Gia công siêu chính xác cho ngành bán dẫn: khi dung sai và bề mặt quan trọng hơn thời gian chu kỳ

Trong hầu hết các ngành, câu hỏi đầu tiên với một chương trình gia công là “chạy hết bao lâu”. Với ngành thiết bị bán dẫn, câu hỏi đó lùi xuống hàng thứ yếu. Ở đây, một chi tiết buồng chân không (vacuum chamber), một tấm đế giữ wafer hay một đầu phân phối khí (showerhead) chỉ được chấp nhận khi đạt dung sai ở mức micron thậm chí dưới micron và bề mặt đủ nhẵn để làm kín chân không và không sinh hạt bụi (particle contamination) (1). Chi tiết bán dẫn thường đắt, khó hoặc không thể sửa lại sau khi xuất xưởng, nên “đúng ngay lần đầu” không phải khẩu hiệu mà là điều kiện sống còn (4). Khi độ chính xác và chất lượng bề mặt được đặt lên trước thời gian chu kỳ, chiến lược CAM phải được chọn theo một trật tự ưu tiên khác.

Bài toán gia công chi tiết bán dẫn

Yêu cầu đầu tiên là dung sai và độ phẳng. Nhiều chi tiết bán dẫn có dung sai ở cấp micron hoặc dưới micron (1). Với chi tiết làm kín chân không, độ phẳng của bề mặt làm kín thường quan trọng hơn cả dung sai kích thước tổng thể – một nắp buồng có kích thước dễ đạt nhưng bề mặt làm kín không đủ phẳng thì độ kín chân không coi như hỏng (2). Trên thực tế, các nhà sản xuất công bố mức như độ phẳng ±0,025 mm trên chuẩn 1000 mm và độ nhám bề mặt Ra 0,2 µm trở xuống cho bề mặt hướng chân không (3).

Yêu cầu thứ hai là bề mặt sạch, không bavia. Một vết bavia hay hạt bám nhỏ trong buồng xử lý có thể làm hỏng wafer và kéo tụt sản lượng (1). Bề mặt phải mịn tới mức gần như gương, và mọi cạnh phải sạch bavia. Đây là ràng buộc mà chi tiết cơ khí thông thường hiếm khi gặp.

Yêu cầu thứ ba là hình học phức tạp trên vật liệu dễ biến dạng. Chi tiết điển hình làm bằng nhôm 6061/MIC-6, thép không gỉ 316L, gốm thường có nhiều mặt gia công, rãnh O-ring, bề mặt làm kín, cụm lỗ khí và lỗ nghiêng (5). Nhôm thành mỏng lại dễ biến dạng do lực cắt và nhiệt, khiến việc kiểm soát dung sai càng thêm khó khăn.

Vì sao đây là bài toán của CAM, không chỉ của máy

Máy CNC chính xác và tay nghề tốt là điều kiện cần, nhưng chưa đủ. Chất lượng bề mặt cuối cùng phần lớn được quyết định từ đường chạy dao: nếu đường chạy dao gằn, đổi hướng đột ngột hay phân bố điểm NC không đều, bề mặt sẽ lộ vết, dao mòn nhanh và động học máy bị “giật”. Với chi tiết bán dẫn, việc chia vùng gia công theo nhiều dao và nhiều bước là bình thường và chính các vùng chuyển tiếp giữa chúng là nơi dễ để lại vết dao nhìn thấy được. Cách khắc phục kinh điển là đánh bóng hoặc mài tay, vừa tốn công vừa khó lặp lại và tiềm ẩn rủi ro làm sai lệch kích thước.

hyperMILL giải quyết như thế nào

hyperMILL tích hợp sẵn nhóm chức năng High Precision Machining nhắm đúng vào bài toán bề mặt siêu chính xác, để chi tiết ra khỏi máy đã gần đạt mà không phải phụ thuộc vào đánh bóng bằng tay (6).

1. Surface precision mode: tính toán trực tiếp trên bề mặt CAD, kiểm soát dung sai tới µm. Ở chế độ này, đường chạy dao được tính trực tiếp trên bề mặt của mô hình CAD, và dung sai gia công có thể kiểm soát xuống dưới µm (6). Quan trọng hơn, phân bố điểm NC được điều chỉnh tối ưu theo dung sai, cho ra một “mẫu” vết dao đồng đều trên toàn bề mặt (6).

2. Smooth overlap: làm liền các vùng chuyển tiếp. Khi một chi tiết được chia thành nhiều vùng gia công với dao và lượng ăn dao khác nhau, chức năng Smooth overlap cải thiện chất lượng ở các vùng giáp ranh, làm chỗ chuyển tiếp mượt tới mức khó đo và gần như không nhìn thấy bằng mắt thường (6).

3. HSC với vào dao êm – bảo vệ bề mặt, dao và động học máy. Các chức năng cắt tốc độ cao (high-speed cutting – HSC) trong hyperMILL được thiết kế để tối ưu đồng thời độ chính xác, chất lượng bề mặt, tuổi thọ dao và động học máy; các chuyển động vào dao êm, tiếp cận theo đường xoắn giúp tránh tải đột ngột (7). Với vật liệu mềm và dễ biến dạng như nhôm bán dẫn, cắt êm và ổn định là điều kiện để giữ được cả dung sai lẫn bề mặt.

4. 5 trục để giảm gá và bám sát hình học buồng. Nhiều chi tiết bán dẫn có mặt nghiêng, lỗ nghiêng và rãnh O-ring trên nhiều mặt; gia công 5 trục giúp giảm số lần gá, nhờ đó giảm sai số chuẩn (datum) và cải thiện độ đồng nhất chất lượng giữa các mặt (5). Ít gá hơn cũng có nghĩa ít cơ hội tích lũy sai số trên một chi tiết đắt tiền.

Lợi ích cho nhà sản xuất thiết bị bán dẫn

Bề mặt đồng đều đạt dung sai µm ngay sau khi gia công trên trung tâm gia công CNC, vùng chuyển tiếp gần như vô hình, ít bavia, ít biến dạng nhờ cắt êm, và độ đồng nhất tốt hơn giữa các mặt nhờ ít gá.

Giảm mạnh công đánh bóng và mài tay vốn là khâu tốn thời gian và khó lặp lại đồng thời tăng tỉ lệ đạt ngay lần đầu trên những chi tiết đắt, khó sửa. Ở đây, việc “chậm mà chắc” trong lập trình lại rút ngắn tổng thời gian giao hàng, vì tránh được vòng lặp làm lại và hậu xử lý.

Kết luận

Gia công thiết bị bán dẫn là nơi trật tự ưu tiên bị đảo: độ chính xác và chất lượng bề mặt đứng trước thời gian chu kỳ, vì một chi tiết đắt và khó sửa không cho phép làm lại. hyperMILL trả lời đúng bài toán đó bằng High Precision Machining & Surface Precision Mode kiểm soát dung sai tới µm với vết dao đồng đều, Smooth overlap làm liền vùng chuyển tiếp, HSC vào dao êm bảo vệ bề mặt và máy. Kết quả là chi tiết sau khi rời trung tâm gia công CNC đã gần như đạt yêu cầu về kích thước và độ bóng bề mặt, giảm lệ thuộc vào đánh bóng thủ công. Với kỹ sư CAM, đó là cách biến yêu cầu “siêu chính xác” từ gánh nặng hậu xử lý thành kết quả có thể lập trình và lặp lại.

Liên hệ

Nếu xưởng của bạn đang gia công chi tiết bán dẫn có bề mặt làm kín chân không hoặc yêu cầu độ nhám rất cao – nắp buồng, đế giữ wafer, showerhead – đội ngũ kỹ thuật AZIS có thể cùng bạn phân tích một chi tiết cụ thể và đánh giá xem High Precision Machining của hyperMILL rút ngắn được bao nhiêu khâu đánh bóng và cải thiện độ đồng nhất bề mặt đến đâu. Liên hệ AZIS để trao đổi về ứng dụng precision hoặc đặt một buổi demo trên chi tiết của bạn.

Tham khảo

(1) Unison Tek – Metal Machining Challenges in Semiconductor Equipment: https://unisontekco.com/metal-machining-challenges-in-semiconductor-equipment-manufacturing/

(2) KMW – CNC Machining for Semiconductor Equipment: https://kmwcnc.com/cnc-machining-for-semiconductor-equipment-precision-requirements-materials-and-manufacturing-challenges/

(3) LAIKU – Semiconductor Custom Vacuum Chamber Machining: https://szlksemi.com/semiconductor/

(4) HXCNC – Semiconductor Equipment Components: https://hxcnc.com/semiconductor-equipment-components/

(5) Matson – Semiconductor CNC Machining for Aluminum Parts: https://www.matsoncorp.com/semiconductor-cnc-machining-aluminum-parts

(6) OPEN MIND – High Precision Machining: https://www.openmind-tech.com/en/cam/high-precision-machining/

(7) OPEN MIND – 3D milling (HSC): https://www.openmind-tech.com/en/cam/3d-milling/