화강암은 초정밀 기계 설계에서 가장 많은 관심을 받지만 현대 반도체 및 계측 장비의 성능 중 점점 더 많은 부분이 엔지니어링 세라믹에서 비롯됩니다. 설계에 전기 절연성, 극도의 내마모성, 낮은 무게에서의 높은 강성 또는 열충격 시 안정성이 필요한 경우 고급 세라믹은 특정 역할에서 금속보다 성능이 뛰어나며 종종 화강암보다 성능이 뛰어납니다. 이미 화강암 기반 위에 제작하는 장비 제조업체는 그 위에 세라믹 인서트, 가이드 및 베어링을 지정하는 경우가 점점 더 늘어나고 있습니다. 이 기사에서는 세 가지 핵심 재료인 알루미나, 탄화규소, 질화규소를 비교하고 각각의 위치를 보여주며, 이들로 만든 일반적인 정밀 세라믹 부품에 대해 설명하고 맞춤형 부품을 도면에 주문하는 데 대한 실질적인 지침을 제공합니다.
세 가지 재료, 세 가지 다른 장점
모든 면에서 최고인 세라믹은 없으며, 첫 번째 엔지니어링 결정은 재료를 임무에 맞추는 것입니다. 아래 비교는 세 가지 일반적인 구조용 세라믹이 실제로 어떻게 다른지 요약합니다. 값은 등급과 제조업체에 따라 다르므로 표를 데이터시트가 아닌 선택 가이드로 사용하십시오.
| 재산 | 알루미나(Al2O3) | 실리콘 카바이드(SiC) | 실리콘 질화물(Si3N4) |
| 뛰어난 강도 | 전기 절연성, 내마모성, 비용 효율성 | 세 가지 제품 중 가장 높은 강성과 열전도율 | 최고의 인성과 열충격 저항성 |
| 상대밀도 | SiC보다 낮음 | 셋 중 가장 높음 | 가운데 |
| 파괴인성 | 보통의 | 보통의 | 제일 높은 |
| 열팽창 | 보통, 강철에 가깝습니다. | 가장 낮고 화강암에 가깝습니다. | 보통의 |
| 일반적인 상대 비용 | 최저 | 제일 높은 | 높은 |
알루미나는 기본 선택이며 가장 광범위한 응용 분야를 포괄합니다. 이는 우수한 전기 절연체로서 슬라이딩 접점과 연마 입자로 인한 마모를 방지하고 미세한 중첩 표면을 유지하며 다른 두 세라믹보다 비용이 훨씬 저렴합니다. 절연 스페이서, 마모 패드, 측정 표면 및 일반 구조 부품의 경우 일반적으로 알루미나가 올바른 첫 번째 대답입니다. 열팽창은 SiC보다 약간 높으므로 혼합 재료 어셈블리에서는 이러한 차이를 염두에 두고 인터페이스를 설계해야 합니다.
탄화규소는 강성과 열적 거동이 지배적인 경우에 지정됩니다. 탄성 계수는 모든 엔지니어링 소재 중 가장 높습니다. 이는 SiC 부품이 동일한 하중에서 덜 휘어지거나 더 낮은 무게에서 동일한 강성에 도달한다는 것을 의미합니다. 세라믹의 경우 열전도율이 높지만 팽창은 매우 낮습니다. 따라서 SiC 구성 요소는 전력 사이클을 통해 형상을 유지하고 팽창이 밀접하게 접근하는 화강암 구조의 자연스러운 파트너입니다. 알루미나보다 밀도가 높고, 질화규소보다 파괴인성이 낮으며, 소결 및 연삭 난이도로 인해 가격이 비싸다는 단점이 있습니다. 미러 구조, 고가속 스테이지용 에어 베어링 부품, 정밀 구조 부품은 전형적인 SiC 애플리케이션입니다.
질화규소는 인성 전문가입니다. 이는 다른 두 세라믹을 깨뜨릴 수 있는 열충격과 충격 하중을 견디며 히터 관련 하드웨어, 급격한 온도 변화가 나타나는 부품 처리, 파손이 단순히 불편하기보다는 치명적일 수 있는 부품에 적합합니다. Si3N4로 제작된 롤링 요소 볼은 공작 기계 스핀들 및 정밀 스테이지용 하이브리드 베어링의 표준입니다. 듀티 사이클에 접촉, 충격 또는 가파른 열 구배가 포함되는 경우 SiN은 프리미엄을 정당화합니다.
일반적인 정밀 세라믹 부품
동일한 세 가지 재료가 반도체 및 계측 장비 전반에 걸쳐 인식 가능한 부품군에 나타납니다.
세라믹 에어베어링과 에어베어링 패드는 가장 까다로운 응용 분야 중 하나입니다. 세라믹 에어 베어링은 공기막의 마찰 없는 움직임과 세라믹 본체의 안정성을 결합하고 세라믹은 움직이는 부품과 고정 부품 사이의 전기 절연과 클린룸 환경에서의 부식 방지라는 두 가지 특별한 이점을 추가합니다. 베어링 자체가 공기 분배를 제어하는 경우 SiC 및 다공성 알루미나 등급이 사용됩니다. 웨이퍼 취급 및 검사 단계에서 세라믹 공기 구성 요소는 금속 베어링이 완전히 제거할 수 없는 입자 생성 및 윤활제 오염을 방지합니다.
CMM 및 측정 기계용 세라믹 가이드는 두 번째 주요 제품군입니다. 겹쳐진 세라믹 가이드 레일과 기준면은 내마모성과 낮은 질량을 결합하여 캐리지의 이동 관성을 줄이고 동일한 구동력에서 더 빠른 측정 사이클을 가능하게 합니다. 정밀 세라믹 가이드는 녹이 슬거나 마모가 거의 없기 때문에 조용하게 작동하며 수년간 표면 특성을 유지합니다.
세라믹 구조 부품은 경량의 견고한 프레임을 위한 사각형 튜브 및 빔, 툴링 플레이트 및 고정 요소, 핫존과 정밀 구조 사이의 절연 스탠드오프, 측정 경로를 왜곡해서는 안 되는 브래킷 등 나머지 공간을 채웁니다. 반도체 챔버 및 웨이퍼 처리 장비에서 알루미나 구조 부품은 플라즈마, 화학 물질 또는 고전압이 금속을 공격하는 모든 곳에서 표준입니다.
세라믹 측정 구성 요소가 세트를 완성합니다. 알루미나 또는 SiC로 제작된 사각형, 직선자, 게이지 블록 및 기준면은 사용되는 화강암 판과 열적 거동이 일치하는 절연, 마모 없는 기준이 필요한 실험실에 사용됩니다. 화강암 정반에 사용된 세라믹 사각형은 거의 팽창 일치 쌍을 형성하므로 일반적인 실내 온도 변화에도 교정이 유지됩니다.
도자기와 화강암 구조를 결합하는 이유
최고의 기계 설계 중 다수는 각각이 가장 강한 두 재료를 모두 사용합니다. 화강암 베이스는 거대하고 감쇠되며 차원적으로 차분한 기초를 제공합니다. 세라믹 부품은 절연되고 마모되지 않으며 가벼운 요소를 위에 제공합니다. 특히 SiC는 화강암에 가까운 속도로 팽창하므로 화강암 구조에 접착되거나 볼트로 고정된 세라믹 인서트는 온도 변화에 따라 기계적 조화를 유지합니다. 이러한 하이브리드 접근 방식은 이제 CMM 아키텍처, 웨이퍼 검사 단계 및 레이저 시스템에서 일반적이며, 두 공급업체 간에 협상하는 대신 인터페이스를 겹쳐서 일치시킬 수 있기 때문에 한 지붕 아래에서 두 재료를 모두 제조하는 공급업체를 선택하는 것이 실용적인 이유입니다.
도면에 맞춤형 세라믹 부품 주문
정밀 세라믹 부품은 거의 항상 맞춤형입니다. 세라믹은 다이아몬드 툴링으로 가공되고 재작업 비용이 많이 들기 때문에 소결 및 연삭 전에 공차, 겹쳐진 표면, 구멍 및 인서트를 계획해야 합니다. 원활한 주문 프로세스는 다음과 같습니다. 솔리드 모델의 경우 이상적으로는 STEP 또는 IGES로 도면을 보내고 공차, 메모 및 표면 마감 설명선은 DWG 또는 PDF로 보냅니다. 제조업체는 의무에 따라 재료 선택을 검토하고, 소결 수축 허용치와 연삭 가능 특성을 확인하고, 약속할 공차와 각 항목에 대한 검사 방법이 포함된 견적을 반환합니다. 두 가지 실용적인 팁이 루프를 단축합니다. 첫째, 어떤 표면이 기능적이고 어떤 것이 미용적인지 명시하십시오. 두 가지 물질만 있을 때 모든 면을 래핑하면 비용이 배가되기 때문입니다. 둘째, 재료 등급 선택이 종종 전기적 또는 열적 요구 사항에 따라 결정되므로 전기적 또는 열적 요구 사항을 명시적으로 표시합니다.
구매자는 때때로 화강암 부품처럼 세라믹이 금속 삽입물과 결합될 수 있는지 묻습니다. 예, 한계 내에서 가능합니다. 나사형 금속 인서트를 세라믹 본체에 접착할 수 있으며 강철 또는 티타늄 피팅은 일반적으로 세라믹의 낮은 인성을 위해 설계된 접착제 또는 기계적 유지 장치를 사용하여 부착됩니다. 설계 검토에서는 금속 인서트가 국부적 강성 또는 열 경로를 변경하는 위치를 표시하므로 첫 번째 도면과 함께 해당 요구 사항을 보내는 것이 좋습니다.
요청해야 할 품질 증거
세라믹은 등급별로 지정되며 동일한 이름의 등급이라도 공급업체마다 크게 다를 수 있습니다. 주문하기 전에 실제 등급에 대한 밀도, 굴곡 강도, 탄성 계수 및 열팽창을 포함하여 견적 뒤에 있는 재료 데이터시트를 요청하십시오. 정밀 부품의 경우, 규정된 온도에서 측정된 랩 표면의 평탄도 및 평행도 값이 포함된 치수 검사 보고서를 요청하고, 연삭 중에 기준 형상이 어떻게 유지되었는지 확인하십시오. 배송물을 측정하는 공급업체는 이러한 문서를 표준 관행으로 제공하며, 보고서는 들어오는 검사 및 향후 재주문을 위한 기준이 됩니다.
견적을 위해 도면 보내기
장비에 알루미나 절연 및 마모 부품, SiC 구조 부품 또는 열충격을 위한 SiN 하드웨어가 필요한 경우 작업 설명(부하, 온도, 환경 및 부품이 유지해야 하는 정확도)과 함께 STEP, IGES 또는 DWG 형식의 도면을 보내주십시오. 우리는 제조정밀 세라믹 부품에어베어링, 가이드, 구조부품, 측정기준 등을 생산하고 있으며,탄화규소 성분가장 높은 강성을 지닌 응용 분야를 위해 화강암 구조물과 함께 장착됩니다. 당사의 엔지니어는 도면을 검토하고 재료 등급 및 약속된 공차를 권장하며 일반적으로 영업일 기준으로 며칠 이내에 리드 타임이 포함된 견적을 반환합니다. 귀하의 도면에 맞게 맞춤 제작하는 것이 당사의 표준 관행이며, 도면 검토는 무료입니다.