電子專用設備模塊化的工藝特點

潘 峰，葉樂志，趙玉國，周啟舟

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京101601)

電子專用設備模塊化的工藝特點

潘 峰，葉樂志，趙玉國，周啟舟

(中國電子科技集團第四十五研究所，北京101601)

分析了電子專用設備普及模塊化設計及生產制造所面臨的實際工藝問題，結合在電子專用設備研制過程中對實際工藝問題的分析和解決實例，總結出電子專用設備模塊化工藝的應用經驗和實際特點。

模塊化；電子專用設備；工藝特點

電子專用設備一般是指研究、開發(fā)和生產各種電子產品過程中所專用的特殊設備。由于兵器、航天、航空、民用領域對電子產品需求的持續(xù)增長，故電子專用設備行業(yè)也隨之迅猛發(fā)展。

由于不同領域電子產品各自的工藝特點，要求相應的電子專用設備也必須滿足客戶的特殊需求。即為不同用戶提供的同一類設備也有不同的要求，包括技術參數、工作特殊結構和尺寸、專用配件及外形尺寸等均不同。國內研究一致認為電子專用設備有品種多、批量小和貨期短的特點。

為了應對我國電子設備行業(yè)的這種特點，國內有很多專家和學者研究使用模塊化的設計思想及生產裝配標準[1]，目的是縮短電子專用設備的研發(fā)周期，促進設備及生產線的通用性和標準化，取得了一定成果。

在文獻成果中，陳裕錦等[2]研究了電子專用設備模塊化的設計及實例；楊樹芬等[3]研究了通用標準件；何英研究了設備質量控制的流程并應用于實際中。

在以上這些研究中，未見有研究電子專用設備根據其工藝特點進行模塊化設計及制造。故本文從工藝特點角度出發(fā)對電子專用設備的模塊化進行研究，以期更好地讓模塊化設計與實際生產制造裝配相結合，有利于企業(yè)對設備及生產線從工藝角度出發(fā)的改進升級，創(chuàng)造更好的經濟效益。

1 電子專用設備模塊化的工藝

1.1 電子專用設備的模塊及模塊化

電子專用設備的模塊是依據對要完成的產品工藝及過程的分析，在確定該設備的功能和結構的基礎上，對該設備進行分解而得到的子功能系統的統一稱呼。例如：劃片設備包含主軸模塊、運動平臺模塊及水循環(huán)模塊等；鍵合設備包含運動平臺模塊、鍵合頭模塊、工作臺模塊、電子打火模塊等；粘片設備包含粘片頭模塊，頂針臺模塊等。

模塊化是通過簡化和統一化的方法[1]，得出有典型功能的子系統，通過對該子系統的改進和多接口標準化，實現同類功能通過一個子系統完成。例如：模塊化的電源系統，在設計電氣系統時可以直接集成起來，不必從頭開始。模塊化的導軌絲杠X-Y運動機構，稍作修改就可以應用到不同的設備上，實現要求的功能。

電子專用設備的模塊化使專用子系統不僅通用于某些相似的產品，并可通用于某類產品或其他領域的產品。即升級為通用標準化的系統。

1.2 模塊及模塊化的工藝性問題

雖然模塊化在實際應用中一直被奉為主要設計及制造思想，但是由于模塊的一些工藝性原因，尚不能完全推廣及更多地創(chuàng)造效益[1]，例如：

（1）模塊必須是獨立的功能單元；

（2）模塊通過即插即用接口聯成整機；

（3）某些模塊包含冗余或不全的功能；

（4）模塊趨于整合或分解。

由于模塊具有這些特點[1]，要進一步進行模塊化，就必須要協調和解決其之間的矛盾。

首先，模塊化包括“模塊的分解”和“模塊的集中”。這就要求模塊不但具有獨立的完成某個功能的單元，而且被集成到整機上之后要能實現整機的功能。其次，如果不能即插即用，那就需重新設計。最主要的是，模塊的功能可能包含多余或者沒有能照顧到的部分，這就影響了該模塊的定型和標準化。

不是一個簡單的子系統分離出來就能變成一個模塊的。該子系統除了要兼容整機功能，整機部件接口及整機外形等，還必須能被獨立調試，獨立測試和獨立完成某一項功能。

實際上來說，子系統要具備完善的功能和子系統的兼容性是一對矛盾的兩個方面[1]。模塊如何分解和集中也是矛盾統一體。解決工藝性問題才能打好模塊化的基礎。

1.3 模塊化的工藝

綜合分析了模塊化過程中的主要矛盾和問題，可以根據工藝性原理和工藝方法，解決主要矛盾，奠定模塊化的工藝基礎。

（1）從工藝性出發(fā)，明確定義模塊的功能。所謂的工藝性，通俗來講就是可實現性。設計的功能再強大，精度再高，沒有可實現性，一切都是空談。而明確定義，就是指在多種功能的子系統中把客戶需要的、維持功能最基本的約束條件及能實現的條件都列出來?？梢詫崿F的獨立功能的模塊是模塊化的第一基礎。

（2）根據工藝過程、工藝條件設計模塊接口、外形尺寸等。通常還應該考慮到安裝位置，維護的方便與否，盡可能地在設計階段考慮到模塊的重點功能。這就比較好的結合了模塊功能和可加工性，從而除去一些多余或者不實際的功能。

（3）明確定義模塊的工藝范圍。這里的工藝，不同于機電加工工藝，是特指電子專用設備的特點和對電子產品的加工工藝范圍。比如，芯片加工設備的工藝流程中都包含上下料系統，都包含工作臺夾持系統。但是不同的工藝設備就很難兼容。例如：晶圓切割設備和芯片鍵合設備的工藝，工序不同，因此這兩種設備之間很難尋找通用模塊。

（4）合理設計和利用工藝裝備，保證模塊的一致性。工裝是用來保證同種零件加工的一致性的輔助工具。同樣，用在電子專用設備中，可以專門為同道工序設計好工藝裝備模塊。例如：X-Y平臺的調節(jié)工裝既能用于粘片設備，又能用于鍵合設備。光學對準和調焦工裝能用于同樣調整原理的視覺系統上。

電子專用設備行業(yè)一直都在推動標準化，作為標準化的一種方式，模塊化可以利用以上工藝原則和基礎探索適用行業(yè)特點的模塊化方法。

2 電子專用設備模塊化的工藝特點

與其他裝備制造業(yè)的設備不同，電子專用設備有自身的工藝特點，從總的發(fā)展來看有五大特點：第一是高精度，芯片光刻設備已經突破了20 nm，已正式產業(yè)化；第二是晶圓大尺寸化，便于提高產量降低成本；第三是加工晶圓單片化，利于連續(xù)生產；第四是設備組合化，即模塊化組合集成；第五是全自動化。故從工藝設計和制造工藝兩方面來分析模塊化的特點。

2.1 電子專用設備模塊化的工藝設計特點

在模塊化設備中，模塊是具有特定功能的標準化部件單元，可安排專人負責設計，并通過對所設計模塊進行試驗研究，不斷完善模塊的性能和提高模塊的質量，從而提高產品的質量。模塊化的工藝設計包含模塊化工藝方案和模塊化工藝路線設計。根據電子專用設備從研發(fā)到生產的不同階段分為：新機研發(fā)，小批量試制和批量生產階段。模塊化也按照這三個階段各有特點：

（1）新機研發(fā)：以實現用戶要求的工藝動作為中心，可以按照從整體到部分，分層次細化成各具功能的模塊，機構。例如：機架整體，工作平臺，核心平臺和輔助平臺等。預留接口和升級的空間，例如：給自動系統預留的接口和空間。為核心機構預留出足夠升級的空間尺寸，方便設計。允許特殊系統和部件的工藝設計，以優(yōu)先滿足功能為主。

（2）小批量試制階段：在滿足功能的前提之下，嘗試將功能子系統模塊化。添加即插即用接口，適當的增加或者減少功能，滿足模塊獨立性的工藝要求和測量檢測方面的要求。在此基礎上可以讓負責不同系統的工程技術人員共享或共同改進模塊的功能。同時修改掉新機研發(fā)時暴露出的工藝問題等。使模塊更合理并具備可小規(guī)模生產的能力。

（3）批量生產階段。以實踐論證的數據和統計學上的各種科學方法，把這些模塊采用標準化和系列化的結構，做到數量上盡量少，而壽命盡量長。按照一定的標準，非常方便地實現互換。同時，認真考慮同類電子專用設備及未來發(fā)展的方向，使模塊化的標準機構更加能夠滿足電子專用設備的需求，更加容易實現設備的改裝，滿足不斷更新產品的發(fā)展要求。

歸結起來，模塊化設計思想就是新產品(系統)=通用模塊（不變的部分)+專用模塊(變動的部分)。這種工藝設計思想是目前主流的模塊化方式。滿足了工藝設計的特點之后，模塊化就要進入制造階段。

2.2 電子專用設備模塊化的制造工藝特點

按照工藝設計出的子系統模塊，在可加工性上具備了一定的基礎。而在制造階段，還需要結合電子專用設備自身的一些特點進行工藝物化。

2.2.1 高精度

對電子專用設備來說，尤其像后道芯片封裝工序的設備，大多數核心系統的工作精度都要求在微米級，光刻機還需要達到納米級精度和重復精度。在宏觀制造層面基本上是工藝極限。這要求零件制造的工藝上必須保證高精度。隨著近幾年國內機械，電氣加工水平的明顯提高，使微米和亞微米級別的加工制造成為可能。對電子專用設備的支持大大提升。

2.2.2 環(huán)境敏感性

由于高精度的工藝要求，使很多關鍵電子專用設備需要千級以上的凈化間支持。有些專用零件的精密加工制造也需要在凈化間內進行。這實際上是對電子專用設備企業(yè)的硬件提出了較高的要求。雖然良好的環(huán)境與設備模塊化的關聯不是很大，但有了環(huán)境作為保障，能為模塊的加工制造打好基礎，保證了高精度零件和設備的加工和裝調。

2.2.3 建立測試和調試相關文檔

模塊化制造工藝的特點之一是可復制。要使得模塊在設備制造上可以復制，必須有相關的測試和測量手段，并在進行了這些測試測量的基礎上保證工藝文檔的記錄和可查閱可定量制造復制。只有建立健全了這些工藝流程和文檔記錄，才能保證電子專用設備的模塊化正常傳承。

2.2.4 滿足互換性

模塊化的另一個工藝特點是互換性強。便于集成和維護。模塊化設備子系統是由一些具有互換性的標準化或非標準化模塊（如：電源模塊）等集合而成，可直接更換模塊，大大簡化產品的維護和修理，可提高產品的維修速度，節(jié)約修理費用。在一種模塊成熟之后，系列化地完善該模塊的不同功能或者不同應用接口。例如：電源箱模塊的系列化，針對不同區(qū)域添加穩(wěn)壓或者UPS電源功能等。

最終，模塊化制造出來的產品可靠性高、成本低，能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾。而且各種模塊可集中在專門工廠或由專門技術工人進行專業(yè)化批量加工，可使單件小批量生產變?yōu)橄喈斉康囊?guī)模生產，傳統的以產品為單位組織生產的方式將變?yōu)橐圆考閱挝唤M織生產，解決了多品種小批量和大批量加工之間的矛盾。

3 電子專用設備模塊化實例

由于電子專用設備種類繁多，更新換代快，不同種類、同一系列間功能模塊的替代性較強，下面僅以某設備整體外罩模塊化過程為實例，目的是說明針對電子專用設備模塊化時需要的工藝特點來進行設計和制造。

該型設備在新機研發(fā)階段，仔細考慮了模塊化。研發(fā)初期，該設備的整體外罩被分為上、下兩個部分。由于上，下部分是分開設計和制造的。最后在裝配的時候，發(fā)現在連接上下部分的接口和連接外部系統的接口上都有一些問題。

最影響美觀的是由于上、下兩部分連接的接縫，還有門開關部分的剛性等都未能整體考慮，整個外罩給人感覺是拼湊和不結實，有些晃動。而且分開設計制造的加工周期比較長，最后裝配完成的效果還很不好。

在總結了這些工藝經驗后，小批量試制階段，專門將外罩作為一個整體模塊，對其進行了工藝特點的模塊化設計和制造。協調設計人員和加工，裝配人員都對整機的外罩提出了修改看法。最后將該外罩上下部分聯合制造。并在加工廠家聯合裝配，利用現場就地進行調整和外罩拼接，最終該設備成功地完善了外罩的設計，制造和模塊化工藝。利用這個過程中積累的經驗并作了詳細記錄。這樣，未來同類設備的外罩也能借鑒該工藝特點進行聯合制造、裝配和調試。

圖1 模塊化的某設備外罩

4 總結及展望

電子專用設備的模塊化工藝能夠縮短設計與試制周期、提高可靠性、降低成本、產品更新及維護更簡便等諸多優(yōu)點，因此模塊化一定是設備研發(fā)和制造的發(fā)展趨勢，是值得大力發(fā)展的一種集成基礎方法。

展望未來，利用機械模塊學理論的發(fā)展，隨著專用設備工藝學的逐漸完善，符合行業(yè)工藝特點的模塊化必將是促進電子專用設備乃至整個電子工業(yè)發(fā)展的有效方法。

[1] 劉健.模塊化產業(yè)組織的形成機制與發(fā)展路徑研究[D].北京：首都經濟貿易大學經濟學院，2012.

[2] 陳裕錦，江聲堂.電子專用設備模塊化設計的研究[J].電子工業(yè)專用設備，2010，39(4)：5-7.

[3] 楊樹芬，董學寧，邵新太，等.我國電子專用設備行業(yè)通用標準件工作研究[J].電子工業(yè)專用設備，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-），貴州人，工程師，從事電子專用設備研發(fā)9年。