Прецизионные керамические компоненты для полупроводникового и метрологического оборудования: применение оксида алюминия, карбида кремния и нитрида кремния

Граниту уделяется больше всего внимания при проектировании сверхточных машин, но все большая доля производительности современного полупроводникового и метрологического оборудования приходится на инженерную керамику. Там, где конструкция требует электроизоляции, чрезвычайной износостойкости, высокой жесткости при небольшом весе или устойчивости к термическому удару, современная керамика превосходит металлы и часто превосходит гранит в конкретной роли. Производители оборудования, уже использующие гранитные основания, все чаще устанавливают поверх них керамические вставки, направляющие и подшипники. В этой статье сравниваются три основных материала: оксид алюминия, карбид кремния и нитрид кремния, показано, где каждый из них занимает свое место, и описываются типичные прецизионные керамические компоненты, изготовленные из них, а также практические рекомендации по заказу нестандартных деталей по чертежам.

Три материала, три разных прочности

Никакая керамика не является лучшей во всем, и первое инженерное решение — подобрать материал в соответствии с назначением. В приведенном ниже сравнении показано, чем на практике отличаются три распространенные конструкционные керамики. Значения различаются в зависимости от марки и производителя, поэтому воспринимайте таблицу как руководство по выбору, а не как таблицу данных.

Глинозем является выбором по умолчанию и охватывает самый широкий спектр применений. Это отличный электрический изолятор, он противостоит износу от скользящего контакта и абразивных частиц, имеет идеальную притертую поверхность и стоит значительно дешевле, чем две другие керамики. Для изолирующих прокладок, изнашиваемых накладок, измерительных поверхностей и общих конструктивных деталей оксид алюминия обычно является лучшим решением. Его тепловое расширение умеренно выше, чем у SiC, поэтому в сборках из смешанных материалов интерфейс следует проектировать с учетом этой разницы.

Карбид кремния используется, когда доминируют жесткость и тепловые характеристики. Его модуль упругости является одним из самых высоких среди всех конструкционных материалов, что означает, что деталь из карбида кремния меньше прогибается при той же нагрузке или достигает той же жесткости при меньшем весе. Его теплопроводность высока для керамики, а расширение очень низкое, поэтому компоненты SiC сохраняют геометрию при энергетическом цикле и являются естественными партнерами гранитных структур, к расширению которых они близко приближаются. Компромиссами являются плотность выше, чем у оксида алюминия, меньшая вязкость разрушения, чем у нитрида кремния, и более высокая цена, обусловленная сложностью спекания и шлифования. Зеркальные конструкции, компоненты воздушных подшипников для высоких ступеней ускорения и прецизионные конструкционные детали — это классические применения карбида кремния.

Нитрид кремния – специалист по прочности. Он выдерживает термический удар и ударные нагрузки, которые могут привести к растрескиванию двух других керамических материалов, что подходит для оборудования, связанного с нагревателями, для работы с деталями, которые подвергаются быстрым изменениям температуры, и для компонентов, разрушение которых было бы катастрофическим, а не просто неудобным. Шарики качения из Si3N4 входят в стандартную комплектацию гибридных подшипников для шпинделей станков и прецизионных ступеней. Там, где рабочий цикл включает в себя контакт, удар или резкие температурные градиенты, SiN оправдывает свою цену.

Типичные прецизионные керамические компоненты

Одни и те же три материала входят в узнаваемое семейство деталей полупроводникового и метрологического оборудования.

Керамические воздушные подшипники и подушки воздушных подшипников являются одними из наиболее требовательных применений. Керамический воздушный подшипник сочетает в себе движение воздушной пленки без трения со стабильностью керамического корпуса, а керамика дает два конкретных преимущества: электрическую изоляцию между движущимися и неподвижными частями и устойчивость к коррозии в атмосфере чистых помещений. Карбид кремния и пористый оксид алюминия используются в тех случаях, когда подшипник сам контролирует распределение воздуха. На этапах обработки пластин и контроля керамические воздушные компоненты предотвращают образование частиц и загрязнение смазкой, которые металлические подшипники не могут полностью устранить.

Керамические направляющие для КИМ и измерительных машин — второе по значимости семейство. Притертые керамические направляющие и опорные поверхности сочетают в себе износостойкость и малую массу, что снижает инерцию перемещения каретки и позволяет ускорить циклы измерения при равной силе привода. Прецизионная керамическая направляющая также работает бесшумно и сохраняет качество поверхности в течение многих лет, поскольку в ней нет ничего ржавеющего и мало изнашиваемого.

Керамические конструкционные детали заполняют оставшуюся часть: квадратные трубы и балки для легких жестких рам, инструментальные пластины и крепежные элементы, изолирующие зазоры между горячими зонами и прецизионными конструкциями, а также кронштейны, которые не должны искажать путь измерения. В полупроводниковых камерах и оборудовании для обработки пластин конструкционные детали из оксида алюминия являются стандартными везде, где плазма, химикаты или высокое напряжение могут воздействовать на металл.

Керамические измерительные компоненты дополняют комплект. Квадраты, линейки, меры и эталонные поверхности, изготовленные из оксида алюминия или карбида кремния, предназначены для лабораторий, которым необходимы изолированные, неизнашиваемые эталоны с термическим поведением, соответствующим гранитным пластинам, на которых они используются. Керамический квадрат, помещенный на гранитную поверхность, образует пару, почти согласованную по расширению, поэтому калибровка сохраняется при обычных колебаниях комнатной температуры.

Зачем сочетать керамику с гранитными конструкциями

Во многих лучших конструкциях машин используются оба материала, каждый из которых является наиболее прочным. Гранитное основание обеспечивает массивное, демпфированное, размеренно спокойное основание; Керамические компоненты обеспечивают изолированные, неизнашиваемые и легкие элементы сверху. SiC, в частности, расширяется со скоростью, близкой к скорости гранита, поэтому керамические вставки, приклеенные или прикрепленные болтами к гранитным конструкциям, сохраняют механическую гармонию при изменении температуры. Этот гибридный подход сейчас распространен в архитектуре КИМ, этапах контроля пластин и лазерных системах, и это практическая причина выбирать поставщика, который производит оба материала под одной крышей, поскольку интерфейсы можно соединить и согласовать вместе, а не согласовывать между двумя поставщиками.

Заказ керамических деталей на заказ по чертежу

Прецизионные керамические детали почти всегда изготавливаются на заказ. допуски, притираемые поверхности, отверстия и вставки необходимо планировать до спекания и шлифования, поскольку керамика обрабатывается алмазным инструментом, а повторная обработка стоит дорого. Удобный процесс заказа выглядит следующим образом: вы отправляете чертеж, в идеале в формате STEP или IGES для твердотельной модели, а также файлы DWG или PDF для допусков, примечаний и обозначений чистоты поверхности; Производитель проверяет выбор материала на предмет соответствия пошлине, подтверждает допуски на усадку при спекании и характеристики шлифования и возвращает предложение с указанием допусков, которые он будет соблюдать, и метода контроля для каждого из них. Два практических совета позволяют сократить петлю. Во-первых, укажите, какие поверхности являются функциональными, а какие косметическими, поскольку притирка каждой грани, когда только две поверхности, умножает стоимость. Во-вторых, четко обозначьте любые электрические или тепловые требования, поскольку от них часто зависит выбор марки материала.

Покупатели иногда спрашивают, может ли керамика сочетаться с металлическими вставками так, как это делают гранитные детали. Да, в определенных пределах: металлические вставки с резьбой могут быть вклеены в керамические корпуса, а стальные или титановые фитинги обычно крепятся с помощью клея или механического крепления, рассчитанного на более низкую прочность керамики. При проверке конструкции будет отмечено, где металлическая вставка меняет местную жесткость или тепловой путь, поэтому стоит отправить эти требования вместе с первым чертежом.

Качественные доказательства, которые стоит запросить

Керамика указывается по маркам, а сорта с одинаковыми названиями могут сильно различаться у разных поставщиков. Перед заказом запросите паспорт материала, указанный в предложении, включая плотность, прочность на изгиб, модуль упругости и тепловое расширение для фактической марки. Для прецизионных деталей запросите отчет о проверке размеров с указанием значений плоскостности и параллельности притертых поверхностей, измеренных при указанной температуре, и подтвердите, как исходные элементы сохранялись во время шлифования. Поставщики, которые измеряют то, что они отгружают, будут предоставлять эти документы в качестве стандартной практики, и отчеты станут вашей основой для входного контроля и любых будущих повторных заказов.

Отправьте свой рисунок на расценки

Если вашему оборудованию требуются изолирующие и изнашиваемые детали из оксида алюминия, структурные компоненты SiC или оборудование из SiN для работы в условиях термоудара, отправьте нам свои чертежи в формате STEP, IGES или DWG вместе с описанием условий эксплуатации: нагрузка, температура, окружающая среда и точность, которую должна выдерживать деталь. Мы производимпрецизионные керамические компонентывключая воздушные подшипники, направляющие, детали конструкции и эталоны для измерений, а также мы производимкомпоненты карбида кремниядля применений с высочайшей жесткостью, рядом с гранитными конструкциями, на которые они крепятся. Наши инженеры рассмотрят чертежи, порекомендуют марку материала и допустимые допуски, а также вернут коммерческое предложение с указанием времени выполнения заказа, обычно в течение нескольких рабочих дней. Изготовление на заказ по вашему чертежу — наша стандартная практика, а проверка чертежа бесплатна.