基于增材制造的IC量测设备结构优化设计
摘要：基于电弧增材制造工艺，结合拓扑优化结果对某半导体晶圆检测设备内的龙门框架进行二次设计，确定了以辅助基板作为支撑的连续变位成型方法，并对电弧熔丝龙门框架实物进行模态仿真与实测。结果表明：通过电弧增材制造工艺成型的龙门框架刚度性能与锻件无明显差异，相较于传统焊接龙门架重量减轻了26%，约束模态提高了15%，能够满足高刚度轻量化的工程应用需求。
关键词：集成电路制造，增材制造，龙门架，拓扑优化，模态。
本文源自《电子技术》2019, 48(01): 60-62.《电子技术》是由上海市科学协会主管，上海市电子学会和上海市通信学会主办的技术性月刊，1963年创刊，是中国最早的电子类期刊之一，也是目前国内最具权威性、发行量最大的电子技术月刊。《电子技术》杂志把自己的报道重点定位于信息技术，将会更好地把握时代的信息，紧跟时代的步伐，更加及时地反映当前电子领域的热点，把最新的技术奉献给广大读者，真正成为广大读者的良师益友。杂志定位：电子、通信行业的交流平台、信息前沿、专业领域、思想高地。获奖情况：被评为第三届华东地区优秀期刊、在上海市科协系统期刊专家审读中被评为优秀期刊。、获第四届上海市科协系统优秀科技期刊评比三等奖。
1 系统方案设计
因空间限制和功能需求，量测和加工设备的主体结构常采用在其工作台面上设置龙门框架[1]，以承载量具、检具或刀具。其中，龙门框架通常由一个横梁和两个立柱构成[2]，作为核心的结构支撑件，其刚度直接关系到量检具或刀具的工作稳定性，其重量也影响到设备灵活性和工作台稳定性[3,4]。已经有不少学者通过有限元仿真工具对各自工况下的龙门框架进行了研究[5-10]，取得了一定的进展。然而这些优化后的龙门框架往往受限于制造工艺，无法满足更轻量化高刚度的工程应用需求。电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)结合了3D打印技术与传统焊接工艺[11]，采用电弧为热源，将焊丝熔融后层层堆积，适用于大型金属零件的成型，具有成形效率高、材料利用率高、设备成本较低、成型自由度高的限制等工艺优势[12]。WAAM工艺具备成型高刚度轻量化龙门框架的应用潜力[13]。
本研究基于WAAM工艺，以某半导体晶圆检测设备内的龙门框架为对象，进行拓扑优化分析，并结合WAAM工艺特有的变位方向，基于拓扑优化的结果进行了二次设计，完成了WAAM龙门架的成型制造与性能分析。
2 拓扑优化与二次设计
2.1 模型说明
半导体晶圆检测设备内的传统龙门框架如图1所示，龙门横梁上安装有重约80kg的检测量头，左右立柱横跨在放置有待检测晶圆的工件台面上，龙门框架重达129.8kg，跨度为1 000mm，高度为578mm。现有的龙门框架使用了37个不锈钢板焊接而成，由于焊道数量多且焊缝长度长，焊接过程易发生变形[14]，因此该焊接龙门架制造工期约3个月。
2.2 拓扑优化
龙门框架拓扑优化所设定的设计空间与边界条件如图2(a)所示，设计空间为立柱和横梁所占用的空间区域，非设计空间为立柱的底板与横梁的装配面，载重为80kg。由于龙门框架为镜像对称结构，因此设定了镜像面以节省仿真时间。设定划分网格单元平均尺寸为3mm，对龙门框架进行拓扑优化仿真，设定目标重量为100kg，目标函数为该载荷工况下的约束模态，最终仿真结果如图2(b)所示。
2.3 二次设计
基于拓扑优化结构，导出小平面体模型数据，对模型进行光顺处理，得到实体模型如图3(a)所示。考虑到增材制造工艺的成型特征，基于WAAM特有的变位机装置，对龙门框架的横梁和立柱进行二次设计，设计结果如图3(b)所示。模型理论重量为92.8kg。
3 测试分析
3.1 变位成型
根据拓扑仿真结果，龙门架主要在横梁及立柱分布有拉延筋板结果，在横梁上的筋基本上与横梁方向夹角在30o内，而在立柱的筋板基本与立柱方向夹角在30o内，由于WAAM工艺成型悬空结构有较大难度[15]，因此对横梁和立柱结构进行拆解成型，其成型过程如图4(a)所示，借助辅助基板，将一半横梁打印成型后，再通过变位机旋转工件180o，进而成型另一半横梁，再旋转90o，依靠横梁为基板成型立柱，最后再焊接立柱的底板[16-18]。采用304不锈钢丝材进行电弧熔丝成型，完成机加工、刮腻子与喷涂氟碳漆后的龙门框架成品如图4(b)所示。通过此变位形成的方法制造的龙门框架接近拓扑优化的理想结构。
3.2 称重分析
实测龙门框架实物重量为98.0kg，较理论模型重量92.8kg增重5.2kg。如图5所示，通过对打印成型的毛坯进行测量，由于电弧熔丝的熔池直径较大，导致每层的轮廓均比理论数据向外偏移1～2 mm，因此每层实际成型的材料重量比理论用料更多。由于WAAM工艺特有的分层成型偏移，导致实物较切片模型体积更大。
3.3 模态分析
采用单参考点力锤法激励模态测试方法[19]对龙门框架的自由模态进行实测，进而研究WAAM工艺成型的零件是否具备和锻件材质一样的刚度。仿真与测试结果如表1所示。实测各阶自由模态较理论模态偏高2%～8%之间，造成模态偏差的原因可能是由于WAAM分层偏移效应导致实际成型的重量比理论重量大，从而导致刚度有所提升。但是从龙门框架本身性能角度，WAAM工艺成型件与常规锻件的弹性模量、泊松比等刚度性能并无较大差异[20]。可以认为，在刚度性能上WAAM工艺成型的龙门框架能够满足工程应用。
对焊接与电弧熔丝龙门架的一阶约束模态进行仿真分析，在同样工况下传统焊接龙门架一阶约束模态为120Hz，振型如图6(a)所示，而经过二次设计后的电弧熔丝龙门架为138Hz，相较传统焊接框架提高了15%，其振型如图6(b)所示。经过优化设计后的电弧熔丝龙门架在轻量化和高刚度上均表现出明显优势。
4 结论
本文以半导体晶圆检测设备内的龙门框架为研究对象，通过拓扑优化仿真方法，基于WAAM工艺特有的变位功能创新地完成二次设计，并通过多次变位成型了高刚度轻量化的龙门框架。通过有限元仿真和实测验证，得到以下结论。
(1)借助辅助基板，将一半横梁打印成型后，再通过变位机旋转工件180o，进而成型另一半横梁，再旋转90o，依靠横梁为基板成型立柱，通过此工艺方案成型的龙门框架最为接近理想的拓扑结构。
(2)由于电弧熔丝的熔池直径较大，导致每层的轮廓均比理论数据向外偏移1～2mm，因此每层实际成型的材料重量比理论用料更多，在实际工程应用中应考虑重量偏差。
(3)WAAM工艺成型件的实测自由模态与同等结构的锻件仿真模态偏差在10%以内，说明电弧熔丝成型件与常规锻件在弹性模量、泊松比等刚度性能上并无较大差异。
(4)相较于传统焊接龙门架，经过优化设计的电弧熔丝龙门架重量减轻了26%，约束模态提高了15%，能够满足高刚度轻量化的工程应用需求。
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