大型等离子处理设备真空系统设计*

张正兵

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

大型等离子处理设备真空系统设计*

张正兵

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

为使大尺寸印制板能够进行低温等离子处理，设计了大型等离子处理设备，该设备具有真空度可调的真空系统、电极可冷却的电源系统及基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control, PLC)和触摸屏的控制系统。文中简要介绍了大型等离子处理设备的组成及工作方式，详细阐述了真空系统设计，包括真空泵组选型计算和基于有限元的真空腔体结构优化设计。实践证明，该设备具有等离子体产生速度快、腔体温度控制效果好等特点，达到了国内领先水平。

真空腔体； 罗茨泵； 有限元

引 言

低温等离子体是对气体施加电场进行辉光放电后形成的气体，由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，它能改变聚四氟乙烯等高分子材料的表面性能，广泛用于印制板孔金属化前处理、聚四氟乙烯等材料粘结前处理和印制电路板表面活化处理。它能取代常规钠萘处理溶液，为聚四氟乙烯基材零件的表面活化提供一种快速、方便、清洁的处理方法[1]。目前国内市场上等离子设备种类很多，按电源频率可分为中频等离子设备和射频等离子设备，按工件放置方式可分为水平式等离子设备和垂直式等离子设备，但基本上都是小尺寸腔体，不能满足产品生产效率要求，为此研制了大型等离子处理设备。

1 系统组成

大型等离子体处理设备主要由真空系统、电源系统及控制系统3部分组成，如图1所示。真空系统由真空腔体、真空泵组等组成，是等离子设备的核心部分，试样在真空腔体中进行集中处理，真空泵组负责将真空腔体抽到一定真空度；电源系统由电源、放电极板等组成，利用放电极板进行高频放电，使腔体内产生等离子体；控制系统采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control, PLC)和人机系列触摸屏进行联合控制，可通过对触摸屏的点击操作控制等离子处理系统的运作[2]。采用冷水机对放电电极进行循环水冷却，以降低真空腔体内的温度，在腔体上装有放气阀、真空计和热电偶。

图1 大型等离子处理设备简图

2 真空系统设计

真空系统由真空泵组、真空腔体、真空计、真空电磁阀及真空管路组成，真空电磁阀控制真空泵组的开启及真空腔体与大气的联通与封闭。

2.1 真空泵选型计算

真空泵工作时真空腔体所需的气量和真空度分别为2 L/min和35 Pa,初始抽气时间为4.5 min。真空泵需在规定时间内将腔体真空度抽到适当值，并在腔体进气时维持腔体真空度的动态平衡。

2.1.1 真空泵计算公式

对于低真空和中真空，当泄漏量较小时，真空设备在时间t下从压强P1降低到P2所需抽速S的计算公式为

(1)

式中:S为泵的有效抽气速率，L/s；V为真空设备的容积，L；P1和P2分别为开始时容器的压强和工作时所需的压强，mmHg；t为抽气时间，s。

真空系统维持动态平衡时抽气速率Se的计算公式为

Se=QR(273+Ts)/(PsM)

(2)

式中:Se为真空系统抽气速率，m3/h；R为通用气体参数，R= 8.31 kJ/(kmol·K)；Ts为抽出气体的温度，℃；Ps为真空系统的工作压力，kPa；M为抽出气体的平均分子量；Q为总抽气量，kg/h。

Q=Q1+Q2+Qs

(3)

式中:Q1为真空系统工作过程中产生的气体量；Q2为真空系统的放气量(值为0)；Qs为真空系统总泄漏量。1 m3空气的平均泄漏量为0.1～ 0.2 kg/h，接头泄漏量为0.03 kg/(h·m)(按接头密封长度来计算)[3]。

2.1.2 真空泵选型

根据真空泵计算公式及腔体真空度要求，如选择单级真空泵，则

Se=QR(273+Ts)/(PsM)=(0.2+0.1)×

8.31×(273+20)/(0.05 × 66) = 220 m3/h

可选取有效抽速在220 m3/h的单级泵，但此类进口真空泵价格昂贵，且维修保养费用高，一般采用粗抽泵加罗茨泵的组合泵来代替大抽速单级泵。粗抽泵先抽气4 min，腔体达到罗茨泵工作压力时，罗茨泵再抽0.5 min，达到系统工作压力。如选择组合泵，则抽速为

60.1 L/s = 3 605 L/min = 216.3 m3/h

爱发科真空泵VDN401的有效抽速为40 m3/h，罗茨泵NB300A的有效抽速为280 m3/h，满足设备真空度要求，且质量可靠，性价比高，因而选择爱发科VDN401油泵与B300A罗茨泵组合泵。

2.2 真空腔体结构优化设计

2.2.1 真空腔体三维建模

图2为UG软件绘制的真空腔体三维图，真空腔体由前后门、上板、下板、左侧板、右侧板及8个底部安装垫脚组成，真空腔体尺寸为： 2 010 mm(长)×620 mm(宽)× 620 mm(高)，板厚均为25 mm。

图2 真空腔体三维图

2.2.2 材料定义及网格划分

腔体材料为铝合金5A05，材料特性常数主要包括弹性模量、泊松比、屈服强度及密度。铝合金5A05的弹性模量为72GPa，泊松比为0.33，屈服强度为120 MPa, 密度为2 700 kg /m3。采用3D四面体网格划分，单元大小为30 mm，单元类型为CTETRA(10)，如图3所示。

图3 腔体网格划分及约束加载

2.2.3 边界条件及载荷的施加

工作中腔体外部各面主要承受大气的压力，采用UG-NASTRAN模块求解，在底部安装垫脚固定约束，如图3所示。模拟腔体在进行等离子处理时的受力情况，可在腔体外部各面加载大气压力，大小为 0.101 3 MPa。

2.2.4 腔体受力分析

如图4所示，求解结果显示，最大变形位于腔体中间部位，变形量达0.594 mm；如图5所示，求解结果显示最大应力值达81.98 MPa。取安全系数1.5, 则实际变形值为0.891 mm，实际应力值为122.97 MPa > 120 MPa，需对腔体结构进行适当优化。

图4 腔体受力变形情况有限元分析

图5 腔体受力应力情况有限元分析

2.2.5 腔体结构优化设计

根据腔体受力变形特点，结合材料力学知识，考虑采用加强筋以降低腔体工作时的变形量及变形面积，在上下左右4个面板上各加3个加强筋，加强筋长500 mm、宽40 mm、高40 mm。腔体结构优化后的网格划分如图6所示。

图6 腔体结构优化后网格划分及约束加载

图7为腔体结构优化后的受力变形图。从图7可以看出，最大变形量为0.208 mm，变形降低0.386 mm，且变形区域大幅减小。如图8所示，腔体结构优化后最大应力值为35.28 MPa，比优化前小46.7 MPa。综合结构优化后，变形及应力值大幅降低，安全系数大大提高。

图7 腔体结构优化后受力变形情况有限元分析

图8 腔体结构优化后受力应力情况有限元分析

3 结束语

大型等离子体处理设备弥补了国内大型等离子处理设备的空白，通过合理的结构设计实现了大尺寸印制板等离子活化处理的功能，具有抽真空速度快、等离子体产生速度快及工作腔体温度控制效果好等特点，达到了国内领先水平。然而，与国外先进等离子设备相比，国内等离子设备在腔体真空度精确控制及数字化高可靠性电源技术方面还有待提高。

[1] 毛志勇．等离子体处理技术在印刷电路板上的应用[J]．电子工业专用设备，2003，32(2)：75-76.

[2] 张凯军. 基于PLC和触摸屏技术的低温等离子体处理机控制系统[J]．电子机械工程，2006，22(5)： 57-58．

[3] 徐成海. 真空工程技术[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

张正兵(1983-)，男，工程师，主要从事工艺装备设计工作。

Design of Vacuum System of Large Plasma Processing Equipment

ZHANG Zheng-bing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

In order to enable the big size PCB to carry out low-temperature plasma processing, the large plasma processing equipment is designed. The equipment is composed of the vacuum system with adjustable vacuum degree, the power system with the cooling electrode and the control system based on programmable logic control (PLC) and human machine interface (HMI). The composition and operation modes of the large plasma processing equipment are introduced briefly in this paper. The design of vacuum system including the selection & calculation of the vacuum pumps and the optimization of vacuum cavity structure based on finite element is described in detail. Practice shows that the equipment can produce plasma fast and control the chamber temperature effectively.

vacuum cavity；roots-type pump；finite element

2014-04-02

TN305

A

1008-5300(2014)04-0024-03