081210157翟军杰清洗设备的P.docx

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081210157翟军杰：

清洗设备的P

中央广播电视大学人才培养模式改革和开放教育试点

机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）

论文题目硅单晶片有蜡抛光工艺自动贴片设备设计

学生姓名翟军杰

学号20081410210157

指导教师葛道健

专业机械设计制造及自动化（机电）

年级2008年秋季

学校济源广播电视大学

设计任务书

设计题目：

清洗设备的PLC改造设计

设计要求：

1.了解超声波清洗的工艺流程并分析清洗设备的工作过程；

2.了解超声波清洗的工作原理；

3.设计超声波清洗设备进行PLC控制的硬件电路；

4.设计超声波清洗设备的PLC软件程序；

5.进行调试,找出问题,并改进设计；

6.撰写毕业设计说明书。

摘要：

多晶硅片的生产工艺包括；晶体生长，开方切断、切片、清洗、成品检验、包装入库等。

本简介主要介绍多晶硅片的超声波清洗工艺。

超声波清洗工艺包括；上料，硅片预冲洗，硅片脱胶、插片、超声波清洗硅片、硅片甩干。

利用可编程控制器（PLC）可对以上工序进行自动化的控制，以达到节省人力和提高生产效率的目的。

超声波清洗的特点是速度快、质量高、易于实现自动化。

它特别适用于表面形状复杂的工作，如对精密工件上的空穴、狭缝、凹槽、微孔及暗洞等处，通常的洗刷方法难以奏效，利用超声波可以得到良好的效果。

关键词：

多晶硅片，硅片预冲洗，硅片脱胶，插片，超声波清洗硅片，硅片甩干，PLC自动化控制。

前言

本论文设计是我在实习中了解的超声波清洗工艺流程，该超声波清洗工艺是我在所在岗位操作的设备。

经过实习我掌握了多晶硅片的超声波清洗工艺；并通过了公司的制定的《清洗岗位的操作规范》的考核。

该超声波清洗工艺流程适用于各大生产太阳能硅片厂家的硅片清洗，本工艺所用的设备均属于国内领先的设备。

且各设备操作简单，造型结构美观大方，清洗效率高理，清洗质量一致，适应与大批量硅片的生产。

本工艺包括；上料，硅片预冲洗，硅片脱胶、插片、超声波清洗硅片、硅片甩干等。

利用可编程控制器（PLC）可对以上工序进行自动化的控制，以达到节省人力和提高生产效率的目的。

1多晶硅片的生产工艺

1.1多晶硅料晶体的生长工艺

多晶硅料晶体的（铸锭）生长工艺包括；坩埚检验，坩埚喷涂，二次检验，坩埚烧结，三次检验，坩埚装入硅料，硅料铸锭，硅锭检测等。

1.2开方切断工艺

经检验合格的多晶硅锭送入开方切断车间进行开方切断处理，开方切断工艺包括；线开方处理，硅块检验（少子寿命、电阻率、极性、尺寸、杂质、）标识，硅块的切断处理，硅块的磨面处理，异常检验，硅块的倒角处理，方块检验（杂质、外观尺寸、电阻率、氧碳含量）等。

1.3硅块的切片工艺

经检验合格的多晶硅块送入切片车间进行切片处理，硅块在送入切片机之前应先对检验合格的硅块进行超声清洗处理，硅块粘胶处理，粘胶检验处理，若检验不合格的要对硅块进行脱胶处理后再进行超声清洗处理，合格的可送入HCT线切片机中进行切片处理工艺。

1.4硅片的超声波清洗工艺

由HCT线切片机下棒的硅片送入清洗车间进行硅片的超声波清洗处理，HCT线切片机下棒的硅片在超声波清洗车间进行预冲洗处理，将硅片上残留的砂浆液进行预冲洗，预冲洗时间：

约30min，预冲洗下棒后进行脱胶处理，下棒后要在棒间插入隔板，隔板要垂直插在硅块的拼接缝之间，可在每超过300片的晶棒在中间插一隔板，用行车将硅棒吊起至脱胶槽中，在浸泡过程中开启超声开关，让硅片自然倒下，避免来回搬动硅片；每10000片硅片脱胶后更换一次脱胶水溶液。

脱胶温度：

60～65℃脱胶时间：

约15min。

脱胶结束后将硅片取出硅片放入片盒时粘胶边的方向朝上，一盒插25片，将片盒横放在清洗篮中，清洗结束后片盒横放于甩干机中甩干。

1.5成平检验工艺和包装入库

将甩干后的碎硅片取出，然后将硅片整齐地排放到硅片传递桌上进入硅片检验，抽检极性、电阻率、厚度、边长尺寸（2%的抽检比例）是否符合要求，不符合要求的进入二级仓库再次铸锭，符合要求的要外观全检和外观抽检，最后包装出厂抽检再入库。

2多晶硅片的超声波清洗工艺

2.1超声波清洗工艺流程

超声波清洗工艺包括：

上料，硅片预冲洗，硅片脱胶、插片、超声波清洗硅片、硅片甩干等。

其流程如图2-1所示。

图2-1清洗工艺流程图

2.2硅片预冲洗工艺

由切片机下棒的硅棒需先经预冲洗槽进行预冲洗，其预冲洗槽如图2-2所示

图2-2预冲洗槽

预冲洗时需经常检查硅片是否松动，如有松动应及时停止冲洗，并将掉落硅片捡起，预冲洗时先开启循环水冲洗，冲洗15min左右关闭循环水，开启喷淋泵电源，打开水阀开关用清水将硅片冲洗干净后下棒。

将冲洗好的硅棒平放在转移槽中，避免碰撞到转移槽的壁上，操作时应将两边保持平衡，放入槽中后将螺丝拧松并将工件板取下。

将硅棒翻转180°放入另一个转移槽中，翻转时避免用力过猛使硅片倒下。

其操作过程如图2-3和图2-4所示。

图2-3下棒操作工艺

图2-4将硅棒翻转180°放入另一个转移槽中

2.3硅片的脱胶工艺

预冲洗结束后取下硅棒。

用隔板垂直插在硅块的拼接缝之间，约在每超过300片的晶棒在中间插一隔板，再用行车将硅棒吊起至脱胶槽中，行车在使用过程中应连贯，避免断断续续在整个过程中要用手辅助，防止硅片在行进过程中抖动。

其操作过程如图2-5所示

图2-5硅棒的脱胶工艺

在浸泡过程中开启超声开关，让硅片自然倒下，避免来回搬动硅片；每10000片硅片脱胶后更换一次脱胶水溶液，技术参数；柠檬酸用量：

4杯（每杯1000ml）脱胶温度：

60～65℃，脱胶时间：

约15min。

脱胶结束后擦拭残留在硅片上的胶。

其操作如图2-6所示。

图2-6脱胶结束后擦拭残留在硅片上的胶

2.4硅片的插片工艺

将经脱胶处理的硅片放入周转箱中，硅片倾斜角度约15°，并在侧面和底面垫上海绵，周转箱中水位必须将整个硅片浸泡住，浸泡时间最长不可超过1h用双手轻轻拿取20～30左右的硅片，并用拇指轻轻将硅片捻开，其操作过程如图2-7所示

图2-7用双手轻轻拿取20～30左右的硅片，并用拇指轻轻将硅片捻开

硅片放入片盒时粘胶边的方向朝上，若硅片表面若有脏污，应将其冲洗干净再插入片盒中，插片时手指辅助使硅片轻轻落下，每盒约插25片，插片时良好硅片应和不良硅片分开插入不同的片盒中片不足一盒时也要单独插在一盒，对于不良硅片也要集中插到一个片盒内，做到一个硅棒只有一个良品尾数。

其插片过程如图2-8所示。

图2-8插片过程

2.5超声波清洗工艺

2.5.1超声波工作原理及特点

超声波清洗机是将超音频信号转换为对应频率的高电压脉冲来激发换能器，进而使换能器产生高频机械振荡，高频机械振荡通过超声波振盒传入清洗液中。

超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体分子加速运动碰撞，连续不断地产生数以万计的微小气泡，这些气泡是在超声波纵向传播成的负压区形成生长，而在正压区迅速闭合，这些气泡的形成生长及迅速闭合被称为空化现象。

在空化现象中这些气泡的闭合形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地瞬时高压就像一连串小的“爆炸”，连续不断地轰击物体表面，使物体表面及缝隙之中的污垢迅速剥落，达到迅速清洗效果。

超声波清洗的特点是速度快、质量高、易于实现自动化。

它特别适用于表面形状复杂的工作，如对精密工件上的空穴、狭缝、凹槽、微孔及暗洞等处，通常的洗刷方法难以奏效，利用超声波可以得到良好的效果。

插片完成后用双手轻轻垂直提取片盒轻轻放入清洗篮中，片盒应横放在清洗篮中。

一篮大约放八盒片盒，提取清洗篮要垂直提取垂直放下，其操作过程如图2-9所示。

图2-9提取清洗篮要垂直提取垂直放下

超声波清洗所用的药品和试剂主要有柠檬酸，清洗试剂等，清洗槽各槽设定如表2-10所示。

表2-10清洗槽各槽的设定值

第一槽

第二槽

第三槽

第四槽

第五槽

第六槽

第七槽

物质及用量

循环水

柠檬酸

2000ml

纯水

清洗剂

6000ml

清洗剂

5000ml

纯水

循环水

温度

45-50℃

50-55℃

50-55℃

60-65℃

60-65℃

45-50℃

30-55℃

打开清洗机电源开关，检查各表盘各程序、参数，打开“加热”、“超声”开关，按照操作标准向各槽加入所需清洗液，开启一、二槽的“鼓泡”按钮及各槽的“摆动”，“超声”按钮，超声频率100%，清洗时间均为4～6min，硅片从一个清洗槽移至另一个清洗槽要垂直提取、垂直轻轻放下，避免碰碎或造成内裂.清洗2000片向第四、五槽各加入1L清洗剂，每清洗5000片左右更换一次清洗液，同时填写加入药水记录单。

约5min后将硅片放入六槽进行预清洗，再间隔5min后将硅片放入七槽中漂洗5min-6min后提出清洗篮甩干。

清洗过程如图2-11所示。

图2-11清洗过程

2.5.2硅片注意事项：

1、务必保证最后两个漂洗槽无泡沫

2、无硅片清洗时超声、进水溢流开关要关掉

3、纯水的电阻率＞15MΩcm。

2.6硅片的甩干工艺

在硅片甩干前应检查甩干机中有无碎片，若有要将其清除干净。

甩干前查看控制面板的参数设置是否正确：

油温：

115～125℃，低转速：

200rpm高转速：

480rpm，甩干时间约3min。

在放入片盒时应双手垂直轻轻提取将片盒横放于甩干机中且要装填到位，注意甩干机中的片盒一定要对称放置，防止硅片在甩干过程中碎裂，其操作如图2-12所示。

图2-12片盒的插入

甩干机装好片盒后，按红色“关门”按钮，待门完全关闭后，按绿色“启动按钮”待控制面板上的时间归零，按“开门”按钮。

将甩干后的碎硅片取出，然后将硅片整齐地排放到硅片传递桌上进入硅片检验，抽检极性、电阻率、厚度、边长尺寸（2%的抽检比例）是否符合要求，不符合要求的进入二级仓库再次铸锭，符合要求的要外观全检和外观抽检，最后包装出厂抽检再入库。

3.清洗设备的PLC改造

3.1自动化清洗简介

3.1.1设备结构组成、用途

HTTQ—02型自动预清洗、脱胶机是硅片清洗行业的专用设备，本设备有两个工位，其工作原理是利用喷淋水的冲击压力和超声波渗透力强的机械振动冲击的、工件表面使工件表面清洁干净，并且用一定的温度使胶水软化，以达到工件与托盘分离的目的，工作过程是人工切片后的硅棒插入夹具中，设定工艺后启动机器，等待清洗完成即可。

本设备操作简便，造型美观大方，清洗效率高，清洗质量一致，适应大批量生产。

本设备电气控制均采用优质材质，性能可靠，使用寿命长。

3.1.2超声波清洗工艺流程：

上料——预冲洗——漂洗——超声波脱胶——下料

表3-1清洗工艺配置

清洗槽名称

工序

清洗介质

加热温度

超生频率

超声功率

一号槽

预冲洗+漂洗+脱胶

市水

室温~75度

40KHZ

2KW

二号槽

预冲洗+漂洗+脱胶

市水

室温~75度

40KHZ

2KW

3.1.3设备主要构成

1设备主线（2个工位）2条

2气缸、直线导轨系统（行程600mm）2套

3电气控制系统1套

4设备技术参

1清洗节拍：

20——45分钟

2设备使用条件：

电源：

380V50HZ三相五线制

3.1.4设备占地面积

设备外形尺寸：

L1700*W1350*H1350（mm）

占地尺寸：

L2000*W1800*H1500（mm）

3.1.5环境要求：

环境温度：

-5—45C相对湿度：

≤80％

3.2设备各部分配置

清洗设备的外部配置如表3-2和表3-3所示

表3-2超声波清洗槽

数量

2个（1槽，2槽）

结构

有效尺寸

L440*W680*H600（mm）

材质

不锈钢SUS304L,厚2mm

结构

槽底设有排水阀，槽体两侧安装2块振板，同时设有低液位保护装置，还有喷淋管，能把硅片在切割过程中带过来的砂浆冲洗掉。

喷淋管

采用不锈钢扇形喷淋嘴，间距30mm

喷淋泵

压力可显，可调

气动阀门

采用免润滑式旋转气缸推经

加热系统

加热器

10KW不锈钢电加热管（每槽两根）

温控仪

欧姆龙数显温控仪温控范围0~400℃

超声系统

振板

超声波功率1KW/块，超声频率为40KHZ,

发生器

韩国超声激发技术，全进口功率模块

表3-3行程装置

数量

2套

结构形式

汽缸传动，直线导轨，运行平稳，可靠。

参数

传动幅度

650mm

摆动频率

5次/min

3.3电气控制系统

本设备采用德国西门子电气公司的PLC（可编程控制器），控制过程即可全制动控制也可手动控制，人机界面采用LCD触摸屏。

操作面板上有LCD触摸屏、欧姆龙数显温控器，气缸及一些操作开关，可以的设定所有的参数，控制所有的状态。

包括各槽的清洗，漂洗，超声波，脱胶，工件移动的速度及时间的设定。

各槽的设定可修改，可锁定等，通过PLC实现自动控制。

LCD触摸屏的参数修改可以采用密码方式，可完成温度、速度、超声波参数的设定等，该超声波清洗设备配有独立的电控柜，电路方面进行功能分块，强电，弱电分块，以便于维护，为了人员和设备的安全，设备外壳应良好接地。

利用可编程控制器（PLC）可对以上工序进行自动化的控制，以达到节省人力和提高生产效率的目的。

3.4PLC的发展

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30～40%。

在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

自20世纪70年代末，PLC产品出现以来，它以面向工业控制为特点，普通受到电气控制领域的欢迎。

特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器控制系统，使控制系统的可靠性大大提高。

目前各国生产的PLC品种繁多，发展迅速。

在中国的市场上最具竞争力的有德国西门子公司、日本三菱系列、欧姆龙公司、AB公司所推出的PLC均为从小到大全系列的产品，可满足各种各样的需求。

3.4.1三菱公司的产品有：

FX系列：

为小型PLC，单元式，单机最大容量为256点。

A系列、Ans系列、Q系列、QnA系列等为模块式大型PLC，最大容量为8K点。

3.4.2西门子公司的产品有：

S7-200:

微型PLC，单机最大容量为256点；

S7-300:

小到中型PLC单机最大容量为1K；

S7-400:

大到超大型PLC，单机可组态点数过万点。

3.5PLC的应用

最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。

随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。

如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。

PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。

PLC控制开关量的能力是很强的。

所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。

由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。

所控制的逻辑问题可以是多种多样的：

组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。

PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。

必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。

它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。

用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。

目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。

3.6PLC的特点

3.6.1可靠性强，抗干扰能力强。

PLC生产厂商在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，使他可以直接安装于工业现场而稳定可靠地工作。

目前个生产厂商生产的PLC，其平均无故障时间大大超过了IEC规定的10万小时。

而且为了适应特殊场合需求，有的PLC生产厂商还采用差异设计进一步提高其可靠性。

3.6.2通用性强，使用方便。

由于PLC均为系列化生产，品种齐全，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，用户可根据自己的需用灵活选用，以满足系统大小不同及功能繁简各异的空子系统要求。

3.6.3编程语言简单，易学，便于掌握。

PLC的编成可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电器技术人员的欢迎。

近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编成更加简单方便。

3.6.4系统设计周期短。

3.6.5对生产工艺改变适应性强。

3.6.6安装简单，调试方便，维护工作量小。

PLC控制系统的安装接线工作量比继电器接触器控制系统少，只需将现场的各种设备与PLC相比的I/O端相连，而且PLC软件设计和调试太多可在实验室进行，模拟调试以后再将PLC控制系统安装到现场调试，这样既省时间又方便，由于PLC本身的可靠性高，又有完善的自诊断能力。

一旦发生故障可以根据报警信息迅速查明原因，这样即保证了工作效率又维护了生产的正常进行。

3.7选配PLC主机型号

S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

S7-200系列PLC可提供5个不同的基本型号的8种CPU可供使用，如表3-4所示。

表3-4S7-200CPU的技术指标

特性

CPU221

CPU222

CPU224

CPU224XP

CPU226

本机I/O

 •数字量

 •模拟量

6入/4出

-

8入/6出

-

14入/10出

-

14入/10出

2入/1出

24入/16出

-

最大扩展模块数量 

0个模块

2个模块

7个模块

7个模块

7个模块

数据存储区

2048字节

2048字节

8192字节

10240字节

10240字节

掉电保持时间

50小时

50小时

100小时

100小时

100小时

程序存储器：

 •可在运行模式下编辑

 •

不可在运行模式下编辑

4096字节

4096字节

4096字节

4096字节

8192字节

12288字节

12288字节

16384字节

16384字节

24576字节

高速计数器

•单相

•双相

4路30KHz

2路20KHz

4路30KHz

2路20KHz

6路30KHz

4路20KHz

4路30KHz

2路200KHz

3路20KHz

1路100KHz

6路30KHz

4路20KHz

脉冲输出（DC）

2路20KHz

2路20KHz

2路20KHz

2路100KHz

2路20KHz

模拟电位器

1

1

2

2

2

实时时钟

配时钟卡

配时钟卡

内置

内置

内置

通讯口

1×RS-485

1×RS-485

1×RS-485

2×RS-485

2×RS-485

浮点数运算

有

有

有

有

有

I/O映象区

256

128入/128出

256

128入/128出

256

128入/128出

256

128入/128出

256

128入/128出

布尔指令执行速度

0.22μs/指令

0.22μs/指令

0.22μs/指令

0.22μs/指令

0.22μs/指令

外形尺寸（mm）

90×80×62

90×80×62

120.5×80×62

140×80×62

190×80×62

在选用PLC上，考虑到是对硅片清洗设备做电器部分的改造，输入端口需要7个，输出端口需要7个。

考虑到经济，实用，稳定等方面因素。

我们决定选用SIMATICS7-200系列的CPU224作为本次PLC设计主机型号。

3.8电气配置

本次设计参考已有的HTTQ—02型自动预清洗、脱胶机的硬件配置，只针对一个水槽进行PLC的改进，（另外几槽电气动作与一号水槽相同，在此不再论述）

电气原理图如图3-7

图3-7超声脱胶电路原理图

本设计中的电气传动是采用气动及液压传动的。

机械手臂的上升与下降是通过气动阀驱动液压来实现上升与下降的平缓动作。

预冲洗（喷淋）工艺是通过中间继电器KA3间接控制接触器KM1动作打开喷淋泵，其喷淋的水压可通过手动调节进水阀实现。

水槽的排水与进水，分别是通过中间继电器KA4,KA5驱动气动阀实现的。

水槽的水的加热是通过中间继电器KA6间接控制交流接触器KM2接通加热电源，水槽的水的温度是通过欧姆龙温控仪实现自动化控制的。

超声波发生器的开启是通过中间继电器KA7控制的。

其控制电路如图3-8所示。

图3-8控制电路部分

3.8.1接近开关简介

接近开关又称无触点行程开关。

它能在一定距离范围内检测有无物体靠近。

当物体与其接近到设定距离就可以发出“动作”信号，接近开关的核心部分是“感辨头”，它必须对正在接近的物体有很高的感辨能力。

它给出的是开关信号（高电平或低电平），本设计所选用的接近开关有电涡流式接近开关，用来进行行程控制。

电容式液位传感器用来进行水槽液位的检测。

3.8.2输入输出配置

表3.8-1输入配置

名称

代号

型号

规格

备注

启动按钮

SB1

LA19-11D

ON1*OFF1

1个常开/常闭触点开放式带灯按钮

停止按钮

SB2

LA12-22DY

ON2*OFF2

2个常开/常闭触点自锁式带灯按钮

原点接近开关

SG1

LJ2-1L

1S*J1000

分辨力为1μm的电涡流传感器

上位接近开关

SG2

LJ2-1L

1S*J1000

分辨力为1μm的电涡流传感器

下位接近开关

SG3

LJ2-1L

1S*J1000

分辨力为1μm的电涡流传感器

下位接近开关

SG4

LJ2-1L

1S*J1000

分辨力为1μm的电涡流传感器

液位接近开关

SG5

LJ6-3C

3S*J3000

分辨力为1μm的电容式液位传感器

输出元器件（KA1~KA7）均采用JTX-8型中间继电器耦合，来控制相应的气动阀或交流接触器，从而达到控制相应动作的目的。

表3-11输入输出分配表

3.9I/O端口分配（表3-11）及外部接线图（图3-9）

名称

符号

输入端口

名称

符号

输出端口

一槽启动

SB1

I0.0

气缸向下

KA1

Q0.0

暂停

SB2

I0.1

气缸向上

KA2

Q0.1

原点位