基于PLC蓝宝石晶片刷洗机控制系统设计
摘要：随着我国科技水平的提升、国家战略性推进，为了能尽快脱离技术封锁的尴尬局面，很多企业纷纷加快了芯片的研发与生产。在芯片新一轮的技术革新更迭换代中，半导体首当其冲基本处于领先地位，就目前半导体应用比较广泛的衬底材料是蓝宝石晶片与硅片等。蓝宝石具有优异的化学、光学和物理性能，它是现代工业中非常重要的基础材料。一般来说，为保证半导体芯片的品质和高可靠性，在封装前需要引入清洗流程，半导体的清洗工作也是半导体生产环节中十分重要的一环。根据资料显示，蓝宝石晶片清洗技术主要采用超声波等技术，它的清洗效果已经基本可以做到正常要求，但对一些蓝宝石晶片表面长期存留的污垢很难达到刷洗干净。
本次设计根据毛刷、药液阀和纯水阀的相互喷刷清洗过程展开研究，在通过工艺流程进行相关组件的结构设计基础上，进行电气控制设计和管道气动设计。根据市场上现有的超声波清洗结构，结合蓝宝石的高耐磨、高硬度等特性，前进组件采用滚珠丝杠螺母传动，配合减速电机驱动，实现转盘的前进与后退；旋转组件采用同步带与同步轮驱动，实现转盘的低速旋转；刷洗组件采用双驱动毛刷辊，配合药液与清水刷洗；喷淋组件采用电磁阀与单向阀控制流体的开启关闭；气动门组件采用回转气缸及杠杆传动原理控制气动门开启关闭；晶片采用人工装载与卸料，程序采用西门子S7-1200 PLC编程控制，通过HMI触摸屏的操控实现仿真运行。
设计通过组件直接清洗的方法实现了蓝宝石晶片的自动化刷洗，在某种程度上极大的改善了蓝宝石晶片表面长期存留的难以清洗的污垢有效的刷洗，这样创新性的产品设计将会对半导体制造技术产生积极有效的作用。
关键词：蓝宝石晶片；刷洗机；PLC和HMI；气动
Sapphire Wafer Brush Washer Design
--- Electrical Control
Abstract: With the improvement of China's scientific and technological level and the promotion of national strategy, in order to get rid of the embarrassing situation of technology blockade as soon as possible, many enterprises have accelerated the research and development and production of chips. In the new round of technological innovation and replacement of chips, semiconductors are the first to be in a leading position, and the substrate materials that are widely used in semiconductors are sapphire wafers and silicon wafers. Sapphire has excellent chemical, optical and physical properties and is a very important basic material in modern industry. In general, in order to ensure the quality and high reliability of semiconductor chips, the cleaning process needs to be introduced before packaging, and the cleaning of semiconductors is also a very important part of the semiconductor production process. According to the data, sapphire wafer cleaning technology mainly uses ultrasonic and other technologies, and its cleaning effect can basically achieve normal requirements, but it is difficult to achieve brushing clean for the dirt that has been stored on the surface of some sapphire wafers for a long time.
This design is based on the mutual spray cleaning process of brush, liquid valve and pure water valve, and the electrical control design and pipeline pneumatic design are carried out on the basis of the structural design of the relevant components through the process flow. According to the existing ultrasonic cleaning structure on the market, combined with the high wear resistance and high hardness of sapphire, the forward component adopts ball screw nut transmission, with the geared motor drive, to achieve the forward and backward of the turntable; The rotating component adopts the timing belt and synchronous wheel drive to achieve the low-speed rotation of the turntable; the brushing component adopts a double-driven brush roller with the chemical liquid and clean water brushing; the spray component adopts the solenoid valve and the check valve to control the opening and closing of the fluid; the pneumatic door assembly adopts the principle of rotary cylinder and lever transmission to control the opening and closing of the pneumatic door; the wafer adopts manual loading and unloading, and the program adopts Siemens S7-1200 PLC programming control, and the simulation operation is realized through the control of the HMI touch screen.
The design realizes the automatic brushing of sapphire wafers through the direct cleaning method of components, which greatly improves the effective brushing of the hard-to-clean dirt that remains on the surface of sapphire wafers for a long time, so that innovative product design will have a positive and effective effect on semiconductor manufacturing technology.
Keywords: Sapphire wafers; brush washers; PLC and HMI; pneumatic
目录
第一章 绪论 5
1.1 课题研究背景意义 5
1.2 课题研究内容及进程安排 6
1.3 本章小节 7
第二章 总体方案设计 8
2.1 控制要求 8
2.2 功能要求 8
2.3 本章小结 10
第三章 电气控制系统设计 11
3.1 工作过程 11
3.2 节拍分析 12
3.3 设计流程 12
3.4 地址分配 13
3.5 硬件设计 14
3.5.1PLC的选型 14
3.5.2主电路设计 14
3.5.2控制电路设计 14
3.6本章小结 14
第四章 PLC硬件组态、编程和仿真 15
4.1硬件组态 15
4.2 梯形图程序编写 16
4.3 仿真 23
4.4 本章小结 24
第五章 HMI触摸屏设计 25
5.1 添加触摸屏画面 25
5.2 添加按钮 25
5.3 添加指示灯 26
5.4完成触摸屏画面 26
5.5 触摸屏仿真 26
5.6本章小结 26
第六章 管道输送与气动设计 27
6.1管道回路设计与元件选型 27
6.2 气动回路设计与元件选型 29
6.3 本章小结 31
总结 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
第一章 绪论
1.1 课题研究背景意义
近年来，随着大数据、电子信息、物联网、智能制造、无人驾驶技术等高新技术领域的快速发展，世界上很多企业家都在围着新一轮的科技创新努力研发[6]，做好革命创新的准备工作[1]。国家为了推动半导体产业的发展，加强国际竞争能力和产业创新能力，从而带动传统产业改造和产品升级更迭换代，进一步加快国民经济持续、快速、健康的良性发展，近几年来我国推出了一系列支持半导体产业发展的政策[8]，例如《关于加快培育发展制造业优质企业的指导意见》《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》等产业政策为半导体行业发展提供了积极良好的政策支持，半导体行业前景一片光明。中国制造的不断创新推动了我国科技强国战略的推进,现阶段，半导体芯片制造技术已经成为一个我国智能制造的核心战略策划，随之而来的是制作工艺上的不断完善与改进。除此之外，我查阅了一些国内半导体制造方面的资料，目前对于半导体衬底材料的选择主要以蓝宝石晶片、硅片[2]等为主,其中蓝宝石具备独特的，优良的光学性能、物理性能、化学性能等为一体的特点，已经遍及应用与精密机械、国内外重大科学工程、国防军事、半导体等繁多高新领域技术发展，当今应用最多的衬底材料就是蓝宝石，是现代工业中尤其重要的材料。
本次课题所研究的内容是蓝宝石晶片刷洗机设计，它主要针对于晶片表面难以清洗的问题，流程大概为由工人将蓝宝石晶片装入转盘限位槽内，然后将装入旋转主轴卡槽内，在人机界面处设定好工艺时间，切换到自动挡，按启动按钮，旋转盘自动进，到位后气动门关闭，按设定好的清洗工艺清洗，清洗完毕气动门打开，旋转盘自动出，工人将蓝宝石晶片翻面，同上步骤操作，清洗结束，人工将旋转盘搬下结束。我所设计的是一种由PLC和HMI控制的蓝宝石晶片刷洗机。其中详细的安排如下；
（1）首先做出蓝宝石晶片刷洗机的总体设计方案，分为控制要求和功能要求两部分。
（2）对蓝宝石晶片刷洗机的电气控制系统设计[13]。详细计算它的工作过程与要求的时间数据做出对比，再给出设计流程、地址分配和硬件设计。
（3）对蓝宝石晶片刷洗机的PLC进行硬件组态、编程及仿真。先进行硬件组态，再进行编程生成梯形图，最后进行程序仿真。
（4）对蓝宝石晶片刷洗机的HMI触摸屏设计。在触摸屏画面上添加按钮、指示灯等需要的组件，完善触摸屏画面，然后对触摸屏仿真运行。
（5）对蓝宝石晶片刷洗机的管道输送和气动设计，先给出管道回路设计和元件的选型，然后对气动回路设计与元件的选型。
参考文献
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[15]Brooks Automation GmbH; Patent Application Titled "Semiconductor Cleaner Systems And Methods" Published Online (USPTO 20180330940)[J]. Electronics Newsweekly,2018.
附录
附件一：1.管道设计原理图
2.气动回路原理图
附件二：1.电气主电路图
2.电气控制电路图
3.PLC接线简图
4.PLC程序图
附件三：PLC和HMI设计
附件四：仿真视频
