新 SEMI 标准经批准用于不锈钢焊接应用;

新SEMI 标准经批准用于不锈钢焊接应用；
基于整个行业共识的焊接最佳做法
Sunniva Collins, Ph. D., 世伟洛克公司
Kevin Nguyen, SEMI
SEMI 国际标准项目（由SEMI提供的主要服务）为制订在时间上及技术上都很精确的规格以及对行业具有重要意义的其它标准提供了框架。

在过去的数年中，对于用于气体和液体分配元件和系统的不锈钢和其它耐腐蚀合金材料，与其成分、表面精度和质量、耐腐蚀性和焊接方法有关的标准进行了无数次的更改。

在以下标准中，每个标准都经过很重大的更改，或者制订了新标准以代替旧标准：
•SEMI F20-0704标准。

316L不锈钢棒材、锻件、挤压型材、钢板以及管材的规格，适用于在一般性用途、高纯度和超高纯度半导体生产应用中使用的元件。

与冶金洁净度要求和316L成分有关。

•SEMI F19-0304标准。

有关不锈钢元件与介质接触表面的表面状况的规格。

涵盖了表面质量及表面质量的测试，其中包括了表面的形态（物理）和化学质量。

•SEMI F77-0703标准。

用于腐蚀性气体系统的合金表面电化学临界点蚀温度测试的测试方法。

提供了关于与介质接触表面相关耐点蚀性的全新测试方法。

•SEMI F78-0304标准。

半导体生产应用中液体分配系统的钨级电弧焊接（GTA）方法。

提供了不锈钢和其它耐腐蚀金属及合金的钨级电弧焊接（GTA）工序。

•SEMI F81-1103标准。

半导体生产应用中液体分配系统的钨级电弧焊接（GTA）的目视检查和验收规格。

提供了不锈钢和其它耐腐蚀金属及合金的钨级电弧焊接（GTA）的目视检查和验收标准。

本文将着重介绍以上标准中的三个；包括焊接的最佳方法及测试程序（SEMI F78 和F81)；以及SEMI F20，因为其包含了实现成功焊接所需的有关材料成份要求的基本信息。

SEMI F78 和F81 代替SEMI F3，后者的起草比较仓促，仅包含有焊接最佳方法和测试方面的最简略说明和指导原则。

之前，有不同的焊接方法出现在不同的行业标准和公司标准中。

在同一家公司内发现有不同的焊接标准并不少见，因为不同的工厂会规定各自的做法和标准。

即使是在SEMI 标准范围内，焊接工序也出现在了一个以上的标准或文件中。

SEMI F78 和F81 将所有焊接及测试工序整合在了一起，从而能适用于多种用途，其中包括了在户外实验室、无尘室或元件生产过程中的应用。

从事半导体行业焊接的任何人只需要参考这两份文件就可以进行操作，不管他们是制造元件或组件，还是要在设备或设备连接上进行相关操作。

SEMI F78 和F81是长期协同工作的成果，在此过程中，专门用一段时间比较和调查了来自众多公司的焊接工序及测试文件。

这些书面程序中的精华部分在经过GTA焊接任务组（Welding Task Force）讨论和评估后，成为了SEMI标准。

SEMI F78 和F81的制订使这一行业的操作规范更加清楚明确。

虽然所有SEMI标准都是由相关组织自愿发起制订的，但这些焊接方法代表了整个行业范围内对确定合格焊接特性以及实现稳定、最佳焊接所必需工序的共识，从而能保持纯度并达到足够的焊接完整性和强度。

修订后的材料标准
已通过审批的F20修订本规定了冶金洁净度要求和316L不锈钢的材料成份，适用于一般用途元件、高纯度以及超高纯度化学（气体或液体）分配系统的生产。

该标准根据用途，规定了材料的三个等级。

一般用途等级材料拥有符合ASTM A 269 和ASTM A 632标准的成份，含硫量除外，最大含硫量要限制到0.012% 。

对于高纯度和超高纯度等级的其它成份要求列在表1中。

SEMI F20包含有两个重要的附录，其
中阐述了微量及残余元素（即硫和铜）对可焊性的固有影响。

表 1 高纯度成份要求316L
元素范围－重量%
碳最大0.030
硫最大0.010
锰最大1.5
铜最大0.302
铌最大0.05
铝最大0.01
钙最大0.02
钛最大0.02
硒最大0.02
表 1 提供了对高纯度和超高纯度等级316L不锈钢的成份要求。

含硫量对焊接的影响
AISI 型316L奥氏体不锈钢是半导体制造行业供气系统元件的最佳材料。

然而，影响316L生产和应用的数项特性会随含硫量的不同而有显著变化。

ASTM 等级的AISI 316L 可允许含硫量范围最大达到0.30%。

SEMI F20 可允许一般用途等级最大含硫量达到0.012% ，高纯度和超高纯度等级最大达到0.010%。

图1
图2
图3
硫在奥氏体不锈钢中具有非常低的可溶性。

在这些合金中，它会作为硫化锰的离散夹杂物存在，对铬及其它微量元素有一定的可溶性。

这些夹杂物会随含硫量的增加而在数量和尺寸上有所增长，从而形成凹陷和其它缺陷，导致耐腐蚀性下降。

另一方面，夹杂物也会提高不锈钢的机械加工性。

专门用于机械加工的合成物，其最大含硫量接近0.030% ，而含硫量非常低的不锈钢则需要较低的进刀量和速度，在加工过程中会导致刀具使用寿命下降。

硫还会严重影响不锈钢的焊接。

硫从极低含量到最大可允许含量上的变化能将焊缝渗入程度大约增加为相似焊接参数的一个两向因数。

一旦硫降至约0.005%以下，在焊池动态特性上就会出现有充分文件证明的变化，称为马朗戈尼效应（Marangoni effect），对流气流向外发散，从而产生更宽和更浅的焊池（图1）。

在这些低含硫量水平下，焊透焊接所需的供热会增加。

相反，当含硫量显著高于0.005%时，对流气流会从电弧向下流动，从而产生深度渗透（图2）。

此外，焊接两件含硫量截然不同的不锈钢时，会出现严重问题。

焊池会变得不对称，偏向含硫量低的一侧。

焊根可能会偏离接头处，如图3中所示。

通过将含硫量匹配在0.010±百分点范围内，可以将该效应减至最少。

含硫量上的较大差异需要对焊接设置进行调整，以实现对接头根部的焊透。

含铜量对焊接的影响
铜是AISI 316 中的残余或未规定元素，如果未加规定，根据航天材料规格AMS 2248E，可允许的最大含量为0.50% 。

SEMI F20 将含铜量限制到0.30%，这是因为可焊性上的影响。

铜不是316L的有意添加物，但会因所使用炉内填料的化合作用而出现，其主要是带有基本及母合金添加物的废料。

含铜量只能通过稀释，在熔料中减少。

随着时间的流逝，当有更多的废料进行循环使用时，残余的含铜量很有可能会增加。

铜是奥氏体形态稳定剂，现已表明，其可提高在氯化物溶液中的耐应力腐蚀开裂性。

一些最终用户会限制含铜量，因为铜是焊接污染或腐蚀的可能来源。

在焊接中，铜是表面活性元素（如硫、氧和硒），能对焊缝曲流产生重大影响。

它会挥发并再沉积在焊缝的下游，从而提供了一个在某些条件下会产生腐蚀的部位。

研究表明，含铜量的增加与焊缝曲流、熔渣与褪色之间有相互关联；此外，将氢气加入氩保护气体也会对可焊性产生不利影响。

以下在含铜量方面的研究成果提出了对SEMI F20的修订：
•存在着铜/硫相互作用。

铜对焊接的影响在含硫量低于0.010%时更为显著。

•焊接后的氧化会在氩气中含0.31% 的铜、0.010% 的硫时发生，但在氩气中含0.30% 的铜、
0.011%的硫时，合格焊接还是可能实现的。

•在含有0.41% 和0.47%铜的316L热管上，会发现有表面不合格的焊接，其焊缝曲流和铜会在HAZ再沉积。

•含有0.30%以上铜的热管可以在氩气中成功进行焊接，但可能会在氩/氢气中显示出焊缝曲流以及电极侵袭。

当保护气体氩气/氢气中的含硫量超过0.30%时，电极会遭受严重破坏。

焊接工序的新标准
在其首次会议上，GTA焊接任务组决定不修订SEMI F3（“焊接半导体生产应用不锈钢管材的指导原则”），而是用两个新标准取代它，其中一个确定焊接方法，而另一个则确定焊接目视检查的规格。

新标准将着重针对两类截然不同的受众：(1) 焊接工和焊接操作人员；以及(2) 质量保证/质量控制检查员。

任务组认识到，这两种受众群体必须能够进行有效的相互沟通。

各方都必须了解另一方的期望并拥有共同的语言。

因此，这两个标准是按同一种风格编写和展开的，其中有相互关联的部分，内容涉及目的、范围、限制和术语。

SEMI F81 特别提及SEMI F78作为评估所有焊接的基线：“焊接应依照SEMI F78中所述的程序和要求进行。

”
此外，SEMI F78 和F81增加了更多提供给焊接工和焊接检查员的信息及指导。

SEMI F3 仅有约3页的篇幅，而两个新标准合计则共有约27页的篇幅。

SEMI F3 是“指南”，根据SEMI的说法，是“选择方案或带有选择方案的指示，根据机会而定”，而SEMI F78 和F81 则具有更大的权威性。

SEMI F78 是“方法”，“确定的工序”，而SEMI F81 则是“规格”，其“规定了对产品或服务的要求”。

换句话说，新标准不是选择方案，而是具体规定的方法。

目的、范围、限制、术语
在两个新标准：SEMI F78 和F81中，每个标准都将其目的阐述为与用于半导体生产应用中流体（液体或气体）分配系统的不锈钢和其它耐腐蚀金属及合金（CRAs）的焊接相关。

范围在各个标准中也有相似的限定。

范围涉及到流体发配系统中不锈钢及其它CRAs的GTA乙炔对焊，其中包括卡套管、公称管、接头、组件以及容纳或分配流体的元件。

安全和保健程序不是两个标准的组成部分，尽管SEMI F78确实包含有一个附录，其中讲述了不锈钢、焊接烟气以及焊接工和焊接操作人员应注意的潜在危险。

这两个标准涉及到了奥氏体和超奥氏体等级的不锈钢或是耐腐蚀金属及合金，以及固体溶液等级的镍或钛合金。

焊接应用被限制在以下范围：
•GTA环形乙炔对焊要在直径6 inch.以下的元件上进行；
•自动化、机械化或机器GTA焊接工艺，以及
•在没有填料和助焊剂的情况下进行的焊接。

SEMI F78 和F81 参考了数个外部文件，这些文件可充当许多规定方法和工序的出发点。

特别值得注意的是来自美国国家标准学会(ANSI)、美国工程师协会(ASME) 的文件，尤其是生物工艺设备标准(BPE)，以及美国焊接协会(AWS)。

最终，SEMI F78 和F81 规定了在焊接工、焊接操作人员和检查员间使用的63个术语。

这些标准不仅规定了标准术语，如在ANSI/AWS A3.0 和ASME BPE中提到的那些术语，而且也规定了那些在现场常用的非标准术语。

标准与非标准术语相互参照，以清楚阐明。

例如，“晕圈”、“暗淡”和“回火色/颜色”每个词都规定为“因焊接工序而产生的褪色”的非标准术语。

“褪色”是对相对于基础金属色产生的任何
颜色变化的标准术语：“它通常与发生在焊缝区和热影响区上的氧化作用有关，氧化现象会出现在焊接接头的内外侧，这是焊接时加热金属的结果。

”根据标准的说法，“颜色可能会从浅蓝灰色变为深蓝色或是从浅黄色变为黑色硬皮涂层。

”
SEMI F78 焊接要求和工序
SEMI F78 描述了所有器械、设备、以及吹扫气体要求，其中包括与夹具、焊接头和电极有关的那些要求。

按照标准，所有无缝奥氏体不锈钢管材都要符合SEMI F20标准或客户要求的规格。

SEMI F78 需要一个准备试样或制作测试样本的过程。

在对具有新尺寸或壁厚或是含有新合金的材料进行焊接之前，应制作一个原始的标准焊接样本，并在工作现场进行切片和分析。

一旦发现其是合格的，所有基本变量都应在工序合格记录中备案。

样本现在成为了标准，可用以评判相同尺寸、壁厚及合金的其它焊接。

任何与样本具有显著偏差都被认为此次焊接不合格，要重焊。

试样应在所有班次的开始和结束时制作，只要操作人员发现有差异，或是出现以下任何情况时：
•焊接参数上的变化。

•材料上的变化（熔炼炉号）。

•卡套管尺寸或壁厚上的变化。

•设备上的变化，如焊接头或焊接头伸长件。

•外界温度的变化，/ –20ºF ( / –11ºC)。

•电源的变化或是加长或缩短延长线。

•内径或外径吹扫气体上的任何显著变化（来源或流量）。

SEMI F78 详细阐述了接头准备、卡套管清洁以及吹洗的工序（其中包括根据卡套管尺寸和壁厚而建议的吹洗设置）。

并为无尘室焊接和现场安装拟定了特别的协议。

同时，还阐述了焊接后的检验标准和程序。

此类程序要由焊接工或焊接操作人员在所有焊接上执行。

标准要求每天填写包含焊接结果的日志。

图4提供了该流程的总结性概览，流程应得到遵守以确保焊接质量稳定、合格。

SEMI F81 新要求、检查工具及方法
图 5 图 6
SEMI F81中有一个要点是关于目视检查的工具及方法的。

在一种放大倍率下认为是合格的焊接可能在更
高的放大倍率下会显示为不合格。

可接受的工具、放大倍率以及照明应由供应商和买方规定并取得一致意见。

标准提供了以下样例：
•工具：观察管、刚性管道镜、油标卡尺、V形挡块、千分表和比较仪。

•放大倍率：放大镜、光学显微镜（2倍到40倍）。

•照明：手电筒、明亮的荧光灯光、自然（外界）光、白纸（用于背景照明）。

图7
SEMI F81-1103 提供了评估焊接的专门标准。

所有焊接都应显示围绕整个内表面的完全渗透，并有统一的渗透和焊缝宽度。

在放大倍率下，应没有可见的表面裂纹、气孔和夹杂物。

报废品的样例应包括下列缺陷：
•在焊接上任何点的最小壁厚T min均低于母材的壁厚；
•咬边和中心线收缩（图5 和6）；
•内径凹度（图7）；在1inch.（25mm）以上的管材上，外径凹度超过标称管壁厚（T ）的10%。

•在1inch.（25mm）以下管材上的外径凹度。

•外径凸度超过标称壁厚的10% 。

•内径凸度超过标称壁厚的10% 。

•最小内径焊缝宽度不是标称壁厚T的1.0 倍。

最大内径焊缝宽度应是标称壁厚的2.5倍。

在任何单个焊接中，最大内径焊缝宽度不应为最小焊缝宽度的1.25倍。

•内径和外径焊缝曲流超过标称壁厚的35%。

•在不带放大倍率的情况下查看时，在内径焊根表面上有气孔、夹杂物或熔渣。

（在下坡末端处的小熔渣夹杂物，如果直径小于标称壁厚T的10%，则不会影响焊接的完整性，这是可以接受的。

）•外径焊接面宽度不是最少为标称壁厚的两倍。

•焊缝重叠沿整个长度（下坡除外）不是最少为外径上有80% 和内径上有70% 。

•在外径或内径焊缝上或周围，不能完全消灭且无法检测到临时点焊。

•当在明亮的荧光灯光下，不用放大倍率进行查看时，在卡套管内径或焊接内径上有可见的褪色（仅限于高纯度和超高纯度系统；2 inch.以上直径，浅蓝色是可以接受的。

）外径焊接面上的氧化（浅黄色除外）是可允许的－在焊接后立即用不锈钢钢丝刷去除，除非最终用户禁止这样做。

•轴向误差超过标称壁厚的10% 。

•角度误差超过±1/2 度（1/8 inch./ft）。

•焊接下坡未出现或未达到可防止在焊接末端出现凹坑的足够长度。

内径下坡和外径下坡之间的距
离应最少为标称壁厚T 的3倍。

结论
SEMI F78 和F81，连同对F20的修订，是半导体行业发展进程中非常重要的几步。

污染和腐蚀是半导体行业中极受关注的问题－随着管线宽度的持续收缩以及新流程被应用到管线上来，这种情况还将持续下去。

GTA 焊接涉及到了做法和程序－变量－在方程式中。

系统化、标准化的方法，如同在这些标准中所概述的，确保了人为错误会被保持在一定限度，而不成功的焊接则被理解为特殊可确认变量的结果。

关于GTA 焊接的SEMI 标准是非常有用和详尽的，旨在提高每日应用中的焊接质量。