半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜設(shè)計研究

劉強 路文明

摘要：半導(dǎo)體專用設(shè)備是為了滿足半導(dǎo)體制造工藝而開發(fā)的專用設(shè)備，近些年在多個行業(yè)得到了快速發(fā)展。而其電氣控制柜作為設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計越來越重要，越來越需要向標準化、模塊化、系列化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：專用設(shè)備;控制柜;原理與接線圖;人機工程;

一、基本設(shè)計內(nèi)容

控制柜設(shè)計的基本途徑和方法分為三步：首先根據(jù)半導(dǎo)體專用設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)組成以及控制方案，確定電氣控制柜的布局、結(jié)構(gòu)尺寸等;其次，進行內(nèi)部電氣原理圖和接線圖的詳細設(shè)計;最后，根據(jù)實際的裝配調(diào)試效果，經(jīng)過優(yōu)化、驗證，從而滿足設(shè)備的控制與維護要求。設(shè)計內(nèi)容包括電氣控制柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制柜總體配置圖、總接線圖設(shè)計及各部分的裝配圖與接線圖設(shè)計，同時還要有部分的元件目錄、進出線號及主要材料清單等技術(shù)資料。

二、電路主路（電源部分）原理與布線設(shè)計

1.主要進行電源部分電路設(shè)計，電氣柜是元件的載體，也是這些電器元件最直接的保護層，好的電氣柜設(shè)計是保證電氣系統(tǒng)以致整個半導(dǎo)體專用設(shè)備正常運行的必要條件。國標體系文件中對電氣柜，尤其是配電柜的設(shè)計有較明確的要求。另外，在設(shè)計電柜前，根據(jù)客戶供電形式選用合適的電源配置。控制電源應(yīng)采用隔離變壓器，尤其是對于像激光光源等對電壓敏感型的專用裝置。開關(guān)電源作為由電子電路器件組成的電源，體積小、對輸入電壓要求不是很高，通常應(yīng)用在半導(dǎo)體專用設(shè)備的直流控制電壓領(lǐng)域。電源部分，首選器件、線纜選型正確、整體空間配置合理，利用接線端子、線槽等合理配置，同時要標識明確，不得遺漏，維護測試方便。

2.控制回路（輸入輸出）原理與布線設(shè)計。主要內(nèi)容包括，輸入輸出單元的控制，如傳感、氣動、溫度/壓力控制單元等，分為模擬、數(shù)字兩種類型。半導(dǎo)體專用設(shè)備中，經(jīng)常用到專用模塊和單元。比如儀器儀表類的專用電性能測試儀及接口板、超聲檢測單元、溫度控制單元以及氣體生成與壓力控制單元，還有特種光源等，比如激光光源。控制回路和設(shè)備的外圍如驅(qū)動和傳感、檢測裝置等緊密連接，在設(shè)計工作中出現(xiàn)問題較多的是，中間過渡連接線懸空，有時還受到設(shè)備運動部件的碰撞等，這些細節(jié)問題需要在接線圖表達以及實際裝配過程中密切注意。否則，設(shè)備會出現(xiàn)各種各樣的問題，降低了設(shè)備的可靠性和可維修性。針對特殊單元還需要專門的控制模塊，同時防止互相干擾。

3.電氣控制柜工藝設(shè)計。電氣控制裝置通常都需要制作單獨的電氣控制柜、箱，其設(shè)計需要考慮以下幾方面：（1）根據(jù)操作需要及控制面板、箱、柜內(nèi)各種電氣部件的尺寸確定電氣箱、柜的總體尺寸及結(jié)構(gòu)形式，非特殊情況下，應(yīng)使電氣控制柜總體尺寸符合結(jié)構(gòu)基本尺寸與系列;（2）根據(jù)電氣控制柜總體尺寸及結(jié)構(gòu)形式、安裝尺寸，設(shè)計箱內(nèi)安裝支架，并標出安裝孔、安裝螺栓及接地螺栓尺寸，同時注明配作方式;（3）為利于控制柜箱內(nèi)電器的通風散熱，在箱體適當部位設(shè)計通風孔或通風槽，必要時應(yīng)在柜體上部設(shè)計強迫通風裝置與通風孔。通常在驅(qū)動器安裝位置附近安裝通風孔;（4）根據(jù)現(xiàn)場安裝、維修方便等要求，設(shè)計電氣控制柜的開門方式及形式，在半導(dǎo)體專用設(shè)備中通常以內(nèi)置門把手為主。

三、人機工程設(shè)計

當前電氣控制柜的人機工程設(shè)計進人全面、廣義的人——機——環(huán)境整體協(xié)調(diào)與優(yōu)化階段。在國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)很多專業(yè)化的工業(yè)設(shè)計公司，半導(dǎo)體專用設(shè)備研發(fā)企業(yè)可以考慮進行外包。除了設(shè)備的功能之外，下面從造型設(shè)計、比例尺度設(shè)計、色彩設(shè)計等方面進行論述。

1.造型與比例尺度設(shè)計。產(chǎn)品造型設(shè)計依據(jù)人機工程學觀點，確定人和機器之間最適宜的相互作用方式和方法，對電氣柜進行材料、構(gòu)造、加工方法、功能型、合理性、經(jīng)濟性、審美性的全面推敲與設(shè)計，同時注意與設(shè)備工程技術(shù)設(shè)計始終同步、交叉、相互參與的設(shè)計。造型的比例尺度是設(shè)計人員經(jīng)常忽視的問題，應(yīng)根據(jù)影響組合的各方面因素做出合理的安排與協(xié)調(diào)，體現(xiàn)出均衡、穩(wěn)定、和諧的美學關(guān)系。造型常用的幾種比例關(guān)系有均方根比例、黃金分割比例和模度理論三種。戶外機柜的尺寸以以下計算式為基礎(chǔ)：

H=H1+175+n×400

式中：H為外形高度;H1為框口高度。

W=W1+165+n×600

式中：W為外形寬度;W1為框口寬度。

D=[D-（D1+D2）]+100+n×300

式中：D為外形深度;D1、D2為框口深度的相關(guān)尺寸。以上公式的說明：所有尺寸以毫米為單位。而戶外箱體的尺寸中，高度H和深度D的公式都一樣，而W=W1+165+n×300。綜上所述，參考《GB/T 19183.3-2003電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu)戶外機殼》中第2-1、2-2中的機柜和箱體尺寸說明，半導(dǎo)體專用設(shè)備電氣控制柜可以借鑒。

2.色彩設(shè)計。將色彩作為一個很重要的考慮因素，機電產(chǎn)品的色彩既要美觀、大方、和諧，又要能表現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求和形態(tài)特征，通常從色彩的色相、明度和純度三要素出發(fā)進行設(shè)計，同時和殼體的表面處理相結(jié)合。如今，國產(chǎn)半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜有比較明顯的進步，無論在設(shè)計還是材料等方面都有很大的改善，元器件和部件也有很大的改觀;針對功能較多、長度較大的設(shè)備功能模塊劃分更加合理，網(wǎng)絡(luò)化智能化手段的逐步使用，也為人機工程設(shè)計提供了方便;隨著標準化、一體化、智能化等方面的發(fā)展，人機工程設(shè)計也在不斷變化和發(fā)展。設(shè)備的人機工程設(shè)計是個漸進優(yōu)化的過程，比如某種絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)線設(shè)備，經(jīng)過幾個型號的改進，在操作面板設(shè)置、按鈕布局、顏色與比例等的不斷優(yōu)化，如主電源模塊在設(shè)備底部，驅(qū)動模塊在執(zhí)行機構(gòu)的附近，作為獨立的電氣箱以及工控機、操作面板等。

總之，高品質(zhì)半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜，要求從設(shè)計、加工、生產(chǎn)、制造到運輸、包裝的各個環(huán)節(jié)都有質(zhì)量保證，才能做出高品質(zhì)、高水平的控制柜。系統(tǒng)的分析和研究對促進半導(dǎo)體專用設(shè)備控制柜的標準化和系列化具有重要意義。

參考文獻

[1]張晨.關(guān)于半導(dǎo)體專用設(shè)備的電氣控制柜設(shè)計研究.2020.

[2]王志廣.電氣控制柜的人機工程學評價與設(shè)計.2019.