Usinage des plastiques pour la fabrication de puces

La fraise HSC légère NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL est idéale pour usiner, dans le porte-outil BT30, les surfaces de pièces en plastique que M-O-T fixe sur une table à vide. ©MAPAL

À l’avant de l’installation de M-O-T, différentes cellules de processus se succèdent, dans lesquelles les fabricants de puces électroniques traitent les wafers de silicium. ©MAPAL

À l’arrière, l’électronique de l’installation est logée en haut ; en bas se trouvent les réservoirs de stockage pour les liquides tels que les acides, les bases et les solvants. ©MAPAL

Les cellules de procédé accueillent chez les utilisateurs des disques de silicium ronds, traités avec des produits chimiques dans le cadre de processus pouvant souvent durer plusieurs heures. ©MAPAL

Le NeoMill-Diamond-FlyCutter à trois arêtes, équipé de plaquettes de fraisage en PCD, a été spécialement développé pour les usinages instables et les petites interfaces. ©MAPAL

Sur la table de travail de la machine, la M-O-T peut maintenir par aspiration des composants allant jusqu’à 1 000 x 1 000 mm. Avec sa faible pression de coupe, le NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL est idéal pour le fraisage des plaques. ©MAPAL

L’activité principale de M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH, à Sarrebruck, est la fabrication d’équipements destinés à la production de micro puces. En cherchant à fabriquer elle-même le plus grand nombre possible des pièces en plastique nécessaires à cet effet, l’entreprise a fait un grand pas en avant grâce à l’utilisation du NeoMill-Diamond-FlyCutter de MAPAL.

Fondée en 2001, M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH appartient depuis 2011 au groupe Woll et complète la gamme de compétences de ce constructeur de machines spéciales polyvalent avec la fabrication d’installations de traitement chimique humide pour les secteurs des microsystèmes et des semi-conducteurs. Avec près de 30 collaborateurs, le spécialiste est pleinement intégré au groupe, ce qui se remarque également sur le plan spatial : M-O-T occupe trois salles au milieu d’un hall de production de Woll.

Dans ce secteur, certaines choses sont différentes du reste de la production, principalement axée sur l’usinage des métaux. Les chaussures de ville y sont interdites et une légère surpression règne en permanence. La fabrication n’a certes pas lieu en salle blanche, mais bien dans une salle propre, comme l’explique le directeur de production Mike Jakob. Des impuretés introduites de l’extérieur pourraient modifier les valeurs dans les installations travaillant avec précision et ainsi compromettre le processus. Chez les clients, l’exploitation a ensuite lieu en salles blanches.

À l’exception des composants électroniques intégrés, les installations sont pratiquement entièrement constituées de plastique et sont conçues de manière modulaire pour les différentes étapes de processus nécessaires successivement dans la fabrication des semi-conducteurs. Sur la face avant, des cellules de processus sont disposées les unes à côté des autres, dans lesquelles sont placées les tranches de silicium à traiter. À l’arrière de la machine se trouvent des réservoirs contenant les liquides nécessaires, principalement des acides, des bases et des solvants. La galvanoplastie est également possible si nécessaire. Selon l’application, le traitement de surface est réalisé sur les installations conçues individuellement par M-O-T avant ou après l’exposition des wafers. Avec des composants achetés, la photolithographie peut également être intégrée directement dans l’installation.

Des plastiques selon l’usage prévu

Pour fabriquer les réservoirs destinés aux processus et au stockage des produits chimiques, M-O-T utilise généralement des plaques soudées entre elles par un procédé d’assemblage thermique. Différents plastiques sont utilisés, leur choix dépendant des produits chimiques concernés et de la température du processus. Le PP ou le PVC sont le plus souvent employés, mais dans certains cas, le PEEK, résistant aux hautes températures, ou le PVDF, absolument résistant aux acides, sont nécessaires. Lorsque plusieurs exigences extrêmes se combinent, le PTFE, également connu sous le nom de Téflon, constitue souvent le meilleur choix.

Le nombre d’installations fabriquées a fortement augmenté au cours des dernières années. Alors que M-O-T en livrait encore cinq à six par an en 2021, elle en fournit aujourd’hui 20 à 30. Il existe toutefois des fluctuations en fonction de la situation du marché, elle-même tributaire de l’évolution du marché mondial des semi-conducteurs. Par ailleurs, les installations deviennent plus complexes. Au début, la fabrication travaillait principalement avec des fournisseurs. Le fait que M-O-T s’appuie depuis 2022 sur sa propre production tient également aux problèmes de qualité liés aux pièces fournies : des fuites s’étaient produites à plusieurs reprises sur les installations terminées.

La manière dont M-O-T usine ses plaques en plastique peut sembler pour le moins curieuse au premier abord : la machine provient de la construction de modèles réduits, l’outil a été développé pour le fraisage de l’aluminium et le lubrifiant réfrigérant est en réalité un désinfectant. Pour les besoins du constructeur d’installations de Sarrebruck, cette combinaison inhabituelle s’avère pourtant tout à fait pertinente.

Après un an de recherche, le NeoMill-Diamond-FlyCutter apporte la solution

Le choix s’est porté sur la fraiseuse à portique ouverte T-Rex du fabricant CNC-Step. Le petit attachement SK30 sert à recevoir l’outil et la table à vide permet de brider des pièces pouvant atteindre 1 000 x 1 000 mm. La recherche d’un outil adapté aux usinages prévus s’est révélée difficile, ceux-ci visant avant tout à obtenir une bonne qualité de surface. Mike Jakob raconte : « Nous n’étions pas satisfaits de la qualité obtenue au départ. J’ai cherché pendant un an une tête de fraisage adaptée, mais personne ne pouvait nous proposer quelque chose de vraiment approprié pour la finition de surface. À l’AMB 2024 de Stuttgart, j’ai trouvé ce que je cherchais chez MAPAL, qui proposait une fraise avec notre attachement. »

Avec Klaus-Dieter Leick, technicien d’application chez MAPAL, les possibilités de la machine existante ont été étudiées afin de trouver la meilleure solution réalisable. Le choix s’est porté sur un NeoMill-Diamond-FlyCutter doté d’un diamètre de tête de fraisage de 63 mm. « Nous avons initialement développé cet outil pour l’usinage de composants en aluminium dans l’industrie électronique, où l’objectif était d’obtenir des surfaces aussi parfaites que possible lors du surfaçage », explique Leander Bolz du service Component Management de MAPAL. Chez le fabricant d’outils d’Aalen, on était immédiatement convaincu que cela fonctionnerait également avec le plastique, d’autant plus que l’outil avait été conçu dès le départ pour des configurations de machines critiques, telles que les petites broches et le bridage par le vide.

Grâce à sa géométrie de coupe spéciale, cette fraise légère à trois arêtes réduit la pression de coupe et évacue relativement rapidement les copeaux de la zone d’usinage. La faible pression de coupe constituait déjà une caractéristique décisive lors du fraisage de surfaces en aluminium. En choisissant une nuance de coupe adaptée, MAPAL peut ajuster l’outil à différents matériaux.

M-O-T est très satisfaite du NeoMill-Diamond-FlyCutter, désormais utilisé fréquemment, qui s’est révélé être un véritable changement de donne dans l’usinage des surfaces. Lors de l’acquisition de la fraiseuse, les fabricants n’avaient d’abord envisagé que l’usinage des portes des bâtis. Peu à peu, de plus en plus de composants fabriqués en interne sont venus s’y ajouter. M-O-T fabrique désormais elle-même l’ensemble des réservoirs de stockage des produits chimiques nécessaires et souhaite à l’avenir produire également les cellules de processus en interne. Les composants spéciaux, comme les cuves de processus en Téflon, continuent d’être fabriqués à l’extérieur. M-O-T utilise le NeoMill-Diamond-FlyCutter pour surfacer les plaques. Pour l’usinage latéral et la finition des contours, un autre outil de MAPAL, une fraise à queue en PCD, est utilisé.

Les optimisations se poursuivent

Le service de Mike Jakob ne considère pas encore avoir atteint son objectif. De nouvelles expérimentations vont être menées avec le lubrifiant réfrigérant afin d’optimiser la qualité de surface et de préserver l’outil. L’usinage du PVDF, rigide et fragile, a notamment parfois endommagé les arêtes de coupe en PCD du NeoMill-Diamond-FlyCutter. M-O-T est toutefois fortement limitée dans le choix du lubrifiant réfrigérant. L’huile n’entre pas en ligne de compte, afin de ne pas introduire par ce biais de contaminants dans l’installation, lesquels pourraient par exemple influencer le pH ou d’autres paramètres du processus. Pour cette raison, aucun copeau métallique ne doit non plus pénétrer dans la zone de production de M-O-T. Comme il s’évapore très rapidement, l’isopropanol a été choisi comme lubrifiant réfrigérant. Cependant, comme il dégage une odeur très incommodante, il ne peut être utilisé que dans une mesure limitée sur la machine.

Les plastiques imposent également des exigences particulières en matière de refroidissement, comme l’explique Robin Kollmann, responsable de l’usinage par fraisage chez M-O-T : « Le plastique absorbe moins de chaleur que l’aluminium, qui ne peut donc pas être évacuée suffisamment rapidement de la pièce. Les copeaux peuvent fondre ou s’agglomérer, ce qui augmente la pression et risque d’endommager l’arête de coupe. La qualité de surface n’est alors pas non plus aussi bonne que nous le souhaiterions. » Lors de l’usinage, 0,3 mm sont fraisés par passe. Selon le matériau et la classe de qualité, la surépaisseur peut atteindre 1 mm.

Afin de ne pas générer trop de chaleur pendant l’usinage, M-O-T travaille actuellement à une vitesse de rotation de 6 000 tr/min et avec une avance de 1 200 mm/min. Les fabricants restent ainsi nettement en dessous des valeurs initialement proposées par MAPAL, qui avaient déjà été fixées à un niveau inférieur à celui prévu pour l’usinage de l’aluminium. Il n’existe pas encore suffisamment de recul pour évaluer l’influence du refroidissement à l’isopropanol sur la durée de vie de l’arête de coupe. Parallèlement, M-O-T a commencé à tester un nouveau liquide de refroidissement à base d’eau. Dans le cadre de ces essais, les fabricants souhaitent également tester des vitesses de coupe plus élevées.

La prochaine étape d’optimisation a entre-temps été testée avec succès : M-O-T a essayé une variante plus grande du NeoMill-Diamond-FlyCutter, dotée d’un diamètre de tête de fraisage de 100 mm, puis a commandé l’outil. Le changement est possible sans difficulté majeure dans le système modulaire, car tous les diamètres de tête de fraisage proposés par MAPAL, de 63 à 160 mm, se montent sur le même mandrin porte-outil. Cela montre clairement que MAPAL ne soutient pas seulement l’application avec un outil adapté, mais développe également, dans un échange continu avec le client, d’autres approches visant à accroître la productivité.