一種適用多類型半導體基塊的對中焊接工裝

作者簡介：高翔（1983-），男，工程師。研究方向為半導體零件研發及工裝設計。

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

摘? 要：為提升半導體基塊與堵帽在焊接過程中的質量精度，提高生產效率，減輕操作者的勞動強度，設計一款工裝在生產過程中解決半導體基塊流道孔因加工精度影響而出現焊縫質量不穩定問題并解決一種焊接工裝可滿足多種類半導體基塊的焊接需求，提升生產效率。半導體基塊焊接質量主要由半導體氣路流道和堵帽配合同軸度與焊縫質量來評價，在此工裝設計采用同軸對中校正結構實現一種可對中定心調整的焊接工裝，并通過更換不同種類的墊塊以用于多種類半導體基塊與堵帽的對中焊接。通過工裝的設計可以減少人工校對輔助時間，保證焊縫質量和批量生產需求。此焊接工裝在實際使用中比人工焊接效率提升1倍并且焊縫美觀，焊接質量可靠。

關鍵詞：焊縫；同軸度；焊接工裝；工裝定位；焊縫修磨；半導體焊接

中圖分類號：TH122? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

半導體行業中，半導體氣路基塊用于半導體集成氣路傳輸中底部集成模塊的搭建。半導體基塊質量的優劣直接關系到氣路傳輸的成敗。采用手工焊接加工而成的半導體基塊，其共性問題為焊接缺陷多、質量不穩定，并且在焊接不同類型的半導體基塊時零件校對對中定位需花費大量時間，生產效率低，勞動強度大。因此，設計一款合理的工裝實現焊縫修磨一體成型并應用在自動激光焊接機上實現自動化焊接，替代現有的手工焊接，提升焊接質量并實現多種類的半導體基塊焊接，降低加工成本，減少校對的輔助時間。

1? 產品應用及開發背景

半導體行業中，半導體基塊基礎組塊為模塊化表面安裝氣路系統技術提供了一種集成模塊的搭建方法。半導體基塊內部有氣路流通的通道，內部的氣路通道在加工工藝安排中需要打通流道孔。半導體基塊打通的流道孔，孔端面需要用堵帽封堵，堵帽封堵與半導體基塊需要焊接完成，且焊接后需要對焊縫進行修磨平整，修磨后的焊縫高度差不超過0.02 mm。焊接后焊縫處測試外漏率小于等于5×10-10 Pa.m3/sec.He[1]。因半導體集成氣路底部集成模塊是由不同類型的半導體基塊拼接而成，半導體基塊零件的安裝位置的準確性與堵帽與半導體基塊焊接質量有著密切聯系。若堵帽與半導體基塊焊接質量差、焊縫不勻，容易造成半導體氣路氣體的泄漏。堵帽與半導體基塊焊接位置出現偏心，同軸度誤差超過0.05 mm，則造成在半導體基塊拼接過程中出現定位不準，甚至當堵帽與半導體基塊焊接位置出現偏心過大時會有半導體基塊拼接出現干涉的現象，導致無法裝配。為解決這一問題，設計了一款焊接工裝，解決堵帽與不同半導體基塊焊接同軸度與焊縫均勻的問題，同時提高生產效率并實現焊接和修磨一次成型[2]。實踐證明，使用該工裝可有效地解決堵帽與不同半導體基塊同軸度超差的問題，半導體基塊與堵帽質量得到進一步提升，且焊接和修磨一次成型，大大提高了生產效率。

2? 產品特點與焊接要求

所要焊接的半導體基塊產品為半導體兩孔連接塊（圖1）和半導體三孔連接塊（圖2），其由半導體基塊和堵帽焊接組成。焊接處堵帽的直徑范圍為13 mm，堵帽焊接的厚度為1 mm，半導體基塊焊接孔位直徑為13■■mm，堵帽和半導體基塊材料均由316L不銹鋼制造而成[3]。

圖1? 基塊兩孔連接塊

圖2? 基塊三孔連接塊

因為本產品作為集成模塊需要在焊接后作拼接，所以要求被焊接位置面精度較高，堵帽與半導體基塊焊接同軸度為0.05 mm，產品要求密封連續焊接，焊縫質量要求平滑、飽滿，不能出現凸凹現象，不得有氣孔、夾渣、咬邊。另外為保證焊接質量，需要對半導體基塊流道有氬氣保護焊接。綜上所述，采用有氬氣保護[4]的自動化連續激光焊接方式。激光焊的特點為高精度、焊接應力低和焊后變形小，適合本產品的焊接要求。

3? 工裝結構設計

3.1? 焊接工裝結構分析

保證焊接精度，工裝底座安裝在自動焊接機夾盤上，最終實現三點同軸焊接，來保證同軸度。要達到簡化生產工藝、保證焊接質量的目的。定位塊設計單邊調整的間隙為0.05 mm。

保證焊縫的修磨，當基塊與堵帽焊接后，先測量焊接處焊堆高度，通過所述刻度尺設定所述研磨機的研磨量，對所述堵帽與所述基塊的焊接處進行精確研磨。

3.2? 焊接工裝結構設計

焊接工裝結構設計如圖3—圖9所示。

附圖標記：1-定位底座，2-圓柱，3-安裝槽，4-第一定位孔，5-對中定位架，6-定位螺栓，7-半導體基塊，8-左墊塊，9-右墊塊，10-頂絲，11-氣管快擰接頭，12-上蓋，13-圓孔，14-光軸導軌，15-上壓板，16-安裝板，17-直線軸承，18-拉簧，19-研磨機，20-鎖緊壓塊，21-拋光砂輪，22-刻度尺，23-上蓋。

圖3? 對中焊接工裝結構示意圖

圖4? 對中焊接工裝主視圖

3.3? 焊接工裝原理

定位底座，包括位于底部的圓柱和設置在圓柱頂部的安裝槽，且所述圓柱頂部中心位置處設置有第一定位孔，圓柱與焊接機同心設置；對中定位架，其第一端固定在安裝槽的背部，第二端位于安裝槽的正上方，且該對中定位架的第二端上設置有與圓柱同心的第二定位孔；定位螺栓，通過所述第二定位孔穿設在所述對中定位架上，通過對中定位架使得定位螺栓與圓柱同心；半導體基塊設置在安裝槽內，半導體基塊上的孔與第一定位孔同心，且通過定位螺栓將堵帽與所述基塊上的孔對中校正，使所述堵帽、所述基塊上的孔和所述第一定位孔均位于同一中心線上。安裝槽內設置有左墊塊和右墊塊；通過左墊塊和右墊塊調整半導體基塊在安裝槽內的位置，并通過設置在所述安裝槽壁面上的頂絲將左墊塊和右墊塊固定，左右墊塊單邊調整的間隙為0.05 mm。

圖5? 對中焊接工裝側視圖

圖6? 對中焊接工裝剖視圖

圖7? 半導體基塊內部吹掃氣路通道示意圖

圖8? 中焊接工裝安裝研磨裝置示意圖

圖9? 整體對中焊接工裝結構示意圖

如圖7所示，安裝槽的背部還設置有進氣孔；所述進氣孔與半導體基塊上的進氣流道孔對應設置，且進氣孔處安裝有氣管快擰接頭，通過氣管快擰接頭與外部氣源連接，實現對半導體基塊內進行掃氣，將焊接后的所述堵帽與所述基塊進行快速吹掃避免氧化。上蓋設置在定位底座的安裝槽上部，堵帽與半導體基塊對中校正后，所述對中定位架與定位螺栓拆除，將上蓋安裝在安裝槽上部進行焊接。

焊接后更換上蓋，上蓋頂部安裝有研磨裝置；研磨裝置通過圓孔對堵帽與半導體基塊的焊接處進行研磨。采用的研磨裝置包括設置在上蓋上部兩側的光軸導軌、上壓板、安裝板、直線軸承、拉簧、研磨機、鎖緊壓塊和拋光砂輪；研磨機的端部設置在安裝板的下部，通過直線軸承使安裝板帶動研磨機在光軸導軌上進行上下移動；其中光軸導軌的直線軸承上設置有鎖緊壓塊，用于將直線軸承鎖死固定；拋光砂輪設置在研磨機的輸出端，由研磨機帶動拋光砂輪動作，進而對堵帽與半導體基塊焊接處進行拋光研磨。研磨裝置還包括刻度尺?？潭瘸咴O置在其中光軸導軌上，根據預先測量的焊接處焊堆高度，通過刻度尺設定研磨機的研磨量，對堵帽與半導體基塊的焊接處進行精確研磨。

3.4? 焊接工裝通用性

設計本工裝為滿足不同類型的半導體基塊的對中焊接使用類型，避免多次裝卡工裝，造成效率低下。半導體基塊兩孔連接塊需要立裝焊接上堵帽，基塊兩孔連接塊立裝安裝示意圖如圖10所示，只需要將半導體基塊立裝放置，更換對應安裝槽內左墊塊、右墊塊和上蓋即可。磨焊縫時不用拆掉工裝，只更換上蓋頂部安裝有研磨裝置進行研磨。如加工三路連接塊（基塊三路連接塊安裝示意圖如圖11所示），按上述方法操作即可?？蓾M足一套工裝實現不同種類基塊的焊接和研磨，降低了加工成本，減少了二次裝夾時間，提高了生產效率。

圖10? 基塊兩孔連接塊立裝安裝示意圖

圖11? 基塊三路連接塊安裝示意圖

4? 工裝材料及研磨機設計計算

因半導體基塊的材料為316L，在確保不損傷零件表面情況下，采用6061鋁合金材料制成的定位底座、上蓋和校正調整結構具有良好的可成型性、可機加工性能，使對中焊接工裝具有堅固的機械性能、良好的韌性、加工后不變形、上色膜容易和氧化效果極佳等優良特點，在對半導體基塊對中校正過程中不易對零件造成損傷。

焊接后要求堵帽表面粗糙度Ra0.2，查表所得研磨機選用800目精細磨刀輪作為研磨砂輪。焊接后在焊縫周圍會有少量焊渣，焊渣經測量與堵帽高度差為0.1～0.3 mm。計算砂輪的磨削力[5]

F=■=■=50 N ，

式中：uc為比磨性能，一般不銹鋼的比磨性能為20～60 J/mm３，本產品修磨精度較高，這里取50 J/mm３；ae為磨削深度，0.3 mm；vw為手動線速度，大約為0.1 m/s；vx為砂輪線速度，安全速度選擇范圍為25 m/s＜v＜35 m/s，為了安全，選擇砂輪線速度30 m/s；b為砂輪磨削直徑，100 mm。

根據切削計算轉速公式

n=■=■×60=5 732 r/min，

式中：V為砂輪線速度，30 m/s；D為砂輪磨削直徑0.1 m。

功率

P=F×R×ω=50×0.05×100=250 W ，

式中：F為砂輪磨削力；R為砂輪磨削半徑，0.05 m；ω為角速度，100 r/s。

安全系數取3，功率為750 W。

最終選擇功率大于750 W，轉速大于6 000 r/min的砂輪打磨機。

5? 使用效果

通過應用自動化焊接配合對中工裝，實現了產品質量的明顯提升。焊接零件的同軸度差值保證在0.05 mm范圍內。傳統手動焊接需要逐個對中焊接然后再修磨，不僅焊接質量不高而且生產效率低下，新工裝能夠實現不同種類的半導體基塊的對中焊接并通過焊接和研磨一體使生產效率明顯提高。原用手動焊接再研磨共需248 s。通過設計的工裝，提高了對中效率和修磨時間，單件加工時間只需要152 s。按月3萬件、每班8 h、兩班制生產計算：手動焊接每月加工量 ＝ 8×3 600÷248×2×28件＝6 503件，采用設計的對中焊接工裝每月加工量＝8×3 600÷152×2×28件＝10 610件。工效提高63%，同時也減少了操作人員二次裝夾焊接的勞動強度。

經現場加工，分別應用對中工裝自動焊接和手動焊接進行實測對比，手工焊接和應用對中工裝自動焊接的試件效果分別如圖12和圖13所示。從焊接效果可直觀看出，手工焊接焊縫成型不均勻，焊接紋路較為粗糙，焊縫表面余高起伏大，整個手工焊接加工過程耗時160 s/件。使用對中焊接工裝生產的工件，焊接精度滿足要求，同時工件的互換性達100%；該夾具裝夾調整對中的時間約為12 s/件，自動焊接轉速60 r/min，焊接時間約60 s/件，整個焊接加工過程耗時72 s/件，具有較高的生產效率。焊縫美觀均勻，圓周誤差不超過0.05 mm。焊接后，基塊焊縫處測試外漏率為5×10-10 Pa.m3/sec.He。手工焊接和應用對中工裝自動焊接試件參數對比見表1。

圖12? 手工焊接效果? ? ?圖13? 使用對中工裝焊接效果

表1? 焊接效果參數對比表

6? 結論

通過對中焊接工裝的設計應用，為半導體基塊焊接創建了一條新的加工路線，大大縮短了加工時間，提高了生產效率，提升了產品質量， 降低了勞動強度，獲得了顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1] QUIRK M，SERDA J. 半導體制造技術[M].韓鄭生，譯.北京：電子工業出版社，2004：95-98.

[2] PETER V Z.芯片制造-半導體工藝制程實用教程[M].4版.趙樹武，譯.北京：電子工業出版社，2004：58-88.

[3] 李穎，王彤，靳蕊.某型薄壁件磨內孔工裝優化設計研究[J].中國設備工程，2021（18）：227-228.

[4] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊：第2卷[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊：第1卷[M].北京：機械工業出版社，2002.