เซรามิกที่มีความแม่นยำเทียบกับ หินแกรนิต: อลูมินา, SiC และ Si3N4 สำหรับส่วนประกอบที่มีความแม่นยำเป็นพิเศษ-

วิศวกรออกแบบที่ทำงานเกี่ยวกับเครื่องมือมาตรวิทยาเซมิคอนดักเตอร์ ระบบตรวจสอบด้วยแสง และขั้นลูกปืนลม ต้องเผชิญกับการตัดสินใจเลือกวัสดุแบบเดียวกันในที่สุด: หินแกรนิตแบบดั้งเดิมหรือเซรามิกทางเทคนิคขั้นสูง ทั้งสองแบบให้ความเสถียรของมิติซึ่งเหล็กและอะลูมิเนียมไม่สามารถเทียบเคียงได้ แต่ทั้งสองแก้ปัญหาที่แตกต่างกัน และการเลือกอันที่ไม่ถูกต้องนั้นต้องใช้เวลานานหลายเดือนในการออกแบบใหม่ คู่มือนี้จะเปรียบเทียบอลูมินา ซิลิคอนคาร์ไบด์ และซิลิคอนไนไตรด์กับหินแกรนิตธรรมชาติในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุด จากนั้นจับคู่วัสดุแต่ละรายการกับการใช้งานที่เหมาะสม ตัวเลขที่ยกมาเป็นค่าทางวิศวกรรมทั่วไปสำหรับเกรดเชิงพาณิชย์ ค่าที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามเกรดและซัพพลายเออร์ ดังนั้นควรตรวจสอบกับเอกสารข้อมูลวัสดุเฉพาะก่อนที่จะสรุปการออกแบบ

การเปรียบเทียบคุณสมบัติโดยสรุป

อ่านตารางโดยรวมแทนที่จะอ่านทีละแถว หินแกรนิตมีขนาด การทำให้หมาดๆ และราคาที่ไม่มีใครเทียบได้ อลูมินามีความแข็งและทนต่อการสึกหรอด้วยต้นทุนปานกลาง ซิลิคอนคาร์ไบด์นำเสนอการผสมผสานที่ดีที่สุดของความแข็ง การขยายตัวต่ำ และการกระจายความร้อน ซิลิคอนไนไตรด์มีความเหนียวแตกหักได้ดีที่สุดในบรรดาเซรามิกทั้งสามชนิด ซึ่งมีความสำคัญเมื่อชิ้นส่วนเกิดการกระแทกหรือมีโหลดเป็นวงจรสูง

คุณสมบัติแต่ละอย่างมีความหมายต่อการออกแบบของคุณอย่างไร

โมดูลัสยืดหยุ่นจะตัดสินว่าโครงสร้างจะต้องมีความหนาเท่าใดจึงจะถึงเป้าหมายที่มีความแข็ง ลำแสง SiC ที่ 410 GPa มีความแข็งกว่าหินแกรนิตประมาณแปดเท่าที่ 50 GPa สำหรับหน้าตัดเดียวกัน ดังนั้นโครงสร้างเซรามิกจึงบางลงและเบากว่ามากในขณะที่ยังคงงบประมาณการโก่งตัวเท่าเดิม นี่คือสาเหตุที่ส่วนประกอบของแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์หดตัวในมวลในขณะที่มีความเร่งเพิ่มขึ้น: ทุกกรัมที่ถูกดึงออกจากมวลที่กำลังเคลื่อนที่จะลดกำลังของมอเตอร์และการสั่นสะเทือนที่จำเป็นในการวางตำแหน่ง

การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะตัดสินว่าชิ้นส่วนจะลอยไปอย่างไรเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง Si3N4 ที่ 3.3 x 10-6 ต่อ K และ SiC ที่ 4.2 x 10-6 ต่อ K จะขยายตัวน้อยกว่าหินแกรนิต และที่สำคัญคือ สามารถจับคู่กับกรอบโลหะที่มีการขยายตัวที่ตรงกันบางส่วนได้ การนำความร้อนเป็นข้อได้เปรียบที่เงียบกว่า: หินแกรนิตแทบจะไม่นำความร้อนที่ 2 ถึง 3 วัตต์ต่อ m K ดังนั้นการไล่ระดับอุณหภูมิภายในฐานหินแกรนิตจะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการทำให้เท่ากัน SiC นำความร้อนที่ 100 ถึง 120 W ต่อ m K ใกล้เคียงกับอะลูมิเนียม ดังนั้นจึงกระจายแหล่งความร้อนในท้องถิ่นได้อย่างรวดเร็วและรักษาการไล่ระดับสีให้น้อย สำหรับส่วนประกอบใดๆ ที่ติดตั้งใกล้กับมอเตอร์ แหล่งกำเนิดแสง หรือแผ่นเวเฟอร์ร้อน ความแตกต่างนี้มักจะกำหนดวัสดุด้วยตัวมันเอง

การหน่วงคือจุดแข็งอันเป็นเอกลักษณ์ของหินแกรนิต หินธรรมชาติกระจายแรงสั่นสะเทือนได้ดีกว่าเหล็กประมาณสิบเท่าและดีกว่าเซรามิกที่มีความหนาแน่นมาก ซึ่งเป็นสาเหตุที่หินแกรนิตยังคงเป็นฐานเริ่มต้นสำหรับ CMM แผ่นแบริ่งลมหินแกรนิต และโต๊ะปรับแสง แม้แต่ในระบบเซรามิกทั้งหมด- สถาปัตยกรรมทั่วไปใช้ฐานหินแกรนิตสำหรับลดแรงสั่นสะเทือนและใช้ส่วนประกอบเซรามิกที่ด้านบนเพื่อความแข็งและความเร็ว โดยดึงคุณสมบัติที่ดีที่สุดจากแต่ละส่วน

ตำแหน่งที่วัสดุแต่ละชนิดเข้ากันได้

หินแกรนิต: ฐาน เตียง ราวกั้น และอะไรก็ตามที่มีขนาดใหญ่

หินแกรนิตจะชนะไม่ว่าชิ้นส่วนมีขนาดใหญ่ งบประมาณมีจำกัด และการลดแรงสั่นสะเทือนมีความสำคัญมากกว่าความแข็งขั้นสุดต่อกรัม ฐานเครื่องจักร โต๊ะ CMM แผ่นพื้นผิว คานเครื่องจักร และรางนำลูกปืนลมเป็นอาณาเขตหลัก ชิ้นส่วนเสาหินที่มีความยาวสูงสุด 20 เมตร และชิ้นเดียวที่มีน้ำหนักมากถึง 100 ตันผลิตเป็นประจำในโรงงานหินแกรนิตขั้นสูง ซึ่งเป็นขนาดที่เตาเผาหรือเตาเผาเซรามิกไม่สามารถเข้าถึงได้ ถ้าโครงสร้างของคุณใหญ่กว่าตู้เย็น ก็มักจะตัดสินใจไปแล้ว

อลูมินา: ชิ้นส่วนที่สึกหรอ ฉนวน และส่วนประกอบฟิกซ์เจอร์ที่มีความแม่นยำ

อลูมินาเป็นส่วนประกอบหลักของตระกูลเซรามิก มีความแข็ง เป็นฉนวนไฟฟ้า เฉื่อยทางเคมี และราคาสมเหตุสมผล การใช้งานที่มีความแม่นยำเป็นพิเศษ-โดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบนำทางเซรามิกสำหรับโพรบ CMM บล็อกเกจและสี่เหลี่ยม หมุดฟิกซ์เจอร์ที่ต้องไม่ทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิวแสง และฉนวนสเปเซอร์ภายในอุปกรณ์สุญญากาศและพลาสมา จุดอ่อนของมันคือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบฉับพลัน: ที่ 25 ถึง 30 W ต่อ m K โดยมีอัตราการขยายตัวที่สูงกว่า จึงทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างกะทันหันได้น้อยกว่า SiC เก็บชิ้นส่วนอลูมินาให้ห่างจากการหมุนเวียนความร้อนอย่างรวดเร็ว และจะมีอายุการใช้งานได้นานกว่าส่วนประกอบอื่นๆ ทั้งหมดในเครื่อง

ซิลิคอนคาร์ไบด์: แบริ่งลม กระจก และสเตจร้อนหรือเร็ว

เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นตัวเลือกระดับพรีเมียมสำหรับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ซึ่งมีความต้องการสูงสุด ความแข็ง ความหนาแน่นต่ำ ความบิดเบี้ยวจากความร้อนเกือบ-เป็นศูนย์ และค่าการนำไฟฟ้าสูง ทำให้เป็นมาตรฐานสำหรับแผ่นแบริ่งอากาศและสปินเดิลเซรามิก โต๊ะหัวจับเวเฟอร์ เลเซอร์และกระจกมองภาพ และขั้นตอนการสแกนที่รวดเร็วภายในเครื่องมือตรวจสอบเซมิคอนดักเตอร์ แบริ่งอากาศ SiC ที่ทำงานด้วยความเร็วสูงจะสร้างความร้อนในฟิล์มอากาศ เนื่องจาก SiC กระจายความร้อนนั้นแทนที่จะกักเก็บเอาไว้ ช่องว่างลูกปืนจึงคงที่ และแท่นก็รักษาความแม่นยำตลอดการเปลี่ยนเกียร์ ข้อเสียคือต้นทุนซึ่งมากกว่าอลูมินาหลายเท่า และขนาดชิ้นส่วนซึ่งถูกจำกัดโดยเตาเผาซินเทอร์ หากแอปพลิเคชันของคุณเกี่ยวข้องกับความเร็ว ความร้อน และความเสถียรของนาโนเมตรพร้อมกัน โดยปกติแล้ว SiC จะคุ้มค่าทุกสตางค์

ซิลิคอนไนไตรด์: ชิ้นส่วนโครงสร้างที่รับน้ำหนักสูง-และรอบสูง-

Si3N4 ผสมผสานความแข็งที่ดีเข้ากับความทนทานต่อการแตกหักซึ่งสูงกว่าอลูมินาหรือ SiC หลายเท่า เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับลูกปืน ลูกกลิ้ง และองค์ประกอบโครงสร้างที่เห็นแรงกระแทก ความเค้นสัมผัสสูง หรือรอบโหลดนับล้าน ในอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำพิเศษ- จะปรากฏเป็นส่วนประกอบตลับลูกปืนแบบไฮบริด เครื่องมือที่สัมผัสกับชิ้นส่วนโลหะซ้ำๆ และการเชื่อมโยงทางกลภายในขั้นตอนที่รวดเร็ว ซึ่งชิ้นส่วนอลูมินาที่ร้าวอาจเสี่ยงต่อการออกแบบ ราคาของมันสูงที่สุดในกลุ่ม ดังนั้นนักออกแบบมักจะสงวนไว้สำหรับองค์ประกอบบางอย่างที่ต้องการความทนทานอย่างแท้จริง

วิธีเลือก: เส้นทางการตัดสินใจเชิงปฏิบัติ

เริ่มจากขนาด. หากมิติใดเกินประมาณ 1.5 เมตร หินแกรนิตคือคำตอบที่ใช้งานได้จริงและทันสมัยส่วนประกอบเซรามิกที่มีความแม่นยำการผลิตจะไม่เปลี่ยนขอบเขตนั้น เตาเผาเซรามิกและเตาเผาผนึกกำหนดขีดจำกัดอย่างหนักเกี่ยวกับขนาดชิ้นส่วนเสาหิน เลื่อนลงไปที่ความแข็งและมวล หากชิ้นส่วนเร่งหรือสั่นสะเทือนและมีความหนาจำกัด เซรามิกจะเอาชนะหินแกรนิตได้ 6 ถึง 8 เท่าในโมดูลัสยืดหยุ่น ย้ายไปอยู่ถัดจากสภาพแวดล้อมที่มีความร้อน เมื่ออยู่ใกล้แหล่งความร้อน ค่าการนำไฟฟ้าของ SiC ทำให้ได้เปรียบอย่างเด็ดขาด ในห้องตรวจสอบที่ปราศจากความร้อน การหน่วงของหินแกรนิตทำให้สามารถแข่งขันได้อย่างเต็มที่ สุดท้ายชั่งน้ำหนักความเหนียว การสัมผัส การกระแทก หรือแรงกดจากความเมื่อยล้าจะผลักดันคุณไปสู่ ​​Si3N4 ความแม่นยำที่แท้จริงภายใต้โหลดแบบคงที่หรือกึ่ง-จะสนับสนุน SiC หรืออลูมินาโดยขึ้นอยู่กับงบประมาณ

รูปแบบไฮบริดที่มีประโยชน์ได้เกิดขึ้นในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และอุปกรณ์ออพติคอล: ฐานหินแกรนิตสำหรับมวล การหน่วง และราคา โดยมีเม็ดมีดเซรามิก รางนำ หรือหน้าลูกปืนลมที่เชื่อมติดกันหรือยึดติดไว้ด้านบน ซึ่งมีความแข็งและการสึกหรอ สถาปัตยกรรมนี้มอบข้อได้เปรียบด้านเซรามิกส่วนใหญ่โดยมีค่าใช้จ่ายเพียงเล็กน้อยของโครงสร้างเซรามิกทั้งหมด- และช่วยให้วัสดุแต่ละชนิดทำงานได้ดีที่สุด

สิ่งที่ควรตรวจสอบก่อนสั่งซื้อส่วนประกอบเซรามิก

ระเบียบวินัยในการตรวจสอบนั้นคล้ายคลึงกับการจัดหาหินแกรนิต โดยมีการเติมเซรามิกเล็กน้อย{0}} สอบถามวิธีการเผาผนึก เนื่องจาก SiC เผาผนึกไร้แรงดันและ Si3N4 อัดด้วยไอโซสแตติกแบบร้อนมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ขอรายงานการตรวจสอบขนาดที่ระบุเครื่องมือวัดและความสามารถในการติดตามการสอบเทียบ เนื่องจากชิ้นส่วนเซรามิกบดมีความทนทานแตกต่างจากหินแกรนิตที่ขัดแล้ว ยืนยันความสามารถในการเจียร: เซรามิกได้รับการตัดเฉือนด้วยเครื่องมือเพชร และประสบการณ์ของโรงงานเกี่ยวกับวัสดุเฉพาะของคุณจะแสดงโดยตรงในการควบคุมการกะเทาะของคมตัดและการตกแต่งพื้นผิว สำหรับชิ้นส่วนลูกปืนลม โปรดสอบถามเกี่ยวกับการทดสอบความพรุนและการตรวจสอบรอยรั่ว เนื่องจากช่องว่างใต้ผิวดินที่ไม่เป็นอันตรายในบล็อกโครงสร้างอาจทำให้ฟิล์มอากาศไม่เสถียรได้ และเช่นเดียวกับซัพพลายเออร์ที่มีความแม่นยำอื่นๆ การจ่ายเงินตัวอย่างหรือการตรวจสอบวิดีโอสดของเซลล์การเจียรและการตรวจสอบเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการยืนยันความสามารถก่อนที่จะดำเนินการกับปริมาณการผลิต

สรุป

หินแกรนิตยังคงไม่มีใครเทียบได้สำหรับโครงสร้างขนาดใหญ่ ชื้น และราคาไม่แพง อลูมินาให้ความแข็งและฉนวนที่ประหยัด ลีดเซรามิกซิลิกอนคาร์ไบด์ที่มีความแข็ง เสถียรภาพทางความร้อน และความเร็วมาบรรจบกัน และซิลิคอนไนไตรด์จะรับภาระและรอบที่ส่วนอื่นไม่สามารถอยู่รอดได้ การออกแบบที่แข็งแกร่งที่สุดจะหยุดมองว่าสิ่งนี้เป็น-หรือเป็นทางเลือก และจงใจรวมวัสดุเข้าด้วยกัน หากคุณกำลังประเมินเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์แบริ่งอากาศหรือหินแกรนิตลูกผสม-โครงสร้างเซรามิก ทีมวิศวกรของเราสามารถตรวจสอบภาพวาดของคุณ เสนอการแยกวัสดุ และเสนอราคาทั้งสองเส้นทาง เพื่อให้คุณสามารถเปรียบเทียบความเสถียร มวล และราคากับจำนวนจริงก่อนที่จะตัดสินใจ