基于FTA的清洗机常见故障分析与维修_王露寒.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-11-25基于 FTA 的清洗机常见故障分析与维修王露寒，吴 海，赵英伟，程壹涛(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)摘要：介绍了清洗机的基本组成结构和工作原理，以故障树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)为基础，通过对以往常见故障的总结和分析，建立了清洗机的故障树模型，实现了对清洗机故障的快速诊断与精准维修，有效缩短了设备故障宕机时间，提高了设备利用效率。关键词：清洗机；故障树分析法；快速诊断；精准维修中图分类号：TN307文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0021-05Analysis and Maintenance of Common Faults of CleaningMachine Based on FTAWANG Luhan，WU Hai，ZHAO Yingwei，CHENG Yitao(The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China)Abstract:This paper introduces basic structure and working principle of cleaning machine.Basing onFault Tree Analysis(FTA)，FTA of cleaning machine is established by the summary and analysis of thecommon faults.The establishment of FTA can help to realize rapid fault diagnosis and accuratemaintenance of cleaning machine，effectively reducing downtime of equipment and improvingequipment utility efficiency.Key words:Cleaning machine；Fault tree analysis(FTA)；Rapid diagnosis；Precision maintenance随着大规模集成电路(IC)的发展，集成度的不断提高，线宽的不断缩小，对硅片的洁净程度要求越来越高。因此，在 IC 生产工艺中对于产品的清洗质量要求更加严格，为了保证产品的重复性和一致性避免因杂质而影响质量，对于清洗机的稳定性也有了更高的要求。清洗机结构复杂，可调参数较少，设备出现故障时只有蜂鸣报警提示，无详细的故障报警信息，给准确判断故障造成一定困难。因此，利用故障树分析法(FTA)对常见问题进行举例分析，为设备的快速故障诊断、及时恢复、稳定运行提供帮助。半导体制造工艺与设备21（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 20221故障树分析法故障树分析法是自上而下的演绎式失效分析法，通过分析系统中不希望出现的状态来建立模型。在建立故障树时，通过定义一个“设备异常”结果，再向下推断可能导致异常的原因，由此一步一步地推导整理获得一个较为完善的故障树。其中经常运用“与非门”来表达其逻辑关系及多种可能导致的一种结果。故障树分析法(FTA)是一种对系统可靠性和可用性进行预测的方法，广泛应用于工程实践中。它是在系统设计过程中，通过有可能会造成系统失效的各种因素，如软件、硬件、人为、环境等因素进行分析，绘出逻辑框图，即故障树，从而确定系统失效原因的各种可能性的组合方式及其发生的概率，以计算系统失效概率，并采取相应纠正措施以提高系统的可靠性、安全性的一种设计分析和评估方法。故障树以图形化的形式表现了系统故障和其他事件之间的相互关系。初始事件通过逻辑符号来连接到一个或者多个顶事件。顶事件往往都是指会对系统安全或者功能造成影响的因素，初始事件往往都表示着元件故障或是操作人员失误。经常使用的逻辑符号包括“与门”和“或门”如图 1所示。通过 FTA 对所见现象进行推导即可快速找出故障点，并对故障进行修复。由此可加快设备的恢复速度，提高设备能效。该方法已经在多种设备的故障诊断1-3和处理中得到有效应用。2清洗机的结构及原理2.1清洗机结构清洗机的设备主要结构包括微孔陶瓷卡盘、电机、摇臂、高压水系统、工作腔几个部分，如图 2所示。微孔陶瓷卡盘有真空吸附及固定圆盘两部分功能。微孔陶瓷卡盘中间为利用微孔陶瓷来进行气体的真空吸附、释放，四周的锁紧卡扣利用离心的方式带动重锤使卡扣锁紧起到固定作用。电机中间采用中空轴用以吸附、释放真空，并通过伺服控制器对电机进行控制，电机通过联轴器与上端和设备台面固定为一体的主轴连接。摇臂通过电机带动进行往复运动，轴上带有扇片并通过传感器检测扇片位置对轴的往复运动进行控制，并设有初始位置检测工作开始及结束是进行复位操作。常见的设备中由两组摇臂分别进行水路、气路的工作，以此将液体与气体隔离，防止在吹扫的过程中造成污染。高压水系统中，以隔膜泵为压力源，通过调整隔膜泵驱动气压可以对系统压力进行调整，并通过并联在系统中的压力表对高压水的实时压力进行直观的观测，以此通过对隔膜泵供气压力的调整来对水压进行及时的调整。工作腔环境对于最终的清洗结果有一定的影响，因此对内部排水、排风、洁净度等有一定的要求。控制部分利用 PLC 编程，通过电脑输入信号PLC 输出信号进行控制，启动后自动启动部分功能并进行保护检测，检测通过后方可进行工作。图1逻辑门符号图2设备结构图输入与门输出输出或门输入工作腔微孔陶瓷卡盘摇 臂高压水系统电机半导体制造工艺与设备22（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 20222.2清洗机工作原理在工艺中，将圆片放置于微孔陶瓷卡盘上并吸附真空使圆片紧贴于微孔陶瓷卡盘，启动电机旋转微孔陶瓷卡盘并触发锁紧机构进行保护防止脱漏。待转速达到要求后开始进行清洗，利用较高压力的水流将表面的杂质冲扫干净，并利用纯净的氮气将表面吹干。待电机停止并释放真空后即可得到表面洁净的圆片。其工作流程如图 3 所示。图3设备运行流程图3 FTA在清洗机中的应用清洗机在半导体划片工艺中是非常重要的一个环节，清洗对于性能有着极大的影响，如果清洗机出现故障会导致质量明显下降甚至报废。为了在设备故障后快速地恢复，对于设备故障的各种情况进行分析，并建立故障树分析图。对于设备故障的判断可从两方面进行，一方面是设备本身的运行故障，可通过观测设备自身运行状态确定；另一方面则是通过产品质量问题逆推确定可能存在故障。通过维修工作中的累计并参考文献 2 建立如图 4 所示的设备运行问题故障树分析图，可以发现，设备故障的原因有多种可能性，而其中的任何问题都有可能导致设备发生故障。针对设备运行时的常见问题，分析归纳导致报警并停止点击 start 键门检测是否到位锁定门销门销测是否到位打开等离子风机打开台盘真空真空检测启动电机电机伺服器信号是否正常摇臂电机到达编码器设置位置一液罐状态是否正常否否是是否是否是否是是否到达设定时间摇臂电机运动至编码器设置位置一摇臂电机运动至编码器设置位置二打开高压水是否到达设定时间供液管道吹扫液罐停止供液是否到达设定时间摇臂电机运动至编码器设置位置一摇臂电机运动至编码器设置位置二液罐供液否是否是否是关闭高压水摇臂电机回到初始位摇臂电机运动至编码器设置位置一打开氮气吹扫二号摇臂电机运动至编码器设置位置二二号摇臂电机运动至编码器设置位置一是否到达设定时间关闭氮气吹扫二号摇臂电机回到初始位电机停止释放真空门销打开结束否是半导体制造工艺与设备23（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022同样由维修工作中的累计并参考文献 2建立图 5 所示的产品状态异常故障树分析图。可以发现最后产品质量状态对应的设备问题也是由多种因素导致的。针对产品状态异常故障树分析图，分析归纳导致故障的可能性及检查方法，如表 2 所示。针对这些问题进行总结分析，并给出具体的判断及处理方法，如表 3 所示。通过具体的分析，可以发现其中有许多的故障是有许多相似之处，同样的故障现象可能是由不同原因导致的，而相同的故障原因可能现象也不一定相同。通过这些故障现象及故障原因进行推断可以发现问题集中在 2 个主要部分，即以电机、联轴器、轴承为主的运动部分和以管道、压力、阀门图4设备运行问题故障树分析图表1设备运行故障树故障现象及检查序号123456故障现象未检测到圆片触发安全保护微孔陶瓷卡盘工作异常忽快忽慢位置偏离震动检查（1）确认圆片是否放置到位。（2）检查是否有真空，若无真空需确认真空发生器是否完好，电磁阀是否打开。若有真空需检查真空探头是否能够正确的检测到真空值。（3）真空状态不稳定或真空较差时要确认真空管路有无堵塞、漏气现象。（1）检查保护门是否正确关闭。（2）确认门销是否已经正确锁死保护门。（1）检查联轴器是否松动。（2）检查电机是否正常运行，是否正确受控。（3）以上两项正常时确认轴承状况是否良好。（1）检查是否是由于联轴器松动导致。（2）联轴器无故障时确认电机无异常。（3）以上两项均无异常时确认轴承是否运转正常。（1）确认传感器检测是否正常。（2）传感器正常的情况下确认联轴器连接情况，是否松动、固定位置是否偏离。（1）确认固定螺钉是否松动、上下对位是否同心。（2）确认轴承是否运转正常。图5产品状态异常故障树分析图表2产品状态异常故障树故障现象及检查序号78910故障现象排风故障排水故障高压水异常氮气异常检查（1）确认排风风扇正确运转。（2）确认排风管道无堵塞。（1）确认排水管道无堵塞。（2）确认运行中排水速度可以满足清洗水流量。确认压力是否符合所需压力、纯水是否有杂质、隔膜泵是否损坏。确认氮气是否正常供给，过滤器状态是否正常。故障的原因及检查方法，如表 1 所示。设备故障未检测到圆片启动后无动作摇臂异常1.1 1.2 1.3触发安全保护台盘工作异常忽快忽慢位置偏离震动2.12.23.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 5.15.26.1 6.2产品状态异常清洗后圆片背面有水迹圆片表面有杂质排风故障排水故障高压水异常氮气异常5.15.25.15.2半导体制造工艺与设备24（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022表3针对各类故障的判断及处理方法序号123456789101112131415161718192021判断及处理方法检查圆片是否平稳放置于微孔陶瓷卡盘，若放置偏离可能导致检测时无法通过；重新正确放置即可。断开电机处最接近微孔陶瓷卡盘的真空管道，检测有无真空。若无真空时拆卸真空发生器处管道检测是否有真空。同时确认真空发生器前端是否正常供气以判断电磁阀是否打开。若电磁阀故障则更换电磁阀，若未加电则检查确认 PLC 供电。真空发生器坏则需更换。若真空管道有真空则需确认真空探头是否损坏，通过拔插管道进行真空的吸附、释放，同时观察真空探头数值。若真空探头无变化时需更换真空探头。真空不稳定或较差时从真空发生器处逐个接口拔开管道进行排查，通过分段排查来确认故障点并更换管道、接头。将门正确的关闭，正确关闭门后仍无法运行工艺需检查位置传感器是否损坏，若损坏则更换传感器。位置传感器状态正常则需检查线路是否有断开或虚接，更换通讯线路。若门销无法正常锁死需要确认门销是否有动作，若有动作则确认门销锁死位置是否对正，未对正则调整门销位置，若门位置有偏差则调整门位置传感器。门销无动作则检查气动阀是否有气带动门销动作，检查前置电磁阀是否打开信号是否正常，信号异常则检查 PLC 问题，电磁阀坏更换电磁阀，可正常供气则更换门销。确保设备处于静止状态时，通过转动微孔陶瓷卡盘来观察联轴器是否松动，若松动则需在调整对位后重新紧固，若对位偏离可能导致其他故障。可通过松开联轴器后运行观察电机运行状态，若异常则需维修电机。可通过松开联轴器后转动微孔陶瓷卡盘，有无卡顿等现象，若出现卡顿等现象需更换轴承并对各个连接处进行清洗。在确认设备处于静止状态时，通过推动摇臂观察联轴器是否松动。若松动进行设备初始化后将摇臂推动至初始位置并紧固联轴器。可通过断开联轴器后运行观察电机运行状态，若异常则需维修电机。可通过松开联轴器后推动摇臂，有无卡顿等现象，若出现卡顿等现象需更换轴承并对各个连接处进行清洗。检查传感器状态若可以根据事实状态切换则正常，若有延迟或无法切换的情况需要更换传感器。若传感器正常需要确认联轴器连接情况，确认无松动时观察是否偏离，如位置固定，可以通过松开联轴器调整的方式进行恢复。震动时首先排除松动导致的可能性，若松动需紧固。同时注意上下是否同心若偏离可能导致震动，需要重新调整位置并紧固。若无松动、不同心的情况需要确认轴承是否稳定，可以通过松开联轴器后推动摇臂，有无卡顿等现象，若出现卡顿等现象需更换轴承并对各个连接处进行清洗。排风风扇为开机即开的状态，若没有动作则需确认是否加电或更换风扇。若风扇没有问题时需要确认是否因管道堵塞导致的无法正常排风，如堵塞清理管道即可。排水问题一般都是排水较慢导致，检查排水管路是否堵塞，若堵塞清理即可。若排水正常但清洗工艺中水位明显上升则可能是由排水速度小于喷淋高压水导致，需对喷淋高压水进行调整或加强排水能力。高压水异常首先可以观察压力表压力在喷淋中是否为所需压力，若压力不符时首先通过调整隔膜泵阀门控制压力。如无法调整需确认隔膜泵是否损坏并对隔膜泵进行维修，同时对水质进行检测确保无杂质。确认氮气压力是否符合设备需求，过滤器是否长时间未更换。调整压力并更换过滤器即可。为主的水路、气路部分。然后再通过对这些部分进行记录可以为将来的改进提供经验，对容易出现问题的部件和系统进行升级，为进一步提高设备稳定性、降低设备故障率提供有效的数据支撑。4结束语在设备的实际应用中，许多问题是不可避免的，而这些问题往往需要操作人员具有快速判断和处理的能力。通过建立清洗机的故障树模型，并据此给出设备常见故障和疑难故障的检查、判断及处理方法，这样可以根据实际情况快速修复设备故障，提升设备使用效率和产能。参考文献：1张文朋.故障树分析法在 PTC 水压层压机故障诊断中的应用J.电子工业专用设备，2012，41(4)：43-45+50.2姚刚.故障树分析法在半导体设备故障诊断中的应用J.半导体技术，2007(3)：205-207.3张文朋.模糊故障树分析法在真空系统维修中的应用J.半导体技术，2011，36(4)：322-324.作者简介：王露寒（1992），男，河北保定人，助理工程师，现从事半导体设备的维修、维护、保养工作。半导体制造工艺与设备25