基于增材制造的IC量測設備結構優化設計

　　摘要：基于電弧增材制造工藝，結合拓撲優化結果對某半導體晶圓檢測設備內的龍門框架進行二次設計，確定了以輔助基板作為支撐的連續變位成型方法，并對電弧熔絲龍門框架實物進行模態仿真與實測。結果表明：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，相較于傳統焊接龍門架重量減輕了26%，約束模態提高了15%，能夠滿足高剛度輕量化的工程應用需求。

　　關鍵詞：集成電路制造，增材制造，龍門架，拓撲優化，模態。

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

　　1 系統方案設計

　　因空間限制和功能需求，量測和加工設備的主體結構常采用在其工作臺面上設置龍門框架[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成[2]，作為核心的結構支撐件，其剛度直接關系到量檢具或刀具的工作穩定性，其重量也影響到設備靈活性和工作臺穩定性[3,4]。已經有不少學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用需求。電弧增材制造技術(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)結合了3D打印技術與傳統焊接工藝[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、設備成本較低、成型自由度高的限制等工藝優勢[12]。WAAM工藝具備成型高剛度輕量化龍門框架的應用潛力[13]。

　　本研究基于WAAM工藝，以某半導體晶圓檢測設備內的龍門框架為對象，進行拓撲優化分析，并結合WAAM工藝特有的變位方向，基于拓撲優化的結果進行了二次設計，完成了WAAM龍門架的成型制造與性能分析。

　　2 拓撲優化與二次設計

　　2.1 模型說明

　　半導體晶圓檢測設備內的傳統龍門框架如圖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。現有的龍門框架使用了37個不銹鋼板焊接而成，由于焊道數量多且焊縫長度長，焊接過程易發生變形[14]，因此該焊接龍門架制造工期約3個月。

　　2.2 拓撲優化

　　龍門框架拓撲優化所設定的設計空間與邊界條件如圖2(a)所示，設計空間為立柱和橫梁所占用的空間區域，非設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構，因此設定了鏡像面以節省仿真時間。設定劃分網格單元平均尺寸為3mm，對龍門框架進行拓撲優化仿真，設定目標重量為100kg，目標函數為該載荷工況下的約束模態，最終仿真結果如圖2(b)所示。

　　2.3 二次設計

　　基于拓撲優化結構，導出小平面體模型數據，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計，設計結果如圖3(b)所示。模型理論重量為92.8kg。

　　3 測試分析

　　3.1 變位成型

　　根據拓撲仿真結果，龍門架主要在橫梁及立柱分布有拉延筋板結果，在橫梁上的筋基本上與橫梁方向夾角在30o內，而在立柱的筋板基本與立柱方向夾角在30o內，由于WAAM工藝成型懸空結構有較大難度[15]，因此對橫梁和立柱結構進行拆解成型，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，再通過變位機旋轉工件180o，進而成型另一半橫梁，再旋轉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化的理想結構。

　　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，導致每層的輪廓均比理論數據向外偏移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，導致實物較切片模型體積更大。

　　3.3 模態分析

　　采用單參考點力錘法激勵模態測試方法[19]對龍門框架的自由模態進行實測，進而研究WAAM工藝成型的零件是否具備和鍛件材質一樣的剛度。仿真與測試結果如表1所示。實測各階自由模態較理論模態偏高2%～8%之間，造成模態偏差的原因可能是由于WAAM分層偏移效應導致實際成型的重量比理論重量大，從而導致剛度有所提升。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用。

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

　　4 結論

　　本文以半導體晶圓檢測設備內的龍門框架為研究對象，通過拓撲優化仿真方法，基于WAAM工藝特有的變位功能創新地完成二次設計，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，再通過變位機旋轉工件180o，進而成型另一半橫梁，再旋轉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構。

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

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

　　(4)相較于傳統焊接龍門架，經過優化設計的電弧熔絲龍門架重量減輕了26%，約束模態提高了15%，能夠滿足高剛度輕量化的工程應用需求。

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