V zariadeniach na výrobu polovodičov sa presné keramické komponenty (ako sú elektrostatické skľučovadlá (ESC), zaostrovacie krúžky, izolačné podpery, obloženia vákuových komôr a iné polohy jadra) široko používajú v pozíciách jadra kvôli ich vynikajúcej odolnosti voči vysokej teplote, odolnosti proti erózii plazmy, vysokej izolácii a nízkej tepelnej deformácii. Keramické materiály sú však vo svojej podstate krehké materiály s vysokou tvrdosťou, bez schopnosti plastickej deformácie a fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré sú mimoriadne citlivé na tepelné namáhanie a teplotný šok. To znamená, že tradičné mechanické konštrukčné myslenie pre kovy alebo plasty v oblasti keramiky úplne zlyháva - kovy môžu absorbovať koncentrácie napätia prostredníctvom lokálneho poddajnosti plastu, zatiaľ čo keramika podlieha krehkému lomu až vtedy, keď je prekročená hranica ich pružnosti. Preto na navrhovanie presných keramických výkresov, ktoré skutočne zohľadňujú funkčné požiadavky a uskutočniteľnosť spracovania, musí byť dizajn pre vyrobiteľnosť (DFM) integrovaný do celého procesu geometrickej konfigurácie, tolerančného systému, montážneho rozhrania a vlastností materiálu.

1. Obmedzenia geometrickej konfigurácie a technológie spracovania

Z hľadiska optimalizácie geometrickej konfigurácie musí výkresový návrh v maximálnej miere zodpovedať procesným limitom moderných technológií spracovania keramiky (ako je diamantové brúsenie, ultrazvukové spracovanie, rezanie laserom a zelené obrábanie). Pri návrhu konštrukcie je prvým princípom eliminácia zdrojov koncentrácie napätia. Na výkresoch by ste sa mali vyhnúť ostrým vnútorným rohom (ako sú pravouhlé prechody), pretože tieto oblasti sa môžu ľahko stať zdrojom iniciácie a expanzie mikrotrhlín pod poľom teplotného napätia počas procesu spekania a následného mechanického spracovania, čo vedie k vylamovaniu hrán pri opracovaní alebo lomu. Všetky vnútorné rohy musia byť navrhnuté čo najväčšie prechodové zaoblenia (R rohy); ak musia byť zachované pravé uhly kvôli požiadavkám na montáž, musia sa do konštrukcie pridať podrezané drážky alebo odľahčovacie drážky. Rovnomernosť hrúbky steny je zároveň kľúčová pre určenie kvality keramického spekania. Pretože priemyselná keramika je tvorená z prášku a zhutňovaná vysokoteplotným spekaním, obrovský rozdiel v hrúbke prierezu povedie k nerovnomernému zmršťovaniu, čo spôsobí silnú deformáciu deformácie, vnútorné zvyškové napätie a dokonca aj praskanie. Navyše, hlboké dutiny, hlboké slepé diery a štruktúry s vysokým pomerom strán by mali byť prísne obmedzené v dizajne prvkov, pretože to nielenže spôsobí, že diamantové brúsne hlavy a ultrazvukové obrábacie nástroje budú čeliť vážnej nedostatočnej tuhosti a opotrebovaniu nástroja, ale tiež to výrazne zhorší odvod triesok a podmienky chladenia.

2. Vedecký kompromis medzi systémom tolerancie a kvalitou povrchu

Pokiaľ ide o definovanie tolerančných systémov a kvality povrchu, inžinieri musia opustiť inerciálne myslenie, že „čím vyššia presnosť, tým lepšie“. Prílišné tolerancie sú zodpovedné za stúpajúce náklady na obrábanie a vysokú mieru zmetkovitosti komponentov technickej keramiky. Aj keď pokročilá keramika (ako je oxid hlinitý, nitrid hliníka, karbid kremíka) môže dosiahnuť submikrónovú rozmerovú presnosť vďaka presnému brúseniu, výkresy nesmú klásť prísne tolerancie na všetky rozmery bez rozdielu. Rozmery, ktoré nesúvisia s lícovanými povrchmi, voľnými povrchmi alebo umiestnením zostavy, by mali byť dostatočne uvoľnené, aby im umožnili dodržiavať bežné tolerancie surového tvarovania alebo spekania pre keramiku. Označenie drsnosti povrchu (Ra) musí byť cielené - nespracovaný sintrovaný pôvodný povrch má zvyčajne vyššiu drsnosť, zatiaľ čo funkčné povrchy (ako je vákuový adsorpčný povrch plátku, povrch s precíznym vyrovnaním dynamického tesnenia, vysokofrekvenčný a vysokonapäťový izolačný povrch) musia jasne špecifikovať požiadavky na presné vlastnosti pri brúsení alebo leštení diamantom, opracovanie vákuovým nárazom a na presné tribologické zváženie.

3. Montážne rozhranie a prispôsobenie tepelnej rozťažnosti

Okrem toho extrémne pracovné podmienky polovodičových zariadení určujú, že keramické časti musia byť zmontované s kovovými konštrukčnými časťami, čo predstavuje vážne problémy pri návrhu montážneho a upevňovacieho rozhrania na výkresoch. Keďže tvrdú keramiku nie je možné priamo rezať závitom na vytvorenie spoľahlivých závitov (priame rezanie môže ľahko viesť k prasknutiu profilu zuba alebo skĺznutiu zuba), na výkresoch by sa malo úplne vyhnúť návrhu priameho rezania vnútorných závitov na keramickom tele. Primerané alternatívy zahŕňajú: navrhovanie priechodných otvorov so zapustenými hlavami alebo schodíkmi a používanie kovových skrutiek s priechodnými otvormi na upínanie a upevňovanie; použitie vysokoteplotných anorganických lepidiel alebo horúcich objímok s vloženými kovovými vložkami; alebo pomocou presných prítlačných dosiek a prírubových štruktúr na lisovanie keramických dielov na kovovú základňu. Čo je kritickejšie, veľké rozdiely v koeficientoch tepelnej rozťažnosti musia byť kompenzované vo výkresoch a toleranciách lícovania. Koeficient tepelnej rozťažnosti keramiky (ako je oxid hlinitý, karbid kremíka) je oveľa nižší ako koeficient konštrukčných kovov, ako je nehrdzavejúca oceľ, zliatiny hliníka alebo zliatiny titánu. Ak počas navrhovania nie sú medzi spojovacími otvormi alebo kolíkmi vyhradené dostatočné tepelné dilatačné medzery, keď dutina polovodiča prechádza vysokoteplotnými procesmi (ako je CVD, efekt horúcej steny leptacej dutiny alebo vysokoteplotné vypaľovanie), pretože rýchlosť rozťažnosti kovu je oveľa väčšia ako rýchlosť keramiky, na keramických častiach sa nevyhnutne vytvorí extrúzne napätie bez varovného lomu.

4. Definícia kľúčových technických požiadaviek

Napokon, vyzretý a štandardizovaný technický výkres polovodičovej keramiky musí mať absolútne jednoznačné definície materiálových vlastností a procesov následného spracovania v stĺpci technické požiadavky alebo nadpis. To zahŕňa najmä tieto štyri základné dimenzie:

• Kvalita a čistota materiálu: Napríklad 6% alebo 99,9% vysoko čistý oxid hlinitý a reakčne spekaný karbid kremíka sa používajú na prísnu kontrolu rizika kontaminácie pokročilých polovodičových procesov stopovými nečistotami, ako sú alkalické kovy.
• Indikátory kompaktnosti a vzduchotesnosti: Jasne definujte, či diel musí byť absolútne hustý s nulovými otvorenými pórmi (na splnenie požiadaviek prostredia s ultravysokým vákuom), alebo či je povolená štruktúra so špecifickou pórovitosťou.
• Špecifikácie mikrospracovania Edge: Je povinné, aby všetky ostré hrany boli mierne skosené alebo otupené (napríklad v rámci 2 × 45° alebo R0,2), aby sa eliminovali mikroskopické otrepy a zabránilo sa vytváraniu mikroskopických častíc počas manipulácie a montáže v čistých priestoroch.
• Špecifikácie čistenia a balenia: Konečný produkt musí prejsť ultrazvukovým čistením a sušením vysoko čistou deionizovanou vodou a musí byť zabalený vo vákuovom dvojvrstvovom balení, ktoré spĺňa štandardy pre polovodičové čisté priestory.