摘要：半导体专用设备是半导体产业发展中的重要一环，关系着芯片设计、晶圆制造和封装测试等等各个环节的质量与效率。为确保半导体产业的健康发展，需做好半导体专用设备中机械结构的方案设计。文章首先介绍半导体专用设备中机械结构设计需从系统化、结构模块化等方面出发，并指出未来发展前景。

关键词：半导体专用设备;机械结构;方案设计;发展前景

SEMI的统计显示中国在2020年半导体设备销售规模187.2亿美元，中国电子专用设备工业协会数据统计显示，中国在2020年国产半导体设备销售额约为213亿元。中国半导体设备市场广阔，具有良好的发展前景。但半导体专用设备对质量要求较高，所以要做好机械结构设计，确保设备的综合性能。尤其是在半导体专用设备不断更新换代背景下，设备性能愈加复杂，这就要求设计者在机械结构时，必须转变思维理念，利用计算机等先进技术，提升设计水平，提升半导体专用设备的整体质量。

1.半导体专用设备中机械结构的方案设计

1.1系统化设计

半导体专用设备中机械结构的方案设计中，是有若干系统共同组成方案，每个系统彼此之间相互独立又保持联系，在方案设计时，需结合所有要素，确保能有效完成系统设计任务。设计元素法、构思-设计法等是比较常用的机械结构设计应用系统设计方法。功能、效应载体、等是设计的主要元素。在确定元素后，要确定产品设计特征与特征值[1]。设计可按照图形建模划分为信息交换与辅助方法，在系统结构设计与功能关系设计时，能实现图形建模。构思与设计是构思-设计的两个要点，结构需合理选择，并能将结构示意图得出。在系统化设计时，如果采用矩阵设计，功能间的关系可以通过“要求-功能”逻辑树进行描述，通过关联矩阵建立，满足所需功能矩阵，提升设计的整体水平。在对元件功能进行解释时，可以使用键合图法予以表示，设计方案确定后就可以完成设计任务。

1.2结构模块化设计

结构模块化设计优势显著，能缩短设计周期、保持稳定的产品性能、知识管理集成，在半导体专用设备中机械结构的方案设计中，发挥着重要作用。结构模块化设计的步骤为：第一，系列模块设计。设备的功能与相应模块设计，要利用计算机进行市场调研，并针对用户需求确定相应参数[2]。确定参数后及时模块切分，然后进行模块结构设计。第二，单个产品模块化设计。系列模块设计是单个产品模块化设计的基础，在设计中参数确定、模块的选择要以用户需求为出发点，保证模块的最佳使用性能。使用计算机辅助技术进行模块化设计，在Solid Works、CAPP等辅助技术的应用下，能保证设计工作的稳定与条理性。计算机辅助技术的应用，能极大提升机械设计质量与效率。通过Solid  Works系统的应用，能提供参数化设计功能，实现参数的可视化处理。在机械设计时，利用Solid Works能绘制图纸，对图纸进行管理，同时还有零件类别、材料等查询与统计功能[3]。

1.3智能化设计

在半导体专用设备中机械结构的方案设计时，结构件是由多个零部件组成，要求能确定不同零部件的形状、尺寸与位置关系，不同结构件之间的连接也是要点，在不同零部件的连接下，能发挥设备的整体性能与作用[4]。结构设计中，材料也是关键所在，不同材料性质不同，对加工工艺要求也存在较大不同，为有效发挥材料的作用，需合理选择材料并科学加工。机械结构设计要实现之鞥会，保证功能、质量符合要求，而且要改变传统设计理念，创新设计手段，提升机械结构的设计水平[5]。比如在设计时可以选择遗传算法的实现技术，该技术的应用能进行参数编码、初始群体选取、遗传操作等各项功能。对算法运行效果的诸多影响因素中，编码选择十分重要，选择实数编码，在计算器的应用下，能直接反映设计空间。在结构的拓扑优化与形状优化中，遗传算法发挥着重要作用，可以在对结构拓扑进行处理过程中，自动优化形状。

1.4基于产品特征知识设计

在产品设计期间，可以分为多个阶段，需经历需求分析、概念设计、具体设计等不同阶段。在产品设计周期内特征是十分重要的概念，可以对信息进行完整描述，描述的信息有几何与非集合信息[6]。半导体专用设备中机械结构的方案设计期间，从产品特征知识设计出发，确保设计的整体质量。在设计时产品特征可通过计算机进行识别与描述，并借助设计领域的知识与经验，对知识库与推理机制进行建立，然后对产品方案进行设计。从设计角度出发，可以将特征分为功能特征、设计特征、技术特征等几个方面。

2.半导体专用设备中机械结构方案的发展前景

半导体设备行业的发展，未来技术发展向精细化方向发展，世界芯片工艺水平目前已跨入微纳米级别，光刻胶的波长也开始向g线（436nm）、i线（365nm）等发展。半导体专用设备中MOCVD、光刻机、刻蚀机等处于垄断地位，美国、荷兰与日本占据绝对话语权。在半导体产业的整个生产链中，半导体设备发挥着重要作用，未来在人工智能、5G等先进技术的快速发展应用下，半导体市场对半导体专用设备的需求将不断增加，对半导体专用设备中机械结构方案的要求不断提升，在机械结构设计中的发展前景主要表现为以下几点。

2.1方案设计发展前景

异地协同方法在未来的方案设计中会得到广泛运用，在产品设计中能实现“功能需求-设计-加工-成品”的一体化设计，并能实现产品设计的实际需求。产品设计中在现代科学技术的应用下，能实现三维可视化。在设计时可以使用3D可视化设计思路与技术。通过3D编辑器与智能实验室的三维可视化平台的结合，能具备以下几个功能：

（1）全局自动巡检可视化。画面可以在页面初始化后自动智能巡检;（2）告警可视化。工作人员在设计过程中，能通过告警可视化，及时发现设计中存在的问题，并予以纠正;（3）任务可视化。能在任务可视化帮助下，对未来设备制造的进度进行判断;（4）设备动画。通过三维场景，可以对整个设计过程进行演示，并能对设备在制造过程中的细节、参数等进行确定。

半导体机械结构方案设计过程中，计算机辅助、智能化设计的应用会成为主流，虽然这些方法在方案设计中起步较晚，但随着研究的不断深入，能加大对计算机实现方法的广泛应用，不断提升设计水平。常用的设计技术有机械设计、网络技术等。比如可以使用数据库技术，将应用程序层接口接入数据库，可以在设计时以OLEDB为基础，数据资源可以通过OLEDB的支持提供高性能的访问，非关系型数据库、问卷系统等都属于数据源。方案设计时，可以在数据技术应用下，使用最少的网络流量，同时在操作时相对不仅简单，且磁盘遗迹小，内存支出较小。

2.2仿真技术的应用

现代计算机技术是仿真技术的基础，数据模型的建立开对具体流程进行优化，及时发现设计工作中存在的不足与漏洞，然后保证各项工作的有效开展。半导体机械结构方案设计中会涉及不同的专业，且具有较强的复杂性，通过仿真技术的有效应用，能确保半导体机械结构方案设计的整体质量与效率。

对于半导体机械结构方案设计而言，仿真技术的应用十分重要。是提升方案设计效果，提升设备性能的关键所在。半导体机械结构方案设计中仿真技术的有效应用，具备分布性、集成化、应用范围广的特征。在复杂数据分析中，可以使用仿真技术。在机械方案设计中仿真技术的应用，能确保模型建立下，并能将复杂的问题简单化、层次化处理，提升设计质量与效率。在设计过程中，由于不同环节与细节，精细化要求较高，所以通过仿真技术的有效由于，能避免一些不良问题的发生，确保设计的便捷性与整体质量。

2.3考虑成本的设计准则

成本是半导体机械结构方案设计期间必须考虑的要素，如果在设计期间，或者设备制造过程中会消耗大量资金，这时就要对成本进行合理考虑，要简化产品，便于维修操作。对产品功能进行分析权衡，对于相同或者相似功能进行判断，将不必要的功能要及时消除，对产品与维修操作进行简化。在设计过程中设备结构要在满足规定功能基础上，尽量简化，要对产品层次和组成单元数量进行减少，对零件形状予以简化。调整机构需简单而可靠，当有因磨损或飘移等原因引起的常见故障时也能有效排除。如果是贵重件，但属于易磨损位置，可对部件进行优化组合，使用可拆卸组合，这样也能对局部进行合理调整与修复。各组成部分的位置需合理安排，要对连接件、固定件等数量进行控制，在保证安全与质量基础上，要以便于维修为前提。

2.4注重工艺流程优化与控制

半导体专用设备中机械结构的方案设计必须按照一定的工艺流程进行，要按照工艺流程进行设计，确保设计的整体质量与效率。第一步：设计任务，按照用户需求及技术等各个方面的要求，确定设计任务，制定可行性报告方案;第二步：设计方案：按照产品功能及综合分析平均等，制定设计方案;第三步：技术设计，设备是有不同的零部件组成，在这个阶段要求对产品的参数、材料等进行确定与控制，并能通结构设计、环境系统设计等确定设计技术;第四步：施工设计，这部分内容包括总装配草图分拆零件图、零件工作图等组成;第五步：改进设计，通过对设计进行改进，细化与优化方案;第六步：定型设计，对于一部分比较简单的环节与设备可通过定型设计，省去初步设计程序。

3.结束语

半导体专用设备中机械结构的方案设计及发展前景的分析，旨在指出当下在机械结构设计中不同方案的特点，并对未来机械结构的方案设计及发展前景进行分析。半导体行业属于高新行业，我国在该行业不断投入资金与技术，希望能突破行业封锁，早日实现自主研发。在半导体行业发展中，专用设备十分重要，但由于专用设备的机械结构设计是一项专业性要求较高的工作，所以在设计过程中不仅要要求设计人员具有较高的专业素养，还要积极使用先进技术，提升设计的整体质量。

参考文献

[1]杨英， 岳远霞. 电子显微镜中原位外场加载下半导体纳米材料结构演变研究——评《基于原子力显微镜的纳米机械加工与检测技术》[J]. 电子显微学报， 2019， 38（6）：2.

[2]刘芙蓉， 盘潇潇， 李宜全，等. 高温水环境下摄像头机芯的半导体冷却结构和实验研究[J]. 三峡大学学报（自然科学版）， 2019， 041（002）：93-96.

[3]胡烨，贾耀曾. 机械制造加工设备零件松动自动化检测技术研究——评《机械零部件结构设计及计算实例》[J]. 机械设计， 2020（10）：1.

[4]张勇， 汪承研. 基于重复控制的半导体巨量转移设备高速高精定位方法研究[J]. 机电产品开发与创新， 2022， 35（1）：3.

[5]仇伯仓， 胡海， 汪卫敏，等. 12 W高功率高可靠性915 nm半导体r激光器设计与制作[J]. 中国光学， 2018， 011（004）：590-603.

[6]孟帅， 贺利乐， 郭明玄，等. 90°弯管内壁堆焊机械臂的结构设计及运动分析[J]. 自动化与仪表， 2018， v.33;No.242（05）：70-74.

作者简介：郑冬（1989，11），男，汉族，湖北随州，技术经理，专科，楚赟精工科技（上海）有限公司，半导体设备机械设计与制造。上海浦东200120