光刻機(jī)機(jī)箱EMC電磁兼容解決方案

胡廣領(lǐng)

摘? 要：光刻機(jī)是一種高度精密、高度集成，包含很多電力電子器件的設(shè)備。其主要控制器件幾乎全部集成在各種機(jī)箱里。因?yàn)楦鞣N元器件安裝密集度很高，導(dǎo)致各種電力電子器件之間的電磁干擾問題越來越突出，嚴(yán)重影響光刻機(jī)整臺(tái)設(shè)備的性能和MTBF指標(biāo)。因此，光刻機(jī)的機(jī)箱必須具有較高水平的電磁兼容能力，才能保證整臺(tái)設(shè)備的EMC性能，所以解決光刻機(jī)各種機(jī)箱電磁兼容性是刻不容緩的一個(gè)課題。

關(guān)鍵詞：光刻機(jī);EMC;EMI;屏蔽;濾波;接地

中圖分類號(hào)：TN03? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）33-0126-02

Abstract： The lithographic machine is a device that is a kind of highly sophisticated and highly integrated and contains many power electronic components. Its main controllers and monitors are installed in various chassis. Because the integration density of various components is very high， the problem of interference between various components is becoming more and more prominent， which seriously affects the performance of the lithography machine and MTBF indicator. Therefore， the lithography machine's chassis must have a high level of EMC capability so as to ensure the performance of the whole equipment.

Keywords： lithographic machine; EMC; EMI; shielding; filtering; grounding

引言

目前，光刻機(jī)要用到很多控制機(jī)箱和驅(qū)動(dòng)機(jī)箱。機(jī)箱內(nèi)部集成元器件種類和數(shù)量繁多，布局緊湊和密集。大量功能各異的元器件集成在狹小的空間內(nèi)，導(dǎo)致維護(hù)空間非常有限，特別是機(jī)箱內(nèi)元器件與機(jī)箱之間通過線纜接插件連接，有一些線纜的連接方式為繞線或焊接，造成電氣元件裝配和維護(hù)困難，使得設(shè)備間的電磁干擾問題特別突出，從而降低光刻機(jī)的性能和穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)有機(jī)箱尺寸規(guī)格基本都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，且有較大的批量和穩(wěn)定的生命周期的產(chǎn)品，需要更進(jìn)一步提高機(jī)箱電磁兼容性。

1 光刻機(jī)設(shè)備主要具有以下特點(diǎn)

（1）安裝密集度高。光刻機(jī)技術(shù)本身要求，其內(nèi)部元器件的安裝非常緊湊，并且很多功能和性能要求各異的組件集成在狹小的空間內(nèi)，導(dǎo)致各分系統(tǒng)之間電磁干擾尤為突出。

（2）強(qiáng)弱電信號(hào)共存。光刻機(jī)幾乎包含有十幾萬種元件，同時(shí)要處理各種模擬、數(shù)字、光等弱信號(hào)。配電回路、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)的輸出回路等強(qiáng)電回路對(duì)外部電子電路信號(hào)造成干擾，弱電信號(hào)又極易被干擾。

（3）電壓電流相差大。光刻機(jī)各系統(tǒng)充分利用電力資源，占用了從交流到直流的很多個(gè)頻帶。電流從幾百安培到幾毫安培，大電流和高電壓對(duì)旁邊的各分系統(tǒng)弱電電流信號(hào)造成強(qiáng)烈干擾。

（4）公共電源和接地線。光刻機(jī)各子系統(tǒng)平臺(tái)上的各分系統(tǒng)通常共同使用電源和接地線，因此，電源之間耦合和接地線之間耦合，也要能正確處理。

由于以上這些特點(diǎn)，光刻機(jī)各子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)比一般的電子設(shè)備更為復(fù)雜和困難，電磁兼容性更難達(dá)標(biāo)。

2 光刻機(jī)機(jī)箱的電磁兼容問題解決方案

光刻機(jī)機(jī)箱設(shè)計(jì)首先要遵守常規(guī)的EMC設(shè)計(jì)原則，然后，再根據(jù)具體的問題采取相對(duì)應(yīng)EMC措施處理，主要從以下幾方面：供配電回路、箱體結(jié)構(gòu)屏蔽、電路設(shè)計(jì)、整機(jī)接地等方面。

2.1 供配電回路

供配電回路主要是機(jī)箱供電電源。機(jī)箱電源有三相交流電源和單相交流。機(jī)箱供電電源需要安裝濾波器。其濾波器輸入端線纜和輸出端出線纜分開，保持一定距離，絕對(duì)禁止捆綁在一起。濾波器殼體要大面積接地。機(jī)箱電源進(jìn)線要直接接到濾波器輸入端，并且距離最短，單相交流供電時(shí)可采用IEC濾波器（見圖1、圖2）。

該濾波器結(jié)構(gòu)形式是無源回路結(jié)構(gòu)，可以雙向隔離濾波，可以過濾外部干擾進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部，又防止內(nèi)部干擾源往外擴(kuò)散，其作用是濾除高次諧波干擾，對(duì)低頻段干擾基本是無效的。

變頻器的動(dòng)力輸出回路的輸出濾波也非常重要。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器當(dāng)載荷功率變化時(shí)，導(dǎo)致電流、電壓頻率變化，進(jìn)而造成外部回路波動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力輸出回路并聯(lián)電容濾波器，利用的電容儲(chǔ)能作用，使回路波動(dòng)變化平穩(wěn)。

2.2 隔離變壓器

使用交流供電時(shí)，在安裝空間和成本允許下，盡量使用采用初級(jí)和次級(jí)線圈有屏蔽隔離層的變壓器。這種變壓器具有改變壓、防止接地線環(huán)流、良好的防護(hù)、增強(qiáng)共模干擾抑制比等作用。隔離變壓器和電源回路濾波器作用起到互補(bǔ)作用。

2.3 正確選擇AC/DC電源

各分系統(tǒng)使用的AC/DC電源有開關(guān)電源和線性電源兩種。開關(guān)電源對(duì)外來干擾有一定的抑制能力，但對(duì)外的輻射和傳導(dǎo)過大，致使在EMC試驗(yàn)時(shí)，不能過發(fā)射測(cè)試。因此，在低功耗回路里，盡量不用開關(guān)電源，而選用性能較好的線性電源。

3 箱體屏蔽

箱體結(jié)構(gòu)電磁屏蔽處理是防止機(jī)箱電磁干擾最基本和最有效的辦法。外部線纜路徑布置也間接與機(jī)箱屏蔽有關(guān)，因?yàn)殡娎|是要通過機(jī)箱進(jìn)出，強(qiáng)電電源線纜、驅(qū)動(dòng)電機(jī)線纜、控制信號(hào)線纜、通訊線纜分開鋪設(shè)，做一定的隔離或分開一定的距離。

（1）確保屏蔽回路導(dǎo)電連續(xù)性。機(jī)箱對(duì)于重量相當(dāng)敏感，機(jī)箱材料基本全是5052和6063合金鋁板材，在板卡面板與面板之間采用屏蔽條，減少縫隙，板卡導(dǎo)軌上裝有接地掐片。板卡面板外表面做陽極氧化處理，增強(qiáng)耐磨、耐臟，內(nèi)部和上下、左右側(cè)面進(jìn)行鉻酸鈍化處理，增強(qiáng)導(dǎo)電性。（2）機(jī)箱各種安裝孔。箱體上的各種孔主要用來安裝儀表、傳感器、開關(guān)按鈕、指示燈、接插件等元器件。箱體屏蔽效果與開孔大尺寸有密切關(guān)系，與開孔面積基本沒有直接聯(lián)系。因此，在設(shè)計(jì)中盡量開圓孔，其次考慮是開方孔，盡量避免開長腰孔。（3）縫隙深度。增加箱體各結(jié)構(gòu)件之間的縫隙深度，也可以增強(qiáng)箱體屏蔽效能，在填充各結(jié)構(gòu)件之間的縫隙，在接縫隙處加裝導(dǎo)電橡膠襯墊，其壓縮量應(yīng)該壓縮原有高度的30%～40%范圍以內(nèi)，屏蔽效果可以降低5～10dB。

4 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)包括：電氣和電子原理性設(shè)計(jì)、元器件選型及元器件布置設(shè)計(jì)。所有元器件要合理選型。電氣元件和電子元件布置是要嚴(yán)格分離布置或隔離，避免強(qiáng)電回路對(duì)弱電回路的干擾。同類元器件附近區(qū)域不允許放置不干的高速器件和敏感器件，否則就需要在該區(qū)域采取相應(yīng)的措施;正確處理進(jìn)出機(jī)箱的線纜，否則會(huì)影響機(jī)箱屏蔽效果。因此，連接至機(jī)箱接插件連接外部線纜必須使用有金屬屏蔽層線纜，并且線纜的金屬蔽層與箱體保持導(dǎo)電連續(xù)性。

4.1 接插件處理

接插件選型符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有屏蔽作用的接插件。箱體安裝的接插件接觸表面不能有絕緣漆膜或絕緣涂塑層等。配有屏蔽作用附件的接插件，確保電纜金屬屏蔽層和接插件外殼有良好的導(dǎo)電連續(xù)性。

接插件金屬外殼與箱體接觸面必須良好的電連續(xù)性，線纜端部金屬屏蔽層與接插件做360°連接，且連接阻抗不大于1mΩ;（塑料機(jī)殼不選用帶屏蔽的聯(lián)接器，或聯(lián)接器金屬殼懸空）;反之，則需要接插件外殼四周有向上簧片，以確保與箱體間有良好的接觸。

當(dāng)一個(gè)接插件里存在不同類型的信號(hào)時(shí)，比較敏感的信號(hào)之間必須用接地管腳隔離開。

4.2 系統(tǒng)間線纜

各分系統(tǒng)內(nèi)部有很多來自外部的微弱控制信號(hào)和通訊信號(hào)，所以各分系統(tǒng)這些信號(hào)經(jīng)常成為最易遭受外部電磁干擾的薄弱環(huán)節(jié)。還有一些傳感放大器信號(hào)類型有單端輸入式和差分輸入。各分系統(tǒng)內(nèi)部傳感器線纜全部采用雙絞屏蔽輻射交聯(lián)氟塑料護(hù)套電纜，屏蔽層根據(jù)線纜所載信號(hào)的性質(zhì)選擇接地方式。所有線纜在進(jìn)入機(jī)箱后通過反饋式濾波器或片式三端濾波器濾除高次諧波干擾信號(hào);差分信號(hào)線纜使用共模扼流圈濾除共模干擾信號(hào);并且線纜選用雙腳屏蔽。

當(dāng)同一根電纜線里存在不同類型的信號(hào)時(shí)，禁止將不同類信號(hào)線芯互相絞在一起，同時(shí)也要盡可能避免使它們緊挨在一起。

整機(jī)正確接地也是保障光刻機(jī)電磁兼容性的主要措施之一。為了達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的屏蔽效果，光刻機(jī)外部防護(hù)體也應(yīng)有足夠的屏蔽效果，將干擾信號(hào)衰減到最小，滿足各系統(tǒng)之間達(dá)到最大的電磁兼容。整機(jī)和各分系統(tǒng)之間，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)允許內(nèi)的電磁環(huán)境中，不降低整機(jī)工作性能和MTBF指標(biāo);同時(shí)，整機(jī)所產(chǎn)生的對(duì)外干擾不大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最大值，以免影響其它機(jī)臺(tái)相應(yīng)指標(biāo)，從而達(dá)到所有機(jī)臺(tái)之間互不干擾、共同運(yùn)行的目的。

5 結(jié)束語

當(dāng)設(shè)計(jì)一臺(tái)光刻機(jī)時(shí)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員要在前期項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)就要全方位考慮整機(jī)的電磁兼容問題。如果忽視了這一環(huán)節(jié)，到光刻各分系統(tǒng)總裝和集成調(diào)試時(shí)，干擾問題會(huì)全面顯露出來，而且處理難度也很大，費(fèi)用也很高。因此，前期項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)解決電磁兼容問題是最佳時(shí)期，而且會(huì)最大程度的降低項(xiàng)目成本。

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