針對大直徑石英管拉制的扶輪機構

安城，劉曉光，薛志剛，王文玉，王帥，王欣

（久智光電子材料科技有限公司，河北 廊坊 065000）

現如今，半導體科學在國民經濟的各個領域得到了廣泛的應用，由此而生的半導體行業也自20世紀以來取得了長足的發展，近幾年，我國也一直在扶持國內的半導體行業，因此，半導體行業有著廣闊的發展前景，同時，在日益嚴峻的市場競爭下國內半導體行業晶圓尺寸也越來越大，已由8寸向12寸發展，由此相應的石英器件也隨之增大，因此，大直徑管材有著強烈的市場需求。同時，如何降低大直徑石英管的生產成本也成為各石英管生產企業的研究方向。

1 問題背景

本文主要是針對無接觸拉管設備中扶輪機構的改造，無接觸拉管設備簡圖如圖1所示。無接觸拉管法生產石英玻璃管時，要將石英玻璃砣做成空心石英玻璃錠，內外兩個表面都要進行細磨。拉制時，要將空心內部通入氣體，通過調節拉管速度及管心內氣體的壓力大小可以控制玻璃管內徑和壁厚。

如圖無接觸拉管設備主要包括：（1）續料系統；（2）加熱系統；（3）導拉系統以及配套的水路系統和氣路系統。其中，導拉系統中扶輪位于爐口正下方，當融化的石英玻璃管從爐口流出時直徑較細通過扶輪機構夾持，保證引料管與爐口同心避免產生彎管、斜管等現象，進而當管進入拉管機后才能保證拉管的正常進行。由于石英玻璃管的成型是一個緩慢的過程，直徑由小逐漸增大，當拉制大直徑石英玻璃管時更是要求扶輪機構能夠有效加持直徑范圍更大的石英管材。

圖1 無接觸拉管

此外，由于扶輪機構還起到定心作用，故需要兩扶輪能同時手動開啟，自動同步閉合，在拉制過程中，能隨石英玻璃管管徑的變化自動變化夾持直徑。

2 扶輪機構設計

扶輪機構結構圖如圖2所示。

圖2 扶輪機構

2.1 扶輪機構的傳動結構

該裝置主要動力方式為2手輪絲杠滑塊機構，通過11滑塊連接板與3扶輪座相連，轉動手輪可使扶輪座左右移動，扶輪座上固定有8齒條，當3扶輪座移動時帶動8齒條運動齒條與7直齒輪嚙合轉動將動力傳輸至另一側嚙合的齒條，帶動另一側扶輪座同步相向運動，現代加工技術可以使齒輪齒條具有較高的配合精度，從使兩扶輪而達到理想的同步開合目的。

2.2 扶輪機構的手動自動切換結構

如圖2所示在11滑塊連接板上安裝有10自鎖型分度銷，在3扶輪座上開有與10自鎖型分度銷相配合的銷孔，自鎖型分度銷結構如圖3所示，當自鎖型分度銷復位時可與3扶輪座上的銷孔配合，此時，2手輪絲杠滑塊機構的動力可通過11滑塊連接板傳遞到3扶輪座上，實現扶輪的手動開合；當不需要手動控制時，將10自鎖型分度銷帽拔起旋轉90°，此時，自鎖型分度銷銷頭縮回并自鎖，11滑塊連接板與3扶輪座脫離在9拉簧的作用力下扶輪會自動抱緊石英管并隨石英管徑的變化而自動變化開合距離；當再次需要手動開合時，先用2手輪絲杠滑塊機構將11滑塊連接板移至分度銷附近，拔起分度銷并90度旋轉復位，微調手輪使11滑塊連接板上的銷孔與分度銷重新配合。此時，手動控制恢復。

圖3 自鎖型分度銷

2.3 扶輪機構的使用

如圖4所示，扶輪機構安裝于可調節云臺上，扶輪與爐口間吊線，通過調節云臺上旋鈕可以前后左右調節扶輪，目視將扶輪中心與爐口調整好對心，當拉制大直徑石英玻璃管時，先手動打開扶輪，當料頭通過扶輪后拔起分度銷切換為自動模式。扶輪在拉簧的作用下自動收緊，此時，較細的引料通過扶輪機構后導正，實現較細直徑的石英管材的有效夾持，直徑逐漸變大扶輪之間距離也隨著變大，并在拉簧的作用下始終保持有效的加持力，通過扶輪機構的有效加持導正，石英玻璃管可穩定拉制，當需要手動打開扶輪時，旋轉手輪使滑塊連接板上的銷孔與分度銷對其，旋轉復位分度銷切換為手動控制并將扶輪打開，由于絲杠的自鎖效應此時扶輪鎖定扶輪機構與石英玻璃管實現脫離。

3 扶輪設計

扶輪機構能否導正石英玻璃管，扶輪的設計至關重要，為保證石英玻璃管經過扶輪后導正，需要在扶輪上開v型槽；此種形狀的槽口可以使石英玻璃管與扶輪接觸為線接觸，不僅可以將石英玻璃管穩定導正，而且減小了扶輪與石英管的接觸面積，避免高溫的石英管損壞扶輪，同時也減小了石英管的劃傷風險。V型槽如圖5所示。

圖4 扶輪機構安裝示意圖

圖5 扶輪v型槽

扶輪的開槽角度及扶輪扶輪半徑可根據扶輪有效加持時的臨界狀態計算。

如圖6當兩扶輪接觸時此時夾持石英管最細，由v型槽空隙中心向V型槽斜面做垂線，以V型槽間隙中心為圓心，新作垂線為半徑畫圓，此內切圓為V型槽能有效夾持的最小圓（即此V型槽所能夾持的最小石英管直徑）此時有

如圖7，當兩扶輪軸距離等于扶輪機構的最大極限值L時，由V型槽間隙中心向V型槽斜面做垂線，以V型槽間隙中心為圓心，垂線為半徑畫圓則該圓為此v型槽所能效夾持的最大圓（即所能夾持最大石英管直徑）此時，有

由圖可以看出若想要夾持有效

則B＞r2xcosa

將（1）式代入（2）式得出

在設計v型槽時一般已知r1與r2（即扶輪需要加持石英管的最大和最小直徑），L為輔助扶輪機構兩扶輪軸的最大極限距離。

由式（3）可以看出V型槽角度與輔助扶輪半徑為函數關系，設計時，可根據實際情況驗算選擇最優的R值與a值。實際設計計算時應給予裕量，保證實際使用的安全有效性。

圖6 加持最小臨界狀態

圖7 加持管徑最大臨界狀態

4 結語

由于扶輪機構工作環境處于高熱環境，該機構中軸承可選用陶瓷耐熱軸承同時對較精密的配合部位可用不銹鋼擋板或帶水冷的擋板遮擋，避免因高熱導致的金屬熱膨脹造成卡死或配合失效的情況。此外，扶輪可采用高純石墨制作，一方面，石墨是良好的隔熱體可保護扶輪軸避免損壞；另一方面，高純石墨加工精度高，加工表面光滑，避免對石英管造成傷害。此種扶輪機構，解決了在大直徑石英管材拉制開始時因引料直徑細的加持問題，減少了引料浪費的現象；同時，能保證較拉制大直徑的石英管整個拉制過程的順利進行。該機構具有操作簡單、占用空間小、工裝加工成本低等優點，同時，通過合理設計扶輪槽的尺寸數值可實現較小直徑石英管到大直徑石英管的有效加持，為以后研發大直徑石英管產品奠定了硬件基礎。