در تجهیزات تولید نیمه هادی، قطعات سرامیکی دقیق (مانند چاک های الکترواستاتیک (ESC)، حلقه های فوکوس، تکیه گاه های عایق، پوشش های محفظه خلاء و سایر موقعیت های هسته) به دلیل مقاومت برتر در دمای بالا، مقاومت در برابر فرسایش پلاسما، عایق بالا و ویژگی های تغییر شکل حرارتی کم، به طور گسترده در موقعیت های هسته مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال، مواد سرامیکی ذاتاً موادی شکننده با سختی بالا، بدون قابلیت تغییر شکل پلاستیک و خواص فیزیکی هستند که به شدت به تنش حرارتی و شوک حرارتی حساس هستند. این بدان معناست که تفکر طراحی مکانیکی سنتی برای فلزات یا پلاستیک‌ها به طور کامل در زمینه سرامیک شکست می‌خورد - فلزات می‌توانند غلظت تنش را از طریق تسلیم پلاستیک موضعی جذب کنند، در حالی که سرامیک‌ها تنها زمانی دچار شکستگی شکننده می‌شوند که از حد الاستیک آنها فراتر رود. بنابراین، برای طراحی نقشه‌های سرامیکی دقیق که واقعاً نیازمندی‌های عملکردی و امکان‌سنجی پردازش را در نظر می‌گیرند، طراحی برای قابلیت ساخت (DFM) باید در کل فرآیند پیکربندی هندسی، سیستم تحمل، رابط مونتاژ و خواص مواد ادغام شود.

1. پیکربندی هندسی و محدودیت های فناوری پردازش

از منظر بهینه سازی پیکربندی هندسی، طراحی نقشه باید تا حد زیادی با محدودیت های فرآیند فن آوری های پردازش سرامیک مدرن (مانند سنگ زنی الماس، پردازش اولتراسونیک، برش لیزری و ماشینکاری سبز) مطابقت داشته باشد. در طراحی سازه، حذف منابع تمرکز تنش اولین اصل است. از گوشه های داخلی تیز (مانند انتقال زاویه راست) باید در نقشه ها اجتناب شود، زیرا این مناطق به راحتی می توانند به منبع شروع و انبساط میکرو ترک تحت میدان تنش دما در طول فرآیند تف جوشی و پردازش مکانیکی بعدی تبدیل شوند که منجر به بریدگی لبه پردازش یا شکستگی سرویس شود. تمام گوشه های داخلی باید تا حد امکان بزرگتر طراحی شوند (گوشه های R). اگر به دلیل الزامات مونتاژ باید زوایای قائمه حفظ شود، باید شیارهای زیر برش یا شیارهای تسکین دهنده به سازه اضافه شود. در عین حال، یکنواختی ضخامت دیوار برای تعیین کیفیت تف جوشی سرامیکی مهم است. از آنجایی که سرامیک های صنعتی از پودر تشکیل شده و با تف جوشی در دمای بالا متراکم می شوند، تفاوت بسیار زیاد در ضخامت مقطع منجر به انقباض ناهموار، تغییر شکل تاب خوردگی شدید، تنش پسماند داخلی و حتی ترک می شود. علاوه بر این، حفره‌های عمیق، سوراخ‌های کور عمیق و ساختارهای با نسبت ابعادی بالا باید در طراحی ویژگی‌ها به شدت محدود شوند، زیرا این امر نه تنها باعث می‌شود سرهای الماس و ابزارهای ماشین‌کاری اولتراسونیک با سختی ناکافی شدید و سایش ابزار مواجه شوند، بلکه شرایط تخلیه و خنک‌کننده تراشه را نیز بسیار بدتر می‌کند.

2. مبادله علمی بین سیستم تحمل و کیفیت سطح

وقتی نوبت به تعریف سیستم های تحمل و کیفیت سطح می رسد، مهندسان باید این تفکر اینرسی را کنار بگذارند که «هر چه دقت بالاتر، بهتر است». تحمل بیش از حد مسئول افزایش هزینه های ماشینکاری و نرخ بالای ضایعات قطعات فنی سرامیکی است. اگرچه سرامیک های پیشرفته (مانند اکسید آلومینیوم، نیترید آلومینیوم، کاربید سیلیکون) می توانند از طریق سنگ زنی دقیق به دقت ابعادی زیر میکرون دست یابند، نقشه ها نباید بدون تمایز، تلورانس های سختی را روی همه ابعاد اعمال کنند. ابعادی که به سطوح جفت‌گیری، سطوح آزاد یا موقعیت مونتاژ مربوط نمی‌شوند، باید به اندازه کافی آرام باشند تا به آن‌ها اجازه دهد از تلورانس‌های قالب‌گیری سبز یا پخت متداول برای سرامیک‌ها پیروی کنند. برچسب گذاری زبری سطح (Ra) باید هدفمند باشد - سطح اصلی تف جوشی نشده فرآوری نشده معمولاً زبری بالاتری دارد، در حالی که سطوح کاربردی (مانند سطح جذب خلاء ویفر، سطح تراز با دقت آب بندی دینامیک، سطح عایق با فرکانس بالا و ولتاژ بالا) باید به وضوح الزامات پردازش ضربه ای و صیقل کاری دقیق را مشخص کنند. عملکرد تریبولوژیکی، نرخ تولید ذرات و خواص آب بندی خلاء.

3. رابط مونتاژ و سازگاری انبساط حرارتی

علاوه بر این، شرایط کاری شدید تجهیزات نیمه هادی تعیین می کند که قطعات سرامیکی باید با قطعات ساختاری فلزی مونتاژ شوند، که چالش های جدی برای طراحی رابط مونتاژ و چفت و بست در نقشه ها ایجاد می کند. از آنجایی که سرامیک های سخت را نمی توان مستقیماً برای ایجاد رزوه های قابل اعتماد ضربه زد (ضربه مستقیم می تواند به راحتی منجر به ترک پروفیل دندان یا لغزش دندان شود)، باید از طراحی مستقیم رزوه های داخلی روی بدنه سرامیکی در نقشه ها کاملاً اجتناب شود. جایگزین‌های معقول عبارتند از: طراحی از طریق سوراخ‌هایی با سر یا پله‌های فرو رفته و استفاده از پیچ‌های سوراخ فلزی برای بستن و تثبیت. استفاده از چسب های معدنی با دمای بالا یا آستین های داغ با درج های فلزی تعبیه شده؛ یا استفاده از صفحات فشار دقیق و سازه های فلنج برای فشار دادن قطعات سرامیکی بر روی پایه فلزی. مهمتر از آن، تفاوت های بزرگ در ضرایب انبساط حرارتی باید در نقشه ها و تلرانس های مناسب جبران شود. ضریب انبساط حرارتی سرامیک ها (مانند آلومینا، کاربید سیلیکون) بسیار کمتر از فلزات ساختاری مانند فولاد ضد زنگ، آلیاژهای آلومینیوم یا آلیاژهای تیتانیوم است. اگر در حین طراحی شکاف‌های انبساط حرارتی کافی بین سوراخ‌ها یا پین‌های جفت‌گیری محفوظ نباشد، زمانی که حفره نیمه‌رسانا تحت فرآیندهای دمای بالا قرار می‌گیرد (مانند CVD، اثر دیواره داغ حفره اچ یا پخت در دمای بالا)، از آنجایی که سرعت انبساط فلز بسیار بیشتر از سرامیک‌ها است، فشار اکستروژنی بر روی قطعات سرامیک ایجاد می‌شود. شکستگی فاجعه بار بدون هشدار

4. تعریف الزامات فنی کلیدی

در نهایت، یک نقشه مهندسی سرامیک نیمه هادی بالغ و استاندارد شده باید دارای تعاریف کاملاً واضحی از خواص مواد و فرآیندهای پس از پردازش در الزامات فنی یا ستون عنوان باشد. این عمدتا شامل چهار بعد اصلی زیر است:

• درجه و خلوص مواد: به عنوان مثال، 6% یا 99.9% آلومینا با خلوص بالا و کاربید سیلیکون تف جوشی شده در واکنش برای کنترل دقیق خطر آلودگی فرآیندهای نیمه هادی پیشرفته توسط ناخالصی های کمیاب مانند فلزات قلیایی استفاده می شود.
• نشانگرهای فشردگی و تنگی هوا: به وضوح تعریف کنید که آیا قطعه باید کاملاً متراکم با منافذ باز صفر باشد (برای برآورده کردن الزامات محیط‌های خلاء فوق‌العاده بالا)، یا ساختاری با تخلخل خاص مجاز است.
• مشخصات ریزپردازش لبه: برای از بین بردن سوراخ های میکروسکوپی و جلوگیری از تولید ذرات میکروسکوپی در هنگام جابجایی و مونتاژ اتاق تمیز، اجباری است که تمام لبه های تیز کمی پخ یا صاف شوند (مانند 2 × 45 درجه یا R0.2).
• مشخصات نظافت و بسته بندی: محصول نهایی باید تحت تمیز کردن و خشک کردن اولتراسونیک با آب دیونیزه با خلوص بالا قرار گیرد و در بسته بندی دو لایه خلاء بسته بندی شود که مطابق با استانداردهای اتاق تمیز نیمه هادی باشد.