半导体操作维护说明.docx

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半导体操作维护说明

半导体

操作维护说明书

南京凯旋电子光学仪器有限公司

南京凯旋电子半导体激光刻字机操作规程

一、开机顺序

1、打开水循环制冷机；

2、打开总电源开关（位于电源箱最下面的开关）；

3、打开激光电源开关，按红色按钮；当数位跳至0.0时，将旋钮右旋至打标所需电流；

4、打开Q驱动电源，将旋钮右旋调整至设定频率；

5、启动计算机，打开打标软件，调出文件开始工作；

二、关机顺序

1、关闭计算机；

2、关闭Q驱动电源（在工件不变的情况下，无须将频率调整至原位）；

3、将激光电源的旋钮左旋至打开时的初始电流（0.0），按下红色开关，关闭激光电源开关；

4、最后关闭水循环制冷机电源；

特别注意事项：

1、不管使用与否，只要水循环制冷机里有循环水，必须每10天更换一次循环水（必须是纯净度较高的蒸馏水），且每次换水时都要把水箱清洗干净。

2、每次开机前，必须先开水循环制冷机。

3、每次关机时，必须最后关闭水循环制冷机。

4、每次关断激光电源前必须先将激光电源的旋钮左旋至打开时的初始电流：

0.0方可按下红色开关，关闭激光电源开关；

目录

一、基本原理

二、系统构成

三、激光电源

四、激光器

五、激光强弱的调整

六、扫描驱动系统

七、冷却系统

八、设备的连接与使用

九、设备的安装环境与保养

十、设备的安全使用

十一、激光电源常见故障、原因及排除方法

十二、激光部分常见故障、原因及排除方法

一、基本原理

激光是一种受激辐射的特殊光源,具有亮度高、波长一致、方向性好和相干性强等显著特点。

激光束可以在时间上和空间上实现高度的集中，具有良好的聚焦性能，经过聚焦后的激光束能够达到极高的功率密度，其亮度和功率密度大大的超过其他的任何光源。

经过聚焦后的激光束形成细微的光斑，当激光束作用在物体的表面时，由于材料对激光的吸收使表面局部迅速的升温并引起一系列的物理变化，照射区域的材料发生熔融、汽化、电离、抛射，适当能量的激光束在计算机的控制下把工件的表面刻蚀成人们所需要的文字和图案，这就是激光标刻的基本过程。

半导体系列激光标刻机是由激光器、激光电源、计算机及专用软件、扫描驱动部件、循环冷却系统等部分组成,是典型的光、机、电一体化的高新技术设备。

二、系统的构成

本系统由激光器、激光电源、光学扫描驱动部件、计算机与应用软件以及冷却循环部件所构成。

三、激光电源

激光电源是激光打标机能否稳定工作的关键。

半导体系列激光打标机采用了先进的开关型电源，其主回路采用进口的大功率IGBT器件组成全桥逆变电路，开关频率高、充电精度好、性能可靠、操作维护简单，并且可以长时间连续工作，是目前比较先进的电源。

电源内部有过压与过流保护、断水保护、水温过高与过低保护、器件过热保护等，并且都显示在面板上，使操作者一目了然。

储能电容器的最高充电电压为1000伏，最高工作频率可达10K次/秒。

激光电源与外部信号通过光电耦合器连接，可以在计算机的控制下按照用户编制的程序工作，也可以很方便地与外部信号同步以实现自动化。

电源工作原理

本电源直接接入外部220伏交流电，经过整流回路后供给逆变回路。

整流回路中为避免开机时大电流的冲击而设计了软启动电路，这样开机时整流桥输出的脉动直流电不是直接输出到滤波电容，而是通过一个软启动电阻再接到滤波电容，最大峰值I=U/R，因此电流就比较小，等到滤波电容上的直流电压达到一定值时，软启动板进行取样比较，电流继电器J动作，短路软启动电阻R、向控制电路发出软启动完成信号，整流桥直流输出端就直接与电解电容短接并进入正常的工作状态。

逆变电路的作用是把经过整流滤波后的直流电变成频率为数拾KC的交流电，再经过高频整流向储能电容器充电，储能电容器上的电压由电压取样电路送至控制板进行比较，达到一定值时控制板输出触发信号，放电可控硅模块导通，使储能电容通过限流电感和交流接触器K2向半导体光源放电，半导体光源的光能激发YAG激光晶体发出激光。

控制回路是电源的中心，它控制着电源各部分的工作时序，发出振荡脉冲和工作电平信号，连接外部（计算机和其他控制信号）信号与激光电源，及时地向用户发出过压过流，水温，水压，过热等警告，确保设备的正常运行。

四、激光器

1激光的特点

（1）单色性好：

普通光源中最好的单色光源半导体光源发出的光，谱线宽度为Δλ=0.0047A°,而单膜稳频氦氖激光的谱线宽度可达到Δλ=10A°。

（2）方向性好:

普通光源发光向四方八面辐射,而激光是相当好的平行光束,发散角在毫弧度数量级。

（3）高亮度：

毫微秒宽度的脉冲激光，亮度高达10瓦/厘米²立体弧度，而太阳表面的亮度才2×10³瓦/厘米²立体弧度。

（4）相干性好：

光的相干性和单色性密切相关，普通光源中最好的单色光源半导体光源，相干性只有几百毫米，氦氖激光相干长度理论上可达到100公里以上。

2激光器的基本组成（各部件位置见附图）

基本的激光器由前腔片，后腔片，聚光腔，连续半导体光源，YAG激光晶体,Q开关所组成。

本机采用的是平行平面腔，即前后腔片都是平面腔片，对着聚光腔的一面镀有反射膜，后腔片膜层的反射率R=100%，前腔片的膜层反射率根据激光器用途的不同在15%-90%之间。

本机前腔片膜层反射率R=85%。

半导体系列激光打标机采用的是固体激光器，激光物质是YAG，学名掺钕钇铝石榴石，YAG产生的激光波长为1.06微米，是肉眼看不见的红外线。

半导体光源和YAG激光晶体都被仔细地安装在聚光腔内，为了能够稳定安全地固定好激光晶体，晶体的两端事先要仔细地用胶固定在棒套内。

聚光腔的内部是一个剖面为双椭圆的空腔，内壁由玻璃或金属制造，内表面镀有银层或金层，也有用高分子材料，陶瓷等非金属材料制造的，它能够最大限度的把半导体光源发出的光能传递给YAG晶体，提高激光效率。

激光是经过前腔片射出的，但这时的激光只是直径几毫米的光斑，不能直接用于生产，还要经过扩束，转光，聚焦等等，最后才能作用在工件上。

有时候为了提高光束质量，减少激光发散角，在前后腔片之间的某个位置安放一个或两个开有不同孔径小孔的光阑。

由于加工对象的不同，有些被加工件需要很高的功率密度，这时需要采用在光路中加装Q开关的方法，它使得激光脉冲被压缩，激光的峰值功率提高了2-3个数量级，甚至更高。

Q开关有主动和被动两种，本机采用的是主动Q开关，它是由一种特殊的晶体制作的，具有调试简单，安装方便，不易损毁的特点。

由于激光肉眼不能直接观测到，又难以用工具测量，因此在激光调试和激光加工时，通常借助于氦氖激光器，氦氖激光器工作时发出一束波长为0.6328微米的红色可见激光，这就使得激光器在调试和工作时有了基准。

3激光光路和光学器件的安装与调整

光路是指准直光从氦氖激光器的一端射出经过后腔片，YAG激光晶体，前腔片，扩束镜，聚焦物镜，保护镜片，最后到达打标零件这一段光学路程。

一个调整好的光路可以这样描述：

即氦氖激光器所发出的准直光始终贯穿每一个光学器件的中心，这就是激光光路调整的核心。

由于各种光学器件的安装和调整的要求各不相同，下面分别介绍：

（1）氦氖激光器的安装和调整

氦氖激光器是用于激光准直调整的，它的安装是否正确直接影响到激光的效率，它发出的是红色的可见光。

先固定好配套的光阑，仔细地调整氦氖管支架前后的调节螺钉，使光束与底版之间的距离符合图纸的要求，在日后的激光调整时不要轻易的去再动它。

（2）前后调整架的安装和调整

前腔片在出激光的方向，后腔片和前腔片相对，镀膜层对着激光，准直光通过镜片的中心，安装时一定要注意，不能搞错。

前后调整架安装好了以后，打开氦氖激光器，先用不透明的纸片挡在前后调整架之间，先调整后腔片，因为后腔片有前后两个反射面，仔细旋转调整架上的调节螺钉，让散射点逐渐收拢会聚于一点，然后将纸片置于前腔片前，按此法调整。

（3）聚光腔的安装和调整

聚光腔安装时要求准直光通过棒套的中心（即YAG激光晶体的中心），要用一小张半透明的纸在棒套的两端分别进行观察，有时还要在聚光腔的底座下垫些薄金属片使准直光通过激光的中心，调整好后上紧固定螺钉。

（4）扩束镜与Q开关的安装和调整

扩束镜与Q开关的安装和调整和聚光腔相似，要求准直光通过它们的中心。

通过Q开关的光呈水平的散点分布。

五、激光强弱的调整

激光的强弱在打标中占有非常重要的因素，它直接关系到激光打标机的工作效率和打标质量，激光打标机的操作者和维修人员应当能很娴熟地掌握这项技术。

在确认激光准直没有问题以后，移开扩束镜和Q晶体，升高工作电压，用调光片在激光输出端接光斑（如果此时接不到光斑就提高电压），反复细微地调整后腔片调整架的两只调节螺钉，使接到的光斑最强，然后再按此法调整前腔片调整架，使接到的光斑最强，在调整过程中，如果光斑已经比较强的话可适当降低电压，因为这样调节时的灵敏度比较高。

在调整过程中一定要注意使激光光斑的中心与准直光点基本重合，这是调光的关键。

扩束镜和Q晶体在激光调好后恢复，此时激光的有无由Q开关来控制，关闭Q开关，升高激光电流，观察有无漏光现象。

六、扫描驱动系统

扫描驱动系统包括计算机，伺服电机，电机驱动器等。

操作者编制应用程序并输入到计算机，计算机发出激光打标信号，和X，Y，Z三个方向的方向信号，电机按照计算机的指令运行。

计算机装有操作系统，绘图软件，专用的打标软件和专用的接口卡，计算机指令通过接口卡，接口线缆与外部设备相连。

激光束通过安装在扫描部件上的转光镜片和聚焦镜片准确地投射到工件上，在计算机的控制下标刻出人们所需要的字符或图形。

Z轴主要用来旋转工件，比如在小直径工件的圆周面上打标，就要用到Z轴。

七、冷却系统

自动恒温控制系统：

由水箱，水泵，水压开关，温控系统组成。

水箱的水由水泵泵进聚光腔，把激光器工作时产生的热量迅速的带走，水泵工作时产生的压力使水压开关闭合，激光电源才能工作，如果由于某种原因断水，激光打标机就会立即停止工作使设备得到保护。

激光器工作时间长了以后水温会逐渐升高，正常工作时冷却水的水温要保持25℃-30℃之间，温控器设定的温度不能超过30℃。

水箱的水必须加满（最好是蒸馏水），及时更换，冷却水要纯净不含杂质。

过高或过低的水温都会导致激光器重要的器件不可修复的损坏，造成经济损失。

冬季使用特别注意：

当环境温度低于0℃时，水箱及腔体里的水容易结冰，从而造成激光器损坏。

所以冬季特别注意室内温度应保持在0℃以上，否则应及时将水箱及腔体内的水全部放干净，以免造成直接经济损失，且此种损失不在保修范围内。

八、设备的连接与使用

1．设备与电源，计算机，水箱电气部分的连接

设备与外部的连接是通过专用的接插件完成的，只要按照图纸去接一般不会有问题，如果需要更换电源线的话，注意相线和零线不能接错，否则会损坏激光电源。

2．设备的接地

设备在投入使用前应当妥善接地，接地的M8铜螺栓在机器外面的后下方，接地电阻应符合国家有关电气设备接地的要求，接地线必须单独设置，绝不允许用零线代替。

准直光是否打开根据工作需要来决定，正常情况下除了调光时打开以外工作时应当关闭，这样不但可以延长氦氖管的寿命，还可以减少氦氖激光器对设备可能产生的干扰。

3、开机顺序

a、打开水循环制冷机；

b、打开总电源开关（位于电源箱最下面的开关）；

c、打开激光电源开关，按红色按钮；当数位跳至0.0时，将旋钮右旋至打标所需电流；

d、打开Q驱动电源，将旋钮右旋调整至设定频率；

e、启动计算机，打开打标软件，调出文件开始工作；

4、关机顺序

a、关闭计算机；

b、关闭Q驱动电源（在工件不变的情况下，无须将频率调整至原位）；

c、将激光电源的旋钮左旋至打开时的初始电流（0.0），按下红色开关，关闭激光电源开关；

d、最后关闭水循环制冷机电源；

九、设备的安装环境与保养

设备能否长期稳定可靠地工作，除了设备本身的设计水平和制造质量外，在很大程度上取决于周围环境的好坏和使用的合理性，设备的日常维护与保养是不可忽视的重要环节，使用得当，精心维护能大大地延长设备的使用寿命。

1．环境

设备不允许置于粉尘严重，温度与湿度较高，振动和有腐蚀性气体的环境里工作，否则会使设备加速老化，要让设备有一个较好的局部环境

2．光学器件的保养

激光打标机在经过一段时间的使用后，光学器件的表面会不同程度的受到灰尘的污染，将会影响到激光的效率，污染严重时甚至不能出光，暴露在外面的扫描部分更容易受到污染。

清洁受到污染的镜片要用脱脂长绒棉球沾少许专门的清洗液（清洗液的配制：

三份分析纯无水酒精加一份分析纯乙醚充分混合，用多少配多少，不用时瓶盖要盖紧，防止挥发），擦拭光学器件时，要用脱脂长绒棉球沾少许清洗液并甩干，由器件的中心向外擦拭，每个棉球只能用一次，不能反复使用。

聚光腔在长时间使用后内部会积有水垢，使内表面的反射能力下降，从而影响到激光效率，因此需要对其内部进行清洗，清洗前先要小心地拆下YAG晶体和半导体光源，然后分解聚光腔，用细软的毛刷沾5%稀盐酸溶液清除水垢，再用清水反复冲洗后重新装好。

3．机械扫描部分的保养

光学机械扫描部分的机械精度很高，在使用过程中如果沾上灰尘和油污就会严重影响机械精度，轻则由于运动受阻引起打字变形，重则步进电机转不动，因此需要保持内部环境的清洁，应定期用汽油清洗污垢并给丝杆部分加入清洁的机油。

4．设备的冷却

冷却水经常需要更换，无论工作与否均要做到春夏季每半月更换一次，秋冬季每个月更换一次，及时更换清洁的冷却水对激光器非常有好处，换水时要把水箱彻底清洗一遍。

平时在工作中也要经常检查冷却水的情况，水少时及时给予补足，尤其是在夏季高温时，冷却水办很容易蒸发，应当予以重视。

冷却水要用医用蒸馏水，普通锅炉蒸馏水由于杂质含量很高不可以使用。

在冬季要防止冷却水结冻。

冷却水最佳温度在25℃-30℃之间。

温控器设定在35℃左右时报警，这时操作者如不采取措施，使得水温继续升高，设备将自动切断电源。

冬季使用特别注意：

当环境温度低于0℃时，水箱及腔体里的水容易结冰，从而造成激光器损坏。

所以冬季特别注意室内温度应保持在0℃以上，否则应及时将水箱及腔体内的水全部放干净，以免造成直接经济损失，且此种损失不在保修范围内。

5．电源部分的保养

设备在长时间使用后电源内部会沾上很多灰尘，灰尘太多时会影响到元器件的散热，甚至会导致电气短路故障，所以要定期用干净的毛刷和吸尘器对内部进行清洁，要经常检查风扇的运转情况，定期给轴承部位加油，风扇如果停转，激光电源的大功率器件很快就会因为过热而损坏，夏季尤其要注意。

设备还要防止鼠害，老鼠会咬断电线造成故障。

十、设备的安全使用

激光打标机内部有大容量的高压储能电容和其他高压电力电子器件，最高工作电压超过1000伏，同时YAG激光器发出的1.06微米波长的强激光有可能对人体造成伤害，为了防止出现意外，设备在工作中不允许打开机柜和激光罩盖，不允许揭开罩盖工作。

设备在投入使用之前，机壳要按国家有关电气设备的接地标准妥善接地，切不可用零线代替（接地螺栓在机柜的后下方）。

由于激光电源内部有大容量电容器，设备工作时对电网会产生一定的冲击，如果电源接入处的空气开关容量小于40A，可能会引起跳闸，这时要求更换大一点的开关来解决。

计算机的电源和激光电源要求分别接入。

激光电源出现故障时要让受过专门培训过的维修人员进行修理。

在清洁激光电源内部时，至少要在停机十五分钟以后进行，以确保安全。

设备的冷却是设备的生命线。

设备在使用前和使用中都应当密切关注水量，水流，水温的情况，温度报警器发出报警时必须立即关机，直到水温降低后方可再开机。

本机的报警温度已设在35℃,断电温度约为40℃,不可以随便调整。

如果报警器报警后仍不关机并继续运行，设备将自动关机。

良好的冷却会使设备的使用寿命大大的延长。

特别需要提醒用户注意：

激光器在工作的时绝不允许往水箱内添加冷却水，确实要添加冷却水时必须停机。

添加冷却水后不能立即开机，一定要等聚光腔冷却到常温方可重新开机。

因为激光晶体的物理特性比较脆弱，在急冷急热的情况下非常容易破碎，破碎的激光晶体是不可修复的。

十一、激光电源常见的故障现象、原因及排除方法

1.开机后电源指示灯不亮、风扇和水泵都不转

电源有没有接好、电源插头或者保险丝松动、保险丝烧断。

2.开高压电压上不去，高压（禁止）指示灯亮

很可能是水泵不工作或水压开关未闭合，使得开高压后电压上不去。

冷却系统打开后水泵应立即工作，水压开关随即闭合接通，这时才可能打开高压，这是一种断水保护措施，以确保激光器在无水或水量过小时能自动停止工作，并发出警报。

3.内触发可以工作而外触发却不能工作

外触发信号来自计算机、单片机或其他控制电路，该信号通过主控制板上的光耦1D11传递给主控制板，在这种情况下应重点检查外触发信号线路部分，有无虚焊、脱焊、短路或接触不良。

有时候计算机或单片机本身就没有信号输出。

4.打标过程中有时电压会突然下降，调低电压后又能自动恢复

这是因为储能电容停充时间太短，半导体光源有时连弧所造成的。

停充时间的长短可调整主控制板上的精密电位器，用示波器测的第6脚来观察，正常情况下在3毫秒左右。

如果停充时间已调的很长，而半导体光源仍然连弧，就要考虑放电可控硅模块有可能短路或不能关断，应检查更换。

5.打标电流较低时工作正常，电流调高时摆动很大，速度上不去

出现这种情况应先检查输入的交流电压是否正常，设置计算机打标程序时把打标速度设置的太快，超过了激光器的最高工作速度。

6.在打标时常有漏点现象

如果打标时有漏点现象，应重点检查从外部（如计算机等）到电源内部的信号线路是否接触良好，主控制板上的光耦是否插紧，以及外触发信号是否正常；打标的速度设置的太快也会出现漏打现象。

7.没有准直光或准直光时有时无

准直光是由机内氦氖激光管产生的一束红色可见光，如果氦氖激光管衰老或者氦氖激光电源板有故障都会造成没有准直光或准直光时有时无的现象。

一般氦氖激光管的寿命大约为2-3年，正常工作时应关掉氦氖激光管，频繁的开关氦氖激光管会缩短它的使用寿命。

8.由于风扇不转可能引起的故障

风扇的作用是冷却激光电源的功率器件，一旦工作中风扇停转，高频整流管等功率器件会很快发热直至击穿，因此打标机在工作中要注意经常检查风扇的运转情况，保持进风口通畅，定期给轴承注油保持润滑，风扇不转时设备不能投入运转。

十二、激光部分常见故障、原因及排除方法

1．光路失调

光路失调是无激光输出或激光很弱最常见的原因，出现这种情况后要按照说明书上的要求仔细地调整各光学器件使得准直光束能准确地通过每个光学器件的中心，然后打开激光电源，调整输出电流至15A，用调光片接光斑，仔细调整前后调整架使光斑最强，然后再逐步降低电压调整，这项工作要反复进行直至取得最好的效果。

2．聚光腔内部受到污染

为避免腔体内部不受到污染，必须使用纯净度较高的蒸馏水

3．聚光腔内反射层烧坏

聚光腔内部的反射层是在腔体内部的外表面镀银或镀金的，如果使用过程中水温过高极容易使镀层因过热导致氧化发黑，从而失去反射作用，使得激光器的效率大大下降。

因此激光标刻机在使用过程中必须密切关注水温的情况，当水温高于38℃时必须停机，并采取降温措施，反射层烧坏的聚光腔只有专业厂家才能修复。

4．光学镜片受到污染

光学镜片受到污染是最常见的原因之一，尤其在打标工件的表面有油污的情况下，光学镜片很容易受到污染，这时要用专用的清洗液和清洁的脱脂长绒棉球仔细擦拭，擦拭时由内向外，棉球只能用一次，切不可反复使用，以免造成二次污染。

5．激光（YAG）晶体受损

常见的情况是晶体的镀膜层损坏，需要重新镀膜处理，如果是晶体的内部损坏，就需要更换，由于激光晶体是十分重要的光学器件，因此在拆装的时候要特别小心，不可马虎。

YAG晶体受损最严重的就是晶体破碎，如果打标过程中没有按照操作规程进行冷却，使得水温很高，这时如果突然加注冷却水或者工作中因某种原因中途断水而后又突然来水，YAG晶体在急热急冷的作用下极易破裂粉碎，破裂粉碎的晶体是不可修复的。

6．镜片膜层损坏

镜片膜层的损坏可以直观的看出来，如镜片表面发毛、发雾、局部发白等等，镜片膜层损坏激光就会下降甚至无激光输出，这种故障的原因主要是由于污染造成的。

由于激光的瞬间功率密度极高，镜片表面的污染物在激光的作用下烧灼并产生高温，会逐步破坏镜片表面的镀膜层，因此及时的清除镜片表面的污染是非常重要的。

激光调偏也会造成镜片的污染，激光调偏时谐振腔内的激光束有可能打在金属部件上，并使得金属表面蒸发飞溅到镜片表面，造成镜片污染。

所有的镜片中保护镜片是最容易被打坏打毛的，更换保护镜片时切不可污染聚焦镜片，更不能在没有保护镜片的情况下开机工作。

7．光束质量不好

这往往表现出光斑不圆、聚焦不好、打标字符边缘不清晰，此时应先调整好激光，然后再在前调整架和聚光腔之间加装适当孔径的光阑来解决，但加装光阑后激光能量和效率均要受到一定的影响，在不影响打标质量的前提下，应当尽可能用较大孔径的光阑。

8．电源有故障

电源有故障造成输出能量不足，也会导致激光变弱，通常是储能电容器的容量下降，储能不足，由于储能电容器也有一定的寿命期限，因此已使用多年的设备有可能出现这种故障，这时可按照激光电源故障排除方法去检查排除。

9．激光先弱后强

激光出现这种现象仍属正常，这是由于激光器工作时的温度梯度所造成的，但是通过仔细地调整可以把这种现象的影响减弱到基本不影响工作的程度。

调整的关键是激光点和准直点要完全的重合，有时要边打标边调整，往往是光调到最强时效果并不一定最好，应当牺牲一点效率以获得最好的打标效果。

假如采取上述方法仍不能很好的解决问题，可以通过编程把开始的一笔重复打一次的方法来解决。