Kunststofverspaning voor de productie van chips

De lichte HSC-frees NeoMill-Diamond-FlyCutter van MAPAL is bij uitstek geschikt om in de BT30-opname de oppervlakken van kunststofonderdelen te bewerken die M-O-T op een vacuümtafel opspant. ©MAPAL

Aan de voorzijde van de installatie bij M-O-T staan verschillende procescellen naast elkaar, waarin fabrikanten van microchips de siliciumwafers bewerken. ©MAPAL

Aan de achterzijde bevindt zich bovenaan de elektronica van de installatie, onderaan bevinden zich de voorraadanks voor vloeistoffen zoals zuren, basen en oplosmiddelen. ©MAPAL

De procescellen nemen bij de gebruikers ronde siliciumschijven op, die in vaak urenlange processen met chemicaliën worden bewerkt. ©MAPAL

De driesnijdende NeoMill-Diamond-FlyCutter met PCD-uitgeruste freeselementen is speciaal ontwikkeld voor instabiele bewerkingen en kleine snijvlakken. ©MAPAL

Op de werktafel van de machine kan M-O-T componenten tot 1.000 x 1.000 mm met vacuüm opspannen. De NeoMill-Diamond-FlyCutter van MAPAL is dankzij zijn lage snijdruk ideaal voor het frezen van de platen. ©MAPAL

De kernactiviteit van M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH in Saarbrücken bestaat uit installaties voor de productie van microchips. Op weg naar het zelf vervaardigen van zoveel mogelijk van de daarvoor benodigde kunststof onderdelen heeft het bedrijf met de inzet van de MAPAL NeoMill-Diamond-FlyCutter een flinke stap vooruit gezet.

De in 2001 opgerichte M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH maakt sinds 2011 deel uit van de Woll-ondernemingsgroep en vult het spectrum van de veelzijdige producent van speciale machines aan met de productie van natchemische procesinstallaties voor de gebieden microsystemen en halfgeleiders. Met zijn bijna 30 medewerkers is de specialist volledig in de groep geïntegreerd, wat ook ruimtelijk merkbaar is: M-O-T gebruikt drie ruimtes midden in een productiehal van Woll.

In dit gedeelte is het een en ander anders dan in de overige productie, die vooral op metaalbewerking is gericht. Straatschoenen zijn hier niet toegestaan en er heerst voortdurend een lichte overdruk. De productie vindt weliswaar niet in een cleanroom plaats, maar wel in een schone ruimte, legt productieleider Mike Jakob uit. Meegebrachte verontreinigingen zouden waarden in de nauwkeurig werkende installaties kunnen veranderen en daarmee het proces in gevaar brengen. Bij de klanten vindt het proces later wel in cleanrooms plaats.

Afgezien van de ingebouwde elektronica bestaan de installaties praktisch volledig uit kunststof en zijn ze modulair opgebouwd voor de afzonderlijke processtappen die bij de productie van halfgeleiders achtereenvolgens nodig zijn. Aan de voorzijde bevinden zich achter elkaar geplaatste procescellen waarin siliciumschijven voor bewerking worden geplaatst. Achter de machine staan voorraadreservoirs met de daarvoor benodigde vloeistoffen, meestal zuren, basen en oplosmiddelen. Indien nodig is ook galvaniseren mogelijk. Afhankelijk van de toepassing vindt de oppervlaktebewerking op de individueel ontworpen installaties van M-O-T vóór of na het belichten van de wafers plaats. Met ingekochte componenten kan fotolithografie ook rechtstreeks in de installatie worden geïntegreerd.

Kunststoffen afhankelijk van het toepassingsdoel

Voor de productie van de reservoirs voor de processen en de opslag van chemicaliën gebruikt M-O-T meestal platen die met een thermisch verbindingsproces aan elkaar worden gelast. Daarbij worden verschillende kunststoffen gebruikt; de keuze wordt bepaald door de betreffende chemicaliën en de procestemperatuur. Meestal wordt PP of PVC gebruikt, maar in sommige gevallen zijn ook het temperatuurbestendige PEEK of het absoluut zuurbestendige PVDF nodig. Wanneer verschillende extreme eisen samenkomen, is PTFE, ook bekend als Teflon, vaak de beste keuze.

Het aantal gebouwde installaties is de afgelopen jaren sterk toegenomen. In 2021 waren het er nog vijf tot zes per jaar, tegenwoordig levert M-O-T er 20 tot 30. Er zijn echter schommelingen afhankelijk van de marktsituatie, die op haar beurt wordt bepaald door de ontwikkeling op de wereldwijde halfgeleidermarkt. Bovendien worden de installaties complexer. In het begin werkte de productie voornamelijk met toeleveranciers. Dat M-O-T sinds 2022 inzet op een eigen productie heeft ook te maken met kwaliteitsproblemen door de geleverde onderdelen: bij voltooide installaties waren herhaaldelijk lekkages ontstaan.

De manier waarop M-O-T zijn kunststofplaten bewerkt, lijkt op het eerste gezicht merkwaardig: de machine komt uit de modelbouw, het gereedschap is ontwikkeld voor het frezen van aluminium en het koel- en smeermiddel (KSS) is eigenlijk een desinfectiemiddel. Voor de doeleinden van de machinebouwer uit Saarbrücken blijkt deze ongebruikelijke combinatie echter zeer geschikt.

Na een zoektocht van een jaar brengt de NeoMill-Diamond-FlyCutter de oplossing

Als machine koos men voor de open portaalfrees T-Rex van de fabrikant CNC-Step. Voor de gereedschapsopname dient de kleine SK30-interface; op de vacuümtafel kunnen werkstukken met een afmeting tot 1.000 x 1.000 mm worden opgespannen. Het zoeken naar een geschikt gereedschap voor de geplande bewerkingen bleek lastig, omdat het vooral om een goede oppervlaktekwaliteit gaat. Mike Jakob vertelt: „Met de kwaliteit die we aanvankelijk bereikten, waren we niet tevreden. Ik heb een jaar lang gezocht naar een geschikte messenkop, maar niemand kon ons iets aanbieden dat echt geschikt was voor de oppervlakteafwerking. Op de AMB 2024 in Stuttgart vond ik bij MAPAL wat ik zocht: daar hadden ze een frees met onze opname.“

Samen met applicatietechnicus Klaus-Dieter Leick van MAPAL werd uitgezocht wat op de aanwezige machine als beste oplossing haalbaar was. De keuze viel op een NeoMill-Diamond-FlyCutter met een freeskopdiameter van 63 mm. „We hebben dit gereedschap oorspronkelijk ontwikkeld voor het bewerken van aluminium onderdelen in de elektronica-industrie, waar het erom ging bij het vlakfrezen zo perfect mogelijke oppervlakken te creëren“, vertelt Leander Bolz van Component Management bij MAPAL. Bij de gereedschapsfabrikant uit Aalen was men er meteen van overtuigd dat dit ook met kunststof zou lukken, temeer omdat het gereedschap vanaf het begin bedoeld was voor kritische machineconcepten, zoals kleine spindels en vacuümspanning.

Met zijn speciale snijkantgeometrie vermindert de lichte drie-snijder de snijdruk en voert hij spanen relatief snel uit het verspaningsgebied af. De lage snijdruk was al bij het afvlakken van aluminium oppervlakken een doorslaggevend kenmerk. Met een geschikte keuze van het snijmateriaal kan MAPAL het gereedschap aanpassen aan verschillende materialen.

M-O-T is zeer tevreden over de inmiddels vaak gebruikte NeoMill-Diamond-FlyCutter, die bij de oppervlaktebewerking een echte gamechanger is gebleken. Toen de freesmachine werd aangeschaft, dachten de medewerkers aanvankelijk alleen aan het bewerken van de deuren voor de behuizingen. Geleidelijk kwamen er steeds meer onderdelen uit de eigen productie bij. De voorraadreservoirs voor de benodigde chemicaliën produceert M-O-T inmiddels volledig zelf en in de toekomst wil het bedrijf ook de procescellen in eigen beheer vervaardigen. Bijzondere componenten, zoals procesbaden van Teflon, worden nog steeds extern geproduceerd. De NeoMill-Diamond-FlyCutter gebruikt M-O-T daarbij voor het vlakfrezen van de platen. Voor de zijdelingse bewerking en het nabewerken van contouren wordt met een PKD-schachtfrees nog een gereedschap van MAPAL ingezet.

Er wordt verder geoptimaliseerd

De afdeling van Mike Jakob beschouwt haar doel nog niet als bereikt. Met het koel- en smeermiddel wil men verder experimenteren om de oppervlaktekwaliteit te optimaliseren en het gereedschap te ontzien. Vooral de bewerking van het stijve en brosse PVDF heeft soms de PKD-snijkanten van de NeoMill-Diamond-FlyCutter aangetast. M-O-T is echter sterk beperkt in de keuze van het koel- en smeermiddel. Olie komt niet in aanmerking, om ook op die manier geen verontreinigingen in de installatie te brengen die bijvoorbeeld invloed zouden kunnen hebben op de pH-waarde of andere procesparameters. Daarom mogen er ook geen metaalspanen in het productiegebied van M-O-T terechtkomen. Omdat het zeer snel verdampt, werd isopropanol als koel- en smeermiddel gekozen. Omdat het echter aanzienlijke geurhinder veroorzaakt, kan het aan de machine slechts beperkt worden gebruikt.

Kunststoffen stellen ook bij de koeling bijzondere eisen, vertelt Robin Kollmann, die bij M-O-T verantwoordelijk is voor het frezen: „Kunststof neemt minder warmte op dan aluminium, waardoor de warmte niet snel genoeg van het onderdeel kan worden afgevoerd. De spanen kunnen smelten of samenklonteren, waardoor er meer druk ontstaat en de snijkant mogelijk beschadigd raakt. Ook de oppervlaktekwaliteit is dan niet zo goed als we zouden willen.“ Bij de bewerking wordt per snede 0,3 mm weggefreesd. Afhankelijk van het materiaal en de kwaliteitsklasse bedraagt de overmaat maximaal 1 mm.

Om tijdens de bewerking niet te veel warmte te genereren, werkt M-O-T momenteel met een snijsnelheid van 6.000 omw/min en een voeding van 1.200 mm/min. Daarmee blijven de medewerkers duidelijk onder de aanvankelijk door MAPAL voorgestelde waarden, die al lager waren vastgesteld dan voor de bewerking van aluminium. Er is nog onvoldoende ervaring opgedaan om te kunnen inschatten welke invloed de koeling met isopropanol heeft op de levensduur van de snijkant. Tegelijkertijd is M-O-T begonnen met het testen van een nieuw koelmiddel op waterbasis. In het kader van de proeven willen de medewerkers ook hogere snijsnelheden testen.

Inmiddels is de volgende optimalisatiestap met succes getest: M-O-T testte een grotere variant van de NeoMill-Diamond-FlyCutter met een freeskopdiameter van 100 mm en bestelde het gereedschap vervolgens. De wissel is in het modulaire systeem zonder grote inspanning mogelijk, omdat alle door MAPAL aangeboden freeskopdiameters van 63 tot 160 mm op dezelfde opsteekdoorn worden gemonteerd. Daarmee wordt duidelijk dat MAPAL de toepassing niet alleen met een passend gereedschap ondersteunt, maar in voortdurend overleg met de klant ook verdere mogelijkheden voor productiviteitsverhoging ontwikkelt.