全自動太陽能硅片清洗機的研制

孟 超，胡子卿，常 志，時 璇，申璐青

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

全自動太陽能硅片清洗機工作原理是利用超聲波滲透力強的機械振動沖擊硅片表面并結合清洗劑的化學去污作用達到對硅片表面附著的碳化硅、硅粉、金屬粉末、油污、懸浮液等雜質的清除，從而獲得表面潔凈的硅片[1]。隨著太陽能行業(yè)的高速發(fā)展，清洗技術的不斷進展，對于太陽能硅片清洗設備的要求也將日益增加。在我國正在逐步成為“世界加工廠”的今天，太陽能清洗設備將擁有一個廣闊的市場。工業(yè)產品的生產過程中，工件的污染程度將直接影響到產品的品質和性能。國外已經認識到工業(yè)清洗的重要性，如德國的RENA、SCHMID 等公司其技術已經相當成熟。近年來，巨大的市場需求，使國內清洗行業(yè)也在太陽能硅片清洗方面投入了極大的興趣和關注。為了滿足客戶越來越個性化的需求，生產廠家都在不斷的開發(fā)新的產品，增加規(guī)格和款式等以適應市場需求[1]。

1 設備的清洗工藝

全自動硅片清洗機主要以超聲波清洗為主，以鼓泡和拋動清洗等工藝為輔助手段。利用超聲波滲透力強的機械振動沖擊硅片表面并結合清洗劑的化學去污作用達到對硅片的清洗，清洗作用力均勻，清洗潔凈度高，清洗效果好，可有效去除硅片表面的雜質。

工藝流程：上料(浸泡)→超聲清洗（擺動+ 加熱+ 鼓泡）→超聲堿洗（擺動+ 加熱）→超聲漂洗（擺動+ 加熱）→慢拉脫水槽（加熱）→烘干→下料（手動）

對工藝過程所作的調整是多種多樣的，其中包括機械手傳送的速度、超聲清洗的時間、氮氣鼓泡的氣體流量、拋動系統(tǒng)的頻率、溶劑的溫度、烘干系統(tǒng)的溫度等、超聲漂洗用水的流量等。對于客戶來講，主要應考慮設備生產硅片的能力，保證能滿足生產要求；同時應降低能耗，在保證硅片清洗干凈和烘干的前提下，通過溫控系統(tǒng)調整溶劑和漂洗水的溫度，以及烘干的溫度和時間。

2 設備整體結構

上料臺全自動硅片清洗機是按照一定的工藝要求，由機架、懸臂機械手、上料臺、各種超聲清洗槽、拋動機構、慢提拉系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、抽風系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等構成一個多功能的完整設備。該設備適用的硅片規(guī)格：125 mm×125 mm ，156 mm×156 mm。如圖1 所示。

2.1 機架和槽體的設計

圖1 全自動太陽能硅片清洗機整機結構

考慮到太陽能硅片清洗時所用的溶劑為堿溶液，為了提高設備的耐腐蝕性，槽體所用的材質為優(yōu)質不銹鋼。機架的整體材質為碳鋼，并用瓷白色PP 板進行包覆，不僅滿足了設備的強度要求，而且達到防腐蝕的目的，并降低了成本。為了降低能耗，槽體的外部包覆有保溫棉，減少了熱量的損失；同時槽體有溢流功能，采用逆流水洗的清洗工藝，減少了廢水的排放量。

2.2 懸臂機械手設計

機械手的作用是把裝滿硅片的籃具在不同工位之間進行搬運，除上料工位需要人工放置籃具外，其余的動作過程都是有機械手來實現(xiàn)的，充分發(fā)揮了設備的性能，能極大的提高生產效率。如圖2 所示。

圖2 全自動太陽能硅片清洗機懸臂機械手結構

機械手的橫向運行動作采用的是齒輪、齒條結構，配有導向軸；縱向提升動作采用的滾珠絲杠結構，配有導向軸。此結構的設計保證了機械手運行時噪聲小，籃具能平穩(wěn)傳輸，從而降低了硅片的碎片率。采用交流伺服電機，保證速度可調，滿足了機械手動作的工藝要求：橫向運行速度6～8 m/min；縱向提升速度3～4 m/min。每個工位都安裝有傳感器，當機械手快速接近目標位置時降低速度，實現(xiàn)緩慢靠近，以便保證籃具內的硅片不會有很大的晃動。

機械手脫鉤的動作是由氣缸來完成，氣缸帶有調速閥，可以調節(jié)動作的快慢。在運行中，機械手有可能出現(xiàn)動作失誤，將籃具放置在錯誤的位置，造成硅片碎片。為了防止這一后果，機械手的臂做成活動的并裝有微動傳感器，當動作出現(xiàn)錯誤，臂就會被頂起，微動傳感器就會感應到，機械手停止工作。

2.3 拋動機構設計

在設計時考慮到超聲波以正弦波向上發(fā)射，在波峰和波谷處作用力強，而在節(jié)點處作用力弱的特點，造成硅片局部清洗不干凈。針對這些特點，在設計時為了消除超聲的忙點，加入了拋動機構。拋動機構由減速電機、偏心輪，軸承、架體等組成。使清洗工件產生上下運動，拋動行程為50 mm左右，頻率約為18 次/min。

2.4 烘干系統(tǒng)設計

烘干系統(tǒng)的目的是把清洗干凈的硅片烘干。為了減少烘干系統(tǒng)內的熱量損失，烘箱采用內、外層為不銹鋼鋼板，中間填充保溫棉的結構；兩側并安裝有自動門，由氣缸推動，當籃具進入烘箱內及時把門關閉。在烘箱頂部安裝有熱風裝置，該裝置由風機運作將加熱后的熱空氣對工件吹風。

2.5 控制系統(tǒng)設計

電氣系統(tǒng)控制是整個設備的重要部分，編程安排系統(tǒng)在各個清洗槽的運動時序、控制閥門以及清洗工藝模塊的工作狀態(tài)[3]。盡管該設備運行簡單，但是根據不同的工藝要求，需要完成不同的動作時序，因此需要能夠修改工藝流程和運行參數(shù)，使整個控制系統(tǒng)具有較強的可調性。為此選用工程控制常用的可編程控制器PLC、觸摸屏等主要控制系統(tǒng)。如圖3 所示。

采用“歐姆龍”PLC 可編程控制器控制全操作過程，既可全自動操作，也可手動操作。在自動模式運行下，操作人員只需要手動上、下料即可，其余過程設備將自動運行，實現(xiàn)自動清洗。在自動模式下，操作人員可以手動更改工藝，以及控制設備的運行[4]。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)中，主要通過觸摸屏來更改清洗的相關參數(shù)：清洗時間、機械手運行及停頓時間、溫度的高低、上下料的節(jié)奏以及烘干的溫度等等。PLC 根據更改過的參數(shù)，發(fā)出控制指令，進行硅片的清洗完成全過程。

3 影響清洗過程的關鍵點

（1）設備運行的平穩(wěn)性。由于太陽能硅片既薄又脆，小的振動都可能使它破裂，所以設備能否平穩(wěn)運行是一個最基本也是很重要的問題。要解決這一問題，首先要保證設備的機械機構設計合理，在運行中不能有大的振動。除此之外，還要通過PLC 來控制伺服電機，調節(jié)機械手運行的速度以及就位時的速度，使籃具就位之前有個減速的動作，避免機械手突然停住而引起籃具晃動。

（2）超生清洗的時間。超聲清洗的時間長會得到質量較好的硅片，但是會影響設備的生產率，同時也會浪費能源，比如耗電、廢水、溶劑等。但是清洗的時間短，就得不到高質量的硅片，所以工藝時間的選擇很重要。為了加強超聲清洗的效果，設備在上料臺加了浸泡的功能，使硅片在清洗之前先除去一些表面的雜物；同時加了拋動機構，使籃具在清洗時有上下動作，避免在清洗時有死角存在。

（3）烘干系統(tǒng)的溫度及時間設定。烘干系統(tǒng)是把清洗過的硅片進行烘干。提高烘箱內的溫度和延長烘干的時間都可以達到這一目的。但是，溫度過高會極其耗電，浪費掉大量的能源；而延長烘干的時間，會影響設備的清洗節(jié)拍，降低生產效率。所以在生產的過程中就要調整烘干的溫度和時間，使設備滿足生產工藝的前提下，盡量降低烘箱內的溫度，以此來達到節(jié)能減排的目的，提高企業(yè)的利潤。

4 結束語

合理的機構是一臺設備最基礎的保障，隨著科技的進步，新的器件、材料以及控制技術都會不斷涌現(xiàn)，設備的性能會更加優(yōu)良。同時良好的工藝會滿足生產的需要，也會為企業(yè)節(jié)約成本。設備的每一個環(huán)節(jié)都可能對生產的結果造成影響，只有通過加強工藝分析和質量意識，才能生產出一流的設備。

[1] 張允誠，胡如南，向榮. 電鍍手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社1998.

[2] 席偉，陳軍，管良梅.多品種小批量SMT 生產[J].電子工藝技術，2012，33（4）：226-228.

[3] 張熙. 離心清洗在印制電路板清洗中的應用[J]. 電子工藝技術，2012，33（4）：222-225

[4] 張凌云. 印制電路組件的清洗工藝[J].電子工藝技術，2009，30(4)：206-209.