DIP十二工位全自动超声波清洗机的应用.docx

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DIP十二工位全自动超声波清洗机的应用

DIP十二工位全自动超声波清洗机的应用

李智峰湖南金能自动化设备有限公司410012

摘要：

本文论述了一种新型全自动超声波清洗机的的工作原理及实际应用，该清洗机综合运用了当今国际最前沿最先进的清洗技术。

本设备是铬版制作中掩膜抛光后的高精度清洗设备，清洗后的产品洁净度可达0.25μm。

该产品可以应用于同行业不同的工序或其他行业要求高精度清洗工序中。

近年来，IC制造业和平板显示制造业在我国的发展很快，高洁净度清洗机作为微电子行业和平板显示行业的关键的设备之一，其技术水平和清洗精度直接影响我国电子信息技术的发展。

近年来,清洗技术在我国进步很快,但与微电子行业和平板显示行业的要求相差甚远,与国际先进清洗技术水平相比还较落后。

一直以来,高档次的高洁净度清洗机一直被国外少数几家企业所垄断，他们通过高洁净度清洗机牢牢控制着IC制造业和平板显示器的上游尖端行业。

研发高洁净度清洗机不仅可为集成电路产品和新型显示器件提供可靠配套服务，同时也将带动相关技术研究和产品开发的进步，有利于提高我国在全球信息化建设中的国际竞争力。

我公司的DIP十二工位全自动超声波清洗机正是在此背景下提出并进行开发与研制的。

设备概述：

DIP十二工位全自动超声波清洗机是铬版制作中掩膜抛光后的高精度清洗设备，在使用碱性溶液清洗剂与中性溶液清洗剂的基础上，采用中、高频超声波清洗及高压喷淋相结合的办法，将工件清洗干净，并采用纯温水提拉脱水保证铬版干燥。

该设备主要由上下料装置、10个清洗槽、机械移送装置、超纯水加热系统、空气净化系统及自动控制系统六个部分组成。

当工件被送至上料工位时，清洗机开始工作，并按设定程序及工艺从1#工位移送至12#工位，实现工件从粗到精，逐级清洗干净，产品清洗后的洁净度可达0.25μm。

该产品可以用于同行业不同的工序或其他行业要求高精度清洗工序中，是国际领先、国内一流的高洁净度清洗设备。

1项目所依据的技术原理论述

超声波清洗原理：

超声波以每秒数万次高速震荡在液体中传导，推动介质的作用，使液体之分子间产生压力变化，造成空化效应，这种无数微小的真空气泡在震荡受压破裂时，产生强大的冲击力，将清洗物之表面及细缝死角之污物剥离，达到彻底洗净之功能。

超声波清洗机一般由清洗槽体、发振器、电源驱动器构成，槽体用来容纳洗净液和工件，发振器则是执行电能转化为机械能的装置，通常称为换能器或振子，早期的清洗机换能器使用的是由电磁振荡型的磁致辞伸缩组件，换能效率较低，使用寿命短，现在已基本被由压电陶瓷材料构成的压电型换能器替代。

压电型换能器是利用压电材料的逆压电效应原理工作的：

压电陶瓷材料有一种特殊的电学特性：

在受到外力作用时，处于压缩或拉伸状态的压电陶瓷两端表面会产生电荷的堆积，称为压电效应；而在两端施加一定的电压，则会产生伸缩的机械振动，称为逆压电效应，对于压电陶瓷材料，它的这两种特性是可逆的。

由压电陶瓷材料制作的换能器，当施加的电压按一定频率变化时，换能器就会产生超声波，这就是压电式超声波换能器产生超声波的原理。

超声波洗净方式：

由于超声波清洗具有独特的机械效应和热效应，对污垢有很强的分解离散能力，清洗速度快、效率高、质量好，洁净度均匀，易于实现自动化，减轻劳动强度，在现代工业制程中的应用越来越来广泛，特别适用于多孔及几何形状复杂的工件的除油、除蜡、除锈处理。

应用于工业的洗净技术主要有以下方法，在很多清洗系统中，是由其中几种相互配合而构成一套完整清洗系统：

超声波洗净、喷射洗净、浸渍洗净、循环洗净、有机溶剂洗净、超震动洗净、搅拌摇动洗净、酸洗等。

近年来精密工业洗净和超精密工业洗净，随着光学仪器、精密机械、半导体电子组件、液晶显示的技术发展有了飞跃性的进步，发展出多种新的超声波洗净技术，如扫频超声波、复频超声波、兆声超声波等。

我们的设备选择用超声波采用4波段（28KHz、45KHz、75KHz、100KHz）循环运转。

DIP十二工位全自动超声波清洗机设备描述：

该清洗机是一台能完全满足工艺线路的全自动多波段超声波十槽十二工位清洗机、该清洗机过程由PLC、TFT触摸屏人机界面控制，有多种电气、机械保护装置。

整套装置为全封闭结构，有便捷的维修通道、有可拆卸的透明防静电PVC观察窗，活动检修门及良好的抽排风系统。

清洗机主体采用全密封结构，清洗机顶部采用高效空气过滤器吹洁净的空气进来，清洗槽侧面采用细管路抽风，使清洗机相对室内环境形成正压，清洗机侧面采用透明的防静电PVC板密封，清洗机内部气流形成一个密闭循环，越工作越干净；另像液位传感，采用高压空气两次减压及两次高效过滤，吹气泡到水里通过压力反馈精确感应液面（可防超声波干扰及耐高温）,超声波采用4波段（28KHz、45KHz、75KHz、100KHz）循环运转，传动采用精密滚珠丝杆及伺服电机驱动，玻璃基版的干燥方式采用纯温水慢提拉干燥，纯温水采用远红外线石英管加热并做去气泡处理、操作界面采用触摸屏控制；另选材采用不自产尘或极少自产尘材料，气缸及其它关键件均选洁净厂房专用的洁净型的，另气缸安装的位置要考虑不掉尘到清洗槽内，清洗机内空气流向也要控制能自洁，清洗机下料部位也有静电除尘装置。

下图为清洗机整体布置图

2项目产品的技术创新点论述

2.1项目的技术创新

全自动化智能化程度高：

该机采用可编程序控制器（PLC）与触摸屏控制,实现了从进料到出料的能非常稳定可靠的全自动化性操作,这样保证了产品清洗质量的稳定。

该设备采用了很多的安全保护措施，每一工位均有好几处光电开关感应，运动部件还有过载及过行程缓冲保护装置，保护设备的启停、加速减速及可能出现的各种异常情况。

控制面板采用TFT触摸式人机对话屏，操作人员可方便而快捷地输入所要求的工艺程序，并可在操作屏上方便的看到每一工位及每一部件的运行状况，足够大的编程自由度（清洗时间、清洗温度、摇摆频率及提拉干燥速度均可大范围地调节），具有极高的灵活性，可适用客户的多种清洗工艺要求。

各工位设备运行状态的实时显示包括：

加热工位温度的设定值和测量值、超声波发生器的工作状态、泵的开启状态、电磁阀及气控阀的运行状态、喷淋的启停状态、各水槽的液位高低状态等。

运行过程TFT触摸屏实时显示，四周透明的PVC板可多角度目测及监控设备运行情况。

新型液位传感器的应用：

传统的浮球液位传感器的原理是通过浮球的短距离移动感应液位高低，因浮球的运动与杆子的磨擦会产生细微的颗粒，容易对溶液造成新的污染，这种液位传感器不适用于超洁净的清洗；传统的电容感应式液位传感器的工作原理是通过感应电容的轻微的变化来判别液位高低，这种液位传感器不与液体直接接触，因此不会污染被感应溶液，缺点是不耐超声波干扰及不耐高温，在有超声波的溶液中感应失灵，另在温度高的溶液中感应器自身的电路原件容易短路及老化；本清洗机采用的新型液位传感的工作原理：

经过二级高效过滤及减压的高压空气吹气泡到水槽内通过压力反馈感应液面，与传统液位传感器相比，这种新型液位传感器可防超声波干扰及耐高温，比传统的浮球液位传感器更洁净。

2.2项目的工艺创新

采用新型清洗液，选用日本的环保型LCG-451、LCG-25及国产的电子级的SC-1清洗液，通过上述三种清洗液组合清洗与浓度配比，对玻璃基片能很好的清洗，本清洗液对溴氧层无破坏对环境无污染。

鉴于工艺保密，对清洗液及其配方不再细述。

采用先进的干燥方式：

纯温水通过远红外线石英管加热水箱输送过来，进温水干燥槽前先做脱泡处理，玻璃基片缓慢向上提拉，表面张力把基片上的水膜拉下来，这样就能很好地干燥。

普通的干燥方式有热风干燥与风刀干燥，这种干燥方式因空气流动大空气的洁净度不好控制因此不能用于超洁净干燥；传统的IPA干燥也能很好地满足要求，但电子级的IPA比较昂贵，IPA属于易燃易爆物品，对环境也有一定的污染，因此纯温水慢提拉干燥比IPA干燥更安全更环保更节省运行成本。

采用新型水加热器：

远红外石英管加热水箱，采用耐高温洁净型PFA管，18MΩ.cm超纯水通过过滤器流经PFA管，石英加热管对着PFA管加热（水与加热器不直接接触），进水口与出水口均装有洁净型的温度传感器，石英管加热设备内的PLC通过控制石英加热管的开启数量使水温达到设定的温度，水温可调，动态温度偏差±1.5℃。

与传统的不锈钢加热器加热相比，因高温时不锈钢与水有微量的化学反应而影响水质，因此这种加热方式更能可靠地保证超纯水的洁净度，从而达到更高的清洗精度。

3．项目国内外发展技术现状及趋势

3.1国内清洗机生产状况

a.结构简单、清洗工艺单一.

我国工业发展还不够发达,以前对清洗机的质量要求不高,主要注重清洗机的适用性,国内清洗机大多采用冲洗或化学溶液清洗的方式,对质量要求较高的采用超声波清洗的方式,其结构简单,清洗机使用的材质也没有严格的要求,由于竞争激烈，行业利润率也低，因此投入的科研经费更少，没有形成一个良性循环；

b.清洗精度低.

由于清洗机清洗工艺简单,通过实验结果表明,采用水喷淋或化学溶液清洗后的清洗洁净度在10μ以上,采用28KHZ超声波的清洗机清洗洁净度在2μ以上,对1μ以下的颗粒根本没有方法去除.

然而在IC集成电路制造业和平板显示制造业中,产品本身的洁净度直接影响到产品的质量,以制作铬版为例,其片表面的微颗粒是造成铬版制程中针孔缺陷的主要原因,微颗粒多,产生的针孔缺陷多,颗粒大,产生的针孔也大,良品率极低，光刻后需要修版量很大，费时多，不能满足超高精度光刻掩膜制版品质的需要。

所以在铬版制作中,对清洗机清洗后洁净度要求必需在0.5μ以上,很显然,传统方法制作的清洗机根本无法满足这一要求,在微电子行业制作中也是如此.

C.自动化程度低,兼容性差.

在现代工业发展中,对产品的自动化有着更高的要求,自动化程度越高,生产效率越高,同时投入的人员少,后续成本低,特别的微电子和平板显示制造行业,现场人员少,生产洁净度也容易达到要求.目前国内清洗行业清洗机其本采用手动或半自动生产的方式,当产品有多种生产规格时,机器的兼容性也很难达到要求.

d.清洗机本身洁净度低.

对高洁净度清洗机而言,清洗机的清洗效果不仅取决于清洗机本身的结构和清洗工艺,同时对其本身的制造材质有着更高的要求,首先是材质本身不能产生微粒,不能产生生锈或腐蚀;然后是材质不能产生污物沉积或粘结,因此要求表面清度高;对接近产品的地方,还要采用防静电材料.不可否认,我国基础工业还不够发达,一般市场上采购的材料还不能满足高洁净度的要求,特别是高洁净度清洗机管路材料市场上还找不到,需要进口.

在IC集成电路制造业和平板显示制造业中,生产环境一般在100级以上,在这严格的要求下,清洗机的组装调试工厂也必需在100级以上超净室中进行,可以说,目前国内清洗机制作厂家很难达到这一要求.

3.2国外清洗机技术发展趋势

国外清洗机的现状与发展趋势：

国外高洁净度清洗机专业厂家主要集中在日本、德国、韩国和我国台湾地区等电子信息产业发达地区，日本高洁净度清洗机技术是最强的也是走在最前列的，日本的高洁净度清洗机不但注重清洗质量及清洗精度，也非常注重清洗机的整体外形效果，外形尺寸基本符号机械产品艺术造型中要求的如黄金分割率等，最高清洗洁净度能达到0.5u，清洗机的自动化、智能化程度比较高。

随着IC集成电路制造业和平板显示制造业的发展，对清洗机提出的要求越来越高，高洁净度清洗机将朝着智能化、自动化、超洁净、大尺寸及多工位方向发展。

3.3本项目产品技术性能优势,与同类产品性的对比

在本项目的推进过程中，我公司关键技术有：

纯温水慢提拉干燥，清洗后的玻璃基片，倾斜一定角度在80℃温水中慢提拉上来就能干燥；PLC控制的远红外石英管加热器，加热器不直接接触水，而是通过远红外石英管加热管加热FPA管内的纯水，PLC通过温定传感器动态控制石英加热管的数量，可使出口的热水的温度控制在设定的值上下2℃范围内；新型液位传感，采用高压空气两次减压及两次高效过滤，吹气泡到水里通过压力反馈精确感应液面（可防超声波干扰及耐高温），通过大胆创新，首次采用一个液位传感器控制2个水槽；自主创新的移载运动机构，可满足1000X800以上的大玻璃璃基片，向下可兼容2.5＂×2.5＂的小基片，

本项目生产产品主要性能指标与国内、外对比如下表2.2：

产品主要性能指标与国内、外对比表2.2

主要技术指标

国内水平

国际水平

本项目产品

颗粒度

小版

10μm

0.5μm

0.25μm

大版

50μm

0.5μm

0.5μm

尺寸

最小版

60X60mm

60X60mm

60X60mm

最大版

508X508mm

820X650

1000X800mm

4．项目研究内容及涉及的关键技术及技术指标描述

本清洗机研究的内容:

根据玻璃基片的特点,选择合适的洗洗工艺及清洗溶剂,设备在满足清洗工艺要求的前提下,尽可能地安全经济稳定可靠。

为保证清洗精度能达到0.5u，同时要求清洗后的玻璃基板有良好的亲和性，使得涂胶后，感光胶与基板有良好的接合性，从而保证电极图形的制作精度。

4.1.该设备具有较高的自动化程度

该机采用可编程序控制器（PLC）控制,实现了从进料到出料的能非常稳定可靠的全自动化性操作,这样保证了产品清洗质量的稳定。

该设备采用了很多的安全保护措施，每一工位均有好几个光电开关感应，运动部件还有过载及过行程缓冲保护装置，保护设备的启停、加速减速及可能出现的各种异常情况，设计时除考虑设备的稳定性及可靠性，水槽及管路还考虑了排水能完全排干、不能积水，主水槽的纯水过滤循环1.5次/节拍,进水及出水的方位、超声波的频率及安装位置等。

控制面板采用TFT触摸式人机对话屏，操作人员可方便而快捷地输入所要求的工艺程序，并可在操作屏上方便的看到每一工位及每一部件的运行状况，足够大的编程自由度（清洗时间、清洗温度、摇摆频率及提拉干燥速度均可大范围地调节），具有极高的灵活性，可适用客户的多种清洗工艺要求。

4.2清洗吊篮到工作位置后超声波发生器开始启动,清洗吊篮离开工位后立即关闭。

4.3清洗吊篮到工作位置后高压喷淋开开始启动,清洗吊篮离开工位后立即关闭。

4.4清洗机工作在100级的厂房内，清洗机的上料及工作的环境能达到10级，下料部位有防静电隔板装置，另有去静电的静电发生器，下料部位基本能达到1级，防止洗净后再污染。

4.5设备对工艺过程及设备运行状态实现了全方位的实时显示。

该设备人机对话界面有首次（开始运行页）、运行界面（自动、手动、维修模式）、系统参数界面（编程）、故障显示界面。

人机对话TFT触摸彩屏的运行界面实时显示的内容包括：

4.5.1手动、自动、维修模式运行状态的选择，调机时选用手动模式，手动模式下设备能自保，即使有误操作，因设备有自我保护程序，不会造成设备的损坏，维修模式下，设备无保护程序。

4.5.2机械手位置和运行状态的实时显示。

4.5.3各工位有无吊篮及吊篮所在位置的实时显示。

4.5.4各工位的运行时间设定及实时显示以及剩余时间的实时显示。

4.5.5各工位设备运行状态的实时显示包括：

加热工位温度的设定值和测量值、超声波发生器的工作状态、泵的开启状态、电磁阀及气控阀的运行状态、喷淋的启停状态、各水槽的液位高低状态等。

4.5.6计数器、时间显示等。

4.6设备设置了多项保护功能和故障查讯功能:

设备设置的保护功能有:

各清洗槽的液位、各加热工位的温度、水平及上下移送到位及过位检测，当出现故障时除采取相应措施外，同时发出声、光报警信号。

设备具有故障查讯功能，故障项目在故障显示页面显示。

该机还在主机的入料口、出料口、TFT触摸屏及外围水槽上设置了急停共设置了4个急停按扭。

4.7突然停机的处理

突然停机再次启动设备后，设备的机械手能自动复位并重新检测各工位状况，然后再开始运转。

5．项目技术线路描述

清洗工艺线路：

人工上料——自动送料——超声波碱性溶液1清洗——高压喷淋——超声波碱性溶液2清洗——高压喷淋——超声波中性溶液清洗——高压喷淋——超声波纯水——高压喷淋——超声波纯水清洗——纯温水慢提拉干燥——自动出料——人工下料。

下图所示为清洗机主体部分流程示意图：

6．项目技术风险及应对措施

玻璃基片或石英基片的清洗洁净要求，精度技术参数:

Noparticle＞0.5μm,　0.25～0.5μmlessthan0.02pc/cm2。

清洗工件为玻璃和高档石英基片，尺寸规格厚度2到10毫米外形长宽尺寸从2.5＂×2.5＂至22＂×26＂各种规格全兼容。

为保证如此高的清洗精度及多规格兼容性，我们的应对措施如下：

水槽选用SUS316L镜面板且电解抛光，高压管路采用电解抛光EP管，其它低温管路采用C-PVC管、高温管路采用HT-C-PVC管，工作时水槽内的水自动循环并用高效过滤器过滤，清洗机主体采用全密封结构，清洗机顶部采用高效空气过滤器吹洁净的空气进来，清洗槽侧面采用细管路抽风，使清洗机相对室内环境形成正压，清洗机侧面采用透明的防静电PVC板密封，清洗机内部气流形成一个密闭循环，越工作越干净；另像液位传感，采用高压空气两次减压及两次高效过滤，吹气泡到水里通过压力反馈精确感应液面（可防超声波干扰及耐高温）,超声波采用4波段（28KHz、45KHz、75KHz、100KHz）循环运转，传动采用精密滚珠丝杆及伺服电机驱动；玻璃或石英基片的干燥方式采用纯温水慢提拉干燥，纯温水采用远红外线石英管加热并做去气泡处理、操作界面采用触摸屏控制；另选材采用不自产尘或极少自产尘材料，气缸及其它关键件均选洁净厂房专用的洁净型的，另气缸安装的位置要考虑不掉尘到清洗槽内，清洗机内空气流向也要控制能自洁，清洗机下料部位也有静电除尘装置。

因日本的两台枚叶式清洗机一直没能达到如此高的清洗精度，该设备2006年正式投产取代原日本清洗机，投产后铬版的良品率大副提升，本清洗机至今一直在正常运转。

7．项目设计思想依据（参考文献）

1．金杏林主编《精密洗净技术》北京化学工业出版社环境科学与工程出版中心2005

2．刘程主编《表面活性剂应用手册》北京化学工业出版社1992

3．刘兴仪《九工位智能超声波清洗机的实际应用》北京真空电子研究所，2004.07

4．日本梅木羲彦主编《洗净剂·洗净装置·活用ノート》日本日本产业洗净协会编2004年

5．王文斌主编《机械设计手册》新版北京机械工业出版社2004年8月

TheApplicationsofDIPTwelveWorkstationAutomaticUltrasonicCleaningMachine

LiZhiFengHunanKenonAutomationEquipmentCo.,LTD410012

Abstract:

Thispaperdiscussesanewautomaticultrasoniccleaningmachineoftheworkingprincipleandpracticalapplication,thiswashercomprehensiveuseofthecurrentinternationalforefrontandmostadvancedcleaningtechnology,thisequipmentisappliedtomaskblankinmakingmaskafterpolishingpreciselycleaning,aftercleaningproductcleanlinesscanreach0.25um.Thisproductcanbeusedinthesameprofessiondifferentprocessesorotherindustrieshigh-precisioncleaningprocess.