CN108436272A - 200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺,焊接工艺的焊接顺序为先预焊，后焊接；预焊顺序为先预焊内圈焊缝，后预焊外圈焊缝，再预焊内圈焊缝；焊接顺序为先焊接内圈焊缝，后焊接外圈焊缝；焊接工艺参数为：焊接工艺：激光功率2.5～3KW；焊接速度：5～6.5m/min；保护气体：Ar，99.999％；组对间隙：小于0.05mm，离焦量‑7mm；气体流量：10～15L/min，激光头倾斜6～8°,保护气与工件距离12±1mm。本发明可以解决铝合金刻蚀真空反应腔体内镶磁铁零件焊接时，磁铁对电弧，电子束流的影响，因激光焊接不受磁场影响，并可以满足焊缝密封性，焊接强度等要求，外形美观，零件变形小，是此类零件焊接产品首选焊接工艺。

Description

200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺

技术领域

本发明涉及IC装备(生产半导体器件、集成电路芯片和平板显示器的专用生产设备)制造业中刻蚀真空反应腔体磁铁零件特种焊接技术，是200mm铝合金刻蚀真空反应腔体，其内部放置磁铁形成均匀磁场，属于刻蚀腔体内核心零部件特种焊接技术。

背景技术

200mm内衬反应腔，是200mm晶圆刻蚀生产设备中核心零部件，因零件精度要求高，要求焊接十分精密，目前能满足此焊接要求首选电子束焊接，但因为零件内镶有磁铁，磁场对电子束会产生影响，这使得电子束焊接此类零件十分困难，因此用同样高能量密度的激光焊接代替电子束焊成为国内外首要研发课题，突破激光焊接代替电子束焊技术，不但可以打开国外市场，还可以促进国内IC装备产业的发展。

发明内容

本发明提供一种200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺。

本发明采用的技术解决方案是：

一种200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺,焊接工艺的焊接顺序为先预焊，后焊接；预焊顺序为先预焊内圈焊缝，后预焊外圈焊缝，再预焊内圈焊缝；焊接顺序为先焊接内圈焊缝，后焊接外圈焊缝；

焊接工艺参数为：

焊接工艺：激光功率2.5～3KW；焊接速度：5～6.5m/min；保护气体：Ar，99.999％；组对间隙：小于0.05mm，离焦量-7mm；气体流量：10～15L/min，激光头倾斜6～8°,保护气与工件距离12±1mm。

全过程为自动焊接，使用库卡机器人示教及编程，焊接工装为气动全自动工装，工装主要由内撑，外爪和上爪几部分构成。

具体步骤如下：

(1)焊前准备：按照美国应用材料清洗标准0250-20000,进行化学清洗、焊接过程及组装过程以及焊后处理在万级洁净间中进行，用0.05mm塞尺检验拼装间隙，要求拼装间隙小于0.05mm，盖板与主体接差小于0.10mm；

(2)预焊：预焊内圈焊缝时，利用工装缺口设计，均匀分段预焊，现将内侧焊缝预焊固定；然后抬起工装上压爪，预焊外圈焊缝，最后将内圈其余部分全部预焊；最终得到完整的预焊焊缝；

(3)道间检验：目视检验，所有焊缝是否完全预焊，有无焊接缺陷，并用百洁布进行焊道清理，准备进行焊接；

(4)盖板焊接：压爪压下，焊接内圈焊缝，压爪抬起，焊接外圈焊缝；

(5)完成氦测之后，使用振镜激光器焊接φ3.3mm氦测孔，使其完全密封。

本发明的有益效果是：

本发明可以打开IC装备零部件对国际技术的封锁，同样高能量密度的激光焊接代替电子束焊降低焊接成本，焊接灵活性和自动化程度更高，即解决了电子束受磁场影响的问题，又打破技术瓶颈，大力促进了国内IC装备产业的发展。

附图说明

图1-1为激光自熔焊接示意图之一。

图1-2为激光自熔焊接示意图之二。

图1-3为激光自熔焊接示意图之三。

图2零件示意图。

图3焊接接头示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-1、1-2、1-3、图2-3及实施例对本发明进一步详细说明。

一种200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺,采用先进激光焊接技术,将不同系列牌号的铝合金AL4047与AL6061通过激光自熔密封焊接的方式将1.5mm～3.0mm厚磁铁密封盖板与主体进行焊接的特种焊接工艺；焊前按照美国应用材料清洗标准0250-20000,进行化学清洗、焊接过程及组装过程以及焊后处理在万级洁净间中进行，

焊接工艺的焊接顺序为先预焊，后焊接；预焊顺序为先预焊内圈焊缝，后预焊外圈焊缝，再预焊内圈焊缝；焊接顺序为先焊接内圈焊缝，后焊接外圈焊缝；

焊接工艺参数为：

焊接工艺：激光功率2.5～3KW；焊接速度：5～6.5m/min；保护气体：Ar，99.999％；组对间隙：小于0.05mm，离焦量-7mm；气体流量：10～15L/min，激光头倾斜6～8°,保护气与工件距离12±1mm。

全过程为自动焊接，使用库卡机器人示教及编程，焊接工装为气动全自动工装，工装主要由内撑，外爪和上爪几部分构成。

具体步骤如下：

(1)焊前准备：按照美国应用材料清洗标准0250-20000,进行化学清洗、焊接过程及组装过程以及焊后处理在万级洁净间中进行，用0.05mm塞尺检验拼装间隙，要求拼装间隙小于0.05mm，盖板与主体接差小于0.10mm；

(2)预焊：预焊内圈焊缝时，利用工装缺口设计，均匀分段预焊，现将内侧焊缝预焊固定；然后抬起工装上压爪，预焊外圈焊缝，最后将内圈其余部分全部预焊；最终得到完整的预焊焊缝；

(3)道间检验：目视检验，所有焊缝是否完全预焊，有无焊接缺陷，并用百洁布进行焊道清理，准备进行焊接；

(4)盖板焊接：压爪压下，焊接内圈焊缝，压爪抬起，焊接外圈焊缝；

(5)完成氦测之后，使用振镜激光器焊接φ3.3mm氦测孔，使其完全密封。

(1)激光头倾斜7°

因铝合金对激光束有强烈的反射效应，因此除了要求激光器有较高的输出功率和良好的光束品质以外，焊接时激光头必须倾斜适当角度，以减少光束反射对激光镜片的损伤。经过计算以及实验，当激光头的角度倾斜6°～9°时，可以很好的控制反射光对激光头镜片的损伤。

(2)预焊：

虽然激光功率完全可以满足一次焊接成型，并满足焊接熔深要求，但是大功率极易导致零件变形，导致焊道拼装间隙的改变，引发焊漏，焊偏等一系列缺陷。通过小功率预焊，可以避免过多的焊接变形导致焊接缺陷，最终形成完美的焊缝。

(3)收弧：

激光焊接铝合金，因为焊接时采用的是负离焦，因此收弧时，必然有一个离焦量越来大的过程，此过程会导致零件表面激光功率瞬间变大，很容易在零件表面产生较大弧坑，导致无法修补的缺陷。因此，在收弧过程中同时降低输出功率，保证收尾相接处，无过多搭接，无明显弧坑，保护气延迟5s关闭，是焊接此零件关键技术之一。

(4)保护气

焊接保护气，采用高纯度氩气(Ar，99.999％),半导体零部件产品，严禁接触含铜制品，保护气嘴需选用不锈钢材质，另外保护气嘴距离工件距离为12±2mm，既要满足焊接过程保护焊接熔池不被氧化，又要避免焊接干涉。

因为激光焊接铝合金时反射较大,为了保护激光头及镜片,激光头需要倾斜一定角度,本焊接工艺中,激光头倾斜7°,保护气与工件距离12±1mm,焊接方向为光在前,丝在后。

如图3所示，零件主体1，材质为AL6061，磁铁密封盖板5，材质为AL4047，磁铁3，胶水6、7，磁铁挡板2、4。零件主体1与磁铁密封盖板5焊接。

焊接难点

1)激光自熔焊接比激光技术对拼装组队间隙的要求更为严格，微小的焊接变形或拼装间隙的超差，都会导致焊接失败。焊接变形会导致光直接从焊缝处漏到焊缝里面，并且会产生气孔，焊接表面凹凸不平，及填充不足等焊接缺陷。

2)激光焊接铝合金，属于特种焊接技术，目前国内尚不成熟，可借鉴经验少，而且客户产品设计成不利于焊接的圆弧处焊接，增大了焊接的困难程度。

3)焊接过程全自动，一次焊接成型，过程无法中断，无法观测焊接过程是否产生缺陷。

4)零件清洁度要求极高，任何污染都可能导致焊接气孔及焊接缺陷的产生，要求焊前必须化学清洗，装配过程必须在洁净间完成，所有接触零件必须戴洁净橡胶手套，不允许使用棉线手套等，并且短时间内完成焊接，防止化洗后零件重新污染。

焊接工艺参数

焊接工艺：激光功率2.5～3KW；焊接速度：5～6.5m/min；保护气体：Ar，99.999％；组对间隙：小于0.05mm，离焦量-7mm；气体流量：10～15L/min，激光头倾斜7°,,保护气与工件距离12±1mm。

焊接工艺要点：

(1)激光头倾斜7°

因铝合金对激光束有强烈的反射效应，因此除了要求激光器有较高的输出功率和良好的光束品质以外，焊接时激光头必须倾斜适当角度，以减少光束反射对激光镜片的损伤。经过计算以及实验，当激光头的角度倾斜6°～9°时，可以很好的控制反射光对激光头镜片的损伤。

(2)预焊：

虽然激光功率完全可以满足一次焊接成型，并满足焊接熔深要求，但是大功率极易导致零件变形，导致焊道拼装间隙的改变，引发焊漏，焊偏等一系列缺陷。通过小功率预焊，可以避免过多的焊接变形导致焊接缺陷，最终形成完美的焊缝。

(3)收弧：

激光焊接铝合金，因为焊接时采用的是负离焦，因此收弧时，必然有一个离焦量越来大的过程，此过程会导致零件表面激光功率瞬间变大，很容易在零件表面产生较大弧坑，导致无法修补的缺陷。因此，在收弧过程中同时降低输出功率，保证收尾相接处，无过多搭接，无明显弧坑，保护气延迟5s关闭，是焊接此零件关键技术之一。

(4)保护气

焊接保护气，采用高纯度氩气(Ar，99.999％),半导体零部件产品，严禁接触含铜制品，保护气嘴需选用不锈钢材质，另外保护气嘴距离工件距离为12±2mm，既要满足焊接过程保护焊接熔池不被氧化，又要避免焊接干涉。

检验

(1)100％目视检测：执行标准AWS C7.4Annex D Class A.

(2)样件宏观腐蚀检验

(3)氦气测漏：漏率要求1×10E-9SCC/SEC

焊接工艺评定

激光自熔焊接(LBW)AL4047与AL6061，φ2.0mm焊丝，试件板厚1.8mm，间隙0mm，对接。

试板焊后按AWS B2.1M2014标准规定焊接接头拉伸及弯曲试验方法制备试样、测定性能，确认试验记录正确。焊接材料工艺评定机械性能试验结果见表1、表2。实验结果由大连SGS提供。

表1 6061铝合金焊接工艺评定机械性能试验结果(拉伸试验)

表2 6061铝合金焊接工艺评定机械性能试验结果(弯曲试验)

测试项

编号

厚度(mm)

弯头直径(mm)

弯曲角度(°)

结论

结论

面弯

4#-1

1.9

(6-2/3)TS

180

无裂口

通过

面弯

4#-2

1.9

(6-2/3)TS

180

无裂口

通过

背弯

4#-3

1.9

(6-2/3)TS

180

无裂口

通过

背弯

4#-4

1.9

(6-2/3)TS

180

无裂口

通过

焊接应用

利用上述焊接工艺，采激光自熔自动焊，解决电子束焊接无法焊接高精密磁铁零件的难题，焊道窄而美观，变形量很小，近乎零焊接缺陷高精密特种焊接产品，一次性通过焊后目视检测，及氦气侧漏检测。

实施结果表明，本焊接工艺为磁铁零件密封焊接，本焊接工艺为困难的磁铁零件密封焊接问题开辟了解决方法，它的特点体现在以下几个方面：

1.高能量密度的激光焊不受磁场影响，焊接变形小，焊接性能良好，激光焊接代替电子束焊技术焊接同类产品，可以促进国内IC装备产业的发展。

2.焊接变形小，焊接质量稳定，焊接效率高。

Claims (3)

1.一种200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺,其特征在于：

焊接工艺的焊接顺序为先预焊，后焊接；预焊顺序为先预焊内圈焊缝，后预焊外圈焊缝，再预焊内圈焊缝；焊接顺序为先焊接内圈焊缝，后焊接外圈焊缝；

焊接工艺参数为：

焊接工艺：激光功率2.5～3KW；焊接速度：5～6.5m/min；保护气体：Ar，99.999％；组对间隙：小于0.05mm，离焦量-7mm；气体流量：10～15L/min，激光头倾斜6～8°,保护气与工件距离12±1mm。

2.按照权利要求1所述的200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺，其特征在于：全过程为自动焊接，使用库卡机器人示教及编程，焊接工装为气动全自动工装，工装主要由内撑，外爪和上爪几部分构成。

3.按照权利要求1所述的200mm刻蚀腔体激光自熔焊接工艺，其特征在于：具体步骤如下：

(1)焊前准备：按照美国应用材料清洗标准0250-20000,进行化学清洗、焊接过程及组装过程以及焊后处理在万级洁净间中进行，用0.05mm塞尺检验拼装间隙，要求拼装间隙小于0.05mm，盖板与主体接差小于0.10mm；

(2)预焊：预焊内圈焊缝时，利用工装缺口设计，均匀分段预焊，现将内侧焊缝预焊固定；然后抬起工装上压爪，预焊外圈焊缝，最后将内圈其余部分全部预焊；最终得到完整的预焊焊缝；

(3)道间检验：目视检验，所有焊缝是否完全预焊，有无焊接缺陷，并用百洁布进行焊道清理，准备进行焊接；

(4)盖板焊接：压爪压下，焊接内圈焊缝，压爪抬起，焊接外圈焊缝；

(5)完成氦测之后，使用振镜激光器焊接φ3.3mm氦测孔，使其完全密封。