: Obavezno je da svi oštri rubovi budu blago skošeni ili otupljeni (kao što je unutar 2 × 45° ili R0.2) kako bi se uklonile mikroskopske oštrice i spriječilo stvaranje mikroskopskih čestica tijekom rukovanja i sastavljanja u čistoj prostoriji.
• Specifikacije čišćenja i pakiranja: Konačni proizvod mora biti podvrgnut ultrazvučnom čišćenju i sušenju deioniziranom vodom visoke čistoće te mora biti pakiran u vakuumsko dvoslojno pakiranje koje zadovoljava standarde poluvodičkih čistih soba.