W sprzęcie do produkcji półprzewodników precyzyjne elementy ceramiczne (takie jak uchwyty elektrostatyczne (ESC), pierścienie ostrości, wsporniki izolacyjne, wykładziny komory próżniowej i inne pozycje rdzenia) są szeroko stosowane w pozycjach rdzenia ze względu na ich doskonałą odporność na wysoką temperaturę, odporność na erozję plazmową, wysoką izolację i niskie właściwości odkształceń termicznych. Jednakże materiały ceramiczne są z natury materiałami kruchymi, o dużej twardości, braku zdolności do odkształcenia plastycznego i właściwościach fizycznych, które są niezwykle wrażliwe na naprężenia termiczne i szok termiczny. Oznacza to, że tradycyjne podejście do projektowania mechanicznego metali lub tworzyw sztucznych całkowicie zawodzi w dziedzinie ceramiki - metale mogą absorbować koncentrację naprężeń poprzez miejscowe uplastycznienie, podczas gdy ceramika ulega kruchemu pękaniu dopiero po przekroczeniu granicy sprężystości. Dlatego też, aby zaprojektować precyzyjne rysunki ceramiki, które rzeczywiście uwzględniają wymagania funkcjonalne i wykonalność przetwarzania, projektowanie pod kątem produktywności (DFM) musi zostać zintegrowane z całym procesem konfiguracji geometrycznej, systemu tolerancji, interfejsu montażowego i właściwości materiału.

1. Ograniczenia konfiguracji geometrycznej i technologii przetwarzania

Z punktu widzenia optymalizacji konfiguracji geometrycznej projekt rysunku musi w jak największym stopniu odpowiadać ograniczeniom procesowym nowoczesnych technologii obróbki ceramiki (takich jak szlifowanie diamentowe, obróbka ultradźwiękowa, cięcie laserowe i obróbka ekologiczna). W projektowaniu konstrukcyjnym pierwszą zasadą jest eliminacja źródeł koncentracji naprężeń. Na rysunkach należy unikać ostrych narożników wewnętrznych (takich jak przejścia pod kątem prostym), ponieważ obszary te mogą łatwo stać się źródłem inicjacji mikropęknięć i rozszerzania się pod polem naprężeń temperaturowych podczas procesu spiekania i późniejszej obróbki mechanicznej, prowadząc do odpryskiwania krawędzi obróbczej lub pęknięcia eksploatacyjnego. Wszystkie narożniki wewnętrzne muszą być zaprojektowane z możliwie dużymi zaokrągleniami przejściowymi (narożniki R); jeżeli ze względu na wymagania montażowe konieczne jest zachowanie kątów prostych, w konstrukcji należy dodać podcięte rowki lub rowki odciążające. Jednocześnie równomierność grubości ścianek ma kluczowe znaczenie dla określenia jakości spiekania ceramiki. Ponieważ ceramika przemysłowa jest formowana z proszku i zagęszczana w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze, ogromna różnica w grubości przekroju poprzecznego doprowadzi do nierównomiernego skurczu, powodując poważne odkształcenie wypaczenia, wewnętrzne naprężenia szczątkowe, a nawet pękanie. Ponadto głębokie wnęki, głębokie otwory nieprzelotowe i konstrukcje o wysokim współczynniku kształtu powinny być ściśle ograniczone w projektowaniu elementów, ponieważ nie tylko spowoduje to, że diamentowe głowice szlifierskie i ultradźwiękowe narzędzia do obróbki będą narażone na poważną niewystarczającą sztywność i zużycie narzędzia, ale także znacznie pogorszą odprowadzanie wiórów i warunki chłodzenia.

2. Naukowy kompromis pomiędzy systemem tolerancji a jakością powierzchni

Jeśli chodzi o definiowanie systemów tolerancji i jakości powierzchni, inżynierowie muszą porzucić inercyjne myślenie, że „im wyższa dokładność, tym lepiej”. Nadmierne tolerancje są przyczyną rosnących kosztów obróbki i wysokiego wskaźnika złomowania technicznych elementów ceramicznych. Chociaż zaawansowana ceramika (taka jak tlenek glinu, azotek glinu, węglik krzemu) może osiągnąć dokładność wymiarową poniżej mikrona poprzez precyzyjne szlifowanie, rysunki nie mogą narzucać ścisłych tolerancji dla wszystkich wymiarów bez rozróżnienia. Wymiary niezwiązane z powierzchniami współpracującymi, powierzchniami swobodnymi lub pozycją zespołu powinny być wystarczająco luźne, aby umożliwić im zgodność z konwencjonalnymi tolerancjami surowego formowania lub spiekania ceramiki. Oznaczenie chropowatości powierzchni (Ra) musi być ukierunkowane — nieprzetworzona, oryginalna powierzchnia spiekana ma zwykle wyższą chropowatość, podczas gdy powierzchnie funkcjonalne (takie jak powierzchnia adsorpcji próżniowej płytki, powierzchnia precyzyjnego wyrównywania uszczelnienia dynamicznego, powierzchnia izolacji wysokiej częstotliwości i wysokiego napięcia) muszą jasno określić wymagania dotyczące precyzyjnego szlifowania lub polerowania diamentem i dokładnie ważyć ich rzeczywisty wpływ na wydajność tribologiczną, szybkość wytwarzania cząstek i właściwości uszczelniania próżniowego.

3. Interfejs montażowy i adaptacja do rozszerzalności cieplnej

Ponadto ekstremalne warunki pracy sprzętu półprzewodnikowego powodują, że części ceramiczne muszą być montowane z metalowymi częściami konstrukcyjnymi, co stwarza poważne wyzwania dla projektu interfejsu montażu i mocowania na rysunkach. Ponieważ twardej ceramiki nie można bezpośrednio gwintować w celu wytworzenia niezawodnych gwintów (gwintowanie bezpośrednie może łatwo doprowadzić do pęknięcia profilu zęba lub poślizgu zęba), na rysunkach należy całkowicie unikać projektowania gwintów wewnętrznych bezpośrednio gwintowanych na korpusie ceramicznym. Rozsądne alternatywy obejmują: zaprojektowanie otworów przelotowych z łbami stożkowymi lub stopniami oraz użycie metalowych śrub z otworami przelotowymi do zaciskania i mocowania; stosowanie wysokotemperaturowych klejów nieorganicznych lub gorących rękawów z osadzonymi metalowymi wkładkami; lub przy użyciu precyzyjnych płyt dociskowych i konstrukcji kołnierzowych do dociskania części ceramicznych do metalowej podstawy. Co ważniejsze, duże różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej muszą być kompensowane na rysunkach i tolerancjach dopasowania. Współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki (takiej jak tlenek glinu, węglik krzemu) jest znacznie niższy niż metali konstrukcyjnych, takich jak stal nierdzewna, stopy aluminium czy stopy tytanu. Jeśli podczas projektowania nie zostaną zarezerwowane wystarczające szczeliny na rozszerzalność cieplną pomiędzy współpracującymi otworami lub kołkami, gdy wnęka półprzewodnika zostanie poddana procesom wysokotemperaturowym (takim jak CVD, efekt gorącej ściany wnęki trawiennej lub wypalanie w wysokiej temperaturze), ponieważ szybkość rozszerzania metalu jest znacznie większa niż ceramiki, na częściach ceramicznych nieuchronnie powstaną naprężenia wytłaczania, powodując ich katastrofalne pękanie bez ostrzeżenia.

4. Definicja kluczowych wymagań technicznych

Wreszcie, dojrzały i ustandaryzowany rysunek inżynierii ceramiki półprzewodnikowej musi zawierać absolutnie jednoznaczne definicje właściwości materiału i procesów obróbki końcowej w wymaganiach technicznych lub kolumnie tytułowej. Obejmuje to głównie następujące cztery podstawowe wymiary:

• Klasa i czystość materiału: Na przykład tlenek glinu o zawartości 6% lub 99,9% i węglik krzemu spiekany reakcyjnie stosuje się w celu ścisłej kontroli ryzyka zanieczyszczenia zaawansowanych procesów półprzewodnikowych śladowymi zanieczyszczeniami, takimi jak metale alkaliczne.
• Wskaźniki zwartości i szczelności: Jasno określ, czy część musi być absolutnie gęsta, z zerową liczbą otwartych porów (aby spełnić wymagania środowisk o bardzo wysokiej próżni), czy też dozwolona jest struktura o określonej porowatości.
• Dane techniczne mikroprocesora krawędziowego: Obowiązkowe jest, aby wszystkie ostre krawędzie były lekko sfazowane lub stępione (np. w zakresie 2 × 45° lub R0,2), aby wyeliminować mikroskopijne zadziory i zapobiec tworzeniu się mikroskopijnych cząstek podczas przenoszenia i montażu w pomieszczeniach czystych.
• Specyfikacje czyszczenia i pakowania: Produkt końcowy musi zostać poddany czyszczeniu ultradźwiękowemu i suszeniu dejonizowaną wodą o wysokiej czystości oraz zapakowany w dwuwarstwowe opakowanie próżniowe spełniające standardy pomieszczeń czystych półprzewodników.