半导体晶圆加热盘工艺装备的预处理与装配准则

      奥崎电气工程师认为这是一个非常关键的工艺准备阶段。在进行钎焊或搅拌摩擦焊之前，必须进行周密和严格的准备，以确保焊接质量、避免缺陷、并保障设备和人员安全。

以下是这两个工艺在焊接前共同的和各自需要特别注意的事项：

共同的核心注意事项

1. 材料确认与兼容性

   • 母材确认： 精确确认待焊母材的牌号、规格和状态。例如，是哪种铝合金（如6061、7075）、不锈钢等，其热处理状态如何。填充材料/搅拌头选择：

     • 钎焊： 根据母材选择合适的钎料（牌号、形态：丝、片、膏、箔）和钎剂。必须确保钎料与母材的相容性、润湿性和熔点匹配。

     • 搅拌摩擦焊： 对于需要添加填充金属的特殊情况，选择合适的填充丝。更重要的是根据母材的强度和耐磨性，选择和确认搅拌头（搅拌针和轴肩）的材质（如工具钢、钨基合金等）和尺寸是否匹配。

2. 接头设计与准备

   • 接头形式： 严格按照设计图纸检查接头的形式（如对接、搭接、角接）、间隙大小。

   • 装配与固定：

     • 确保工件被精确地对齐并牢固地夹紧在工装上。对于FSW，强大的刚性固定至关重要，以防止工件在巨大压力和扭矩下分离或移位。

     • 钎焊间隙： 这是钎焊成败的关键。必须保证整个接头区域的间隙均匀且符合工艺规范（通常很窄，例如0.05-0.2mm）。间隙过大会导致钎料无法填满或形成毛细作用，过小则钎料无法流入。

3. 清洁度（至关重要！）

   • 去除污染物： 必须彻底清除接头区域及其附近表面的油污、油脂、氧化物、灰尘和水分。

   • 清洁方法：

     • 使用有机溶剂（如丙酮、异丙醇）进行脱脂。

     • 使用不锈钢丝刷、砂纸或化学方法去除氧化膜。对于铝合金，新刮削的表面效果最好，因为其氧化膜生长极快。

   • 清洁后处理： 清洁后应立即进行焊接，避免手触摸或暴露在污染环境中，以防止二次污染。

钎焊前的特殊注意事项

1. 钎料和钎剂的施加

   • 预先放置： 如果使用箔状或片状钎料，需按要求预先放置在接头位置。

   • 均匀施加： 如果使用钎料膏或钎剂，需确保其均匀覆盖在需要钎料流到的整个区域。用量要适当，过少影响流动和去膜，过多则易形成夹渣。

2. 保护气氛或真空准备

   • 气氛炉钎焊： 检查炉体的密封性，确认保护气体（如氢气、氮气、氩气）的纯度和流量符合要求，并执行充分的洗炉程序。

   • 真空炉钎焊： 检查真空系统的性能，确保能达到并维持工艺要求的真空度（如10⁻⁵ mbar级别），以避免工件在加热过程中氧化。

3. 设备与参数确认

   • 确认加热设备（炉子、火焰枪、感应圈）工作正常。

   • 精确设定或确认钎焊温度曲线：包括升温速率、钎焊温度（通常比钎料液相线高30-60°C）、保温时间和冷却速率。

搅拌摩擦焊前的特殊注意事项

1. 设备与工装检查

   • 设备刚性： 确认FSW机床有足够的刚性和下压力来承受焊接过程的反作用力。

   • 工装夹具： 检查工装夹具是否坚固，能够完全约束工件，防止在焊接过程中产生“抬起”现象。垫板必须平整且与工件背面紧密贴合。

   • 主轴与搅拌头：

     • 检查主轴精度和跳动。

     • 检查搅拌头（搅拌针和轴肩）是否有磨损、裂纹或变形。一个微小的磨损都会严重影响焊接质量。必须使用合格且尺寸正确的搅拌头。

2. 工艺参数设定与对刀

   • 参数设定： 精确设定并输入主轴转速、焊接速度、下压力（或位置控制精度）、倾角等核心参数。

   • 对刀与扎入：

     • 精确设置搅拌头的“零平面”（即轴肩与工件表面接触的位置）。

     • 确认搅拌针长度与工件厚度匹配，并设定正确的扎入深度，确保轴肩与工件表面有足够的接触和摩擦热。

3. 工作环境与安全

   • 防护： FSW过程会产生强烈的飞边和火花（尤其是焊接表面有涂层时），必须安装和检查防护罩或挡板。

   • 通风： 确保工作区域通风良好，以排出可能产生的金属烟尘。

总结：焊接前快速检查清单

总之，充分的准备是成功焊接的一半。任何在准备阶段的疏忽都可能导致焊接失败、产生缺陷（如未焊透、气孔、裂纹、夹渣），甚至损坏设备和工件。