Műanyag forgácsolás chipgyártáshoz

A MAPAL könnyű HSC-marója, a NeoMill-Diamond-FlyCutter ideális a műanyag alkatrészek felületeinek megmunkálására BT30-as befogásban, amelyeket az M-O-T vákuumasztalon rögzít. ©MAPAL

A M-O-T létesítményének elülső részén különböző folyamatcellák sorakoznak egymás mellett, amelyekben a mikrochipgyártók megmunkálják a szilíciumlapkákat. ©MAPAL

A hátoldalon felül a berendezés elektronikája található, alul pedig az olyan folyadékok, mint a savak, lúgok és oldószerek előkészítő tartályai. ©MAPAL

A folyamatcellák a felhasználóknál kerek szilíciumlapkákat fogadnak be, amelyeket gyakran órákon át tartó folyamatokban vegyszerekkel kezelnek. ©MAPAL

A háromélű, PKD-lapkás NeoMill Diamond FlyCuttert kifejezetten instabil megmunkálásokhoz és kis megmunkálási felületekhez fejlesztették ki. ©MAPAL

A gép munkaasztalán az M-O-T vákuummal akár 1 000 × 1 000 mm méretű munkadarabokat is rögzíthet. A MAPAL NeoMill-Diamond-FlyCutter marója alacsony forgácsolónyomásának köszönhetően ideális a lemezek marásához. ©MAPAL

A saarbrückeni M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH fő tevékenysége a mikrochipek gyártására szolgáló berendezések előállítása. A vállalat jelentős előrelépést tett azon az úton, hogy az ehhez szükséges műanyag alkatrészek minél nagyobb részét saját maga gyártsa: ehhez a MAPAL NeoMill-Diamond-FlyCutter maróját alkalmazza.

A 2001-ben alapított M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH 2011 óta a Woll vállalatcsoport tagja, és a sokoldalú egyedi gépgyártó kínálatát a mikrorendszerek és a félvezetők területén alkalmazott nedves kémiai technológiai berendezések gyártásával egészíti ki. A közel 30 munkatársat foglalkoztató szakosodott vállalat teljes mértékben integrálódott a cégcsoportba, ami térben is érzékelhető: az M-O-T a Woll egyik gyártócsarnokának közepén három helyiséget foglal el.

Ezen a területen több minden eltér a többi, elsősorban fémmegmunkálásra összpontosító gyártástól. Utcai cipő viselése itt nem megengedett, és állandóan enyhe túlnyomás uralkodik. A gyártás ugyan nem tisztatérben, hanem úgynevezett tiszta helyiségben zajlik – magyarázza Mike Jakob gyártásvezető. A behurcolt szennyeződések megváltoztathatják a precízen működő berendezések értékeit, ezáltal veszélyeztethetik a folyamatot. A berendezések későbbi üzemeltetése a vevőknél tisztaterekben történik.

A beépített elektronika mellett a berendezések gyakorlatilag teljes egészében műanyagból készülnek, és moduláris felépítésűek az egyes, a félvezetőgyártás során egymás után szükséges folyamatlépésekhez. Az elülső oldalon egymás mellett sorakoznak a folyamatcellák, amelyekbe megmunkálás céljából szilíciumlapkákat helyeznek. A gép mögött találhatók a szükséges folyadékok – többnyire savak, lúgok és oldószerek – tárolótartályai. Szükség esetén galvanizálásra is lehetőség van. Az alkalmazástól függően a felületkezelés az M-O-T egyedileg tervezett berendezésein a wa­ferek megvilágítása előtt vagy után történik. Vásárolt alkatrészek segítségével a fotolitográfia közvetlenül a berendezésbe is integrálható.

A műanyagokat a felhasználási céltól függően választják ki

A folyamatokhoz és a vegyszerek tárolásához szükséges tartályok gyártásához az M-O-T többnyire lemezeket használ, amelyeket termikus kötési eljárással hegesztenek össze. Ehhez különböző műanyagokat alkalmaznak; a kiválasztásnál az adott vegyszerek és a folyamat hőmérséklete a meghatározó. Leggyakrabban PP-t vagy PVC-t használnak, bizonyos esetekben azonban a magas hőmérsékletnek ellenálló PEEK-re vagy a teljes mértékben saválló PVDF-re is szükség van. Ha többféle szélsőséges követelménynek kell megfelelni, gyakran a PTFE a legjobb választás, amely teflon néven is ismert.

Az elmúlt években jelentősen nőtt a gyártott berendezések száma. Míg 2021-ben még évente öt-hat berendezés készült, addig az M-O-T ma már 20–30 darabot szállít. Ugyanakkor a piaci helyzettől függően ingadozások tapasztalhatók, amelyet viszont a globális félvezetőpiac alakulása befolyásol. Emellett a berendezések egyre összetettebbé válnak. Kezdetben a gyártás nagyrészt beszállítókra támaszkodott. Az, hogy az M-O-T-nél 2022 óta saját gyártásra helyezik a hangsúlyt, a beszállított alkatrészek által okozott minőségi problémákkal is összefügg: a kész berendezéseknél ismételten szivárgások fordultak elő.

Az a mód, ahogyan az M-O-T megmunkálja műanyag lemezeit, elsőre különösnek tűnhet: a gép a modellépítésből származik, a szerszámot alumínium marására fejlesztették ki, a hűtő-kenő folyadék (HKF) pedig valójában fertőtlenítőszer. A saarbrückeni gépgyártó céljaira azonban ez a szokatlan kombináció kifejezetten alkalmasnak bizonyul.

Egy évnyi keresés után a NeoMill-Diamond-FlyCutter hozta el a megoldást

Gépként a CNC-Step gyártó nyitott portálmarógépét, a T-Rexet választották. A szerszámbefogáshoz a kis méretű SK30 csatlakozófelület szolgál, a vákuumasztalon pedig legfeljebb 1000 × 1000 mm méretű munkadarabok rögzíthetők. Nehéznek bizonyult a tervezett megmunkálásokhoz megfelelő szerszámot találni, amelyeknél elsősorban a jó felületi minőség volt a cél. Mike Jakob beszámolója szerint: „A kezdetben elért minőséggel nem voltunk elégedettek. Egy éven át kerestem megfelelő marófejet, de senki sem tudott valóban megfelelő megoldást kínálni a felületminőség javítására. A 2024-es stuttgarti AMB kiállításon találtam rá a MAPAL-ra, ahol olyan marót kínáltak, amely a mi befogásunkhoz is megfelelt.”

A MAPAL alkalmazástechnikai mérnökével, Klaus-Dieter Leickkel közösen dolgozták ki, hogy a meglévő gépen mi valósítható meg a legjobb megoldásként. A választás egy 63 mm marófej-átmérőjű NeoMill-Diamond-FlyCutterre esett. „Ezt a szerszámot eredetileg az elektronikai ipar alumíniumalkatrészeinek megmunkálására fejlesztettük ki, ahol a síkfelületek megmunkálásánál a lehető legtökéletesebb felületek létrehozása a cél” – számol be Leander Bolz, a MAPAL Component Management részlegétől. Az aaleni szerszámgyártónál azonnal biztosak voltak abban, hogy ez műanyaggal is sikerülhet, annál is inkább, mivel a szerszámot eleve olyan kritikus gépkoncepciókhoz tervezték, mint a kis orsók és a vákuumos befogás.

A speciális élgeometriájának köszönhetően a könnyű, háromélű maró csökkenti a forgácsolási nyomást, és viszonylag gyorsan eltávolítja a forgácsot a forgácsolási zónából. Az alacsony forgácsolási nyomás már alumíniumfelületek lemunkálásakor is meghatározó jellemzőnek bizonyult. A megfelelő vágóanyag kiválasztásával a MAPAL különböző anyagokhoz tudja igazítani a szerszámot.

Az M-O-T nagyon elégedett az időközben gyakran alkalmazott NeoMill-Diamond-FlyCutterrel, amely a felületmegmunkálásban valódi áttörést hozott. A marógép beszerzésekor a gyártók kezdetben csak a géptestek ajtóinak megmunkálására gondoltak. Fokozatosan azonban egyre több alkatrész került be a saját gyártásba. Az M-O-T időközben már teljes egészében maga gyártja a szükséges vegyszerek tárolótartályait, és a jövőben a folyamatcellákat is saját hatáskörben kívánja előállítani. A különleges komponenseket, például a teflonból készült folyamatkádakat továbbra is külső partnerek gyártják. Az M-O-T a NeoMill-Diamond-FlyCuttert a lemezek síkmarására használja. Az oldalirányú megmunkáláshoz és a kontúrok simításához egy másik MAPAL-szerszámot, egy PKD-szármarót alkalmaz.

Az optimalizálás folytatódik

Mike Jakob részlege még nem tekinti befejezettnek a munkát. A hűtő-kenő folyadékkal továbbra is kísérleteznek a felületi minőség optimalizálása és a szerszám kímélése érdekében. Különösen a merev és rideg PVDF megmunkálása viselte meg időnként a NeoMill-Diamond-FlyCutter PKD-éleit. Az M-O-T azonban erősen korlátozott a hűtő-kenő folyadék kiválasztásában. Olaj szóba sem jöhet, mivel így semmilyen szennyeződés nem kerülhet a berendezésbe, amely például befolyásolhatná a pH-értéket vagy más folyamatparamétereket. Emiatt fémforgács sem kerülhet az M-O-T gyártási területére. Mivel nagyon gyorsan elpárolog, hűtő-kenő folyadékként izopropanolt választottak. Mivel azonban jelentős szagterheléssel jár, a gépnél csak korlátozottan használható.

A műanyagok a hűtés során is különleges követelményeket támasztanak – ahogy Robin Kollmann, az M-O-T marási munkálataiért felelős munkatársa kifejti: „A műanyag kevesebb hőt vesz fel, mint az alumínium, ezért a hő nem vezethető el elég gyorsan az alkatrészből. A forgács összeolvadhat vagy összetömörödhet, ami nagyobb nyomást hoz létre, és potenciálisan károsítja a vágóélt. Ilyenkor a felületi minőség sem olyan jó, amilyet szeretnénk.” A megmunkálás során vágásonként 0,3 mm anyagot maranak le. Az anyagtól és a minőségi osztálytól függően a ráhagyás akár 1 mm is lehet.

A túlzott hőképződés elkerülése érdekében az M-O-T jelenleg 6000 fordulat/perc fordulatszámmal és 1200 mm/perc előtolással dolgozik. Ezzel a gyártók jóval a MAPAL által kezdetben javasolt értékek alatt maradnak, amelyek már eleve alacsonyabbak voltak az alumínium megmunkálásához ajánlott értékeknél. Még nem gyűjtöttek elegendő tapasztalatot annak megítéléséhez, hogy az izopropanolos hűtés milyen hatással van a vágóél élettartamára. Ezzel párhuzamosan az M-O-T megkezdte egy új, vízbázisú hűtőközeg tesztelését. A kísérletek keretében a gyártók nagyobb vágási sebességeket is tesztelni kívánnak.

Időközben sikeresen kipróbálták a következő optimalizálási lépést: az M-O-T egy nagyobb, 100 mm marófej-átmérőjű NeoMill-Diamond-FlyCutter változatot tesztelt, majd megrendelte a szerszámot. A csere a moduláris rendszerben nagyobb ráfordítás nélkül elvégezhető, mivel a MAPAL által kínált, 63 és 160 mm közötti valamennyi marófej-átmérő ugyanarra a felfogótüskére szerelhető. Ez jól mutatja, hogy a MAPAL nemcsak egy megfelelő szerszámmal támogatja az alkalmazást, hanem a vevővel folytatott folyamatos egyeztetés keretében további, a termelékenység növelését célzó megoldásokat is kidolgoz.