Mecanizado de plásticos para la fabricación de chips

La ligera fresa HSC NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL es ideal para mecanizar, en el alojamiento BT30, las superficies de piezas de plástico que M-O-T sujeta en una mesa de vacío. ©MAPAL

En la parte delantera de la instalación de M-O-T se suceden varias celdas de proceso, en las que los fabricantes de microchips trabajan las obleas de silicio. ©MAPAL

En la parte posterior, arriba se encuentra la electrónica del equipo; abajo están los depósitos de alimentación para líquidos como ácidos, bases y disolventes. ©MAPAL

Las células de proceso reciben en las instalaciones de los usuarios obleas de silicio redondas que se procesan con productos químicos en procesos que a menudo duran horas. ©MAPAL

El NeoMill-Diamond-FlyCutter de tres filos, con plaquitas de fresado equipadas con PCD, ha sido desarrollado específicamente para mecanizados inestables y pequeñas interfaces. ©MAPAL

En la mesa de trabajo de la máquina, M-O-T puede sujetar mediante vacío piezas de hasta 1.000 x 1.000 mm. El NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL, gracias a su baja presión de corte, es ideal para el fresado de las placas. ©MAPAL

La actividad principal de M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH, en Saarbrücken, son las instalaciones para la fabricación de microchips. En el camino hacia la fabricación interna del mayor número posible de piezas de plástico necesarias para ello, la empresa ha avanzado considerablemente con el uso del NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL.

Fundada en 2001, M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH forma parte del grupo empresarial Woll desde 2011 y amplía la oferta de este versátil fabricante de maquinaria especial con la fabricación de instalaciones de procesos químicos húmedos para los sectores de los microsistemas y los semiconductores. Con sus cerca de 30 empleados, el especialista está plenamente integrado en el grupo, algo que también se aprecia en la distribución de los espacios: M-O-T ocupa tres salas en medio de una nave de producción de Woll.

En esta zona hay algunas diferencias con respecto al resto de la producción, orientada principalmente al mecanizado de metales. Aquí no está permitido llevar calzado de calle y existe constantemente una ligera sobrepresión. Aunque la fabricación no tiene lugar en una sala blanca, sí se realiza en una sala limpia, explica el director de producción Mike Jakob. La suciedad introducida desde el exterior podría alterar los valores de las instalaciones de trabajo preciso y poner así en peligro el proceso. Posteriormente, en las instalaciones de los clientes, la operación tiene lugar en salas blancas.

Además de la electrónica instalada, las instalaciones están compuestas prácticamente por completo de plástico y presentan una estructura modular para las distintas etapas del proceso, que son necesarias sucesivamente en la fabricación de semiconductores. En la parte delantera se alinean las celdas de proceso, en las que se introducen las obleas de silicio para su mecanizado. Detrás de la máquina se encuentran los depósitos de reserva con los líquidos necesarios, generalmente ácidos, bases y disolventes. Cuando es necesario, también es posible realizar procesos de galvanoplastia. Según la aplicación, el tratamiento superficial se lleva a cabo en las instalaciones diseñadas individualmente por M-O-T antes o después de la exposición de las obleas. Con componentes adquiridos a terceros, la fotolitografía también puede integrarse directamente en la instalación.

Plásticos según la finalidad de uso

Para fabricar los depósitos destinados a los procesos y al almacenamiento de los productos químicos, M-O-T utiliza generalmente placas que se sueldan mediante un proceso de unión térmica. Para ello se emplean distintos plásticos, cuya selección depende principalmente de los productos químicos utilizados y de la temperatura del proceso. En la mayoría de los casos se utiliza PP o PVC, pero en algunas situaciones también son necesarios el PEEK, resistente a altas temperaturas, o el PVDF, absolutamente resistente a los ácidos. Cuando se combinan varios requisitos extremos, el PTFE, también conocido como teflón, suele ser la mejor opción.

El número de instalaciones construidas ha aumentado considerablemente en los últimos años. Si en 2021 se fabricaban todavía entre cinco y seis al año, actualmente M-O-T entrega entre 20 y 30. No obstante, existen fluctuaciones según la situación del mercado, que a su vez depende de la evolución del mercado mundial de los semiconductores. Además, las instalaciones son cada vez más complejas. Al principio, la fabricación trabajaba principalmente con proveedores externos. El hecho de que desde 2022 M-O-T apueste por una producción propia también está relacionado con los problemas de calidad de las piezas suministradas: en las instalaciones terminadas se habían producido fugas en repetidas ocasiones.

La forma en que M-O-T mecaniza sus placas de plástico resulta inicialmente curiosa: la máquina procede del modelismo, la herramienta fue desarrollada para fresar aluminio y el lubricante refrigerante (LRC) es en realidad un desinfectante. Sin embargo, para las necesidades del fabricante de instalaciones de Saarbrücken, esta combinación inusual resulta perfectamente adecuada.

Después de un año de búsqueda, el NeoMill-Diamond-FlyCutter aporta la solución

La máquina elegida fue la fresadora de pórtico abierta T-Rex, del fabricante CNC-Step. Para sujetar la herramienta se utiliza la pequeña interfaz SK30, y en la mesa de vacío pueden fijarse piezas de hasta 1.000 x 1.000 mm. La búsqueda de una herramienta adecuada para los mecanizados previstos, en los que la calidad superficial era la prioridad, resultó complicada. Mike Jakob explica: «No estábamos satisfechos con la calidad alcanzada al principio. Durante un año busqué un cabezal de fresado adecuado, pero nadie podía ofrecernos algo realmente apropiado para el acabado superficial. En la AMB 2024 de Stuttgart encontré lo que buscaba en MAPAL, que disponía de una fresa con nuestro sistema de sujeción».

Junto con el técnico de aplicaciones Klaus-Dieter Leick, de MAPAL, se estudió cuál era la mejor solución que podía realizarse con la máquina disponible. La elección recayó en un NeoMill-Diamond-FlyCutter con un diámetro de cabezal de fresado de 63 mm. «Originalmente desarrollamos esta herramienta para el mecanizado de componentes de aluminio en la industria electrónica, donde se trataba de obtener superficies lo más perfectas posible en el planeado», informa Leander Bolz, del área de gestión de componentes de MAPAL. En el fabricante de herramientas de Aalen estaban convencidos desde el principio de que también funcionaría con plástico, especialmente porque la herramienta había sido concebida desde el inicio para conceptos de máquina críticos, como husillos pequeños y sujeción por vacío.

Con su geometría de corte especial, la ligera fresa de tres filos reduce la presión de corte y evacua las virutas con relativa rapidez de la zona de mecanizado. La baja presión de corte ya era una característica decisiva al fresar superficies de aluminio. Mediante la elección adecuada del material de corte, MAPAL puede adaptar la herramienta a distintos materiales.

M-O-T está muy satisfecha con el NeoMill-Diamond-FlyCutter, utilizado ya con frecuencia, que ha demostrado ser un auténtico factor de cambio en el mecanizado de superficies. Cuando se adquirió la fresadora, los fabricantes solo tenían inicialmente en mente el mecanizado de las puertas de las carcasas. Poco a poco se fueron incorporando cada vez más componentes de producción propia. Actualmente, M-O-T fabrica por completo sus propios depósitos de suministro para los productos químicos necesarios y en el futuro también quiere fabricar internamente las celdas de proceso. Algunos componentes especiales, como los recipientes de proceso de teflón, seguirán fabricándose externamente. M-O-T utiliza el NeoMill-Diamond-FlyCutter para planear las placas. Para el mecanizado lateral y el acabado de contornos, se emplea otra herramienta de MAPAL: una fresa de mango de PCD.

La optimización continúa

El departamento dirigido por Mike Jakob todavía no considera que haya llegado a su objetivo final. Se seguirá experimentando con el lubricante refrigerante para optimizar la calidad superficial y proteger la herramienta. Sobre todo el mecanizado del PVDF, rígido y frágil, ha afectado en ocasiones a los filos de PCD del NeoMill-Diamond-FlyCutter. Sin embargo, M-O-T tiene unas posibilidades muy limitadas a la hora de elegir el lubricante refrigerante. El aceite queda descartado para evitar introducir también por esta vía suciedad en la instalación, que podría influir, por ejemplo, en el valor del pH u otros parámetros del proceso. Por este motivo tampoco pueden llegar virutas metálicas a la zona de producción de M-O-T. Debido a su rápida evaporación, se eligió el isopropanol como lubricante refrigerante. Sin embargo, como genera un olor considerable, solo puede utilizarse de forma limitada en la máquina.

Los plásticos también plantean requisitos especiales en lo que respecta a la refrigeración, como explica Robin Kollmann, responsable del mecanizado por fresado en M-O-T: «El plástico absorbe menos calor que el aluminio, por lo que este no puede evacuarse de la pieza con la suficiente rapidez. Las virutas pueden fundirse o aglomerarse, lo que aumenta la presión y puede dañar el filo. Además, la calidad superficial tampoco es tan buena como desearíamos». Durante el mecanizado se eliminan 0,3 mm por pasada. Según el material y la clase de calidad, el sobremetal puede alcanzar hasta 1 mm.

Para no generar demasiado calor durante el mecanizado, M-O-T trabaja actualmente con una velocidad de giro de 6.000 rpm y un avance de 1.200 mm/min. De este modo, los fabricantes se mantienen claramente por debajo de los valores propuestos inicialmente por MAPAL, que ya eran inferiores a los empleados para el mecanizado del aluminio. Todavía no se han acumulado suficientes experiencias para evaluar qué influencia tiene la refrigeración con isopropanol sobre la vida útil del filo. Paralelamente, M-O-T ha comenzado a probar un nuevo refrigerante de base acuosa. En el marco de estos ensayos, los fabricantes también quieren probar velocidades de corte más elevadas.

Entretanto, se ha probado con éxito el siguiente paso de optimización: M-O-T ensayó una variante más grande del NeoMill-Diamond-FlyCutter, con un diámetro de cabezal de fresado de 100 mm, y posteriormente encargó la herramienta. El cambio puede realizarse en el sistema modular sin grandes complicaciones, ya que todos los diámetros de cabezal de fresado ofrecidos por MAPAL, de 63 a 160 mm, se montan en el mismo mandril de extensión. Esto demuestra que MAPAL no solo apoya la aplicación con una herramienta adecuada, sino que, mediante un intercambio continuo con el cliente, desarrolla también nuevos enfoques para aumentar la productividad.