Como especificar uma placa de aquecimento com um desvio total indicado (TIR) ​​específico para aplicação de precisão?

Uma placa de aquecimento para ligação óptica ou processamento de wafer semicondutor não deve ser apenas "plana", mas plana dentro de alguns mícrons. A linguagem de especificação para isso é Total Indicated Runout . Acertar no desenho determina todo o processo de fabricação. Planicidade mal definida pode causar contato irregular, áreas quentes e peças rejeitadas. Um TIR bem especificado proporciona uma transferência térmica uniforme da placa de aquecimento em toda a área de trabalho – uma necessidade absoluta onde a precisão é o nome do jogo. TIR ou desvio total indicado em uma placa de aquecimento? O desvio total indicado é a flutuação máxima na altura de uma superfície, conforme determinado por um relógio comparador, à medida que a peça é girada ou digitalizada sobre uma área definida. Para uma placa de aquecimento plana, o TIR é realmente uma medida de planicidade e paralelismo juntos. O indicador é colocado em zero em relação a um ponto de referência e então movido sobre a face de trabalho da placa. Qualquer mudança - pico ou vale - é anotada. O valor TIR é a diferença entre a leitura mais alta e mais baixa em toda a faixa de medição declarada. O critério de TIR < 0,025 mm (25 micrômetros) em uma placa de 300 mm de diâmetro significa que nenhum ponto na superfície está a mais de ± 0,0125 mm do plano de referência. Em aplicações de ultra{17}}precisão, valores TIR de 0,010\\;mm ou mesmo 0,005\\;mm podem ser necessários. O TIR necessário é frequentemente determinado pela tolerância de espessura do objeto que está sendo processado ou pelo controle de folga necessário para um processo de laminação ou colagem. Peças mais finas e sensíveis (por exemplo, wafers semicondutores, vidro óptico) requerem TIR mais estreito. Por que é difícil obter um TIR apertado para placas de aquecimento Uma placa de aquecimento não é apenas uma placa de metal. Ele é fornecido com ranhuras-fundidas ou fixadas-em ranhuras para elementos de aquecimento ou perfuradas para aquecedores de cartucho. Pode ter poços de termopar, furos de montagem e canais de resfriamento. As tensões internas são causadas pelo processo de produção - usinagem, soldagem, tratamento térmico. Estas tensões são liberadas quando a placa é aquecida até a temperatura de trabalho, criando empenamento. Uma placa plana à temperatura normal pode curvar-se 0,1 mm ou mais a 150 C. Na prática, a planicidade é uma característica dependente da temperatura em uma placa de aquecimento. Assim, o TIR por si só não é suficiente para especificar. A temperatura na qual a medição é feita deve ser especificada. Uma placa de aquecimento de precisão deve ser especificada com um TIR medido à temperatura ambiente (com um desvio conhecido e aceitável na temperatura operacional) ou, melhor, medido na temperatura operacional prevista. Etapas do processo para obter um TIR de precisão Para atingir um padrão TIR inferior a 0,025 mm, é necessária uma série de atividades de fabricação bem planejadas. 1. Material bruto com alívio de tensão Antes de qualquer usinagem de precisão, a matéria-prima, geralmente liga de alumínio (por exemplo,. 6061-T6 ou 7075) ou aço (por exemplo, aço macio ou inoxidável), deve ser aliviada de tensão. Tensões residuais em barras ou chapas recebidas são comuns, devido à laminação ou extrusão. Essas tensões podem ser aliviadas com uma imersão (digamos 2-4 horas a 340°C para alumínio ou 600°C para aço) e um resfriamento lento . Sem esse processo, a usinagem subsequente desequilibrará o campo de tensão e a placa se deformará quando o aquecedor for energizado.. 2. Usinagem de desbaste e incorporação de aquecedores A placa é usinada de desbaste até atingir as dimensões aproximadas. Os elementos de aquecimento são posicionados (por exemplo, fundidos em um molde de areia para moldados-em aquecedores ou prensados ​​em ranhuras usinadas). Esta etapa traz novas pressões devido à diferença de dilatação térmica entre a bainha do aquecedor e o material da placa. Para aplicações TIR precisas, o aquecedor geralmente é fundido em um núcleo de alumínio separado e novamente aliviado a tensão-antes da superfície final. 3.Alívio da tensão térmica pós{63}}da montagem-Quando os elementos de aquecimento são totalmente implantados ou fixados, todo o conjunto da placa recebe outro ciclo térmico de alívio de tensão. Isto é importante. Neste ciclo, os próprios elementos são aquecidos a uma temperatura superior à temperatura de serviço especificada e o calor que geram envelhece artificialmente o conjunto e relaxa as tensões diferenciais. Isso às vezes é chamado de "ciclagem térmica" ou "pré-estabilização". 4. Esmerilhamento com precisão A superfície de trabalho é retificada com uma esmerilhadeira de-formato grande ou esmerilhadeira de disco duplo. A retificação remove apenas os últimos 0,2 a 0,5 mm de material e produz um acabamento superficial (Ra) de 0,8 µm ou superior e uma planicidade que se aproxima da capacidade da máquina. Sob configurações regulamentadas, um moedor de superfície contemporâneo pode produzir um TIR<0.010 mm for plates up to 600 mm in diameter. 5. Optional Final Lapping Lapping is essential for TIR specs tighter than 0.010 mm (i.e., <0.005 mm over 200 mm). Lapping employs a fine abrasive slurry between the plate and a precise flat lapping plate. It is a long procedure but near-optical flatness can be obtained. Semiconductor hot chucks or optical bond platen are often required to have lapped surfaces. Engineering Drawing – TIR Specification To effectively acquire a heating plate that meets the accuracy requirements, the TIR specification must be unambiguous and thorough. A typical callout on a drawing might be: The Total Indicated Runout (TIR) of the working surface shall not be greater than 0.020 mm as measured to ASME Y14.5M-1994. The measurement shall be made with the plate stabilised at 100 °C ± 5 °C over the whole working surface as described by diameter D. "No local deviation greater than 0.010 mm over any 25 mm square area is permitted." Key elements: The TIR limit. The measurement standard (ASME Y14.5 or ISO 1101).. . • Measurement temperature (room temperature, operating temperature or both). The TIR zone applicable (for example, "over the whole working surface" or "in the central 80% of the plate"). Any other "local flatness" requirement (e.g., waviness control) Never give a TIR without the temperature. A flat plate at room temperature may no longer be flat at 150 °C. For sensitive applications the manufacturer should be compelled to submit a flatness map at both ambient and operating temperature. Matching TIR to Application The TIR required must be defined by the thickness tolerance and compliance of the part being machined. Thick, inflexible parts (e.g. metal sheets >3 mm) – Um TIR de 0,05-0,10 mm acima de 500 mm pode ser aceitável, pois o item estará em conformidade ou a pasta térmica preencherá as lacunas. Filmes ou wafers finos e flexíveis (<0.5mm) - TIR must be <0.025mm. • Common TIR for semiconductor wafers produced on a vacuum chuck is <.010 mm. Optical contacts (no adhesive) – <0.005 mm TIR (lapping necessary). Laminating with rigid substrates - TIR <0.020 mm over the laminate area to avoid voids. Verification Procedures TIR needs to be verified by the buyer or end user upon receipt. A easy way is to utilise a dial test indicator on a surface plate. The heating plate is supported by three supports of precise height adjustment calibrated to a reference plane. The indicator is walked in a grid-like manner. For larger plates (>500 mm), uma máquina de medição por coordenadas (CMM) ou um interferômetro a laser oferecem dados mais precisos. Se a placa for especificada com TIR medido à temperatura operacional, um teste de aquecimento controlado deverá ser realizado. A placa é energizada até o ponto de ajuste de serviço e estabilizada (normalmente 30-60 minutos) e o TIR é registrado com uma indicação-resistente ao calor ou um-sensor de deslocamento a laser sem contato. É necessária uma correção para a expansão térmica do suporte do indicador. Erros comuns na especificação TIR sobre-especificação - Especificação de TIR<0.005mm when the application only needs 0.05mm increases expense unnecessarily (lapping is expensive). Forgetting temperature - A TIR without a defined measuring temperature is unclear. A manufacturer may deliver a room temperature flat plate that bows in service to an unacceptable degree. Mounting Holes Ignored - The TIR standard should indicate if the measurement includes the area right above the fastener holes or if such areas are omitted. Overtightening of bolts leads to local distortion of the surface. There should be specific torque values for mounting shown on the drawing. No local flatness control - A plate can meet a global TIR of 0.025 mm and still have a sharp 0.020 mm hump over a 10 mm circle - a "waviness" concern. This is offset by further calls for "flatness over any 25 mm square". Cost Impact on TIR of Tightening The TIR specification and the manufacturing cost are not linearly related. A stress relieved plate stock can be milled by standard methods to a TIR <0.05 mm plate requiring little grinding. If the TIR is less than 0.025 mm, special cycles of grinding and stress alleviation are necessary. At TIR <0.010 mm, lapping and numerous cycles of thermal stabilisation are necessary, increasing or triple the cost. Thus, the engineer designing the plate should pick the least permissible TIR based on process physics, then add a little safety margin, but not specify a needlessly tight tolerance. Material Selection Aluminium (6061 or 7075) is the most frequent heating plate material because of its excellent thermal conductivity and ease of machining. Aluminium, however, has a rather high coefficient of thermal expansion (23 µm/m·K) and poor rigidity. Large aluminium plates (e.g. 600 mm diameter) will sag under their own weight unless they are adequately supported. For very tight TIR requirements, steel (16 µm/m.K) or aluminum-silicon carbide composites can be employed although they are heavier or more expensive. Summary : The Drawing as Contract for Performance Properly specifying the total suggested runout of the heating plate assures that the platen will really accomplish its job of providing uniform contact and heat, and that the manufacturing process is capable of meeting that spec. A drawing is a performance contract and the precise standards must be explicitly defined. The engineer gives the manufacturer a clear goal by defining the TIR limit, the measurement temperature, the area where the application is to be used and any local flatness requirements. The outcome is a heated plate that is predictable in the precision application -- be it glueing optical lenses, manufacturing semiconductor wafers or laminating flexible circuits. Flatness is not a luxury in such job. It is a process enabler.