旋轉沖洗甩干機控制系統設計及轉子動平衡研究*

唐卓睿，吳彩庭，孔倩茵，戴科峰，盛飛龍

（季華實驗室大功率半導體裝備研究部，廣東佛山 528253）

0 引言

隨著電子信息技術的飛速發展，以硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等材料為基礎制成的IC芯片、功率器件的需求量也與日俱增，下游市場的火爆需求，刺激了微電子制造工業的迅速發展。半導體制造所使用的設備不僅僅是半導體產業的配套環節，也對半導體產業的發展起到了決定性的作用[1]。隨著芯片制造的關鍵尺寸不斷縮小，芯片制造過程中每一道工序都需要保證表面有較高的潔凈度，所以，在生產制造過程中需要反復清洗，有資料表明濕法清洗工藝在芯片整個制造工序中占到了20%左右[2]。在清洗完過后，也需要保證晶片表面干燥且無殘留清洗物質，在行業中一般采用高轉速的旋轉的沖洗甩干設備來完成晶片的干燥、去化學殘留工藝，所以旋轉沖洗甩干機在整個芯片制造流程中必不可少。為保證甩干機在旋轉沖洗工藝過程中的穩定性，目前有一些研究人員根據自身團隊研究的設備開發了相對應的控制系統，于靜[3]基于S7-200系列PLC在旋轉沖洗甩干機上編寫了程序控制系統，侯增強[4]采用MCS-51單片機的編寫了控制程序并對甩干機控制系統整體方案進行了設計。但對于人機交互、裝備的實時控制和監控此類研究較少。

由于晶片上的水漬等殘留液體是通過離心力作用甩離晶片，轉子為了產生一定離心力一般在較高轉速下運轉[5]，離心力一般會通過軸承傳遞到機體等受力部件導致整機產生振動從而影響整機性能，轉子質量的不平衡是導致振動的重要因素之一[6]，有資料顯示轉子質量不平衡引起的機械振動約占所有引起振動原因的60%左右[7]。較大的振動也會對晶片造成一定影響，嚴重時會導致如圖1所示的晶片破裂，造成較大損失。對此，一般采用動平衡工藝來使轉子質量平衡，即對旋轉的轉子進行檢測，從而得到轉子不平衡的角度與質量。隨后，采用打孔、焊接、磨削等方式消除質量所引起的不平衡，從而使轉子在轉動時沒有產生不平衡的離心力的平衡工藝[8-9]。針對旋轉沖洗甩干機的振動問題，有研究人員增加了獨立的隔振系統[10]、特殊的裝載片盒設計等[2]。但對于旋轉沖洗甩干機中如何實現轉子動平衡以及如何根據平衡等級來調整動平衡從而減少整機振動此類相關研究較少。

圖1 因振動導致的晶片破裂

因此，為了提高設備穩定、可靠、能有效應對突然斷電、斷氣、斷水等極端意外情況的發生，本文設計了一套全新的控制系統，保證整個設備工藝運行的安全性、穩定性。同時，通過理論計算結合實際校正實驗將轉子調整為標準的動態平衡品質級別，降低了轉子因動態不平衡引起的較大機械振動從而導致設備停機的概率，也解決了晶片在旋轉過程因動態不平衡導致的“碎片”問題。

1 系統設計

1.1 旋轉沖洗甩干機組成

整機采用4/6寸晶片兼容的單腔結構，能實現包括晶片旋轉、去離子水噴淋沖洗、加熱氮氣烘干、電阻率監控、防靜電控制、腔體干燥、故障顯示報警、系統潔凈化處理在內的全自動工藝處理過程。如圖2所示，在工作腔體中放有與電機相連的轉子，不同尺寸的晶片對應不同尺寸的轉子，工作腔體中具有氮氣、去離子水噴淋口。腔體中充入氮氣為腔體創造一個潔凈和密閉的空間，在轉子旋轉和晶片清洗過程中，根據設定的噴淋壓力和流量來達到最佳的沖洗效果，沖洗效果的好壞由電阻率儀來進行實時監測和反饋。最頂層放有電控柜，其中包含濾波器、交流接觸器、PLC等電控元件，觸控操作屏可直接面對工藝操作人員進行工藝操作與監控。蜂鳴器在設備出現故障時會響起，提示用戶當前設備出現故障，可通過急停開關進行緊急制動、斷電處理。

圖2 旋轉沖洗甩干機總體結構示意圖

1.2 控制系統設計

總體控制系統框架如圖3所示。為及時完成人機交互，主控模塊PLC通過RS485串口線與觸摸屏終端進行通信控制，對設備的運行參數進行調用和修改。

圖3 控制系統框架

運行邏輯流程如圖4所示，在更改工藝參數時必須先進行權限登錄，否則將沒有權限訪問參數修改界面。設備轉子轉速控制驅動單元采用的交流永磁式無刷伺服電機，主控PLC模塊根據設定的工藝參數來控制驅動器的狀態及電機的轉速，其速度反饋信號則由主控PLC模塊進行數模采集轉換以供顯示及控制。設備運行過程中的氮氣溫度通過溫度感應器進行采集上傳，PLC主控模塊接收采集信息進行轉換以供顯示及控制。腔體溫度開關對腔體加熱裝置進行通斷管控，使得噴入腔體中熱氮氣體的溫度穩定，保證晶片干燥效果并不損壞腔體結構及晶片，其余各狀態量由狀態傳感器進行檢測并處理。

圖4 系統控制流程

在屏幕控制程序中，可以使用觸摸屏對系統進行一系列的參數修改與功能管控，將設置的參數通過RS485串口發送給PLC執行，同樣地PLC接收到指令后將程序執行情況反饋給屏幕控制程序。開機后，屏幕進入主界面如圖5所示甩干機主界面。

圖5 甩干機主界面

獲取登錄權限成功后，點擊設置按鈕出現下拉菜單，需要進行參數設置，點擊參數設置進入制程說明界面，如圖6所示，點擊各制程可對工藝參數進行編輯。

圖6 制程說明界面

在此界面中點擊任一制程即可以進入相對應的參數修改與編輯環節，以制程一為例，圖7所示在制程編輯界面中，可以對一個制程內4種不同工藝的時間與轉速進行設置，并且對烘干工藝的氮氣溫度也可以進行智能化參數設置，來保證工藝需求的彈性變化。

圖7 制程編輯界面

點擊“時間”輸入框下的任一輸入框，可以輸入0~9 999的整數數值對每個工藝流程的運行時間進行給定。指令對應下位機PLC如圖8所示，將屏幕配置的如時間值與下位機PLC的寄存器D2001相關聯，PLC收到指令后將時間值配置給寄存器D570。

圖8 PLC時間配置

在制程相對應的工藝步驟運行時，即如圖9所示運行狀態常開觸點與清洗運行中常開觸點同時閉合時，下位機PLC會進行相應計時，寄存器D570減去T1計時器的時間，得到工藝步驟剩余的時間，寄存器D11的值會實時顯示在屏幕上，當倒計時時間到達后，將會使常開觸點T1閉合。

圖9 PLC計時器

點擊“轉速”輸入框下的任一輸入框，可以輸入用戶所需的轉速數數值對每個工藝流程的運行轉速進行給定。與“時間”一樣，將屏幕配置的轉速儲存在D550寄存器中，當運行至工藝步驟時，將轉速至經過PLC固有模擬量輸出寄存器SD6180輸出至伺服驅動器中，如圖10所示。

圖10 轉速輸出

所有工藝參數確認無誤后，點擊屏幕啟動按鈕或者按動設備啟動按鍵皆可開始運行工作。界面會顯示實時監控的設備情況如轉子運行的轉速、工藝流程剩余時間、氮氣加熱實時溫度、閥門運行情況等，如圖11所示。

圖11 設備運行監控界面

在安全互鎖功能方面，點擊“氮氣溫度”后輸入框可以對烘干工藝流程中噴出的熱氮氣進行智能溫度給定。N2低溫與高溫報警，設備運行后，溫度控制系統可確保N2溫度不會過高或過低，若超過報警閾值，則設備自動停機，確保安全。此外在設備運行中，也會對轉速進行實時監控，若轉速過快，超過設置轉速的5%則程序會自動停止工藝，用以防止設備內元器件速快或晶片損壞。若轉速過快、過慢或實時監控的氮氣溫度過高、過低，程序會自動停止工藝。工藝運行過程中也可以點擊停止按鈕或設備停止按鍵即可使得設備運行中斷。當工藝運行結束后，系統屏幕會出現如圖12所示的提示界面。當出現故障時，不僅圖中會出現在屏幕中且蜂鳴器會輸出，控制系統會自動關閉水源、氣源、伺服電機停止輸出，減小設備及晶片的損失。

圖12 運行結束界面

設備在整機運行前，需要進行各個分系統的調試，在屏幕軟件中編寫了分系統監控界面如圖13所示，點擊各個按鈕，在此界面中可以查看設備所有的輸入和輸出端口，并且實時反饋每個端口當前的狀態，實現對設備的精準監控與調試。

圖13 監控界面

2 轉子動平衡研究

核心轉子在加工過程中不可避免地會產生質量、結構誤差，所以不平衡的轉子需要經過測量其不平衡質量和其不平衡相位，并加以校正消除轉子中不平衡質量，讓轉子在設備中高速旋轉時，不致產生不平衡的離心力而損壞電機軸承、晶片，或導致設備振動過大。在做轉子動平衡時，一般首先要選擇校正面，平衡校正面必須選擇垂直于轉子軸線的平面。

如圖14所示，一般可以根據轉子結構即轉子的外徑（D）和轉子長度（L）之間的比例來確認是單面還是多面不平衡校正，如表1所示[11-12]。

圖14 轉子外徑與長度

表1 校正面的確定

旋轉清洗甩干設備使用的轉子其外徑與長度比例小于5，所以轉子可采用單面平衡來進行校正。在動平衡校正過程中，首先需要確認平衡精度的等級，考慮到技術的先進性和經濟上的合理性，參考國家標準《機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求第1部分：規范與平衡允差的檢驗》中轉子平衡的劃分等級，如表2所示[13]，從表中可以看出平衡等級從要求最高的G0.4到要求最低的G4000。根據應用場景所需的精度要求和可實現性（加工能力）兩方面考慮，采用平衡等級為G6.3的品質級別來校正轉子的動平衡。

表2 平衡品質級別

根據轉子所選定的動平衡等級，根據式（1）計算轉子允許的不平衡度（率）：

式中：Eper為轉子允許的不平衡度，μm；G為不平衡精度等級；n為工作轉速。

根據上文所述，取G=6.3，旋轉甩干機大多工藝采用的轉速為1 000 r/min左右，取轉子轉速為1 000 r/min。根據式（1）可計算出轉子允許的不平衡度為63μm。根據轉子的允許不平衡度，根據式（2）計算出了轉子允許殘余不平衡量，即：

式中：m為允許殘余不平衡度，g；M為工件旋轉質量，kg，旋轉質量包括了轉子本身質量、晶片花籃質量和滿載晶片的總質量；r為工件半徑。

經過測量，M=10 kg，轉子半徑為100 mm。可得出轉子滿足G6.3等級的動平衡時允許的殘余不平衡量為3.15g。

在實際過程中，將轉子、晶片花籃、晶片放入校正設備，采用去重校正法[8]進行校正，即通過校正機器測算出不平衡質量的相位角與不平衡質量，然后按照相位角的方向進行鉆孔。以圖15為例，可看出大多質量不平衡的位置在轉子的正上方也即為圖中紅色字體所標識的90°所示左右范圍內，說明在90°左右的范圍內質量偏高，其質量影響了轉子的動平衡。

圖15 轉子去重法效果

如表3所示，采用單面平衡鉆孔去重法對轉子在1 000 r/min的轉速下進行的校正實驗，從表中可以看出，由于加工、材料等因素的影響，轉子質量不均勻分布，在相位角θ=72°轉子質量較大，導致轉子離心力較大。在鉆孔去重校正過程中，受手工鉆孔位置精度較低及轉子在鉆孔壓力下產生輕微變形等因素影響，有效去質量和不平衡相位角均與理論值有一定程度的偏差。經過5次校正，不平衡質量達到2.66 g，已經小于上文所述理論計算中動平衡時允許的殘余不平衡量3.15 g，滿足了轉子在轉速為1 000 r/min下動平衡達到G6.3等級的要求。

表3 為去重校正法校正數據記錄

3 結束語

本文結合旋轉沖洗甩干機設備的結構與功能對其控制系統進行了全新的設計，使其具有了良好的人機交互界面，能對設備進行實時控制與監控，也能實現各分系統的單點調試減小了整機運行時出現故障的概率，從而提高了設備整機工藝控制系統的穩定性，新增加的互鎖功能也提升了整機設備的安全性。同時，對設備中核心轉子的動平衡進行了研究，根據轉子設計結構選取合適的平衡面，將不平衡度與允許殘余不平衡量的理論計算方法結合鉆孔去重校正法進行了實際的鉆孔實驗，大大減小了轉子旋轉過程中因質量不平衡而產生的離心力，使得轉子動平衡達到國家標準的動平衡G6.3品質級別，大幅度減少了整體設備的抖動，消除了晶片碎片帶來的巨大損失。新設計的控制系統與轉子動平衡研究提升了整機的可靠與安全性能。