电子专用设备模块化的工艺特点

潘 峰，叶乐志，赵玉国，周启舟

(中国电子科技集团第四十五研究所，北京101601)

电子专用设备模块化的工艺特点

潘 峰，叶乐志，赵玉国，周启舟

(中国电子科技集团第四十五研究所，北京101601)

分析了电子专用设备普及模块化设计及生产制造所面临的实际工艺问题，结合在电子专用设备研制过程中对实际工艺问题的分析和解决实例，总结出电子专用设备模块化工艺的应用经验和实际特点。

模块化；电子专用设备；工艺特点

电子专用设备一般是指研究、开发和生产各种电子产品过程中所专用的特殊设备。由于兵器、航天、航空、民用领域对电子产品需求的持续增长，故电子专用设备行业也随之迅猛发展。

由于不同领域电子产品各自的工艺特点，要求相应的电子专用设备也必须满足客户的特殊需求。即为不同用户提供的同一类设备也有不同的要求，包括技术参数、工作特殊结构和尺寸、专用配件及外形尺寸等均不同。国内研究一致认为电子专用设备有品种多、批量小和货期短的特点。

为了应对我国电子设备行业的这种特点，国内有很多专家和学者研究使用模块化的设计思想及生产装配标准[1]，目的是缩短电子专用设备的研发周期，促进设备及生产线的通用性和标准化，取得了一定成果。

在文献成果中，陈裕锦等[2]研究了电子专用设备模块化的设计及实例；杨树芬等[3]研究了通用标准件；何英研究了设备质量控制的流程并应用于实际中。

在以上这些研究中，未见有研究电子专用设备根据其工艺特点进行模块化设计及制造。故本文从工艺特点角度出发对电子专用设备的模块化进行研究，以期更好地让模块化设计与实际生产制造装配相结合，有利于企业对设备及生产线从工艺角度出发的改进升级，创造更好的经济效益。

1 电子专用设备模块化的工艺

1.1 电子专用设备的模块及模块化

电子专用设备的模块是依据对要完成的产品工艺及过程的分析，在确定该设备的功能和结构的基础上，对该设备进行分解而得到的子功能系统的统一称呼。例如：划片设备包含主轴模块、运动平台模块及水循环模块等；键合设备包含运动平台模块、键合头模块、工作台模块、电子打火模块等；粘片设备包含粘片头模块，顶针台模块等。

模块化是通过简化和统一化的方法[1]，得出有典型功能的子系统，通过对该子系统的改进和多接口标准化，实现同类功能通过一个子系统完成。例如：模块化的电源系统，在设计电气系统时可以直接集成起来，不必从头开始。模块化的导轨丝杠X-Y运动机构，稍作修改就可以应用到不同的设备上，实现要求的功能。

电子专用设备的模块化使专用子系统不仅通用于某些相似的产品，并可通用于某类产品或其他领域的产品。即升级为通用标准化的系统。

1.2 模块及模块化的工艺性问题

虽然模块化在实际应用中一直被奉为主要设计及制造思想，但是由于模块的一些工艺性原因，尚不能完全推广及更多地创造效益[1]，例如：

（1）模块必须是独立的功能单元；

（2）模块通过即插即用接口联成整机；

（3）某些模块包含冗余或不全的功能；

（4）模块趋于整合或分解。

由于模块具有这些特点[1]，要进一步进行模块化，就必须要协调和解决其之间的矛盾。

首先，模块化包括“模块的分解”和“模块的集中”。这就要求模块不但具有独立的完成某个功能的单元，而且被集成到整机上之后要能实现整机的功能。其次，如果不能即插即用，那就需重新设计。最主要的是，模块的功能可能包含多余或者没有能照顾到的部分，这就影响了该模块的定型和标准化。

不是一个简单的子系统分离出来就能变成一个模块的。该子系统除了要兼容整机功能，整机部件接口及整机外形等，还必须能被独立调试，独立测试和独立完成某一项功能。

实际上来说，子系统要具备完善的功能和子系统的兼容性是一对矛盾的两个方面[1]。模块如何分解和集中也是矛盾统一体。解决工艺性问题才能打好模块化的基础。

1.3 模块化的工艺

综合分析了模块化过程中的主要矛盾和问题，可以根据工艺性原理和工艺方法，解决主要矛盾，奠定模块化的工艺基础。

（1）从工艺性出发，明确定义模块的功能。所谓的工艺性，通俗来讲就是可实现性。设计的功能再强大，精度再高，没有可实现性，一切都是空谈。而明确定义，就是指在多种功能的子系统中把客户需要的、维持功能最基本的约束条件及能实现的条件都列出来。可以实现的独立功能的模块是模块化的第一基础。

（2）根据工艺过程、工艺条件设计模块接口、外形尺寸等。通常还应该考虑到安装位置，维护的方便与否，尽可能地在设计阶段考虑到模块的重点功能。这就比较好的结合了模块功能和可加工性，从而除去一些多余或者不实际的功能。

（3）明确定义模块的工艺范围。这里的工艺，不同于机电加工工艺，是特指电子专用设备的特点和对电子产品的加工工艺范围。比如，芯片加工设备的工艺流程中都包含上下料系统，都包含工作台夹持系统。但是不同的工艺设备就很难兼容。例如：晶圆切割设备和芯片键合设备的工艺，工序不同，因此这两种设备之间很难寻找通用模块。

（4）合理设计和利用工艺装备，保证模块的一致性。工装是用来保证同种零件加工的一致性的辅助工具。同样，用在电子专用设备中，可以专门为同道工序设计好工艺装备模块。例如：X-Y平台的调节工装既能用于粘片设备，又能用于键合设备。光学对准和调焦工装能用于同样调整原理的视觉系统上。

电子专用设备行业一直都在推动标准化，作为标准化的一种方式，模块化可以利用以上工艺原则和基础探索适用行业特点的模块化方法。

2 电子专用设备模块化的工艺特点

与其他装备制造业的设备不同，电子专用设备有自身的工艺特点，从总的发展来看有五大特点：第一是高精度，芯片光刻设备已经突破了20 nm，已正式产业化；第二是晶圆大尺寸化，便于提高产量降低成本；第三是加工晶圆单片化，利于连续生产；第四是设备组合化，即模块化组合集成；第五是全自动化。故从工艺设计和制造工艺两方面来分析模块化的特点。

2.1 电子专用设备模块化的工艺设计特点

在模块化设备中，模块是具有特定功能的标准化部件单元，可安排专人负责设计，并通过对所设计模块进行试验研究，不断完善模块的性能和提高模块的质量，从而提高产品的质量。模块化的工艺设计包含模块化工艺方案和模块化工艺路线设计。根据电子专用设备从研发到生产的不同阶段分为：新机研发，小批量试制和批量生产阶段。模块化也按照这三个阶段各有特点：

（1）新机研发：以实现用户要求的工艺动作为中心，可以按照从整体到部分，分层次细化成各具功能的模块，机构。例如：机架整体，工作平台，核心平台和辅助平台等。预留接口和升级的空间，例如：给自动系统预留的接口和空间。为核心机构预留出足够升级的空间尺寸，方便设计。允许特殊系统和部件的工艺设计，以优先满足功能为主。

（2）小批量试制阶段：在满足功能的前提之下，尝试将功能子系统模块化。添加即插即用接口，适当的增加或者减少功能，满足模块独立性的工艺要求和测量检测方面的要求。在此基础上可以让负责不同系统的工程技术人员共享或共同改进模块的功能。同时修改掉新机研发时暴露出的工艺问题等。使模块更合理并具备可小规模生产的能力。

（3）批量生产阶段。以实践论证的数据和统计学上的各种科学方法，把这些模块采用标准化和系列化的结构，做到数量上尽量少，而寿命尽量长。按照一定的标准，非常方便地实现互换。同时，认真考虑同类电子专用设备及未来发展的方向，使模块化的标准机构更加能够满足电子专用设备的需求，更加容易实现设备的改装，满足不断更新产品的发展要求。

归结起来，模块化设计思想就是新产品(系统)=通用模块（不变的部分)+专用模块(变动的部分)。这种工艺设计思想是目前主流的模块化方式。满足了工艺设计的特点之后，模块化就要进入制造阶段。

2.2 电子专用设备模块化的制造工艺特点

按照工艺设计出的子系统模块，在可加工性上具备了一定的基础。而在制造阶段，还需要结合电子专用设备自身的一些特点进行工艺物化。

2.2.1 高精度

对电子专用设备来说，尤其像后道芯片封装工序的设备，大多数核心系统的工作精度都要求在微米级，光刻机还需要达到纳米级精度和重复精度。在宏观制造层面基本上是工艺极限。这要求零件制造的工艺上必须保证高精度。随着近几年国内机械，电气加工水平的明显提高，使微米和亚微米级别的加工制造成为可能。对电子专用设备的支持大大提升。

2.2.2 环境敏感性

由于高精度的工艺要求，使很多关键电子专用设备需要千级以上的净化间支持。有些专用零件的精密加工制造也需要在净化间内进行。这实际上是对电子专用设备企业的硬件提出了较高的要求。虽然良好的环境与设备模块化的关联不是很大，但有了环境作为保障，能为模块的加工制造打好基础，保证了高精度零件和设备的加工和装调。

2.2.3 建立测试和调试相关文档

模块化制造工艺的特点之一是可复制。要使得模块在设备制造上可以复制，必须有相关的测试和测量手段，并在进行了这些测试测量的基础上保证工艺文档的记录和可查阅可定量制造复制。只有建立健全了这些工艺流程和文档记录，才能保证电子专用设备的模块化正常传承。

2.2.4 满足互换性

模块化的另一个工艺特点是互换性强。便于集成和维护。模块化设备子系统是由一些具有互换性的标准化或非标准化模块（如：电源模块）等集合而成，可直接更换模块，大大简化产品的维护和修理，可提高产品的维修速度，节约修理费用。在一种模块成熟之后，系列化地完善该模块的不同功能或者不同应用接口。例如：电源箱模块的系列化，针对不同区域添加稳压或者UPS电源功能等。

最终，模块化制造出来的产品可靠性高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾。而且各种模块可集中在专门工厂或由专门技术工人进行专业化批量加工，可使单件小批量生产变为相当批量的规模生产，传统的以产品为单位组织生产的方式将变为以部件为单位组织生产，解决了多品种小批量和大批量加工之间的矛盾。

3 电子专用设备模块化实例

由于电子专用设备种类繁多，更新换代快，不同种类、同一系列间功能模块的替代性较强，下面仅以某设备整体外罩模块化过程为实例，目的是说明针对电子专用设备模块化时需要的工艺特点来进行设计和制造。

该型设备在新机研发阶段，仔细考虑了模块化。研发初期，该设备的整体外罩被分为上、下两个部分。由于上，下部分是分开设计和制造的。最后在装配的时候，发现在连接上下部分的接口和连接外部系统的接口上都有一些问题。

最影响美观的是由于上、下两部分连接的接缝，还有门开关部分的刚性等都未能整体考虑，整个外罩给人感觉是拼凑和不结实，有些晃动。而且分开设计制造的加工周期比较长，最后装配完成的效果还很不好。

在总结了这些工艺经验后，小批量试制阶段，专门将外罩作为一个整体模块，对其进行了工艺特点的模块化设计和制造。协调设计人员和加工，装配人员都对整机的外罩提出了修改看法。最后将该外罩上下部分联合制造。并在加工厂家联合装配，利用现场就地进行调整和外罩拼接，最终该设备成功地完善了外罩的设计，制造和模块化工艺。利用这个过程中积累的经验并作了详细记录。这样，未来同类设备的外罩也能借鉴该工艺特点进行联合制造、装配和调试。

图1 模块化的某设备外罩

4 总结及展望

电子专用设备的模块化工艺能够缩短设计与试制周期、提高可靠性、降低成本、产品更新及维护更简便等诸多优点，因此模块化一定是设备研发和制造的发展趋势，是值得大力发展的一种集成基础方法。

展望未来，利用机械模块学理论的发展，随着专用设备工艺学的逐渐完善，符合行业工艺特点的模块化必将是促进电子专用设备乃至整个电子工业发展的有效方法。

[1] 刘健.模块化产业组织的形成机制与发展路径研究[D].北京：首都经济贸易大学经济学院，2012.

[2] 陈裕锦，江声堂.电子专用设备模块化设计的研究[J].电子工业专用设备，2010，39(4)：5-7.

[3] 杨树芬，董学宁，邵新太，等.我国电子专用设备行业通用标准件工作研究[J].电子工业专用设备，1993(2)：1-8.

The Technology Characteristics of Electronic Marufacturing Equipment Modules

PAN Feng，YE Lezhi，ZHAO Yuguo，ZHOU Qizhou
(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 101601，China)

This paper analyzes the practical technology problems of Electronic Marufacturing Equipment popularization of modular design and manufacturing are facing，combined with during the development of Electronic Marufacturing Equipment in the actual process of problem analysis and solving examples，summarizes the Application experience and practical significance of Electronic Marufacturing Equipment modular process characteristics.

Modularization；Electronic marufacturing equipment；Technology characteristics

TN605

B

1004-4507(2015)01-0005-04

2015-01-04

潘峰（1982-），贵州人，工程师，从事电子专用设备研发9年。