基于增材制造的IC量測設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　摘要：基于電弧增材制造工藝，結(jié)合拓撲優(yōu)化結(jié)果對某半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備內(nèi)的龍門框架進行二次設(shè)計，確定了以輔助基板作為支撐的連續(xù)變位成型方法，并對電弧熔絲龍門框架實物進行模態(tài)仿真與實測。結(jié)果表明：通過電弧增材制造工藝成型的龍門框架剛度性能與鍛件無明顯差異，相較于傳統(tǒng)焊接龍門架重量減輕了26%，約束模態(tài)提高了15%，能夠滿足高剛度輕量化的工程應(yīng)用需求。

　　關(guān)鍵詞：集成電路制造，增材制造，龍門架，拓撲優(yōu)化，模態(tài)。

　　本文源自《電子技術(shù)》2019, 48(01): 60-62.《電子技術(shù)》是由上海市科學(xué)協(xié)會主管，上海市電子學(xué)會和上海市通信學(xué)會主辦的技術(shù)性月刊，1963年創(chuàng)刊，是中國最早的電子類期刊之一，也是目前國內(nèi)最具權(quán)威性、發(fā)行量最大的電子技術(shù)月刊。《電子技術(shù)》雜志把自己的報道重點定位于信息技術(shù)，將會更好地把握時代的信息，緊跟時代的步伐，更加及時地反映當(dāng)前電子領(lǐng)域的熱點，把最新的技術(shù)奉獻給廣大讀者，真正成為廣大讀者的良師益友。雜志定位：電子、通信行業(yè)的交流平臺、信息前沿、專業(yè)領(lǐng)域、思想高地。獲獎情況：被評為第三屆華東地區(qū)優(yōu)秀期刊、在上海市科協(xié)系統(tǒng)期刊專家審讀中被評為優(yōu)秀期刊。、獲第四屆上海市科協(xié)系統(tǒng)優(yōu)秀科技期刊評比三等獎。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計

　　因空間限制和功能需求，量測和加工設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)常采用在其工作臺面上設(shè)置龍門框架[1]，以承載量具、檢具或刀具。其中，龍門框架通常由一個橫梁和兩個立柱構(gòu)成[2]，作為核心的結(jié)構(gòu)支撐件，其剛度直接關(guān)系到量檢具或刀具的工作穩(wěn)定性，其重量也影響到設(shè)備靈活性和工作臺穩(wěn)定性[3,4]。已經(jīng)有不少學(xué)者通過有限元仿真工具對各自工況下的龍門框架進行了研究[5-10]，取得了一定的進展。然而這些優(yōu)化后的龍門框架往往受限于制造工藝，無法滿足更輕量化高剛度的工程應(yīng)用需求。電弧增材制造技術(shù)(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)結(jié)合了3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)焊接工藝[11]，采用電弧為熱源，將焊絲熔融后層層堆積，適用于大型金屬零件的成型，具有成形效率高、材料利用率高、設(shè)備成本較低、成型自由度高的限制等工藝優(yōu)勢[12]。WAAM工藝具備成型高剛度輕量化龍門框架的應(yīng)用潛力[13]。

　　本研究基于WAAM工藝，以某半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備內(nèi)的龍門框架為對象，進行拓撲優(yōu)化分析，并結(jié)合WAAM工藝特有的變位方向，基于拓撲優(yōu)化的結(jié)果進行了二次設(shè)計，完成了WAAM龍門架的成型制造與性能分析。

　　2 拓撲優(yōu)化與二次設(shè)計

　　2.1 模型說明

　　半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備內(nèi)的傳統(tǒng)龍門框架如圖1所示，龍門橫梁上安裝有重約80kg的檢測量頭，左右立柱橫跨在放置有待檢測晶圓的工件臺面上，龍門框架重達129.8kg，跨度為1 000mm，高度為578mm。現(xiàn)有的龍門框架使用了37個不銹鋼板焊接而成，由于焊道數(shù)量多且焊縫長度長，焊接過程易發(fā)生變形[14]，因此該焊接龍門架制造工期約3個月。

　　2.2 拓撲優(yōu)化

　　龍門框架拓撲優(yōu)化所設(shè)定的設(shè)計空間與邊界條件如圖2(a)所示，設(shè)計空間為立柱和橫梁所占用的空間區(qū)域，非設(shè)計空間為立柱的底板與橫梁的裝配面，載重為80kg。由于龍門框架為鏡像對稱結(jié)構(gòu)，因此設(shè)定了鏡像面以節(jié)省仿真時間。設(shè)定劃分網(wǎng)格單元平均尺寸為3mm，對龍門框架進行拓撲優(yōu)化仿真，設(shè)定目標重量為100kg，目標函數(shù)為該載荷工況下的約束模態(tài)，最終仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

　　2.3 二次設(shè)計

　　基于拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出小平面體模型數(shù)據(jù)，對模型進行光順處理，得到實體模型如圖3(a)所示。考慮到增材制造工藝的成型特征，基于WAAM特有的變位機裝置，對龍門框架的橫梁和立柱進行二次設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖3(b)所示。模型理論重量為92.8kg。

　　3 測試分析

　　3.1 變位成型

　　根據(jù)拓撲仿真結(jié)果，龍門架主要在橫梁及立柱分布有拉延筋板結(jié)果，在橫梁上的筋基本上與橫梁方向夾角在30o內(nèi)，而在立柱的筋板基本與立柱方向夾角在30o內(nèi)，由于WAAM工藝成型懸空結(jié)構(gòu)有較大難度[15]，因此對橫梁和立柱結(jié)構(gòu)進行拆解成型，其成型過程如圖4(a)所示，借助輔助基板，將一半橫梁打印成型后，再通過變位機旋轉(zhuǎn)工件180o，進而成型另一半橫梁，再旋轉(zhuǎn)90o，依靠橫梁為基板成型立柱，最后再焊接立柱的底板[16-18]。采用304不銹鋼絲材進行電弧熔絲成型，完成機加工、刮膩子與噴涂氟碳漆后的龍門框架成品如圖4(b)所示。通過此變位形成的方法制造的龍門框架接近拓撲優(yōu)化的理想結(jié)構(gòu)。

　　3.2 稱重分析

　　實測龍門框架實物重量為98.0kg，較理論模型重量92.8kg增重5.2kg。如圖5所示，通過對打印成型的毛坯進行測量，由于電弧熔絲的熔池直徑較大，導(dǎo)致每層的輪廓均比理論數(shù)據(jù)向外偏移1～2 mm，因此每層實際成型的材料重量比理論用料更多。由于WAAM工藝特有的分層成型偏移，導(dǎo)致實物較切片模型體積更大。

　　3.3 模態(tài)分析

　　采用單參考點力錘法激勵模態(tài)測試方法[19]對龍門框架的自由模態(tài)進行實測，進而研究WAAM工藝成型的零件是否具備和鍛件材質(zhì)一樣的剛度。仿真與測試結(jié)果如表1所示。實測各階自由模態(tài)較理論模態(tài)偏高2%～8%之間，造成模態(tài)偏差的原因可能是由于WAAM分層偏移效應(yīng)導(dǎo)致實際成型的重量比理論重量大，從而導(dǎo)致剛度有所提升。但是從龍門框架本身性能角度，WAAM工藝成型件與常規(guī)鍛件的彈性模量、泊松比等剛度性能并無較大差異[20]。可以認為，在剛度性能上WAAM工藝成型的龍門框架能夠滿足工程應(yīng)用。

　　對焊接與電弧熔絲龍門架的一階約束模態(tài)進行仿真分析，在同樣工況下傳統(tǒng)焊接龍門架一階約束模態(tài)為120Hz，振型如圖6(a)所示，而經(jīng)過二次設(shè)計后的電弧熔絲龍門架為138Hz，相較傳統(tǒng)焊接框架提高了15%，其振型如圖6(b)所示。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的電弧熔絲龍門架在輕量化和高剛度上均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

　　4 結(jié)論

　　本文以半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備內(nèi)的龍門框架為研究對象，通過拓撲優(yōu)化仿真方法，基于WAAM工藝特有的變位功能創(chuàng)新地完成二次設(shè)計，并通過多次變位成型了高剛度輕量化的龍門框架。通過有限元仿真和實測驗證，得到以下結(jié)論。

　　(1)借助輔助基板，將一半橫梁打印成型后，再通過變位機旋轉(zhuǎn)工件180o，進而成型另一半橫梁，再旋轉(zhuǎn)90o，依靠橫梁為基板成型立柱，通過此工藝方案成型的龍門框架最為接近理想的拓撲結(jié)構(gòu)。

　　(2)由于電弧熔絲的熔池直徑較大，導(dǎo)致每層的輪廓均比理論數(shù)據(jù)向外偏移1～2mm，因此每層實際成型的材料重量比理論用料更多，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)考慮重量偏差。

　　(3)WAAM工藝成型件的實測自由模態(tài)與同等結(jié)構(gòu)的鍛件仿真模態(tài)偏差在10%以內(nèi)，說明電弧熔絲成型件與常規(guī)鍛件在彈性模量、泊松比等剛度性能上并無較大差異。

　　(4)相較于傳統(tǒng)焊接龍門架，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的電弧熔絲龍門架重量減輕了26%，約束模態(tài)提高了15%，能夠滿足高剛度輕量化的工程應(yīng)用需求。

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