Case Example: High-Precision SiC Mirror Base

A recent aerospace project required a SiC mirror base with: Flatness: 1/20 λ Surface roughness: Ra 0.003 µm Tolerance: ±0.001 mm Process route: Pre-grinding → 2. Ultrasonic finishing → 3. CMP polishing → 4. Optical interferometric inspection The final part achieved optical-grade smoothness and zero edge chipping, demonstrating the capability of controlled SiC precision machining.

Inspection and Quality Control

Precision machining of SiC requires stringent inspection at each process stage: Inspection Method Measurement Capability Purpose Coordinate Measuring Machine (CMM) ±1 µm Dimensional accuracy Optical Interferometer λ/20 flatness Surface profile & optical quality SEM / Optical Microscopy 1000× Detect subsurface cracks Surface Roughness Tester Ra < 0.01 µm Surface finish validation Parts used in semiconductor and optical systems typically demand zero visible subsurface defects under 200× magnification.

Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

Bearbeitung von Siliziumkarbidkeramik mit hoher Präzision

Q: Process Optimization Techniques

Fixturing and Vibration Control Because SiC is brittle, minimizing vibration is critical. Use rigid fixtures, precision spindles, and balanced tooling. Vacuum or mechanical clamping systems should ensure even stress distribution without point loading. Coolant and Lubrication Continuous coolant flow removes debris and prevents localized heating. For fine finishing, a water-soluble oil or ionized water mist is preferred to avoid contamination and ensure consistent surface quality. Tool Path Programming CAM software must generate smooth tool paths with minimal direction changes. Sudden tool acceleration can cause micro-chipping at corners. Process Monitoring Integrating acoustic emission sensors or force monitoring helps detect tool wear and crack initiation in real-time, improving yield in high-precision production.

In der heutigen Werkstoffindustrie, Siliziumkarbid-Keramik sind zweifellos das härteste und beständigste bekannte keramische Material. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte (Mohs-Härte 9,5), seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner chemischen Beständigkeit wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, in Halbleiterausrüstungen, mechanischen Dichtungen und anderen Bereichen eingesetzt.

Die Bearbeitung von SiC ist jedoch äußerst schwierig. Mit herkömmlichen Verfahren kann die für Halbleiteranwendungen erforderliche Präzision und Oberflächengüte nicht erreicht werden, so dass spezielle Verfahren und Werkzeuge erforderlich sind, um die Anforderungen der High-End-Fertigung zu erfüllen.

Als nächstes werde ich beschreiben, wie man Siliziumkarbid-Keramik mit hoher Präzision bearbeitet.

Materialeigenschaften von Siliziumkarbid

Bevor die Bearbeitungsmethoden erörtert werden, ist das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von SiC entscheidend für die Auswahl des richtigen Verfahrens.

Eigentum	Typischer Wert	Auswirkung auf die maschinelle Bearbeitung
Härte	9,5 Mohs	Erfordert nur Diamantwerkzeuge
Dichte	3,1 g/cm³	Hohe Steifigkeit, geringe Bearbeitbarkeit
Wärmeleitfähigkeit	120-270 W/m-K	Hervorragende Wärmeableitung beim Schleifen
Bruchzähigkeit	3-4 MPa-m¹/²	Spröde - anfällig für Kantenabplatzungen
Maximale Betriebstemperatur	>1600°C	Geeignet für extreme Umgebungen

Die extrem hohe Härte und Sprödigkeit bedeutet, dass die plastische Verformung ist minimalund der Materialabtrag erfolgt hauptsächlich durch Sprödbruch und Mikrorissbildung. Dies macht die Bearbeitungsparameter - insbesondere Vorschub, Schnitttiefe und Werkzeuggeometrie - sehr empfindlich.

Herausforderungen bei der Bearbeitung

Die Bearbeitung von SiC ist mit drei großen Herausforderungen verbunden:

Werkzeugverschleiß:
Selbst Diamantwerkzeuge verschleißen aufgrund der extremen Härte und des abrasiven Charakters des Materials schnell.
Unversehrtheit der Oberfläche:
Ein ungeeigneter Vorschub oder eine ungeeignete Geschwindigkeit kann zu Rissen unter der Oberfläche führen, die das Bauteil schwächen, insbesondere in Vakuum- oder Hochspannungsumgebungen.
Thermische Auswirkungen:
Übermäßige Hitze beim Schleifen oder Polieren kann zu mikrostrukturellen Schäden oder Phasenumwandlungen führen.

Um sowohl Maßgenauigkeit als auch fehlerfreie Oberflächen zu erreichen, ist ein Gleichgewicht erforderlich Materialabtragsrate (MRR) mit Oberflächenqualität.

Bearbeitungsverfahren für Siliziumkarbid

Diamant-Schleifen

Das Diamantschleifen ist nach wie vor die gängigste Methode zur Formgebung von SiC-Teilen. Je nach erforderlicher Präzision und Abtragsleistung werden kunstharzgebundene oder metallgebundene Diamantscheiben verwendet.

Grobes Schleifen:
Korngröße #80-#120, hohe MRR, wird für die Grobbearbeitung verwendet.
Feines Schleifen:
Korngröße #400-#800, wird vor dem Polieren verwendet.
Ultrafeines Mahlen:
Korngröße #1000-#3000, erreicht eine Oberflächenrauheit Ra < 0,05 µm.

Tipps zur Verarbeitung:

Sorgen Sie für einen konstanten Kühlmittelfluss, um einen Temperaturschock zu vermeiden.
Verwenden Sie niedrige Vorschubgeschwindigkeiten (≤0,02 mm/min für feine Stufen).
Ziehen Sie die Räder häufig nach, um die Diamanten zu schonen.

Typische, erreichbare Toleranz: ±2-5 µmOberflächenrauhigkeit Ra 0,02-0,05 µm.

CNC-Fräsen mit Diamantwerkzeugen

Für komplexe Geometrien werden 4-Achsen- oder 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen eingesetzt, die mit diamantbeschichteten oder PKD-Werkzeugen ausgestattet sind.

Wichtige Überlegungen:

Spindeldrehzahl: 20.000-60.000 U/min
Vorschubgeschwindigkeit: 10-50 mm/min
Schnitttiefe: 1-10 µm pro Durchgang
Kühlmittel: Luft- oder Ölnebel mit präziser Durchflussregelung

Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Präzisionslöcher, Schlitze und 3D-Konturen in SiC-Substraten unter Beibehaltung einer Maßgenauigkeit von bis zu ±0,001 mm

Typische Anwendungen

Halbleiterausrüstung:
SiC-Waferträger, Suszeptoren und Ätzkammerkomponenten aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Plasmabeständigkeit.
Luft- und Raumfahrt:
Leichte Strukturteile und Hochtemperaturlager für Motoren und Wärmeschutzsysteme.
Optische Systeme:
Spiegelsubstrate und Teleskopstrukturen, die Dimensionsstabilität und geringe Wärmeausdehnung erfordern.
Vakuum- und Lasersysteme:
Strukturelle Halterungen und Gehäuse mit ausgezeichneter Steifigkeit und ultraflachen Oberflächen.

FAQs

Fallbeispiel: Hochpräziser SiC-Spiegelsockel

Ein kürzlich durchgeführtes Luft- und Raumfahrtprojekt erforderte eine SiC-Spiegelsockel mit:

Ebenheit: 1/20 λ
Oberflächenrauhigkeit: Ra 0,003 µm
Toleranz: ±0,001 mm

Prozessweg:

Vorschleifen → 2. Ultraschall-Schleifen → 3. CMP-Polieren → 4. Optische interferometrische Prüfung

Das fertige Teil erreichte eine optische Glätte und keine Kantenausbrüche, was die Fähigkeit der kontrollierten SiC-Präzisionsbearbeitung demonstriert.

Inspektion und Qualitätskontrolle

Die Präzisionsbearbeitung von SiC erfordert eine strenge Kontrolle in jeder Prozessphase:

Inspektionsmethode	Messfähigkeit	Zweck
Koordinatenmessmaschine (CMM)	±1 µm	Maßhaltigkeit
Optisches Interferometer	λ/20 Ebenheit	Oberflächenprofil und optische Qualität
SEM / Optische Mikroskopie	1000×	Unterirdische Risse erkennen
Oberflächenrauhigkeitsprüfer	Ra < 0,01 µm	Validierung der Oberflächengüte

Teile, die in Halbleiter- und optischen Systemen verwendet werden, erfordern in der Regel keine sichtbaren unterirdischen Mängel unter 200facher Vergrößerung.

Techniken zur Prozessoptimierung

Vorrichtungen und Schwingungsdämpfung

Da SiC spröde ist, ist die Minimierung von Vibrationen entscheidend.
Verwenden Sie starre Spannvorrichtungen, Präzisionsspindeln und ausgewuchtete Werkzeuge. Vakuum- oder mechanische Spannsysteme sollten eine gleichmäßige Spannungsverteilung ohne Punktbelastung gewährleisten.

Kühlmittel und Schmierung

Der kontinuierliche Kühlmittelfluss entfernt Verunreinigungen und verhindert lokale Erhitzung.
Für die Feinbearbeitung wird ein wasserlösliches Öl oder ionisierter Wassernebel ist vorzuziehen, um Verunreinigungen zu vermeiden und eine gleichbleibende Oberflächenqualität zu gewährleisten.

Programmierung von Werkzeugwegen

CAM-Software muss glatte Werkzeugwege mit minimalen Richtungsänderungen erzeugen. Plötzliche Werkzeugbeschleunigung kann zu Mikroausbrüchen an Ecken führen.

Prozessüberwachung

Durch die Integration von Schallemissionssensoren oder Kraftüberwachung lassen sich Werkzeugverschleiß und Rissbildung in Echtzeit erkennen, was die Ausbeute in der Hochpräzisionsfertigung verbessert.