Obrábění plastů pro výrobu čipů

Lehká HSC fréza NeoMill-Diamond-FlyCutter od společnosti MAPAL je ideální pro obrábění povrchů plastových dílů, které společnost M-O-T upíná ve vřetenu BT30 na vakuovém stole. ©MAPAL

Na přední straně zařízení u M-O-T se řadí různé procesní buňky, v nichž výrobci mikročipů opracovávají křemíkové wafery. ©MAPAL

Na zadní straně je nahoře umístěna elektronika zařízení, dole jsou zásobní nádrže na kapaliny, jako jsou kyseliny, zásady a rozpouštědla. ©MAPAL

Procesní buňky u uživatelů přijímají kulaté křemíkové destičky, které jsou v často několik hodin trvajících procesech zpracovávány chemikáliemi. ©MAPAL

Tříbřitý NeoMill-Diamond-FlyCutter s frézovacími břitovými destičkami osazenými PKD byl speciálně vyvinut pro nestabilní obrábění a malé styčné plochy. ©MAPAL

Na pracovním stole stroje může společnost M-O-T pomocí vakua upínat součásti o rozměrech až 1 000 × 1 000 mm. NeoMill-Diamond-FlyCutter od společnosti MAPAL je díky nízkému řeznému tlaku ideální pro frézování desek. ©MAPAL

Hlavní činností společnosti M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH v Saarbrückenu jsou zařízení pro výrobu mikročipů. Na cestě k tomu, aby co nejvíce potřebných plastových dílů vyráběla sama, udělala společnost díky použití nástroje MAPAL NeoMill-Diamond-FlyCutter významný krok vpřed.

Společnost M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH, založená v roce 2001, patří od roku 2011 do skupiny Woll a doplňuje sortiment všestranného výrobce speciálních strojů o výrobu mokrých chemických procesních zařízení pro oblast mikrosystémů a polovodičů. Specialista s téměř 30 zaměstnanci je plně integrován do skupiny, což je patrné i prostorově: M-O-T využívá tři místnosti uprostřed výrobní haly společnosti Woll.

V této oblasti je mnohé jiné než ve zbytku výroby, která je zaměřena především na obrábění kovů. Vstup v pouliční obuvi zde není povolen a neustále zde panuje mírný přetlak. Výroba sice neprobíhá v čistém prostoru, ale v čisté zóně, jak vysvětluje vedoucí výroby Mike Jakob. Zanesené nečistoty by mohly změnit hodnoty v přesně pracujících zařízeních a tím ohrozit proces. U zákazníků pak provoz probíhá v čistých prostorách.

Kromě vestavěné elektroniky jsou zařízení prakticky kompletně z plastu a jsou modulárně uspořádána pro jednotlivé procesní kroky, které jsou při výrobě polovodičů postupně zapotřebí. Na přední straně jsou vedle sebe umístěny procesní buňky, do nichž se vkládají křemíkové desky ke zpracování. Za strojem se nacházejí zásobní nádrže s potřebnými kapalinami, většinou kyselinami, zásadami a rozpouštědly. V případě potřeby je možné také galvanické pokovování. V závislosti na konkrétní aplikaci probíhá povrchové zpracování na individuálně navržených zařízeních M-O-T před expozicí waferů nebo po ní. Pomocí nakupovaných komponent lze do zařízení přímo integrovat také fotolitografii.

Plasty podle účelu použití

K výrobě nádob pro procesy a skladování chemikálií používá M-O-T většinou desky, které se svařují tepelným spojováním. Používají se přitom různé plasty, při jejichž výběru jsou rozhodující konkrétní chemikálie a procesní teplota. Nejčastěji se používá PP nebo PVC, v některých případech jsou však zapotřebí také vysokým teplotám odolný PEEK nebo absolutně kyselinovzdorný PVDF. Pokud se spojí různé extrémní požadavky, bývá nejlepší volbou PTFE, známý také jako teflon.

Počet vyrobených zařízení v uplynulých letech výrazně vzrostl. Zatímco v roce 2021 jich bylo pět až šest ročně, dnes M-O-T dodává 20 až 30 zařízení. Dochází však k výkyvům v závislosti na situaci na trhu, která zase závisí na vývoji globálního trhu s polovodiči. Zařízení jsou navíc stále komplexnější. Zpočátku výroba pracovala převážně s dodavateli. To, že M-O-T od roku 2022 sází na vlastní výrobu, souvisí také s problémy s kvalitou dodávaných dílů: u hotových zařízení opakovaně docházelo k netěsnostem.

Způsob, jakým M-O-T obrábí své plastové desky, působí zpočátku poněkud kuriózně: stroj pochází z modelářství, nástroj byl vyvinut pro frézování hliníku a chladicí mazivo (KSS) je ve skutečnosti dezinfekční prostředek. Pro účely výrobce zařízení ze Saarbrückenu je však tato neobvyklá kombinace zcela účelná.

Po roce hledání přináší řešení NeoMill-Diamond-FlyCutter

Jako stroj byla zvolena otevřená portálová frézka T-Rex výrobce CNC-Step. K upnutí nástroje slouží malé rozhraní SK30, na vakuovém stole lze upnout obrobky o velikosti až 1 000 x 1 000 mm. Obtížné bylo hledání vhodného nástroje pro plánované obrábění, při němž šlo především o dobrou kvalitu povrchu. Mike Jakob uvádí: „S kvalitou, které jsme dosahovali na začátku, jsme nebyli spokojeni. Rok jsem hledal vhodnou frézovací hlavu, ale nikdo nám nedokázal nabídnout skutečně vhodné řešení pro dokončení povrchu. Na veletrhu AMB 2024 ve Stuttgartu jsem u společnosti MAPAL našel to, co jsem hledal – frézu s naším upínáním.“

Společně s aplikačním technikem Klausem-Dieterem Leickem ze společnosti MAPAL se hledalo nejlepší řešení, které lze na dostupném stroji realizovat. Volba padla na NeoMill-Diamond-FlyCutter s průměrem frézovací hlavy 63 mm. „Tento nástroj jsme původně vyvinuli pro obrábění hliníkových součástí v elektronickém průmyslu, kde šlo o dosažení co nejdokonalejších povrchů při rovinném obrábění,“ uvádí Leander Bolz z oddělení Component Management společnosti MAPAL. Výrobce nástrojů z Aalenu si byl okamžitě jistý, že to bude fungovat i s plasty, zejména proto, že nástroj byl od počátku určen pro kritické koncepce strojů, jako jsou malá vřetena a vakuové upínání.

Díky speciální geometrii břitů snižuje lehká tříbřitá fréza řezný tlak a poměrně rychle odvádí třísky z oblasti obrábění. Nízký řezný tlak byl rozhodující vlastností již při frézování hliníkových ploch. Vhodnou volbou řezného materiálu může MAPAL nástroj přizpůsobit různým materiálům.

Společnost M-O-T je s nyní často používaným nástrojem NeoMill-Diamond-FlyCutter velmi spokojena. Ten se při obrábění povrchů ukázal jako skutečná změna k lepšímu. Když byla frézka pořízena, měli výrobní pracovníci zpočátku v úmyslu obrábět pouze dveře skříní. Postupně přibývalo stále více součástí z vlastní výroby. Zásobní nádrže pro potřebné chemikálie vyrábí M-O-T mezitím kompletně sama a do budoucna chce vlastními silami vyrábět také procesní buňky. Speciální komponenty, například procesní vany z teflonu, se nadále vyrábějí externě. NeoMill-Diamond-FlyCutter používá M-O-T k rovinnému frézování desek. Pro boční obrábění a dokončování kontur se používá další nástroj od společnosti MAPAL – stopková fréza s PKD.

Optimalizace pokračuje

Oddělení vedené Mikem Jakobem se ještě necítí být u cíle. S chladicím mazivem se má dále experimentovat s cílem optimalizovat kvalitu povrchu a šetřit nástroj. Především obrábění tuhého a křehkého PVDF občas poškodilo PKD břity nástroje NeoMill-Diamond-FlyCutter. M-O-T má však při volbě chladicího maziva značně omezené možnosti. Olej nepřichází v úvahu, aby se ani touto cestou do zařízení nedostaly nečistoty, které by mohly například ovlivnit hodnotu pH nebo jiné procesní parametry. Z tohoto důvodu se do výrobní oblasti M-O-T nesmějí dostat ani kovové třísky. Jako chladicí mazivo byl zvolen izopropanol, protože se velmi rychle odpařuje. Jelikož však způsobuje značné obtěžování zápachem, lze jej u stroje používat jen omezeně.

Plasty kladou zvláštní požadavky také na chlazení, jak popisuje Robin Kollmann, který je ve společnosti M-O-T odpovědný za frézování: „Plast absorbuje méně tepla než hliník, takže teplo nelze z dílu odvádět dostatečně rychle. Třísky se mohou tavit nebo shlukovat, což zvyšuje tlak a potenciálně poškozuje břit. Ani kvalita povrchu pak není taková, jakou bychom si přáli.“ Při obrábění se při každém průchodu odfrézuje 0,3 mm. V závislosti na materiálu a třídě jakosti činí přídavek až 1 mm.

Aby při obrábění nevznikalo příliš mnoho tepla, pracuje M-O-T v současnosti s řeznou rychlostí 6 000 ot/min a posuvem 1 200 mm/min. Výrobní pracovníci tak zůstávají výrazně pod hodnotami, které na začátku navrhla společnost MAPAL a které již byly stanoveny níže než pro obrábění hliníku. Zatím nebylo získáno dost zkušeností k posouzení, jaký vliv má chlazení izopropanolem na životnost břitu. Současně M-O-T zahájila testování nového chladicího prostředku na vodní bázi. V rámci zkoušek chtějí výrobní pracovníci otestovat také vyšší řezné rychlosti.

Mezitím byl úspěšně otestován další optimalizační krok: M-O-T vyzkoušela větší variantu nástroje NeoMill-Diamond-FlyCutter s průměrem frézovací hlavy 100 mm a následně nástroj objednala. Výměna je v modulárním systému možná bez větší námahy, protože všechny průměry frézovacích hlav nabízené společností MAPAL, od 63 do 160 mm, se montují na stejný upínací trn. Je tak zřejmé, že MAPAL nepodporuje danou aplikaci pouze vhodným nástrojem, ale v průběžné spolupráci se zákazníkem vyvíjí také další přístupy ke zvýšení produktivity.