内导体制造工艺（精选四篇）
内导体制造工艺 篇1
关键词：台阶小孔,精整加工,程序优化
1 问题的提出
图1所示零件为生产微波毫米波连接器件过程中经常加工的一种外导体。此零件的难点在于内孔的加工, 其内孔有如下特点: (a) 台阶小孔, 各孔间形位公差要求0.01mm; (b) φ3.4mm孔两端及根部不得有毛刺, 允许有≤0.05mm的圆角; (c) 各孔的表面粗糙度要求Ra0.8和尺寸公差要求严格。
2 典型外导体内孔加工工艺分析
2.1 加工工艺分析
众所周知, 与外圆加工相比, 相同精度的内孔加工显得要难, 内孔加工由于刀具的刚性差、加工过程不可见、切屑不易排出、冷却不充分等原因影响内孔的尺寸精度和表面质量, 尤其在小孔加工中更显得突出。图1所示零件内孔直径小, 表面质量要求Ra0.8, 尺寸公差和形状位置公差0.01mm, 普通的精密加工内孔达不到Ra0.8的表面粗糙度和较难保证φ3.4±0.005mm尺寸的稳定性, 实际加工中, 作者根据积累多年的加工经验, 采用精整加工、优化切削用量等工艺手段完成该零件的内孔加工。
2.1.1 精整加工
精整加工是指在精密加工后进行的一种切削余量很小的超精密加工, 旨在提高工件的表面粗糙度和提高尺寸的稳定性。图1外导体所用材料是SUS303C (易切不锈钢) , 孔两端及根部不得有毛刺, 允许有≤0.05mm的圆角, 表面粗糙度要求Ra0.8, 普通精密加工过程中镗刀磨损较快, 刀尖会形成>0.05mm的圆角, 满足不了图纸要求, 而采用精整加工, 被加工内孔在精加工后, 在直径方向和长度方向留0.01mm进行精整加工, 其加工余量小, 产生的切屑少, 刀具冷却充分, 刀尖磨损较慢, 提高了零件的尺寸精度、表面质量和刀具寿命。
2.1.2 切削用量的优化
下面简单分析切削用量三要素与刀具的磨损、零件尺寸精度和表面质量的关系:
(1) 切削速度vc:切削速度是指切削刃上选定点相对于工件主运动的瞬间速度, 计算公式为:vc=πnd/1000
式中, n是指工件的转速, r/min;d是指工件上选定点的回转直径, mm。
切削速度的选择一般和工件材料、刀具材料及几何形状、冷却液的种类、机床性能等有关, 在刀具材料允许的条件下, 切削速度越高, 加工的表面质量越好, 负面影响是刀尖磨损加快, 在刀具材料磨损疲劳强度合理范围内, 尽可能选择较高的切削速度。
(2) 切削深度ap:切削深度越大, 产生的切削热量越大, 刀尖磨损越快, 产生的切屑越多, 对加工尺寸的稳定和已加工表面质量的破坏越大。
每转进给量f:每转进给量越小, 走刀越均匀, 加工零件表面质量越高, 刀具磨损越慢。
一般情况下采用硬质合金加工易切钢选择的切削速度vc=80m/min, 考虑加工的零件孔径太小和加工内孔的刀具要求刀尖的圆角≤0.05mm, 根据积累多年的加工经验, 实际加工中切削速度vc选择在30%~40%左右, 外导体内孔精加工和精整加工的合理切削用量如下:
精加工:vc=25m/min, ap=0.3mm, f=0.025mm/r
精整加工:vc=33m/min, ap=0.01mm, af=0.01mm/r
2.2 刀具的准备
该零件加工3个内孔, 一次加工多孔且满足形位公差要求通用的加工方法是镗孔。加工的内孔直径最大的仅φ4.7mm, 因此加工此零件对镗刀的要求特别高, 且刀具要求刀尖≤0.05mm的圆角, 国内刀具厂家生产的刀具圆角大, 进口的价格非常昂贵, 满足零件加工的镗刀需要自己制作, 下面就刀具材料的选择、刀具的制作和合理夹具的应用来分析镗刀的准备过程。
2.2.1 刀具材料的选择
在切削过程中, 刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务, 刀具切削性能的优劣, 取决于构成切削部分的材料、刀具结构、几何形状, 由此可见刀具材料的重要性。为满足图纸要求, 同时考虑加工效率和经济成本, 在实际加工中采取硬质合金作为镗刀的刀具材料。硬质合金具有高硬度、良好的抗弯强度、导热系数和膨胀系数大, 抗冷焊性好, 很好的满足零件加工时刀具需求, 硬质合金唯一不足的是韧性差, 需要对刀过程小心仔细和对磨好的刀具实施保护措施。
2.2.2 刀具的制作
图1所示零件各孔径相差不大, 采用圆形刀具材料制作镗刀, 很好地满足加工要求, 圆形刀杆的直径选择与被加工零件的小孔相近或次小孔相近的数值, 刀具尺寸见图2。
圆形刀杆刃磨方便, 磨削余量小, 在万能工具磨床中一次装夹磨出, 刀具切削部分中重要的是刀具工作角度, 合适的刀具前角、后角和刃倾角是提高工件表面质量和刀具寿命的关键因素, 根据多年的加工经验, 选择刀具的具体工作角度见图2。
2.2.3 合理夹具的应用
数控机床厂家配的通用刀具夹具是装夹方型刀杆和φ16mm以上的圆形刀杆, 如何利用原有机床的工装夹具来实现小直径圆形刀具的安装夹紧?下面设计了一种快捷、简易的圆形刀杆夹具, 利用机床自身的工装夹具装夹方型刀杆特点, 实现圆形刀具的安装夹紧, 满足加工需求。夹具如图3。
从图3中可看出夹具结构简单, 尺寸紧凑, 装卸方便快捷, 突破了机床厂家排刀的数量限制, 可以合理地安排刀具位置和更多的刀具数量, 更好地满足加工要求, 对提高生产效率和缩短辅助加工时间起到很大作用。
2.3 程序优化
数控加工中编程相当重要, 加工顺序和走刀轨迹直接决定了加工零件的表面质量, 下面仅以加工内孔及φ3.4孔两端面的程序进行分析 (西门子840D操作系统) :
加工左边孔
加工右边孔
从上两段程序中看出加工准3.4mm孔端面, 并倒0.05mm圆角时编程有所区别, 左边的孔直接车端面, 倒角去棱边的毛刺, 镗φ3.4mm孔, 而右边的孔先车端面后提刀到已加工好的准3.4mm孔上, 从上往下倒角去棱边的毛刺, 这样加工的零件φ3.4mm孔两端面清晰无毛刺。若和左边一样编程, 在已加工好的φ3.4mm孔轴向进刀, 势必会破坏φ3.4mm孔的表面质量。
2.4 检验和预防
该零件的内孔表面质量要求Ra0.8, 且孔根部要求≤0.05mm的圆角, 在加工过程中要不断地对工件进行根部圆角、内径尺寸测量, 及时了解刀具的磨损状态, 掌控零件的加工过程, 预防不合格零件的产生。
3 结语
以上介绍内孔的加工工艺过程可以应用到军工电子、航空航天、通讯测试等单件小批量试制零件的内孔精密加工上, 能大幅提高零件表面质量和尺寸精度。随着微波毫米波技术的发展, 外导体的内孔向直径更小、精度要求更高的方向发展, 在更小的内孔加工中 (φ1.5mm以下) , 利用数控加工的有利条件, 加工出符合设计的零件, 仍需不断学习和钻研。
参考文献
[1]袁哲俊.金属切削刀具[M].上海:上海科技出版社, 1993.
内导体制造工艺 篇2
摘 要 半导体制造工艺是半导体器件以及集成电路制备的基础。《半导体制造工艺基础》重点研究半导体器件以及集成电路的制备方法与流程，是微电子专业的核心课程。基于此，本文对《半导体制造工艺基础》课程进行探索。
关键词 半导体制造工艺 课程探索
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）17-0001-02
《半导体制造工艺基础》以施敏所著教程为例，该课程在对基本原理介绍的基础上注重对工艺过程、工艺参数的描述以及工艺参数测量方法的介绍，并在半导体制造的几大工艺技术章节中加入了工艺模拟的内容，弥补了实践课程由于昂贵的设备及过高的实践费用而无法进行实践教学的缺憾。故熟练掌握《半导体制造工艺基础》将有助于我们加深对半导体制备的了解，为我们学习微电子专业打下坚实的基础。但目前《半导体制造工艺基础》在教学过程中还面临很多问题。在此背景下，我们将对《半导体制造工艺基础》课程进行教学探索。
一、教学内容的设置
《半导体制造工艺基础》的第一章简要回顾了半导体器件和关键技术的发展历史，并介绍了基本的制造步骤。第二章涉及晶体生长技术。后面几章是按照集成电路典型制造工艺流程来安排的。第三章介绍硅的氧化技术。第四章和第五章分别讨论了光刻和刻蚀技术。第六章和第七章介绍半导体掺杂的主要技术；扩散法和离子注入法。第八章涉及一些相对独立的工艺步骤，包括各种薄层淀积的方法。《半导体制造工艺基础》最后三章集中讨论制版和综合。第九章通过介绍晶体工艺技术、集成器件和微机电系统加工等工艺流程，将各个独立的工艺步骤有机地整合在一起。第十章介绍集成电路制造流程中高层次的一些关键问题，包括电学测试、封装、工艺控制和成品率。第十一章探讨了半导体工业所面临的挑战，并展望了其未来的发展前景
二、教学中存在的问题
在教学过程中，从教学工作量来看，发现《半导体制造工艺基础》教学内容过多，根据学校安排的学时很难上完。从教学方法来看，传统的口述以及PPT展示教学方法很难达到预期的教学效果，原因在于这门课程实践性很强。书中的图片特别是工艺过程及工艺效果只是简单的图片展示。从教学深度来看，传统教学方法只是演示，学生对工艺的参数没有概念，故对书本上的内容理解的深度很是欠缺。
三、教学方法的改革
为了提高教学效果，故必须对传统的教学方法进行改革。将工艺仿真软件TSUPREM 4 进行同步仿真与书本相结合将是一个好的教学方法。工艺仿真不但能让学生更轻松的理解工艺内容，还能让学生体会到工艺参数的重要性。下面将结合书本对这种方法进行讲解。《半导体制造工艺基础》第一章介绍半导体工艺技术基本步骤，属于概论，为了节约课时对其内容有所了解即可。第2章介绍晶体生长从熔融硅中生长的区熔（float-zone）法单晶生长工艺，为了节约课时对其内容进行简单介绍即可。第3章介绍硅的氧化包括热氧化过程，由于氧化工艺是半导体工艺的重点内容，应详细阐述，并且教会学生应用工艺仿真软件TSUPREM 4 进行同步仿真，观察每一步氧化带来的硅片上结构的变化，对氧化的效果有直观的了解。第4章介绍光刻技术，采用工艺仿真软件TSUPREM 4 对硅片进行光刻，观察硅片上光刻图形的变化。第5章介绍了刻蚀包括湿法化学刻蚀和干法刻蚀，刻蚀技术是工艺的重要内容，要求学生采用工艺仿真软件TSUPREM 4 对刻蚀进行仿真，比较两种刻蚀方法的效果，并观察每步刻蚀带来的结构变化。第6章介绍了扩散包括非本征扩散，横向扩散。同样采用工艺仿真软件TSUPREM 4对扩散过程进行仿真验证，观察可扩散的温度，时间，离子的浓度等参数对扩散结构的影响，为重点教学内容。第7章介绍了离子注入。离子注入是半导体工艺的核心部分，也是常见的工艺步奏，通过采用工艺仿真软件TSUPREM 4离子注入进行模拟仿真，观察离子注入的浓度，能量，退火时间以及退火温度等参数对离子分布的影响，加深对工艺参数的理解。另外第8章介绍薄膜淀积。第9章介绍MOS工艺。第10章介绍集成电路制造，测试，封装等工艺技术。最后这三部分由于涉及到很多具体的器件和电路，内容较多故可以一个典型例子为例进行讲解，同样采用工艺仿真软件TSUPREM 4进行工艺仿真，学生能熟练掌握工艺仿真软件后面的内容可以自己进行仿真验证。
四、结束语
《半导体制造工艺基础》是一门实践性很强的课程，采用工艺仿真软件TSUPREM 4来模拟工艺过程将有助于加强学生对工艺的了解。让学生深入浅出的理解半导体制造流程还需从教学方法上进行进一步改革。c
参考文献：
[1]施敏.半导体制造工艺基础[M].合肥：安徽大学出版社，2007.
[2]刘秀琼，余学功.半导体制造技术课程教学改革实践[J].中国科教创新导刊，2014，（02）.
[3]李琦，赵秋明，段吉海.“半导体器件物理”的教学探讨[J].电子电气教学学报，2011，（2）.
基金项目：（1）重庆市高等学校教学教改研究重点项目（编号：132014）；（2）重庆市教育科学“十二五”规划课题（2014-GX-006）。
内导体制造工艺 篇3
随着信息技术不断发展,物联网及智慧城市建设突飞猛进,各种楼宇、基站、直放站,以及其他各类通信设备的机柜对小型射频电缆组件的特殊需求经年不衰,且需求量随着信号覆盖范围和维护需求的扩大而逐年增加,对其质量的要求也越来越高。在这些小型射频电缆组件中有很大一部分是弯式同轴连接器组件,其主要用于实现板间信号连通,由弯式连接器连接一小段射频电缆组成,内导体(连接器内导体与电缆内导体)采用锡钎焊。面对越来越高的信号传输质量要求,弯式同轴连接器组件内导体采用的传统手工焊接方式已跟不上技术发展要求。首先,其焊接质量主要取决于焊接人员的技术水平、身心状态和责任心,曾经出现因焊接人员缺乏责任心而造成大批次焊接不良的产品质量事故;其次,其焊接效率取决于焊接人员的熟练度,因人而异,在当前劳动力成本居高不下,人员流动性强,培养一位合格的焊接人员的培训周期长、成本高。因此,为保证弯式同轴连接器组件质量,提高内导体的焊接质量、焊接效率,降低生产成本,必须改进弯式同轴连接器组件内导体传统的手工焊接工艺。对此,本文展开了弯式同轴连接器组件内导体焊接工艺优化的探讨。
1 影响内导体焊接质量的因素
目前机柜内用的射频电缆组件中电缆主要是外径在5mm以下的各类柔软、半刚和半柔性电缆,连接器接口类型通常有N、TNC、SMA、SMB、MCX等。本文主要讨论的是电缆外径为1.5~5.0mm,连接器接口为SMA或MCX的弯式同轴连接器组件内导体焊接。图1示出了该类弯式同轴连接器组件典型结构及其焊接部位[1]。
弯式同轴连接器组件内导体采用的是钎焊。钎焊是采用熔点比被钎焊材料(母材)熔点低的钎料或焊料(填充金属),将温度控制在被钎焊材料熔点与钎料熔点之间,利用液态钎料在被钎焊材料表面润湿、铺展并填入被钎焊材料间隙中,与被钎焊材料相互溶解与扩散的特性,实现部件之间连接的焊接方法[2]。根据多年生产经验发现,影响弯式同轴连接器组件内导体焊接质量的因素主要有:a.被钎焊材料表面情况。焊接前必须充分清除被钎焊材料表面的氧化物,否则表面氧化物将使液态钎料凝聚成球状,而难以与被钎焊材料发生润湿,导致焊接效果较差。b.钎剂(助焊剂)的选择。钎焊时使用合适的钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物,改善润湿作用。c.钎料与被钎焊材料之间的成分匹配。若钎料与被钎焊材料在固态和液态下均不发生物理化学作用,则两者间就无法发生润湿,例如铅与铁;若钎料与被钎焊材料能相互溶解或形成化合物,则两者间就能较好地发生润湿,例如银与铜。d.钎料用量的控制。钎料用量太少或太多会导致虚焊或焊点变形。e.焊接温度的控制。提高钎焊温度,可使钎料表面张力下降,提高钎料对被钎焊材料的润湿性,但钎焊温度也不可过高,否则会造成钎料流失、晶粒长大等问题。f.焊接时间的控制。焊接时间应与被钎焊材料达到焊接温度所需的时间相匹配。g.工序次序的安排。合理安排工序次序,以免后道工序使已完成的焊接工序质量产生劣化。
2 手工焊接工艺的缺陷
2.1 缺陷类型
经过多次生产,传统采用电烙铁手工焊接工艺对上述众多弯式同轴连接器组件内导体焊接质量影响因素中的某些影响因素已实现可控、固化,例如铜镀金或银内导体(被钎焊材料)采用锡作为钎料,可实现良好的润湿,焊接效果较好;而对其它影响因素的控制却始终是难题,例如对焊接时温度、时间、锡量的准确控制,这些直接导致了内导体焊接质量缺陷的频发。
我们对半年内采用手工焊接工艺生产的6万只某型弯式同轴连接器组件内导体焊接质量缺陷进行了统计,统计数据如表1所示。可见,手工焊接工艺生产的内导体焊接质量缺陷类型主要有虚焊(如图2a)所示)、冷焊、剥线不净(如图2b)所示)、焊点变形、焊点含杂质,质量缺陷累计发生频数为343,其中虚焊发生频数为132,所占比例最高。实际上,虚焊对产品性能的危害也最大,表面上看焊点与完好焊点相差不大,有时焊接人员和检验人员很难发现。
注:1)加权频数=权重×发生频数,加权比例=加权频数/累计加权频数,累计频数=Σ发生频数,累计加权频数=Σ加权频数,下同表2。
2.2 缺陷原因
我们进一步对导致手工焊接工艺中内导体焊接质量缺陷的原因进行了分析并提出了改善措施:a.焊接温度太低,导致冷焊或虚焊、焊点不光滑;焊接温度太高,破坏焊锡晶体结构,导致焊接强度低,焊点变形。由于手工焊接工艺中焊接温度的控制通常依赖于焊台性能,因此焊接温度的准确控制可通过更换成温控焊台加以实现。b.焊接时间过短,使锡与内导体润湿不充分,导致虚焊。手工焊接工艺中焊接时间的控制取决于焊接人员的操作技能与状态,存在诸多不确定性,无法实现准确、一致的控制,这已成为导致手工焊接工艺中质量缺陷的长期隐患。c.焊锡量太少,使焊点太小,导致焊接强度低,焊点易产生虚焊;焊锡量太多,使焊点太大,受外导体焊接加热影响,焊点易产生变形。手工焊接工艺中焊锡量的控制同样取决于焊接人员的手工送锡,较难保证每次焊接送锡量一致。为了实现焊锡量的准确控制,可采用预先制备或外购固定量锡块方式,但这需要以增加工序环节,降低生产效率,或者材料成本上升作为代价。d.该弯式同轴连接器组件外导体也需要焊接,外导体焊点为电缆外导体与连接器接触的一圈环形,相对于内导体焊点,外导体焊点体积更大,所需的焊锡量更多,焊接加热范围更大。由于采取通常先焊内导体再焊外导体的工序次序,因此在焊接外导体时传递的热量使小体积、小热容量内导体焊点受热迅速升温达到焊点熔化的温度,待熔化的内导体焊点再固化时,其焊点位置、焊点形状就会发生变化,导致冷焊或虚焊,有时甚至可能会引起短路。为了避免上述内、外导体焊接工序的相互影响,可将工序次序调整为先焊外导体再焊内导体,这样焊接内导体时传递至外导体焊点的热量不足以使其熔化,同时也可保证内导体的焊接质量。e.焊接工序的上道工序为剥线工序,剥线不净使得电缆内导体上仍附着一层绝缘,造成电缆内导体无法与锡直接接触,影响两者相互间的润湿作用,导致虚焊。对此,可采用加强剥线工序检查加以控制。f.焊接后烙铁头部会有少部分未挥发的助焊剂残留,当烙铁头长时间未清洁,则残留的助焊剂中就会混杂质,导致焊接时热传导性能下降、焊锡流动性下降、焊接外观质量降低、焊点有杂质。对此,可采用严格定期清洁烙铁头加以控制。
在实际生产中,采用上述手工焊接工艺的改善措施,虽然可弥补一些内导体焊接质量缺陷,但对解决关键的虚焊问题仍未获得实质性效果。
3 焊接工艺的优化
3.1 优化措施
针对手工焊接工艺的缺陷,我们进行了焊接工艺的优化。由于手工焊接工艺中导致虚焊的主要原因是焊接温度或焊接时间未能实现准确控制,我们在优化的焊接工艺中采用了自主研发的自动焊接设备。该设备不仅能固化焊接时间、焊接温度,还能精确控制焊点位置和焊锡量,整个焊接过程的一致性极高,不再完全依赖焊接人员的技术水平及熟练度。该自动焊接设备的结构及其夹具的结构如图3所示。焊接人员仅需在焊接前将被焊件依次放入自动焊接设备的夹具板孔中(夹具板的孔位可根据产品进行设计),在焊接时待夹具置于设备台面中心后,按下按钮即可由该设备自动完成一板被焊件的焊接,每轮循环更换一板;自动焊接设备的烙铁角度由支架1进行调节,导轨运动及烙铁头上下运动由PLC(可编程逻辑控制器)进行控制,每运动一次设备送锡一次(锡量可根据产品工艺要求进行调整);每轮焊接的被焊件数量可通过夹具板的孔位设计和导轨运动程序编制来调整,焊接人员只需更换填装好被焊件夹具板,即可进行下一轮焊接。
我们在优化的焊接工艺中除了采用了自动焊接设备外,还采取以下优化措施:a.对工序次序进行了合理安排,先焊外导体再焊内导体,将工序之间的交叉影响降到最低。b.为保证无剥线不净,焊接前检验人员采用放大镜检查电缆内导体上是否有绝缘附着。c.为保证焊点无杂质,焊接前检验人员采用放大镜检查连接器内腔是否有杂质,一旦发现连接器内腔不净,立即将其挑出,集中清洗(使用酒精棉即可洗净);在每次焊接前焊接人员检查自动焊接设备烙铁头部的洁净状况,一旦发现有黑色氧化物,立即用酒精海绵擦净;焊接后检验人员采用放大镜检查全部焊点,一旦发现焊点不净,立即将该不良品挑出,集中清洗。d.为保证焊接温度准确、稳定、一致,焊接人员定期维护焊台,监测烙铁温度。e.为保证焊接生产顺利进行,焊接人员应日常监测设备运行状态,一旦发现设备出现问题,必须及时调整。f.为保证内导体焊接质量,焊接后必须对全部焊点进行放大镜检视。
3.2 优化效果
为了确认优化的焊接工艺在实际应用中是否具有提高弯式同轴连接器组件内导体焊接质量的效果,我们同样对半年内采用优化的焊接工艺生产的6万只某型弯式同轴连接器组件内导体焊接质量缺陷进行了统计,统计数据如表2所示。可见,在相同的时间段内,相比于手工焊接工艺生产的内导体,优化的焊接工艺生产的内导体已不存在剥线不净和焊点变形焊接质量缺陷,整体质量缺陷累计发生频数仅为26,其中虚焊发生频数仅为12,这表明焊接工艺的优化措施非常有效,采用优化的焊接工艺明显提高了内导体焊接质量;但虚焊在内导体焊接质量缺陷中所占比例仍然最高,这表明在优化的焊接工艺中并未做到对自动焊接设备的完全可控,必须进一步对设备进行调整和改进。我们对虚焊样品分析后发现这主要由烙铁头清洁不及时和夹具偶尔震动导致的焊接位置偏移两方面原因造成的,因此今后设备的调整和改进方向应为:a.在设备上加入自动清洁装置,以提高烙铁头的清洁程度;b.配合设备运行速度,调整缓冲器的使用位置及数量,以降低设备的共振情况。
图4示出了采用优化的焊接工艺生产的内导体焊点高度控制图,可见优化的焊接工艺的焊点高度的波动性小、一致性好,工艺过程能力指数CPK=1.71>1.67,表明工艺过程较优,能力较好。此外,优化的焊接工艺采用的自动焊接设备在整个焊接过程中仅需焊接人员装填被焊件和取放夹具板,基本实现了自动焊接,且在产量大的时候,焊接人员通过工位调整还可以实现一人操作多台设备,因此大大提升了焊接效率。与手工焊接工艺相比,仅单台设备的使用就可将焊接效率提高50%,如果是多台设备的使用,则焊接效率的提高将是惊人的。
4 结论
本文针对当前手工焊接工艺在弯式同轴连接器组件内导体焊接时的缺陷,提出了一系列的焊接工艺优化措施,特别是采用了自主研发的自动焊接设备。优化后的弯式同轴连接器组件内导体焊接工艺摆脱了对人为操作的依赖,实现了半自动化,经批量生产,其明显提高了内导体焊接质量,且工艺过程较优、稳定可靠,如对自动焊接设备做进一步改进,甚至还可将内导体焊接质量缺陷发生频率降至万分之二以内。在优化的焊接工艺中采用的自动焊接设备,大大提升了焊接效率。因此,该优化的焊接工艺的推广具有重要的实际意义,其将提升所有类似弯式连接器焊接工序的生产质量和生产效率。
参考文献
[1]吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京:化学工业出版社,1999.
内导体制造工艺 篇4
在半导体制造业中, 组合设备已经被广泛的用来加工晶圆。它是一种集成设备。因此使用组合设备, 可获得一个更具灵活性, 可重构, 非常有效率的加工环境[1,2], 可以带来更高的产量[3], 缩短生产周期[3,4,5], 更好的利用空间[2,5]以及降低生产成本[5]。由于空间的限制, 一台组合设备由几个加工模块 (processing module, PM) 、一个传输模块 (transport module, TM, 机械手) 和两个真空锁 (loadlocks) 组成。带单只机械手的叫单臂组合设备, 带双只机械手的叫双臂组合设备, 如图1所示。当组合设备运行时, 机械手将待加工的晶圆从真空锁卸载下来, 按照已知的加工工艺依次送到一个或多个加工模块, 最后将完成所有加工工序的晶圆送回真空锁中[6]。由于组合设备有两个真空锁, 当一个真空锁中的一批晶圆加工完后, 系统开始加工另一个真空锁中的晶圆, 这样真空锁可以连续不断地向系统载入晶圆, 使得系统绝大多数情况下处于稳定的运行状态。
为了调度组合设备, 许多学者已经在对系统建模与系统执行过程评估方面做了大量的工作[7,8,9]。文献[10]指出, 交换策略可以有效的简化机械手的任务, 从而减小系统的生产周期。
但在实际生产中, 晶圆加工过程经常需要重入加工, 例如原子层沉积工艺 (atomic layer depo⁃sition, ALD) 。文献[11]指出, 晶圆需要在某些加工步骤中加工多次, 这使得晶圆需要多次由该加工步骤加工。文献[12]给出了寻找最优调度的一个算法, 此算法由解析表达式组成, 因此非常有效。对于具有重入加工工艺的双臂组合设备, 文献[13]提出了3-晶圆周期性调度方法。为了改善系统的运行过程及降低生产周期, 文献[14]提出了2-晶圆周期性调度方法, 并证明在一些条件下2-晶圆周期性调度方法优于3-晶圆周期性调度。
然而, 文献[13]假设在局部循环中, 最后一步是局部循环的瓶颈工序, 并没有指出当其他加工模块是瓶颈工序时系统的生产周期是多少。同时文献[14]也没有给出当不能比较2-晶圆周期性调度方法与3-晶圆周期性调度方法时的调度系统优劣性。基于以上疑问, 本文基于3-晶圆周期性调度方法, 分析了一般情形下具有重入加工工艺的双臂组合设备的生产周期, 并通过仿真的方法判断在任何条件下2-晶圆周期性调度方法与3-晶圆周期性调度方法的优劣。这对实际的生产系统是非常有意义的。
1 3-晶圆周期调度方法
为了调度具有重入加工工艺的双臂组合设备, 首先需要描述机械手的动作。其发生的事件描述如下。用mij表示机械手从PMi移动到PMj。用mLi表示机械手从真空锁移动到PMi。用mi L表示机械手从PMi移动到真空锁。符号l表示机械手的载入动作。符号unl表示机械手的卸载动作。si表示机械手在PMi处做一次交换 (Swap, 即卸载→旋转→载入) 。这些符号总结在表1中。除此之外, 还需要描述系统的动态运行过程。这样, 令Γi={Wd (q) }, iÎN3表示在加工模块PMi中的晶圆, Wd (q) 表示了第d个晶圆正在加工第q道工序。Γ4={Wd (q) }表示了第d个晶圆在机械手上准备加工第q道工序。这样, 可以用M={Γ1, Γ2, Γ3, Γ4}表示系统的状态。例如M={W3 (1) , W2 (2) , W1 (3) , W4 (1) }表示第一、二和三枚晶圆分别在加工模块PM3、PM2和PM1中加工其第3道、第2道和第1道工序。同时, 第4枚晶圆在机械手上准备加工第一道工序。由于第一道工序必须在加工模块PM1中进行, 意味着机械手在加工模块PM1旁等待。由此, 可以通过状态的变化描述系统的动态特性。
不失一般性, 假设系统的稳态周期性调度从状态M1={W3 (1) , W2 (2) , W1 (3) , W4 (1) }开始, 然后系统的状态如下:M1→M2={W4 (1) , W3 (2) , W1 (3) , W2 (3) }→M3={W4 (1) , W1 (4) , W2 (3) , W3 (3) }→M4={W4 (1) , W2 (4) , W3 (3) , W1 (5) }→M5={W4 (1) , W3 (4) , W1 (5) , W2 (5) }→M6={W4 (1) , W3 (4) , W2 (5) , W5 (1) }→M7={W5 (1) , W4 (2) , W3 (5) , W6 (1) }→M8={W6 (1) , W5 (2) , W4 (3) , W7 (1) }→M9={W7 (1) , W6 (2) , W4 (3) , W5 (3) }。可以看到, 状态M1和M8是等同的, 因此, 通过M1到M8形成一个周期。对于上述系统动态运行, 从M1到M2、M8到M9, 机械手执行顺序为σ1={s1→m12→s2→m23}。从M2到M3, σ2={s3→m32→s2→m23}。从M3到M4、M4到M5重复执行σ2。σ2形成一个循环叫做局部循环。σ3={s3→m3L→l→unl→mL1}使得M5到达M6。σ4={s1→m12→s2→m23→s3→m3L→mL1}使得M6到达M7、M7到达M8。σ4形成以一个循环叫做全局循环。σ1与σ3之叠加和σ4相同。因此, 从M2至M9有三个局部循环和三个全局循环, 构成一个周期。在这个周期中, 三个晶圆完成。因此, 这是一个叫作3-晶圆周期性调度方法。同时每个机械手的动作所花费的时间见表1。
从表1以及机械手的运行过程, 不考虑机械手的等待时间, 可以得到机械走完全局循环所用的时间为ψ1=α+β+3λ+4μ, 机械手走完局部循环所用的时间为ψ2=2λ+2μ。同时用Πi=Ai+λ表示在第i个加工模块完成一个晶圆所需的时间。用ωijL表示机械手在第j次局部循环, 第i个加工模块等待, 用ωijG表示机械手在第j次全局循环, 第i个加工模块等待。令Πlo cal=max{Π2, Π3, ψ2}, 并令ΠCT表示系统的生产周期, ΠL=max{Π2, Π3}。因为当Π1>3Πlo cal+ψ1时, 可知系统的生产周期为Π1。根据文献[13], 本文给出了当时, 系统生产周期的计算表达式。
引理3.1:基于3-晶圆调度策略的带重入加工工艺的双臂组合设备, 如果, 并且ψ1>ΠL, 那么系统的生产周期为
引理3.2:基于3-晶圆调度策略的带重入加工工艺的双臂组合设备, 如果, 并且ψ1>ΠL, 那么系统的生产周期为
引理3.3:基于3-晶圆调度策略的带重入加工工艺的双臂组合设备, 如果, χ=Π1-ΠL, 那么系统的生产周期为
2 2-晶圆周期调度方法
当ΠL-ψ1<2χ, 3-晶圆的调度方法可能不是最优调度[13]。因此, 文献[14]提出了2-晶圆的周期性调度方法以缩短系统的生产周期。由于在条件Π3>Π2与Π3<Π2下, 2-晶圆调度策略有明显的不同, 所以分为Π3>Π2与Π3<Π2两种情况来讨论。
调度1:假设Π3>Π2且, 在此条件下运用2-晶圆调度方法, 系统的状态变化过程如下:M1= ({W4 (1) }, {W3 (2) }, {W2 (5) }, {W5 (1) }) →M2= ({W5 (1) }, {W4 (2) }, {W3 (3) }, {}) →M3= ({W5 (1) }, {W4 (4) }, {W3 (5) }, {}) →M4= ({W5 (1) }, {W4 (4) }, {W3 (5) }, {W6 (1) }) →M5= ({W6 (1) }, {W5 (4) }, {W4 (5) }, {W7 (1) }) →M6= ({W7 (1) }, {W6 (2) }, {W5 (3) }, {}) .“{}”表示机械手为空。可以看到, 状态M1和M5是等同的。这样M1到M5形成一个周期。对于上述系统动态运行, 从M1到M2, 机械手的运行顺序σ1={s1→m12→s2→m23→s3→m3L→l}, 此过程花费的时间为3λ+3μ+β。从M2到M3, σ2={mL2→unl→m23→s3→m32→l→waiting at PM2→unl→m23→s3→m32→l}, 这个过程形成了两个局部循环。σ3={m2L→unl→mL1}使得M3到达M4, 花费的时间为2μ+α。σ4={s1→m12→s2→m23→s3→m3L→l→unl→mL1}使得标识从M4到达M5。σ5={s1→m12→s2→m23→s3→m3L→l}使得M5到达M6, 时间花费与σ1一样。注意到σ3和σ5组成了一个全局循环。因此σ3, σ4, 和σ5组成了两个全局循环。所以可以得到从σ2到σ5包含2个局部循环和2个全局循环, 并且有两个晶圆加工完成, 称这种调度方法为2-wafer调度方法。
调度2:假设Π2>Π3且, 此时系统演变过程如下:M7= ({W4 (1) }, {W3 (2) }, {W2 (5) }, {W5 (1) }) →M8= ({W5 (1) }, {W4 (2) }, {W3 (3) }, {}) →M9= ({W5 (1) }, {W4 (4) }, {W3 (5) }, {}) →M10= ({W5 (1) }, {W4 (4) }, {W3 (5) }, {W6 (1) }) →M11= ({W6 (1) }, {W5 (4) }, {W4 (5) }, {W7 (1) }) →M12= ({W7 (1) }, {W6 (2) }, {W5 (3) }, {}) 。从系统的状态变化过程可以看到, 标识M1和M5是等同的。这样从M1到M5形成一个周期。对于上述系统动态运行, 从M7到M8, σ7=σ1。从M8到M9, σ2={mL3→unl→m32→s2→m23→l→waiting at PM3→unl→m32→s2→m23→l}, 这个过程形成了两个局部循环。σ9=σ3使得M9到达M10。σ10=σ4使得M10到达M11。σ11=σ1使得M11到达M12。注意到调度2与调度1的区别在于σ2和σ8。和调度1类似, σ9和σ10组成了一个全局循环。σ9, σ10和σ11组成了两个全局循环。所以可以得到从σ8到σ11包含2个局部循环和2个全局循环, 并且也有两个晶圆加工完成。
类似于3-晶圆调度方法, 两个局部循环所花的时间为Πlo cal, 这样很明显, 当时, 晶圆W6 (1) 在标识M4 (调度1) , 或者在标识M10 (调度2) 中可不需任何等待时间就可以被机械手载入到加工模块PM1中。而在实际生产中, 条件总是满足的。
当Π3>Π2而A3
令Ti表示仿真时间钟, 初始时刻为T0=0。基于尽早加工策略, 有对具有重入加工工艺的双臂组合设备的仿真程序如下。
调度算法1:当Π3>Π2, 基于调度1, 系统的仿真算法如下:
1) T1=μ+β;m12→l (机械手将晶圆W1 (2) 载入到PM2)
2) T2=μ+α+μ;m2L→unl→mL1
3) T3=max{A1– (T1+T2) , 0};在PM1处等待
4) T4=λ;s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W3 (1) 载入到PM1)
5) T5=μ;m12
6) T6=max{A2– (T2+T3+T4+T5) , 0};在PM2处等待
7) T7=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W2 (2) 载入到PM2)
8) T8=μ+β;m23→l (机械手将晶圆W1 (3) 载入到PM3) , 此时系统的状态 ({W3 (1) }, {W2 (2) }, {W1 (3) }, {})
9) T9=μ;m32
10) T10=max{A2– (T8+T9) , 0};在PM2处等待
11) T11=α+μ;unl→m23
12) T12=max{A3– (T9+T10+T11) , 0};在PM3处等待
13) i=0
15) T13+i=λ;s3 (机械手在PM3处做一次交换并将晶圆W2 (3) 载入到PM3)
16) T14+i=μ+β;l (机械手将晶圆W1 (4) 载入到PM2)
17) T15+i=A2;在PM2处等待
18) T16+i=α+μ;unl→m23
19) T17+i=max{A3- (T14+i+T15+i+T16+i) , 0};在PM3处等待
20) T18+i=λ;s3 (机械手在PM3处做一次交换并将晶圆W1 (5) 载入到PM3)
21) T19+i=μ+β;l{W2 (4) }——此时系统的状态 ({W3 (1) }, {W2 (4) }, {W1 (5) }, {})
22) T20+i=μ+α+μ+λ;m2L→unl→mL1→s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W4 (1) 载入到PM1)
23) T21+i=μ;m12
24) T22+i=max{A2- (T20+i+T21+i) , 0};在PM2处等待
25) T23+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W3 (2) 载入到PM2)
26) T24+i=μ;m23
27) T25+i=max{A3- (T19+i+T20+i+T21+i+T22+i+T23+i+T24+i) , 0};在PM3处等待
28) T26+i=λ;s3 (机械手在PM3处做一次交换并将晶圆W2 (5) 载入到PM3)
29) T27+i=μ+β+α+μ;m3L→l→unl→mL1
30) T28+i=max{A1- (T21+i+T22+i+T23+i+T24+i+T25+i+T26+i+T27+i) , 0};在PM1处等待
31) T29+i=λ;s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W5 (1) 载入到PM1)
32) T30+i=μ;m12
33) T31+i=max{A2- (T24+i+T25+i+T26+i+T27+i+T28+i+T29+i+T30+i) , 0};在PM2处等待
34) T32+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W4 (2) 载入到PM2)
35) T33+i=μ;m23
36) T34+i=max{A3- (T27+i+T28+i+T29+i+T30+i+T31+i+T32+i+T33+i) , 0};在PM3处等待
37) T35+i=λ; (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W3 (3) 载入到PM3)
38) T36+i=μ+β;m3L→l——此时系统的状态 ({W5 (1) }, {W4 (2) }, {W3 (3) }, {})
39) T37+i=μ;mL2
40) T38+i=max{A2- (T33+i+T34+i+T35+i+T36+i+T37+i) , 0};在PM2处等待
41) T37+i=α+μ;unl→m23
42) T40+i=max{A3- (T36+i+T37+i+T38+i+T39+i) , 0};在PM3处等待
43) i=i+1;
在此算法中, 系统从状态 ({W2 (1) }, {}, {}, {W1 (2) }) 开始运行, 并且系统执行了5个生产周期, 通过5个生产周期可以看出系统的动态运行过程。同时, 系统的生产节拍为
调度算法2:当Π2>Π3, 基于调度2, 系统的仿真算法如下:
1) T1=μ+β;m12→l (机械手将晶圆W1 (2) 载入到PM2)
2) T2=μ+α+μ;m2L→unl→mL1
3) T3=max{A1- (T1+T2) , 0;在PM1处等待
4) T4=λ;s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W3 (1) 载入到PM1)
5) T5=μ;m12
6) T6=max{A2- (T2+T3+T4+T5) , 0};在PM2处等待
7) T7=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W2 (2) 载入到PM2)
8) T8=μ+β;m23→l (机械手将晶圆W1 (3) 载入到PM3) , 此时系统的状态 ({W3 (1) }, {W2 (2) }, {W1 (3) }, {})
9) T9=A3;在PM3处等待
10) T10=α+μ;unl→m32
11) T11=max{A2- (T8+T9+T10) , 0};在PM2处等待
12) i=0
14) T12+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W1 (4) 载入到PM2)
15) T13+i=μ+β;m23→l{W2 (3) }
16) T14+i=A3;在PM3处等待
17) T15+i=α+μ;unl→m32
18) T16+i=max{A2- (T13+i+T14+i+T15+i) , 0};在PM2处等待
19) T17+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W2 (4) 载入到PM2)
20) T18+i=μ+β;m23→l{W1 (5) }——此时系统的状态 ({W3 (1) }, {W2 (4) }, {W1 (5) }, {})
21) T19+i=μ+α+μ+λ;m3L→unl→mL1→s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W4 (1) 载入到PM1)
22) T20+i=μ;m12
23) T21+i=max{A2- (T18+i+T19+i+T20+i) , 0};在PM2处等待
24) T22+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W3 (2) 载入到PM2)
25) T23+i=μ;m23
26) T24+i=max{A3- (T19+i+T20+i+T21+i+T22+i+T23+i) , 0};在PM3处等待
27) T25+i=λ;s3 (机械手在PM3处做一次交换并将晶圆W2 (5) 载入到PM3)
28) T26+i=μ+β+α+μ;m3L→l→unl→mL1
29) T27+i=max{A1- (T20+i+T21+i+T22+i+T23+i+T24+i+T25+i+T26+i) , 0};在PM1处等待
30) T28+i=λ;s1 (机械手在PM1处做一次交换并将晶圆W5 (1) 载入到PM1)
31) T29+i=μ;m12
32) T30+i=max{A2- (T23+i+T24+i+T25+i+T26+i+T27+i+T28+i+T29+i) , 0};在PM2处等待
33) T31+i=λ;s2 (机械手在PM2处做一次交换并将晶圆W4 (2) 载入到PM2)
34) T32+i=μ;m23
35) T33+i=max{A3– (T26+i+T27+i+T28+i+T29+i+T30+i+T31+i+T32+i) , 0};在PM3处等待
36) T34+i=λ;s3 (机械手在PM3处做一次交换并将晶圆W3 (3) 载入到PM3)
37) T35+i=μ+β;m3L→l——此时系统的状态 ({W5 (1) }, {W4 (2) }, {W3 (3) }, {})
38) T36+i=μ;mL3
39) T37+i=max{A3- (T35+i+T36+i) , 0};在PM3处等待
40) T38+i=α+μ;unl→m32
41) T39+i=max{A2- (T32+i+T33+i+T34+i+T35+i+T36+i+T37+i+T38+i) , 0};在PM2处等待
42) i=i+1;
在此算法中, 系统从状态 ({W2 (1) }, {}, {}, {W1 (2) }) 开始运行, 并且系统执行了5个生产周期, 通过5个生产周期可以看出系统的动态运行过程。同时, 系统的生产节拍为
3 实例分析
实例1:假设工序1加工时间A1为90 s, 工序2的加工时间A2为50 s, 工序3加工时间A3为60s。另外机械手的卸载时间、装载时间和移动时间相等, 且α=β=μ=5s。机械手执行交换的时间为13 s, 即λ=13s。
由以上工艺参数可知Π3=73s>Π2=63s, 那么选择2-晶圆调度中的调度算法1进行调度该系统。可得系统的生产节拍为ΠCT= (166+1/2) s。如果采用3-晶圆调度策略, 基于引理3.3可以得到系统的生产周期为ΠCT= (164+2/3) s可知3-晶圆调度策略要比2-晶圆调度策略在此条件下优越。
实例2:假设工序1加工时间A1为90 s, 工序2的加工时间A2为80 s, 工序3加工时间A3为70 s。另外机械手的卸载时间、装载时间和移动时间相等, 且α=β=μ=5s。机械手执行交换的时间为13 s, 即λ=13s。
由以上工艺参数可知Π2=93>Π3=83, 那么选择2-晶圆调度中的调度算法2进行调度该系统, 可得系统的生产节拍为ΠCT=200s。如果采用3-晶圆调度策略, 基于引理3.3可得到系统周期为ΠCT=186s。可知在此条件下3-晶圆调度策略要比2-晶圆优越。
4 结束语