光刻機機箱EMC電磁兼容解決方案

胡廣領

摘? 要：光刻機是一種高度精密、高度集成，包含很多電力電子器件的設備。其主要控制器件幾乎全部集成在各種機箱里。因為各種元器件安裝密集度很高，導致各種電力電子器件之間的電磁干擾問題越來越突出，嚴重影響光刻機整臺設備的性能和MTBF指標。因此，光刻機的機箱必須具有較高水平的電磁兼容能力，才能保證整臺設備的EMC性能，所以解決光刻機各種機箱電磁兼容性是刻不容緩的一個課題。

關鍵詞：光刻機;EMC;EMI;屏蔽;濾波;接地

中圖分類號：TN03? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0126-02

Abstract： The lithographic machine is a device that is a kind of highly sophisticated and highly integrated and contains many power electronic components. Its main controllers and monitors are installed in various chassis. Because the integration density of various components is very high， the problem of interference between various components is becoming more and more prominent， which seriously affects the performance of the lithography machine and MTBF indicator. Therefore， the lithography machine's chassis must have a high level of EMC capability so as to ensure the performance of the whole equipment.

Keywords： lithographic machine; EMC; EMI; shielding; filtering; grounding

引言

目前，光刻機要用到很多控制機箱和驅動機箱。機箱內部集成元器件種類和數量繁多，布局緊湊和密集。大量功能各異的元器件集成在狹小的空間內，導致維護空間非常有限，特別是機箱內元器件與機箱之間通過線纜接插件連接，有一些線纜的連接方式為繞線或焊接，造成電氣元件裝配和維護困難，使得設備間的電磁干擾問題特別突出，從而降低光刻機的性能和穩定性。此外，現有機箱尺寸規格基本都已經標準化、模塊化，且有較大的批量和穩定的生命周期的產品，需要更進一步提高機箱電磁兼容性。

1 光刻機設備主要具有以下特點

（1）安裝密集度高。光刻機技術本身要求，其內部元器件的安裝非常緊湊，并且很多功能和性能要求各異的組件集成在狹小的空間內，導致各分系統之間電磁干擾尤為突出。

（2）強弱電信號共存。光刻機幾乎包含有十幾萬種元件，同時要處理各種模擬、數字、光等弱信號。配電回路、變頻器、伺服驅動的輸出回路等強電回路對外部電子電路信號造成干擾，弱電信號又極易被干擾。

（3）電壓電流相差大。光刻機各系統充分利用電力資源，占用了從交流到直流的很多個頻帶。電流從幾百安培到幾毫安培，大電流和高電壓對旁邊的各分系統弱電電流信號造成強烈干擾。

（4）公共電源和接地線。光刻機各子系統平臺上的各分系統通常共同使用電源和接地線，因此，電源之間耦合和接地線之間耦合，也要能正確處理。

由于以上這些特點，光刻機各子系統電磁兼容設計比一般的電子設備更為復雜和困難，電磁兼容性更難達標。

2 光刻機機箱的電磁兼容問題解決方案

光刻機機箱設計首先要遵守常規的EMC設計原則，然后，再根據具體的問題采取相對應EMC措施處理，主要從以下幾方面：供配電回路、箱體結構屏蔽、電路設計、整機接地等方面。

2.1 供配電回路

供配電回路主要是機箱供電電源。機箱電源有三相交流電源和單相交流。機箱供電電源需要安裝濾波器。其濾波器輸入端線纜和輸出端出線纜分開，保持一定距離，絕對禁止捆綁在一起。濾波器殼體要大面積接地。機箱電源進線要直接接到濾波器輸入端，并且距離最短，單相交流供電時可采用IEC濾波器（見圖1、圖2）。

該濾波器結構形式是無源回路結構，可以雙向隔離濾波，可以過濾外部干擾進入機箱內部，又防止內部干擾源往外擴散，其作用是濾除高次諧波干擾，對低頻段干擾基本是無效的。

變頻器的動力輸出回路的輸出濾波也非常重要。對于驅動器當載荷功率變化時，導致電流、電壓頻率變化，進而造成外部回路波動。在驅動器動力輸出回路并聯電容濾波器，利用的電容儲能作用，使回路波動變化平穩。

2.2 隔離變壓器

使用交流供電時，在安裝空間和成本允許下，盡量使用采用初級和次級線圈有屏蔽隔離層的變壓器。這種變壓器具有改變壓、防止接地線環流、良好的防護、增強共模干擾抑制比等作用。隔離變壓器和電源回路濾波器作用起到互補作用。

2.3 正確選擇AC/DC電源

各分系統使用的AC/DC電源有開關電源和線性電源兩種。開關電源對外來干擾有一定的抑制能力，但對外的輻射和傳導過大，致使在EMC試驗時，不能過發射測試。因此，在低功耗回路里，盡量不用開關電源，而選用性能較好的線性電源。

3 箱體屏蔽

箱體結構電磁屏蔽處理是防止機箱電磁干擾最基本和最有效的辦法。外部線纜路徑布置也間接與機箱屏蔽有關，因為電纜是要通過機箱進出，強電電源線纜、驅動電機線纜、控制信號線纜、通訊線纜分開鋪設，做一定的隔離或分開一定的距離。

（1）確保屏蔽回路導電連續性。機箱對于重量相當敏感，機箱材料基本全是5052和6063合金鋁板材，在板卡面板與面板之間采用屏蔽條，減少縫隙，板卡導軌上裝有接地掐片。板卡面板外表面做陽極氧化處理，增強耐磨、耐臟，內部和上下、左右側面進行鉻酸鈍化處理，增強導電性。（2）機箱各種安裝孔。箱體上的各種孔主要用來安裝儀表、傳感器、開關按鈕、指示燈、接插件等元器件。箱體屏蔽效果與開孔大尺寸有密切關系，與開孔面積基本沒有直接聯系。因此，在設計中盡量開圓孔，其次考慮是開方孔，盡量避免開長腰孔。（3）縫隙深度。增加箱體各結構件之間的縫隙深度，也可以增強箱體屏蔽效能，在填充各結構件之間的縫隙，在接縫隙處加裝導電橡膠襯墊，其壓縮量應該壓縮原有高度的30%～40%范圍以內，屏蔽效果可以降低5～10dB。

4 電路設計

電路設計包括：電氣和電子原理性設計、元器件選型及元器件布置設計。所有元器件要合理選型。電氣元件和電子元件布置是要嚴格分離布置或隔離，避免強電回路對弱電回路的干擾。同類元器件附近區域不允許放置不干的高速器件和敏感器件，否則就需要在該區域采取相應的措施;正確處理進出機箱的線纜，否則會影響機箱屏蔽效果。因此，連接至機箱接插件連接外部線纜必須使用有金屬屏蔽層線纜，并且線纜的金屬蔽層與箱體保持導電連續性。

4.1 接插件處理

接插件選型符合相關標準規范有屏蔽作用的接插件。箱體安裝的接插件接觸表面不能有絕緣漆膜或絕緣涂塑層等。配有屏蔽作用附件的接插件，確保電纜金屬屏蔽層和接插件外殼有良好的導電連續性。

接插件金屬外殼與箱體接觸面必須良好的電連續性，線纜端部金屬屏蔽層與接插件做360°連接，且連接阻抗不大于1mΩ;（塑料機殼不選用帶屏蔽的聯接器，或聯接器金屬殼懸空）;反之，則需要接插件外殼四周有向上簧片，以確保與箱體間有良好的接觸。

當一個接插件里存在不同類型的信號時，比較敏感的信號之間必須用接地管腳隔離開。

4.2 系統間線纜

各分系統內部有很多來自外部的微弱控制信號和通訊信號，所以各分系統這些信號經常成為最易遭受外部電磁干擾的薄弱環節。還有一些傳感放大器信號類型有單端輸入式和差分輸入。各分系統內部傳感器線纜全部采用雙絞屏蔽輻射交聯氟塑料護套電纜，屏蔽層根據線纜所載信號的性質選擇接地方式。所有線纜在進入機箱后通過反饋式濾波器或片式三端濾波器濾除高次諧波干擾信號;差分信號線纜使用共模扼流圈濾除共模干擾信號;并且線纜選用雙腳屏蔽。

當同一根電纜線里存在不同類型的信號時，禁止將不同類信號線芯互相絞在一起，同時也要盡可能避免使它們緊挨在一起。

整機正確接地也是保障光刻機電磁兼容性的主要措施之一。為了達到預期設計的屏蔽效果，光刻機外部防護體也應有足夠的屏蔽效果，將干擾信號衰減到最小，滿足各系統之間達到最大的電磁兼容。整機和各分系統之間，在設計標準允許內的電磁環境中，不降低整機工作性能和MTBF指標;同時，整機所產生的對外干擾不大于設計標準的最大值，以免影響其它機臺相應指標，從而達到所有機臺之間互不干擾、共同運行的目的。

5 結束語

當設計一臺光刻機時，項目設計人員要在前期項目規劃設計時就要全方位考慮整機的電磁兼容問題。如果忽視了這一環節，到光刻各分系統總裝和集成調試時，干擾問題會全面顯露出來，而且處理難度也很大，費用也很高。因此，前期項目規劃設計解決電磁兼容問題是最佳時期，而且會最大程度的降低項目成本。

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