Płytki optyczne: porównanie szkła, kwarcu i szafiru do zastosowań precyzyjnych

Płytka borokrzemowa i płytka szafirowa mogą mieć tę samą średnicę 100 mm i grubość 1,0 mm, a mimo to jeden kosztuje ułamek drugiego i wytrzymuje zupełnie inne warunki pracy. W tej luce popełnianych jest najwięcej błędów przy zakupie płytek. W praktyce wybór odpowiedniej płytki optycznej sprowadza się do trzech decyzji podejmowanych w następującej kolejności: wybór materiału ze względu na jego przepuszczalność, twardość i zachowanie termiczne; zdefiniować płaskość i jakość powierzchni, które dalszy proces może faktycznie tolerować; i wymagają danych z kontroli, które potwierdzają oba przed wysyłką. W poniższych sekcjach omówiono kolejno każdą decyzję.

Co to jest płytka optyczna?

Płytka optyczna to cienki dysk z materiału optycznego, zwykle szkła, topionego kwarcu lub szafiru monokryształowego, produkowany z zachowaniem wąskich tolerancji grubości, płaskości i jakości powierzchni. W przeciwieństwie do gotowego okna optycznego, które jest instalowane bezpośrednio na ścieżce wiązki, płytka jest zwykle podłożem: powierzchnią wyjściową, która będzie powlekana, wzorzysta, klejona lub cięta w dalszej części obróbki.

Standardowe średnice wahają się od 25,4 mm (1 cal) do 300 mm, przy grubościach zwykle od 0,5 do 1,1 mm, chociaż rozmiary niestandardowe są rutynowe w optyce przemysłowej. Pięć parametrów odróżnia wafelek użyteczny od odrzuconego:

• Całkowita zmienność grubości (TTV): różnica pomiędzy najgrubszymi i najcieńszymi punktami na polerowanej powierzchni.
• Wygięcie i wypaczenie: odchylenia płaszczyzny środkowej płytki od płaskiej, zwykle spowodowane naprężeniami szczątkowymi powstałymi w wyniku szlifowania lub docierania.
• Jakość powierzchni: gatunki odporne na zarysowania, takie jak 40-20 lub 20-10 zgodnie z MIL-PRF-13830, które ograniczają dopuszczalne zadrapania i wgłębienia.
• Chropowatość powierzchni: polerowane płytki zwykle osiągają Ra poniżej 1 nm, a dwustronnie polerowany półprodukt poniżej 0,5 nm.
• Stan krawędzi: geometria fazowania i limity wiórów, które wpływają na współczynnik pękania podczas przenoszenia i krojenia w kostkę.

Szkło, kwarc lub szafir: wybór materiału waflowego

Wybór materiału ma większy wpływ na koszty i wydajność niż jakakolwiek inna decyzja dotycząca płytek. Poniższa tabela porównuje zakresy właściwości decydujące o wyborze, a uwagi po niej wyjaśniają, gdzie każdy materiał zasługuje na swoje miejsce.

Kiedy wybór zawęża się do dwóch najczęściej porównywanych opcji, decyzja zwykle skupia się na przepuszczalności promieni UV i stabilności termicznej, a nie samej cenie. Omawiamy to parowanie szczegółowo w naszym porównaniu kwarcowe a szklane płytki optyczne .

Wafle szklane: koń pociągowy do klejenia i nośników

Płytki szklane, zwykle borokrzemowe lub podobne szkła optyczne, są najbardziej opłacalną opcją, gdy nie jest wymagana ekstremalna przepuszczalność ani twardość. Ich rozszerzalność cieplna jest na tyle zbliżona do krzemu, że umożliwia tworzenie wiązań anodowych, co czyni je standardowymi podłożami dla czujników ciśnienia MEMS i urządzeń kapsułkowanych. Służą również jako płytki nośne podczas przenoszenia cienkich urządzeń oraz jako podłoża bazowe dla wzorzystej optyki. Granice są realne: słabsza przepuszczalność ultrafioletu w porównaniu ze stopionym kwarcem, niższa odporność na szok termiczny i powierzchnia łatwiejsza do zarysowania w wyniku powtarzających się cykli manipulacji.

Płytki szklane do MEMS, czujników i podłoży optycznych Wafle szklane borokrzemianowe i podobne oferują niski koszt, przezroczystość i rozszerzalność cieplną bliską krzemowi w przypadku klejenia anodowego. To sprawia, że ​​warto je sprawdzić pod kątem podłoży czujników MEMS, płytek nośnych i wzorzystej optyki, gdzie nie jest wymagana ekstremalna transmisja UV ani twardość. Zobacz produkt →

Płytki kwarcowe: niska rozszerzalność i działanie w głębokim promieniowaniu UV

Płytki ze stopionego kwarcu charakteryzują się bardzo niską rozszerzalnością cieplną, około 0,5 ppm/K, czyli o rząd wielkości poniżej większości szkieł, z silną transmisją w głąb ultrafioletu. Ta kombinacja wyjaśnia ich rolę jako półfabrykatów fotomasek, substratów optycznych UV i płytek procesowych w urządzeniach półprzewodnikowych. Jedna pułapka zakupowa zasługuje na uwagę: „kwarc” może oznaczać amorficzny kwarc topiony lub piezoelektryczny kwarc krystaliczny, a oba różnią się zasadniczo ceną, obrabialnością i zastosowaniem. Zanim poprosisz o wycenę, potwierdź, którego proces faktycznie potrzebuje.

Topiony kwarc Wafers with Low Expansion and UV Transmission Płytki kwarcowe topione łączą rozszerzalność cieplną około 0,5 ppm/K z silną transmisją w głąb ultrafioletu. Warto je obejrzeć w przypadku półfabrykatów fotomasek, optyki UV i płytek procesowych sprzętu półprzewodnikowego, pod warunkiem, że w procesie potrzebny jest kwarc amorficzny, a nie krystaliczny. Zobacz produkt →

Wafle szafirowe: twardość i trudne warunki

Szafir monokryształowy kosztuje więcej za płytkę i jest znacznie wolniejszy w obróbce niż szkło czy kwarc, ale nic innego w powszechnym użyciu optycznym nie łączy w sobie twardości 9 Mohsa, pokrycia widmowego od około 150 nm do 5,5 μm i wysokiej przewodności cieplnej. Jest to domyślne podłoże do epitaksji LED z azotku galu, standardowy wybór dla okien i czujników średniej podczerwieni narażonych na ścieranie lub wysoką temperaturę i coraz bardziej powszechny w optyce samochodowej. Ponieważ właściwości szafiru zależą od orientacji krystalograficznej, na rysunku należy wyraźnie określić cięcie, czy to w płaszczyźnie C, w płaszczyźnie R, czy w innej płaszczyźnie.

Szafirowe płytki do epitaksji LED i trudnych zastosowań optycznych Szafir monokryształowy oferuje twardość 9 Mohsa, transmisję od około 150 nm do 5,5 μm i wysoką przewodność cieplną. Ten produkt jest warty rozważenia w przypadku epitaksji LED GaN, okien średniej podczerwieni i czujników narażonych na ścieranie lub wysokie temperatury, z określoną płaszczyzną kryształu. Zobacz produkt →

Specyfikacje, które należy zablokować przed złożeniem zapytania o wycenę

Większość odrzuceń płytek wynika ze specyfikacji, które nigdy nie zostały podane, a nie z błędów produkcyjnych. Przed wysłaniem zapytania o wycenę umieść numer na każdej pozycji poniżej:

1. Średnica i grubość z tolerancjami, na przykład średnica 100 mm ± 0,1 mm i grubość 1,0 mm ± 0,05 mm zamiast „nominalnego 100 mm”.
2. Granice płaskości dopasowane do zastosowania: podłoża litograficzne mogą wymagać zmiany grubości całkowitej poniżej kilku mikronów w poprzek przezroczystej apertury, podczas gdy ogólne zastosowania optyczne tolerują luźniejsze wartości.
3. Jakość powierzchni wyrażona jako zarysowanie, zazwyczaj 40-20 do zastosowań ogólnych i 20-10, gdy liczy się rozproszone światło.
4. Format polerowania, jednostronny lub dwustronny, ponieważ obie powierzchnie mają znaczenie, gdy płytka podaje ścieżkę optyczną lub podczas precyzyjnego mocowania.
5. Orientacja kryształów w przypadku szafiru lub szlif w przypadku kwarcu krystalicznego jest pokazana na rysunku, a nie zakładana.
6. Wymagania dotyczące czyszczenia, pakowania i dokumentacji, w tym to, czy każda partia wymaga map płaskości interferometru i certyfikatu zgodności.

Jak osiąga się i weryfikuje płaskość w produkcji

Płaskość płytki jest uzyskiwana w ustalonej kolejności: piłowanie półwyrobu, szlifowanie do niemal ostatecznej grubości, docieranie w celu usunięcia uszkodzeń podpowierzchniowych, a następnie polerowanie jednostronne lub dwustronne w celu dostosowania powierzchni do specyfikacji. Każdy etap musi usunąć uszkodzenia pozostawione przez poprzedni, a przyspieszenie kroku ujawnia się w postaci zadrapań lub naprężeń szczątkowych podczas kontroli końcowej.

Weryfikacja jest tak samo ważna jak przetwarzanie. TTV, łuk i osnowy są zwykle mierzone za pomocą bezkontaktowego skanowania optycznego, podczas gdy wielkość powierzchni potwierdzana jest interferometrią przy określonej długości fali. Wartości płaskości podanej bez apertury i długości fali, np. „płaska λ/10” bez dołączonych warunków, nie można porównać z liczbą innego dostawcy, dlatego należy umieścić obie wartości na rysunku.

Gdzie stosowane są płytki optyczne

Optyka oparta na płytkach pojawia się w znacznie większej liczbie branż niż sama produkcja półprzewodników:

• Produkcja półprzewodników: podłoża do fotomasek, optyka inspekcyjna i płytki nośne do obsługi cienkich urządzeń.
• Czujniki optyczne w systemach obrazowania: obróbka na poziomie płytki pozwala uzyskać okna czujników, filtry i podłoża mikrosoczewkowe w partiach o stałej jakości powierzchni.
• Urządzenia MEMS: płytki szklane anodowo połączone z krzemem w postaci czujników ciśnienia, mikrofonów i rezonatorów.
• Systemy ultrafioletowe i podczerwone: stopiony kwarc służy do litografii i spektroskopii w głębokim UV, natomiast szafir pokrywa okna w średniej podczerwieni i wykrywanie wysokiej temperatury.
• Motoryzacja i LiDAR: stabilne wymiarowo, twarde podłoża dla optyki nadajnika i odbiornika, które muszą wytrzymać wibracje i wahania temperatury.

Typowe ryzyka związane z zakupami i sposoby ich unikania

Za większość problemów związanych z pozyskiwaniem płytek odpowiadają cztery kwestie:

• Niejednoznaczne objaśnienia dotyczące płaskości. Każda figura płaskości wymaga apertury, długości fali i metody pomiaru zapisanej na rysunku.
• Błędne oznakowanie materiału. Potwierdź, czy „kwarc” oznacza stopiony materiał amorficzny czy materiał krystaliczny i czy „szklana” płytka jest wykonana z borokrzemianu, glinokrzemianu lub innego składu, ponieważ każdy z nich różni się rozszerzalnością i przepuszczalnością.
• Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej w zespołach klejonych. Należy wybrać płytkę szklaną połączoną z krzemem pod kątem zgodności z rozszerzalnością, w przeciwnym razie połączenie pęknie podczas cykli termicznych.
• Brak danych z kontroli. Bez map interferometru lub certyfikatu zgodności problemy z powierzchnią pojawiają się dopiero po dalszej obróbce, kiedy odrzucona płytka kosztuje najwięcej.

Współpraca z producentem płytek optycznych

Kupujący oceniający dostawców potrzebują krótkiej listy kontrolnej: sprawdzonego przetwarzania wszystkich trzech materiałów waflowych, wykazanej zdolności kontroli płaskości oraz systemu jakości poddanego audytowi zgodnie z uznanymi standardami. Changzhou Haolilai Photo-Electricity Scientific and Technical Co., Ltd. (HLL) od 1998 roku produkuje precyzyjne komponenty optyczne w zakładzie o powierzchni 35 000 metrów kwadratowych w krajowej strefie zaawansowanych technologii w Changzhou, zatrudniającym ponad 300 osób i eksportującym do ponad 20 krajów. Firma posiada certyfikaty ISO 9001:2015, ISO 14001:2015 i IATF 16949, z których ostatni wspiera pracę w łańcuchu dostaw w branży motoryzacyjnej, i prowadzi prowincjonalne centrum precyzyjnej inżynierii optycznej, które wspiera niestandardowe projekty płytek i podłoży.

Wymagania dotyczące płytek różnią się znacznie w zależności od zastosowań półprzewodnikowych, motoryzacyjnych i laserowych, dlatego najszybszą drogą do dokładnej wyceny jest rysunek zawierający specyfikacje wymienione powyżej. Zespół inżynierów HLL przegląda niestandardowe wymagania i zapewnia dostosowane rozwiązania optyczne, a prośby o wycenę lub pytania techniczne można przesyłać za pośrednictwem strona kontaktowa .

Wersja krótka: wybierz materiał ze względu na jego właściwości optyczne i termiczne, określ płaskość i jakość powierzchni za pomocą liczb i warunków pomiaru oraz zażądaj danych z kontroli wraz z dostawą. Kupujący, którzy postępują zgodnie z tą kolejnością, unikają najdroższych trybów awarii w pozyskiwaniu płytek i przechodzą od wyceny do kwalifikowanych części w mniejszej liczbie cykli iteracji.