Solucionando os desafios da fabricação de semicondutores: um guia para soluções personalizadas de torneamento CNC.

A usinagem CNC para semicondutores fornece uma base de precisão essencial para a produção avançada de chips semicondutores; caso contrário, um erro de precisão de 0,1 μm resultará no descarte de todo o lote de wafers produzido.

A funcionalidade de componentes-chave, como superfícies de vedação da câmara de plasma, concentricidade do eletrodo de silício e acabamento superficial da janela de RF, está diretamente relacionada ao controle do processo de torneamento CNC para semicondutores. Mesmo que os desenhos exijam tolerâncias de ±0,005 mm e acabamentos superficiais de Ra 0,4 μm, as fábricas de usinagem convencionais terão dificuldade em atender a esses requisitos .

Este artigo irá expor os principais desafios tecnológicos da usinagem CNC para semicondutores e oferecer um guia realista para identificar um fornecedor confiável de usinagem CNC para semicondutores.

Visão geral das respostas principais

Principais conclusões:

• A precisão submicrométrica é fundamental para os equipamentos semicondutores. A rugosidade média (Ra) da câmara de plasma (≤0,4 μm) e a concentricidade dos eletrodos de silício (≤5 μm) são fatores determinantes diretos no rendimento dos wafers.
• Materiais especiais, como alumínio de alta pureza e PEEK, exigem processos de fabricação isentos de contaminação e ferramentas com design específico. As propriedades do material definem o processo.
• O feedback inicial na fase de DFM (Design for Manufacturing) pode prevenir dificuldades de processamento, reduzir os custos gerais e gerar mais de 30% de valor.
• A validação de fornecedores precisa ser baseada em dados, incluindo relatório CMM, dados SPC e comprovação da capacidade do processo com Cpk≥1,67.

Por que confiar neste guia? Experiência em torneamento CNC personalizado da JS Precision

Como fornecedora líder de serviços de torneamento CNC personalizados para a indústria de semicondutores, a JS Precision orgulha-se de 15 anos de experiência no fornecimento de componentes realmente importantes para OEMs globais e fornecedores de nível 1 .

Nossa experiência prática e concreta abrange desde a fabricação sob medida de anéis de focalização de silício de alta pureza para um fabricante americano de equipamentos semicondutores, reduzindo assim seu ciclo de entrega em 60% e elevando o rendimento para 99,2%.

Contamos com uma equipe profissional de processamento de semicondutores. Dos 28 especialistas internos em processamento de semicondutores, 6 possuem certificação em usinagem de precisão pela Society of Manufacturing Engineers (SME) e são especialistas em torneamento CNC para todo o processo de semicondutores.

Já realizamos mais de 500 projetos ativos na área de semicondutores, abrangendo diferentes componentes críticos, como câmaras de plasma, eletrodos de RF e flanges de vácuo. Não registramos nenhum incidente grave de qualidade nos últimos 3 anos e nos concentramos no processamento personalizado de peças torneadas em CNC de precisão.

Possuímos certificações reconhecidas, como ISO 9001:2015 e ISO 14001. Nossa sala limpa atende aos padrões da Classe 1000 e somos fornecedores certificados para 3 dos 10 maiores fabricantes de equipamentos semicondutores do mundo, possuindo as qualificações necessárias como fornecedores profissionais de torneamento CNC para semicondutores.

Além disso, somos confiáveis ​​e dignos de confiança, pois implementamos um sistema completo de rastreabilidade de lotes, que permite rastrear o processo desde o lote até a peça, a máquina-ferramenta e o operador . Todas as dimensões críticas possuem um Cpk obrigatório ≥ 1,67, e cada novo projeto inclui um relatório de inspeção da primeira peça realizado por terceiros.

Deseja verificar rapidamente as capacidades de torneamento CNC para semicondutores da JS Precision e obter nossos estudos de caso e certificações de clientes? Envie seus requisitos iniciais e designaremos um engenheiro dedicado para entrar em contato com você em até 24 horas, oferecendo consultoria técnica gratuita e personalizada em torneamento CNC.

Por que a usinagem CNC é crucial para a indústria de semicondutores, visando alcançar tolerâncias submicrométricas?

Na indústria de semicondutores, a usinagem CNC significa, basicamente, alcançar tolerâncias extremamente precisas, em um nível muito inferior a um mícron. Isso exige a superação de três grandes desafios: materiais, equipamentos e compensação térmica , eliminando, assim, variações de usinagem e contaminantes.

Propriedades dos Materiais e Desafios de Processamento

Os componentes semicondutores são fabricados com materiais muito especiais e, por isso, podem ser facilmente riscados ou deformados durante o processamento, simplesmente pelo contato. Assim, são necessários processos especiais. Os parâmetros específicos são os seguintes:

O controle da contaminação é um elemento fundamental no processamento de semicondutores. Desde o início, medidas como usinagem isenta de óleo, salas limpas com filtros HEPA e processos antiestáticos são adotadas para evitar a contaminação dos wafers.

Requisitos de rigidez do equipamento

Para atingir precisão submicrométrica, um dos fatores que determinam o desempenho é a resistência à vibração da máquina-ferramenta, algo que as máquinas-ferramenta comuns não conseguem oferecer . As máquinas de torneamento CNC de alta rigidez devem atender aos seguintes requisitos fundamentais:

• Base de ferro fundido com alto amortecimento: O ferro fundido Meehanite possui alta capacidade de absorção de vibrações e, portanto, reduz a deformação da peça.
• Estrutura robusta: O peso total da máquina é de 8 toneladas e possui guias e fusos de esferas superdimensionados para eliminar a folga.
• Eixo de alta precisão: Eixo com rolamento hidrostático ou a ar com excentricidade radial ≤0,5μm, garantindo estabilidade de corte.

A qualidade superior do produto em termos de acabamento superficial de Ra 0,16μm e tolerância de ±0,002mm só pode ser alcançada por máquinas de alta rigidez, algo que as máquinas-ferramenta comuns não conseguem atingir .

Tecnologia de Compensação Térmica

A usinagem prolongada sem deriva térmica pode afetar seriamente as dimensões críticas. Para solucionar esse problema, as máquinas-ferramenta mais modernas utilizam tecnologia de compensação térmica em tempo real, que inclui:

• Sensoriamento de temperatura multiponto: de 6 a 12 sensores são usados ​​para monitorar as mudanças de temperatura com muita precisão e descobrir a origem da deriva térmica.
• Algoritmo de compensação dinâmica: O modelo de deformação térmica é pré-carregado e a trajetória da ferramenta é ajustada em tempo real, mantendo os erros abaixo de ±2μm.
• Ambiente termicamente estável: Sala limpa Classe 1000 com controle de temperatura de ±0,5℃, garantindo assim um processo estável.

Sem a tecnologia de compensação térmica, mesmo as máquinas-ferramenta mais rígidas não conseguem manter tolerâncias em nível submicrométrico por muito tempo. Se desejar saber mais sobre a configuração do dispositivo, entre em contato conosco para obter dados de testes reais.

Figura 1: Detalhe de um torno CNC usinando ativamente um eixo metálico roscado, com várias ferramentas de corte posicionadas ao seu redor em uma oficina de alta tecnologia.

Como qualificar um fornecedor de torneamento CNC para semicondutores para aplicações de alta confiabilidade?

O ponto crucial na escolha de um fornecedor de peças usinadas em CNC para semicondutores é verificar sua capacidade de entregar peças impecáveis ​​de forma consistente, sem defeitos. Apresentamos aqui uma estrutura lógica de seleção para ajudá-lo a começar.

Certificação e Limpeza

Uma base sólida é a ISO 9001. Um fornecedor que atende aos requisitos da indústria de semicondutores pode se concentrar na verificação dos seguintes quatro pontos:

• Sala limpa: As áreas de produção e embalagem devem ser Classe 1000, os componentes mais sensíveis Classe 100, e o teste de certificação deve estar disponível.
• Antiestático: Todo o processo deve estar em conformidade com as normas ANSI/ESD S20.20 e os registros devem ser fornecidos.
• Controle de contaminação: O fluido de corte é filtrado em partículas ≤5μm, e são utilizados processos de usinagem a seco e limpeza ultrassônica. Relatórios de contagem de partículas são fornecidos.
• Certificação Ambiental: Certificação ISO 14001/45001 para evitar riscos de não conformidade na cadeia de suprimentos.

Indicadores de Verificação Técnica

Os fornecedores devem ser capazes de demonstrar, de forma quantificável, a sua competência, que se resume basicamente a estes cinco pontos:

• Relatório DFM: entrega em 24 a 48 horas , identificação precoce de riscos e oferta de amostras anteriores.
• Capacidade do processo: Dimensões importantes: Cpk 1,67, com pelo menos 3 lotes de gráficos de controle SPC fornecidos.
• Inspeção do primeiro artigo: relatório padrão AS9102, incluindo dados completos do teste.
• Controle de Microrebarbas: Fornece fotos microscópicas e documentação do processo de rebarbação.
• Sistema de rastreabilidade: Permite a rastreabilidade completa das peças ao longo de todo o processo, para fins de conformidade e análise de falhas.

A seguir, encontra-se uma tabela com os principais parâmetros e os respectivos dados de desempenho obtidos em testes de produção em massa na indústria, permitindo que as empresas adequem com precisão às suas necessidades de processamento.

Preocupado com a falta de habilidades profissionais para verificar completamente as qualificações de um fornecedor de torneamento CNC para semicondutores? Conte-nos suas necessidades de triagem e a JS Precision fornecerá uma lista gratuita de avaliação de fornecedores para ajudá-lo a eliminar rapidamente fornecedores não qualificados e reduzir os riscos da cadeia de suprimentos.

Quais são as implicações de custo e qualidade da aquisição de peças torneadas por CNC da China?

Muitas empresas cometem o erro de pensar que precisam escolher entre custo e qualidade ao comprar peças torneadas por CNC na China. No entanto, se você encontrar o caminho certo, poderá reduzir seus custos e ainda obter qualidade de processamento de nível semicondutor .

Em primeiro lugar, o principal fator a considerar ao diferenciar boas empresas de torneamento CNC das não tão boas é a configuração de seus equipamentos. Dê preferência a fornecedores que já operam centros de torneamento CNC de alta tecnologia, como DMG MORI e Haas.

Essas máquinas conseguem atingir precisão submicrométrica com muita confiabilidade, reduzindo assim os custos ocultos de retrabalho e sucata. A JS Precision, líder do setor, possui um conjunto completo de equipamentos de ponta, como DMG MORI e DOOSAN, que permitem equilibrar precisão de usinagem e custo.

Em segundo lugar, estabeleça uma estratégia de compras em níveis 1 e 2 para que você possa ajustar com precisão os custos e a qualidade.

Quais são as características essenciais de um centro de torneamento CNC para componentes semicondutores complexos?

Os componentes semicondutores têm requisitos muito rigorosos quanto à configuração das máquinas-ferramenta. As três características principais a seguir são necessárias para a usinagem:

Usinagem de compósitos multitarefa

A usinagem de componentes complexos envolve diversas tarefas que precisam ser realizadas em um único processo de fixação. Isso exige uma máquina CNC de 5 eixos com eixo B, capaz de controlar erros de fixação com precisão de até 3 μm, evitando o acúmulo de erros.

A Makino DA500 foi projetada especificamente para semicondutores, permitindo torneamento, fresagem e furação simultâneos .

Adaptabilidade de curva vertical versus horizontal

A configuração deve ser escolhida de acordo com o tamanho do componente . Configurações verticais são preferíveis para componentes grandes, enquanto configurações horizontais são preferíveis para componentes pequenos e compridos. Isso garante a precisão.

Automação e Configuração Inteligente

Sistemas automatizados de carga e descarga permitem usinagem sem operador. Medições online e compensação em tempo real do desgaste da ferramenta, além de manutenção inteligente, podem ajudar a reduzir o tempo de inatividade não planejado em mais de 30%.

O que diferencia peças usinadas com precisão em CNC de componentes usinados padrão?

A principal diferença entre peças usinadas com precisão CNC e peças padrão reside no fato de que as primeiras são fabricadas especificamente para atender aos requisitos de precisão, controle de contaminação e designs complexos exigidos na indústria de semicondutores. Esses são, na verdade, três pontos que diferenciam essas peças:

Colaboração em Design e Fabricação

Ao contrário das peças padrão, que não exigem esse tipo de colaboração, a usinagem CNC personalizada é iniciada na fase de Projeto para Manufatura (DFM), onde os engenheiros se envolvem profundamente no processo de otimização do projeto desde o princípio, mitigando assim os riscos de usinagem.

No caso da otimização do projeto de eletrodos de RF, a JS Precision, por exemplo, substitui os ângulos retos internos por filetes R2, o que não só reduz o tempo de usinagem em 35% , como também ajuda a eliminar micro-rebarbas.

Usinagem de características geométricas complexas

Características com formatos complexos, como furos excêntricos e micro-roscas, não podem ser produzidas com peças padrão, tornando-se, portanto, uma necessidade para máquinas-ferramenta de alta tecnologia e processos especializados .

A JS Precision, por meio do uso de tornos tipo suíço, consegue usinar eixos finos e realizar usinagem de componentes compostos, atendendo assim aos requisitos complexos dos componentes semicondutores.

Tratamento de superfície especial

Enquanto as peças personalizadas priorizam a prevenção da contaminação e a manutenção de precisão, as peças padrão focam principalmente na prevenção da corrosão por meio de seus respectivos tratamentos de superfície. As principais diferenças são muito significativas:

• Niquelagem química: espessura de 10 a 50 μm, evitando descascamento e contaminação do revestimento.
• Tratamento de passivação: Atende aos padrões ASTM A967 para evitar a contaminação do wafer pelo aço inoxidável.
• Anodização preta: Espessura da película rigorosamente controlada, adequada para montagem de precisão.

Quando optar pela usinagem CNC vertical em vez da horizontal para componentes de semicondutores de grande formato?

Para peças semicondutoras de grandes dimensões, com mais de 500 mm de diâmetro, a usinagem CNC vertical pode oferecer grandes vantagens. As situações em que pode ser utilizada e os seus principais benefícios são:

Efeito da gravidade e vantagens de precisão

Durante o torneamento horizontal, o peso de peças grandes pode facilmente causar curvatura e deformação . O torneamento vertical adota o uso de suporte gravitacional, alcançando assim uma planicidade ≤3μm e uma concentricidade mais estável, atendendo ao requisito de Ra≤0,4μm.

Vantagens de fixação e carga/descarga

O valor de peças de grandes dimensões é muito alto. A fixação vertical da mesa permite o levantamento sem dificuldade, reduzindo assim o risco de danos por fixação em 80% . Mandris a vácuo são usados ​​para componentes de película fina, evitando assim arranhões e deformações.

As vantagens de rigidez da estrutura de coluna dupla

A estrutura simétrica de coluna dupla possui um nível de resistência à vibração muito alto, o que permite a usinagem pesada de materiais muito duros, mantendo ainda um acabamento superficial de Ra 1,6 μm, muito superior à eficiência de torneamento horizontal. A JS Precision possui diversos centros de usinagem vertical de alta tecnologia que podem processar peças grandes de até 2.000 mm de diâmetro .

Precisa usinar componentes semicondutores de grande porte, mas não tem certeza se a torneagem CNC vertical é a solução ideal? Informe-nos as dimensões, o peso e os requisitos de precisão dos seus componentes, e a JS Precision fornecerá uma solução de usinagem personalizada e um orçamento gratuito para serviços de torneamento CNC de grande porte .

Figura 2: Comparação lado a lado de duas máquinas de torneamento CNC, destacando o design robusto de um modelo específico para semicondutores em comparação com um modelo de uso geral.

Estudo de Caso da JS Precision: Fabricante de Equipamentos Semicondutores dos EUA Reduz o Prazo de Entrega em 60% com Torneamento CNC Personalizado

Estudos de caso práticos são a maneira mais eficaz de ilustrar as habilidades de um fornecedor. Aqui está um estudo de caso completo da JS Precision, que forneceu soluções personalizadas de torneamento CNC para um fabricante americano de equipamentos semicondutores, demonstrando claramente nossa capacidade de atender às principais necessidades do cliente.

Desafios

O anel de focalização de silício de alta pureza do cliente (diâmetro externo de 420 mm), originalmente fornecido pelo fornecedor utilizando um processo de fixação múltipla horizontal, apresenta três problemas principais: desvio de concentricidade de 12 μm (requisito ≤ 5 μm), microfissuras na superfície e um prazo de entrega excessivamente longo de 8 semanas.

Solução

A JS Precision, valendo-se de seu conhecimento em usinagem personalizada, recorreu a um esquema de atualização em três etapas para resolver esses problemas, sendo a usinagem CNC de grau semicondutor a principal tecnologia utilizada em todo o processo.

1. Otimização conjunta de DFM:

Em contato direto com o cliente, sugerimos a implementação de uma etapa de recozimento a 650 °C para remover a tensão do material, a otimização do percurso da ferramenta com base em uma sequência de "desbaste + envelhecimento natural + acabamento" e o desenvolvimento de uma pinça de fixação a vácuo especial com garras macias para eliminar a deformação de fixação e, assim, garantir a concentricidade.

2. Atualização da cadeia de processos:

Ao utilizar uma máquina de torneamento vertical DOOSAN VCF 850, o usinagem dos diâmetros interno e externo foi realizada em uma única operação de fixação , evitando assim erros acumulados.

Ferramentas diamantadas PCD foram utilizadas para o acabamento, aumentando assim a velocidade de corte e garantindo um bom acabamento superficial, e um sistema de medição online foi configurado para ajustar o desgaste da ferramenta em tempo real.

3. Inspeção e Liberação Rigorosas:

Inspeção dimensional completa com máquina de medição por coordenadas (CMM) ZEISS CONTURA, medição da rugosidade superficial com rugosímetro (garantindo Ra≤0,4μm) e teste ultrassônico para identificar microfissuras. Somente os produtos aprovados na inspeção são liberados.

Resultados

Não só resolvemos com sucesso os principais problemas do cliente, como também entregamos resultados que superaram em muito as suas expectativas:

A concentricidade do anel de focalização é de 3,2 μm (Cpk = 1,82), o acabamento superficial Ra é de 0,35 μm sem fissuras, o ciclo de entrega foi reduzido para 3 semanas (incluindo o frete marítimo), uma redução de 60%, e os custos de aquisição foram reduzidos em 35%. O cliente nos concedeu 100% do pedido deste componente, com compras anuais de 800 unidades.

Seus componentes semicondutores também enfrentam problemas de precisão abaixo do padrão, atrasos na entrega e custos elevados? Consulte este caso de sucesso e entre em contato com a JS Precision. Criaremos uma solução personalizada de torneamento CNC para ajudá-lo a resolver os principais problemas de usinagem, reduzir os prazos de entrega e os custos de aquisição.

Figura 3: Vários discos e anéis de alumínio de alta qualidade, usinados sob medida, mostrando os componentes acabados produzidos por torneamento CNC para equipamentos semicondutores.

Perguntas frequentes

Q1: Quais materiais são comumente usados ​​para torneamento CNC de componentes semicondutores?

Alumínio de alta pureza, aço inoxidável, PEEK, cobre isento de oxigênio, ligas de titânio e cerâmicas especiais são os materiais mais utilizados para torneamento CNC de componentes semicondutores. Todos esses materiais requerem processos de torneamento específicos para semicondutores .

Q2: Qual é a sua tolerância mínima?

Nossas peças especiais usinadas por CNC de precisão são capazes de fornecer uma repetibilidade de ±0,005 mm continuamente e, após a otimização das principais características, podem chegar a ±0,002 mm , atendendo assim plenamente aos requisitos submicrométricos da fabricação de semicondutores.

P3: Como vocês garantem a consistência na produção em massa?

Utilizamos o controle estatístico de processo (CEP), inspeção por amostragem CMM e rastreabilidade completa do lote durante todo o processo. Com base na característica fundamental Cpk ≥ 1,67, conseguimos garantir a consistência dimensional na produção em massa.

Q4: Qual é o prazo típico para a entrega de amostras?

Amostras de peças semicondutoras padrão usinadas por CNC são entregues em 7 a 10 dias, enquanto amostras personalizadas complexas são entregues em 12 a 15 dias. Há também uma opção de serviço expresso que permite a entrega e verificação em apenas 5 dias .

Q5: Qual é a quantidade mínima de pedido?

Para ajudar os clientes a verificar a precisão e a qualidade, é possível solicitar uma amostra de 1 peça . A quantidade mínima para produção em massa é de 50 a 100 peças, sendo que as restrições de quantidade mínima para pedidos de clientes de longo prazo são flexíveis.

Q6: Como posso verificar as capacidades de controle de limpeza do fornecedor?

Para verificar completamente suas capacidades de controle de limpeza, você pode solicitar seus certificados relacionados ao controle de limpeza, dados de testes, permitir uma auditoria em vídeo e ver estudos de caso de clientes.

Q7: O tratamento de superfície tem algum impacto nas tolerâncias dimensionais?

O tratamento de superfície tem impacto nas tolerâncias dimensionais. As dimensões antes e depois do revestimento devem ser anotadas nos desenhos. Para garantir que as alterações estejam em conformidade com a norma, forneceremos uma sugestão de ajuste na fase de DFM (Design for Manufacturing).

Q8: Qual é a sua capacidade de usinagem para componentes grandes (>500mm)?

Possuímos recursos especializados em torneamento CNC de grande escala, o que nos permite fabricar componentes de grandes dimensões com diâmetro máximo de 2.000 mm e capacidade de carga máxima de 5 toneladas , mantendo ainda um alto nível de precisão e estabilidade de usinagem.

Resumo

No processo de fabricação de 2 nm, a precisão dos componentes semicondutores está se aproximando do nível submicrométrico. Para semicondutores, a usinagem CNC é fundamental para superar as barreiras de precisão. A chave para o sucesso de um parceiro reside em sua busca incessante por precisão e qualidade.

A JS Precision atua no setor há mais de 10 anos, totalmente equipada com maquinário de ponta e possui todas as certificações necessárias. A empresa atende os principais fabricantes globais de equipamentos semicondutores e acumulou vasta experiência prática.

Seja para encontrar um fornecedor de torneamento CNC para semicondutores , personalizar peças de torneamento CNC de precisão ou comprar peças de torneamento CNC da China, a JS Precision é uma das principais empresas de torneamento CNC do setor e sua parceira confiável.

Envie-nos seus desenhos ou requisitos e forneceremos uma análise DFM e um orçamento gratuitos em até 24 horas, abrindo caminho para que seu equipamento ultrapasse os limites de precisão.