一种适用多类型半导体基块的对中焊接工装

作者简介：高翔（1983-），男，工程师。研究方向为半导体零件研发及工装设计。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.010

摘  要：为提升半导体基块与堵帽在焊接过程中的质量精度，提高生产效率，减轻操作者的劳动强度，设计一款工装在生产过程中解决半导体基块流道孔因加工精度影响而出现焊缝质量不稳定问题并解决一种焊接工装可满足多种类半导体基块的焊接需求，提升生产效率。半导体基块焊接质量主要由半导体气路流道和堵帽配合同轴度与焊缝质量来评价，在此工装设计采用同轴对中校正结构实现一种可对中定心调整的焊接工装，并通过更换不同种类的垫块以用于多种类半导体基块与堵帽的对中焊接。通过工装的设计可以减少人工校对辅助时间，保证焊缝质量和批量生產需求。此焊接工装在实际使用中比人工焊接效率提升1倍并且焊缝美观，焊接质量可靠。

关键词：焊缝；同轴度；焊接工装；工装定位；焊缝修磨；半导体焊接

中图分类号：TH122      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0040-05

Abstract： In order to improve the quality accuracy of semiconductor substrates and caps during the welding process， improve their production efficiency， and reduce the labor intensity of operators， we designed a kind of tooling to solve the problem of unstable weld quality caused by the impact of machining accuracy on the flow channel holes of semiconductor substrates during the production process， and solve a welding fixture so as to meet the welding needs of multiple types of semiconductor substrates， improving production efficiency. The welding quality of semiconductor base blocks is mainly evaluated by the axial degree and weld quality of semiconductor gas path flow channels and plug caps. In this fixture design， a coaxial centering correction structure is used to achieve a welding fixture that can be adjusted for centering. Different types of pads are replaced for centering welding of multiple types of semiconductor base blocks and plug caps. Through the design of tooling to reduce the manual proofreading auxiliary time， to ensure weld quality and batch production requirements. In practical use， the welding tool is twice as efficient as manual welding， the weld is beautiful， and the welding quality is reliable.

Keywords： weld; coaxiality; welding tooling; tooling positionin; weld grinding; semiconductor welding

半导体行业中，半导体气路基块用于半导体集成气路传输中底部集成模块的搭建。半导体基块质量的优劣直接关系到气路传输的成败。采用手工焊接加工而成的半导体基块，其共性问题为焊接缺陷多、质量不稳定，并且在焊接不同类型的半导体基块时零件校对对中定位需花费大量时间，生产效率低，劳动强度大。因此，设计一款合理的工装实现焊缝修磨一体成型并应用在自动激光焊接机上实现自动化焊接，替代现有的手工焊接，提升焊接质量并实现多种类的半导体基块焊接，降低加工成本，减少校对的辅助时间。

1  产品应用及开发背景

半导体行业中，半导体基块基础组块为模块化表面安装气路系统技术提供了一种集成模块的搭建方法。半导体基块内部有气路流通的通道，内部的气路通道在加工工艺安排中需要打通流道孔。半导体基块打通的流道孔，孔端面需要用堵帽封堵，堵帽封堵与半导体基块需要焊接完成，且焊接后需要对焊缝进行修磨平整，修磨后的焊缝高度差不超过0.02 mm。焊接后焊缝处测试外漏率小于等于5×10-10 Pa.m3/sec.He[1]。因半导体集成气路底部集成模块是由不同类型的半导体基块拼接而成，半导体基块零件的安装位置的准确性与堵帽与半导体基块焊接质量有着密切联系。若堵帽与半导体基块焊接质量差、焊缝不匀，容易造成半导体气路气体的泄漏。堵帽与半导体基块焊接位置出现偏心，同轴度误差超过0.05 mm，则造成在半导体基块拼接过程中出现定位不准，甚至当堵帽与半导体基块焊接位置出现偏心过大时会有半导体基块拼接出现干涉的现象，导致无法装配。为解决这一问题，设计了一款焊接工装，解决堵帽与不同半导体基块焊接同轴度与焊缝均匀的问题，同时提高生产效率并实现焊接和修磨一次成型[2]。实践证明，使用该工装可有效地解决堵帽与不同半导体基块同轴度超差的问题，半导体基块与堵帽质量得到进一步提升，且焊接和修磨一次成型，大大提高了生产效率。

2  产品特点与焊接要求

所要焊接的半导体基块产品为半导体两孔连接块（图1）和半导体三孔连接块（图2），其由半导体基块和堵帽焊接组成。焊接处堵帽的直径范围为13 mm，堵帽焊接的厚度为1 mm，半导体基块焊接孔位直径为13■■mm，堵帽和半导体基块材料均由316L不锈钢制造而成[3]。

图1  基块两孔连接块

图2  基块三孔连接块

因为本产品作为集成模块需要在焊接后作拼接，所以要求被焊接位置面精度较高，堵帽与半导体基块焊接同轴度为0.05 mm，产品要求密封连续焊接，焊缝质量要求平滑、饱满，不能出现凸凹现象，不得有气孔、夹渣、咬边。另外为保证焊接质量，需要对半导体基块流道有氩气保护焊接。综上所述，采用有氩气保护[4]的自动化连续激光焊接方式。激光焊的特点为高精度、焊接应力低和焊后变形小，适合本产品的焊接要求。

3  工装结构设计

3.1  焊接工装结构分析

保证焊接精度，工装底座安装在自动焊接机夹盘上，最终实现三点同轴焊接，来保证同轴度。要达到简化生产工艺、保证焊接质量的目的。定位块设计单边调整的间隙为0.05 mm。

保证焊缝的修磨，当基块与堵帽焊接后，先测量焊接处焊堆高度，通过所述刻度尺设定所述研磨机的研磨量，对所述堵帽与所述基块的焊接处进行精确研磨。

3.2  焊接工装结构设计

焊接工装结构设计如图3—图9所示。

附图标记：1-定位底座，2-圆柱，3-安装槽，4-第一定位孔，5-对中定位架，6-定位螺栓，7-半导体基块，8-左垫块，9-右墊块，10-顶丝，11-气管快拧接头，12-上盖，13-圆孔，14-光轴导轨，15-上压板，16-安装板，17-直线轴承，18-拉簧，19-研磨机，20-锁紧压块，21-抛光砂轮，22-刻度尺，23-上盖。

图3  对中焊接工装结构示意图

图4  对中焊接工装主视图

3.3  焊接工装原理

定位底座，包括位于底部的圆柱和设置在圆柱顶部的安装槽，且所述圆柱顶部中心位置处设置有第一定位孔，圆柱与焊接机同心设置；对中定位架，其第一端固定在安装槽的背部，第二端位于安装槽的正上方，且该对中定位架的第二端上设置有与圆柱同心的第二定位孔；定位螺栓，通过所述第二定位孔穿设在所述对中定位架上，通过对中定位架使得定位螺栓与圆柱同心；半导体基块设置在安装槽内，半导体基块上的孔与第一定位孔同心，且通过定位螺栓将堵帽与所述基块上的孔对中校正，使所述堵帽、所述基块上的孔和所述第一定位孔均位于同一中心线上。安装槽内设置有左垫块和右垫块；通过左垫块和右垫块调整半导体基块在安装槽内的位置，并通过设置在所述安装槽壁面上的顶丝将左垫块和右垫块固定，左右垫块单边调整的间隙为0.05 mm。

图5  对中焊接工装侧视图

图6  对中焊接工装剖视图

图7  半导体基块内部吹扫气路通道示意图

图8  中焊接工装安装研磨装置示意图

图9  整体对中焊接工装结构示意图

如图7所示，安装槽的背部还设置有进气孔；所述进气孔与半导体基块上的进气流道孔对应设置，且进气孔处安装有气管快拧接头，通过气管快拧接头与外部气源连接，实现对半导体基块内进行扫气，将焊接后的所述堵帽与所述基块进行快速吹扫避免氧化。上盖设置在定位底座的安装槽上部，堵帽与半导体基块对中校正后，所述对中定位架与定位螺栓拆除，将上盖安装在安装槽上部进行焊接。

焊接后更换上盖，上盖顶部安装有研磨装置；研磨装置通过圆孔对堵帽与半导体基块的焊接处进行研磨。采用的研磨装置包括设置在上盖上部两侧的光轴导轨、上压板、安装板、直线轴承、拉簧、研磨机、锁紧压块和抛光砂轮；研磨机的端部设置在安装板的下部，通过直线轴承使安装板带动研磨机在光轴导轨上进行上下移动；其中光轴导轨的直线轴承上设置有锁紧压块，用于将直线轴承锁死固定；抛光砂轮设置在研磨机的输出端，由研磨机带动抛光砂轮动作，进而对堵帽与半导体基块焊接处进行抛光研磨。研磨装置还包括刻度尺。刻度尺设置在其中光轴导轨上，根据预先测量的焊接处焊堆高度，通过刻度尺设定研磨机的研磨量，对堵帽与半导体基块的焊接处进行精确研磨。

3.4  焊接工装通用性

设计本工装为满足不同类型的半导体基块的对中焊接使用类型，避免多次装卡工装，造成效率低下。半导体基块两孔连接块需要立装焊接上堵帽，基块两孔连接块立装安装示意图如图10所示，只需要将半导体基块立装放置，更换对应安装槽内左垫块、右垫块和上盖即可。磨焊缝时不用拆掉工装，只更换上盖顶部安装有研磨装置进行研磨。如加工三路连接块（基块三路连接块安装示意图如图11所示），按上述方法操作即可。可满足一套工装实现不同种类基块的焊接和研磨，降低了加工成本，减少了二次装夹时间，提高了生产效率。

图10  基块两孔连接块立装安装示意图

图11  基块三路连接块安装示意图

4  工装材料及研磨机设计计算

因半导体基块的材料为316L，在确保不损伤零件表面情况下，采用6061铝合金材料制成的定位底座、上盖和校正调整结构具有良好的可成型性、可机加工性能，使对中焊接工装具有坚固的机械性能、良好的韧性、加工后不变形、上色膜容易和氧化效果极佳等优良特点，在对半导体基块对中校正过程中不易对零件造成损伤。

焊接后要求堵帽表面粗糙度Ra0.2，查表所得研磨机选用800目精细磨刀轮作为研磨砂轮。焊接后在焊缝周围会有少量焊渣，焊渣经测量与堵帽高度差为0.1～0.3 mm。计算砂轮的磨削力[5]

F=■=■=50 N ，

式中：uc为比磨性能，一般不锈钢的比磨性能为20～60 J/mm３，本产品修磨精度较高，这里取50 J/mm３；ae为磨削深度，0.3 mm；vw为手动线速度，大约为0.1 m/s；vx为砂轮线速度，安全速度选择范围为25 m/s＜v＜35 m/s，为了安全，选择砂轮线速度30 m/s；b为砂轮磨削直径，100 mm。

根据切削计算转速公式

n=■=■×60=5 732 r/min，

式中：V为砂轮线速度，30 m/s；D为砂轮磨削直径0.1 m。

功率

P=F×R×ω=50×0.05×100=250 W ，

式中：F为砂轮磨削力；R为砂轮磨削半径，0.05 m；ω为角速度，100 r/s。

安全系数取3，功率为750 W。

最终选择功率大于750 W，转速大于6 000 r/min的砂轮打磨机。

5  使用效果

通过应用自动化焊接配合对中工装，实现了产品质量的明显提升。焊接零件的同轴度差值保证在0.05 mm范围内。传统手动焊接需要逐个对中焊接然后再修磨，不仅焊接质量不高而且生产效率低下，新工装能够实现不同种类的半导体基块的对中焊接并通过焊接和研磨一体使生产效率明显提高。原用手动焊接再研磨共需248 s。通过设计的工装，提高了对中效率和修磨时间，单件加工时间只需要152 s。按月3万件、每班8 h、两班制生产计算：手动焊接每月加工量 ＝ 8×3 600÷248×2×28件＝6 503件，采用设计的对中焊接工装每月加工量＝8×3 600÷152×2×28件＝10 610件。工效提高63%，同时也减少了操作人员二次装夹焊接的劳动强度。

经现场加工，分别应用对中工装自动焊接和手动焊接进行实测对比，手工焊接和应用对中工装自动焊接的试件效果分别如图12和图13所示。从焊接效果可直观看出，手工焊接焊缝成型不均匀，焊接纹路较为粗糙，焊缝表面余高起伏大，整个手工焊接加工过程耗时160 s/件。使用对中焊接工装生产的工件，焊接精度满足要求，同时工件的互换性达100%；该夹具装夹调整对中的时间约为12 s/件，自动焊接转速60 r/min，焊接时间约60 s/件，整个焊接加工过程耗时72 s/件，具有较高的生产效率。焊缝美观均匀，圆周误差不超过0.05 mm。焊接后，基块焊缝处测试外漏率为5×10-10 Pa.m3/sec.He。手工焊接和应用对中工装自动焊接试件参数对比见表1。

图12  手工焊接效果     图13  使用对中工装焊接效果

表1  焊接效果参数对比表

6  结论

通过对中焊接工装的设计应用，为半导体基块焊接创建了一条新的加工路线，大大缩短了加工时间，提高了生产效率，提升了产品质量， 降低了劳动强度，获得了显著的经济效益。

参考文献：

[1] QUIRK M，SERDA J. 半导体制造技术[M].韩郑生，译.北京：电子工业出版社，2004：95-98.

[2] PETER V Z.芯片制造-半导体工艺制程实用教程[M].4版.赵树武，译.北京：电子工业出版社，2004：58-88.

[3] 李颖，王彤，靳蕊.某型薄壁件磨内孔工装优化设计研究[J].中国设备工程，2021（18）：227-228.

[4] 機械设计手册编委会.机械设计手册：第2卷[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5] 机械设计手册编委会.机械设计手册：第1卷[M].北京：机械工业出版社，2002.