Lavorazione meccanica delle materie plastiche per la produzione di chip

La leggera fresa HSC NeoMill-Diamond-FlyCutter di MAPAL è ideale per lavorare, nell’attacco BT30, le superfici di componenti in plastica che M-O-T fissa su una tavola a vuoto. ©MAPAL

Sul lato anteriore dell’impianto presso M-O-T si susseguono diverse celle di processo, nelle quali i produttori di microchip lavorano i wafer di silicio. ©MAPAL

Sul retro, nella parte superiore, è alloggiata l’elettronica dell’impianto; nella parte inferiore si trovano i serbatoi di alimentazione per liquidi come acidi, basi e solventi. ©MAPAL

Le celle di processo accolgono presso gli utilizzatori wafer di silicio rotondi, che vengono trattati con sostanze chimiche in processi spesso della durata di diverse ore. ©MAPAL

La fresa a spianare a tre taglienti NeoMill-Diamond-FlyCutter, con inserti di fresatura dotati di PCD, è stata sviluppata appositamente per lavorazioni instabili e piccole interfacce. ©MAPAL

Sul piano di lavoro della macchina, M-O-T può fissare tramite vuoto componenti fino a 1.000 x 1.000 mm. Il NeoMill-Diamond-FlyCutter di MAPAL, grazie alla sua bassa pressione di taglio, è ideale per la fresatura delle piastre. ©MAPAL

Il core business di M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH, con sede a Saarbrücken, è costituito dagli impianti per la produzione di microchip. Nel percorso intrapreso per realizzare internamente il maggior numero possibile dei componenti in plastica necessari a tale scopo, l’azienda ha compiuto un notevole passo avanti grazie all’impiego del NeoMill-Diamond-FlyCutter di MAPAL.

Fondata nel 2001, M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH fa parte dal 2011 del gruppo di aziende Woll e completa la gamma del versatile costruttore di macchine speciali con la produzione di impianti di processo a umido per i settori dei microsistemi e dei semiconduttori. Con i suoi quasi 30 dipendenti, lo specialista è pienamente integrato nel gruppo, un aspetto evidente anche dal punto di vista logistico: M-O-T occupa tre locali nel cuore di un capannone di produzione di Woll.

In quest’area molte cose sono diverse rispetto al resto della produzione, orientata soprattutto alla lavorazione dei metalli. Qui non sono ammesse calzature da strada e viene mantenuta costantemente una leggera sovrapressione. La produzione non avviene in una camera bianca, bensì in un ambiente pulito, come spiega il responsabile della produzione Mike Jakob. Le impurità introdotte dall’esterno potrebbero modificare i valori degli impianti operanti con precisione e quindi compromettere il processo. Presso i clienti, l’attività si svolge successivamente in camere bianche.

Oltre all’elettronica installata, gli impianti sono costituiti praticamente interamente da plastica e sono strutturati in modo modulare per le singole fasi di processo necessarie una dopo l’altra nella produzione dei semiconduttori. Sul lato anteriore sono disposte in serie le celle di processo, nelle quali vengono inseriti i wafer di silicio per la lavorazione. Sul retro della macchina si trovano i serbatoi di stoccaggio dei liquidi necessari, per lo più acidi, basi e solventi. All’occorrenza è possibile anche effettuare la galvanizzazione. A seconda dell’applicazione, il trattamento superficiale sugli impianti M-O-T progettati individualmente avviene prima o dopo l’esposizione dei wafer. Con componenti acquistati esternamente, è possibile integrare direttamente nell’impianto anche la fotolitografia.

Materie plastiche in funzione dell’impiego

Per la realizzazione dei contenitori destinati ai processi e allo stoccaggio delle sostanze chimiche, M-O-T utilizza generalmente lastre saldate mediante un processo di giunzione termica. Vengono impiegate materie plastiche diverse, la cui scelta dipende dalle sostanze chimiche utilizzate e dalla temperatura di processo. Nella maggior parte dei casi si utilizzano PP o PVC, ma talvolta sono necessari anche il PEEK, resistente alle alte temperature, o il PVDF, assolutamente resistente agli acidi. Quando si combinano diversi requisiti estremi, spesso la scelta migliore è il PTFE, noto anche come Teflon.

Negli ultimi anni il numero di impianti costruiti è aumentato notevolmente. Se nel 2021 erano ancora cinque o sei all’anno, oggi M-O-T ne consegna da 20 a 30. Tuttavia, si registrano oscillazioni in funzione della situazione del mercato, a sua volta dipendente dall’andamento del mercato globale dei semiconduttori. Inoltre, gli impianti diventano sempre più complessi. Inizialmente la produzione lavorava soprattutto con fornitori esterni. Il fatto che dal 2022 M-O-T abbia affidato le responsabilità a una produzione interna dipende anche dai problemi di qualità legati ai componenti forniti: sugli impianti finiti si erano verificate ripetutamente delle perdite.

Il modo in cui M-O-T lavora le proprie lastre in plastica appare inizialmente curioso: la macchina proviene dal settore del modellismo, l’utensile è stato sviluppato per la fresatura dell’alluminio e il lubrorefrigerante (KSS) è in realtà un disinfettante. Per le esigenze del costruttore di impianti di Saarbrücken, tuttavia, questa combinazione insolita è assolutamente funzionale.

Dopo un anno di ricerca, il NeoMill-Diamond-FlyCutter porta la soluzione

La scelta è ricaduta sulla fresatrice a portale aperto T-Rex del produttore CNC-Step. Per l’attacco utensile viene utilizzata la piccola interfaccia SK30, mentre sulla tavola a vuoto è possibile fissare pezzi fino a una dimensione di 1.000 x 1.000 mm. La ricerca di un utensile adatto alle lavorazioni previste, finalizzate soprattutto a ottenere una buona qualità superficiale, si è rivelata difficile. Mike Jakob racconta: «Non eravamo soddisfatti della qualità ottenuta inizialmente. Per un anno ho cercato una fresa a spianare adatta, ma nessuno era in grado di offrirci qualcosa di veramente idoneo per la finitura superficiale. Alla AMB 2024 di Stoccarda ho trovato quello che cercavo presso MAPAL, che disponeva di una fresa con il nostro attacco.»

Insieme al tecnico applicativo Klaus-Dieter Leick di MAPAL, è stata studiata la soluzione migliore realizzabile sulla macchina disponibile. La scelta è ricaduta su un NeoMill-Diamond-FlyCutter con diametro della testa di fresatura di 63 mm. «Abbiamo sviluppato originariamente questo utensile per la lavorazione di componenti in alluminio nell’industria elettronica, dove l’obiettivo era ottenere superfici quanto più perfette possibile nelle lavorazioni di spianatura», riferisce Leander Bolz del Component Management di MAPAL. Presso il costruttore di utensili di Aalen si era subito certi che il risultato sarebbe stato valido anche sulla plastica, tanto più che l’utensile era stato concepito fin dall’inizio per configurazioni macchina critiche, come piccoli mandrini e il serraggio a vuoto.

Grazie alla speciale geometria dei taglienti, la fresa leggera a tre taglienti riduce la pressione di taglio e rimuove i trucioli relativamente rapidamente dalla zona di asportazione. La bassa pressione di taglio era già una caratteristica decisiva durante la fresatura delle superfici in alluminio. Con una scelta adeguata del materiale da taglio, MAPAL può adattare l’utensile a diversi materiali.

M-O-T è molto soddisfatta del NeoMill-Diamond-FlyCutter, ormai utilizzato frequentemente, che si è rivelato un vero elemento di svolta nella lavorazione delle superfici. Quando è stata acquistata la fresatrice, i tecnici di produzione avevano inizialmente in mente soltanto la lavorazione delle porte dei telai. Gradualmente sono stati aggiunti sempre più componenti realizzati internamente. Nel frattempo M-O-T produce completamente in proprio i serbatoi di accumulo per le sostanze chimiche necessarie e in futuro intende realizzare internamente anche le celle di processo. Componenti speciali, come ad esempio le vasche di processo in Teflon, continueranno a essere prodotti esternamente. M-O-T utilizza il NeoMill-Diamond-FlyCutter per la fresatura di spianatura delle lastre. Per la lavorazione laterale e la finitura dei contorni viene impiegato un altro utensile di MAPAL, una fresa a candela in PCD.

L’ottimizzazione prosegue

Il reparto di Mike Jakob non considera ancora raggiunto l’obiettivo finale. Si continuerà a sperimentare con il lubrorefrigerante, per ottimizzare la qualità superficiale e preservare l’utensile. In particolare, la lavorazione del PVDF rigido e fragile ha talvolta danneggiato i taglienti in PCD del NeoMill-Diamond-FlyCutter. Tuttavia, M-O-T è fortemente limitata nella scelta del lubrorefrigerante. L’olio è escluso, per evitare di introdurre nell’impianto anche in questo modo impurità che potrebbero, ad esempio, influire sul valore del pH o su altri parametri di processo. Per lo stesso motivo, nell’area produttiva di M-O-T non possono entrare neppure trucioli metallici. Poiché evapora molto rapidamente, è stato scelto l’isopropanolo come lubrorefrigerante. Tuttavia, poiché comporta un notevole disagio olfattivo, può essere utilizzato sulla macchina solo in misura limitata.

Anche per il raffreddamento le materie plastiche pongono requisiti particolari, come spiega Robin Kollmann, responsabile della fresatura presso M-O-T: «La plastica assorbe meno calore dell’alluminio, che quindi non può essere evacuato dal componente con sufficiente rapidità. I trucioli possono fondersi o raggrumarsi, aumentando la pressione e danneggiando potenzialmente il tagliente. Anche la qualità superficiale risulta allora inferiore a quella desiderata.» Durante la lavorazione vengono asportati 0,3 mm per passata. A seconda del materiale e della classe qualitativa, il sovrametallo arriva fino a 1 mm.

Per non generare troppo calore durante la lavorazione, attualmente M-O-T lavora a una velocità di taglio di 6.000 giri/min e a un avanzamento di 1.200 mm/min. In questo modo i tecnici di produzione rimangono ben al di sotto dei valori inizialmente proposti da MAPAL, già inferiori a quelli previsti per la lavorazione dell’alluminio. Non sono ancora state raccolte esperienze sufficienti per valutare l’influenza del raffreddamento con isopropanolo sulla durata del tagliente. Parallelamente, M-O-T ha iniziato a testare un nuovo refrigerante a base d’acqua. Nell’ambito delle prove, i tecnici di produzione intendono verificare anche velocità di taglio più elevate.

Nel frattempo è stato testato con successo il successivo intervento di ottimizzazione: M-O-T ha provato una versione più grande del NeoMill-Diamond-FlyCutter, con un diametro della testa di fresatura di 100 mm, e ha quindi ordinato l’utensile. Il cambio è possibile senza particolari difficoltà nel sistema modulare, poiché tutti i diametri delle teste di fresatura da 63 a 160 mm offerti da MAPAL vengono montati sullo stesso mandrino di attacco. Ciò dimostra che MAPAL non supporta l’applicazione soltanto con un utensile adeguato, ma sviluppa ulteriori approcci per aumentare la produttività attraverso un confronto continuo con il cliente.