BOULEPRO 200AX - Rectification efficace des SiC-Pucks
La fabrication de galettes SiC pour la production de puces est un marché en pleine croissance. Les semi-conducteurs ne sont pas seulement importants pour l'électromobilité, ils sont également utilisés dans les stations de recharge, dans la technologie de communication 5G, dans les installations photovoltaïques et éoliennes. Ils jouent un rôle décisif dans la transition énergétique.
La fabrication d'un palet est un défi en raison du matériau utilisé (SiC)
Les avantages du carbure de silicium (SiC), le matériau utilisé pour les semi-conducteurs de la nouvelle génération, sont sa haute rigidité diélectrique et sa conductivité thermique élevée. Le matériau est produit sous forme de monocristal à partir d'une phase gazeuse à environ 2400°C dans des fours spéciaux. Au cours d'un processus de deux semaines, ce que l'on appelle la boule croît et doit ensuite être usiné pour obtenir une "ébauche de plaquette", le palet. En raison de la dureté élevée du SiC, le meulage est la méthode de fabrication la plus productive.
Jusqu'à présent, le traitement ultérieur d'une boule pour en faire un palet, à partir duquel les tranches seront découpées lors d'une étape de travail ultérieure, comprenait plusieurs étapes de processus individuelles, dont certaines nécessitaient un travail manuel considérable. Le coût des tranches traitées dépendait fortement du nombre et de la complexité de ces étapes.
Le fabricant américain de machines spéciales USACH s'est désormais penché sur cette problématique et a développé avec la BOULEPRO 200AX un concept de machine qui regroupe, automatise et optimise toutes les étapes du processus de production du palet. USACH fait partie du groupe américain Hardinge et est spécialisée dans la fabrication de rectifieuses sur mesure pour les matériaux particulièrement difficiles à usiner. Le groupe Hardinge comprend également le spécialiste suisse de la rectification Kellenberger avec les marques Voumard et Hauser.
La nouvelle BOULEPRO 200 AX pour le ponçage des SiC-Pucks
Le responsable du projet BOULEPRO est Jeff Gum, spécialiste des nouveaux matériaux chez Hardinge. Son équipe de développement, composée d'ingénieurs et de techniciens d'application, a analysé, avec l'aide d'experts de l'industrie SiC et de fournisseurs de matières premières, les inefficacités du traitement SiC Boule actuel et a optimisé les processus. Le résultat est la machine automatisée tout-en-un à 5 axes BOULEPRO 200AX, sur laquelle la pièce peut être orientée et usinée selon les spécifications souhaitées. Sur la BOULEPRO, il est possible d'usiner tous les diamètres de boules SiC actuellement pertinents.
Le BOULEPRO 200AX réduit de manière spectaculaire le temps de traitement d'une boule en un palet. Alors que les procédés traditionnels nécessitent plus de 24 heures, le BOULEPRO ne prend que 2 à 3 heures lorsque le chargement et le déchargement sont automatisés. Ce gain de temps contribue à une réduction globale des coûts de près de 70% si l'on tient compte de la main-d'œuvre, de la surface de production, des rebuts, de l'efficacité de la capacité et des consommables.
Un facteur essentiel de l'efficacité exceptionnelle de la machine réside dans le nouveau porte-pièce développé par le fabricant de dispositifs de serrage Forkardt, qui fait également partie du groupe Hardinge, et qui maintient les boules en toute sécurité, sans colle ni intervention manuelle. Ce porte-outil combine de manière unique un mandrin à griffes, parfaitement adapté pour serrer le diamètre extérieur non rond de la boule avant l'usinage, et un mandrin à dépression pour maintenir en toute sécurité la surface plane de la boule.
La BOULEPRO est équipée d'un système de diffraction des rayons X intégré qui permet de déterminer l'orientation des cristaux au début de l'usinage. Le système de diffraction des rayons X indique dans quelle mesure les surfaces cristallines doivent être ajustées lors de l'usinage final. Ce procédé d'alignement simultané sur deux plans (Single-Step Dual plane Compensation (SSDP)), issu du processus de développement et dont le brevet a été déposé entre-temps, est l'étape importante de l'usinage de la boule qui garantit que la boule est usinée dans l'orientation cristalline optimale.
Le processus d'usinage d'une boule peut être adapté en fonction des exigences. Il commence par l'évaluation de l'orientation du cristal par diffraction des rayons X, suivie du prépolissage du diamètre extérieur et de l'application d'une coupe grossière en dôme. Après une nouvelle mesure de la structure cristalline, l'orientation est à nouveau corrigée par une rectification finale en dôme, avant le transfert à la contre-broche. Là, le côté germe est meulé. Une nouvelle mesure de confirmation par diffraction des rayons X est suivie de l'application d'un diamètre extérieur définitif et du marquage par un méplat ou une encoche nécessaire pour la suite de l'usinage.
Déroulement du processus pour la fabrication d'un palet SiC : prépolissage du diamètre extérieur ; polissage grossier du dôme ; radiographie ; finition du polissage du dôme dans l'orientation correcte ; transfert à la contre-broche ; élimination du côté germe ; radiographie de confirmation ; polissage final du diamètre extérieur et aplatissement/encochage
L'un des avantages de pouvoir effectuer l'analyse par diffraction des rayons X pendant l'usinage est de pouvoir modifier l'ordre de chaque étape du processus. Par exemple, le méplat ou l'encoche peuvent être appliqués plus tard dans le processus que ce n'était le cas auparavant, leur orientation est alors très précise. En raison de la flexibilité dans l'ordre des étapes du processus BoulePro et du contrôle strict de tous les paramètres, la machine produit la correction angulaire de l'orientation du cristal jusqu'à 100 fois plus précisément que tous les processus précédents.
Fonctions supplémentaires de la BOULEPRO 200AX
Le BOULEPRO 200AX peut être équipé d'autres fonctions en option. L'une d'entre elles est l'identification des polytypes étrangers par un contrôle à la lumière UV. Lorsque des billes de SiC sont placées sous la lumière UV, certains polytypes étrangers, comme le 6H, apparaissent dans une couleur différente. En identifiant la position des inclusions de 6H, il est possible de les éliminer lors du traitement, ce qui permet de s'assurer que le rondin de SiC final ne contient que le polytype 4H souhaité.
Une autre option est un laser pour marquer le palet SiC fini, par exemple avec un numéro de lot, ce qui est important pour le suivi du matériel. L'intégration d'un système de traitement d'images permet de prendre des photos de haute qualité de la pièce à chaque étape du processus.
La BOULEPRO 200 AX sera lancée à l'automne sur tous les marchés d'Europe, des États-Unis et d'Asie. Jeff Gum en est convaincu : "Notre concept de machine va changer à jamais le marché d'avenir très disputé de la fabrication de plaquettes SiC. En termes de quantité et surtout de qualité."
