光刻机机箱EMC电磁兼容解决方案

胡广领

摘  要：光刻机是一种高度精密、高度集成，包含很多电力电子器件的设备。其主要控制器件几乎全部集成在各种机箱里。因为各种元器件安装密集度很高，导致各种电力电子器件之间的电磁干扰问题越来越突出，严重影响光刻机整台设备的性能和MTBF指标。因此，光刻机的机箱必须具有较高水平的电磁兼容能力，才能保证整台设备的EMC性能，所以解决光刻机各种机箱电磁兼容性是刻不容缓的一个课题。

关键词：光刻机;EMC;EMI;屏蔽;滤波;接地

中图分类号：TN03        文献标志码：A         文章编号：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，光刻機要用到很多控制机箱和驱动机箱。机箱内部集成元器件种类和数量繁多，布局紧凑和密集。大量功能各异的元器件集成在狭小的空间内，导致维护空间非常有限，特别是机箱内元器件与机箱之间通过线缆接插件连接，有一些线缆的连接方式为绕线或焊接，造成电气元件装配和维护困难，使得设备间的电磁干扰问题特别突出，从而降低光刻机的性能和稳定性。此外，现有机箱尺寸规格基本都已经标准化、模块化，且有较大的批量和稳定的生命周期的产品，需要更进一步提高机箱电磁兼容性。

1 光刻机设备主要具有以下特点

（1）安装密集度高。光刻机技术本身要求，其内部元器件的安装非常紧凑，并且很多功能和性能要求各异的组件集成在狭小的空间内，导致各分系统之间电磁干扰尤为突出。

（2）强弱电信号共存。光刻机几乎包含有十几万种元件，同时要处理各种模拟、数字、光等弱信号。配电回路、变频器、伺服驱动的输出回路等强电回路对外部电子电路信号造成干扰，弱电信号又极易被干扰。

（3）电压电流相差大。光刻机各系统充分利用电力资源，占用了从交流到直流的很多个频带。电流从几百安培到几毫安培，大电流和高电压对旁边的各分系统弱电电流信号造成强烈干扰。

（4）公共电源和接地线。光刻机各子系统平台上的各分系统通常共同使用电源和接地线，因此，电源之间耦合和接地线之间耦合，也要能正确处理。

由于以上这些特点，光刻机各子系统电磁兼容设计比一般的电子设备更为复杂和困难，电磁兼容性更难达标。

2 光刻机机箱的电磁兼容问题解决方案

光刻机机箱设计首先要遵守常规的EMC设计原则，然后，再根据具体的问题采取相对应EMC措施处理，主要从以下几方面：供配电回路、箱体结构屏蔽、电路设计、整机接地等方面。

2.1 供配电回路

供配电回路主要是机箱供电电源。机箱电源有三相交流电源和单相交流。机箱供电电源需要安装滤波器。其滤波器输入端线缆和输出端出线缆分开，保持一定距离，绝对禁止捆绑在一起。滤波器壳体要大面积接地。机箱电源进线要直接接到滤波器输入端，并且距离最短，单相交流供电时可采用IEC滤波器（见图1、图2）。

该滤波器结构形式是无源回路结构，可以双向隔离滤波，可以过滤外部干扰进入机箱内部，又防止内部干扰源往外扩散，其作用是滤除高次谐波干扰，对低频段干扰基本是无效的。

变频器的动力输出回路的输出滤波也非常重要。对于驱动器当载荷功率变化时，导致电流、电压频率变化，进而造成外部回路波动。在驱动器动力输出回路并联电容滤波器，利用的电容储能作用，使回路波动变化平稳。

2.2 隔离变压器

使用交流供电时，在安装空间和成本允许下，尽量使用采用初级和次级线圈有屏蔽隔离层的变压器。这种变压器具有改变压、防止接地线环流、良好的防护、增强共模干扰抑制比等作用。隔离变压器和电源回路滤波器作用起到互补作用。

2.3 正确选择AC/DC电源

各分系统使用的AC/DC电源有开关电源和线性电源两种。开关电源对外来干扰有一定的抑制能力，但对外的辐射和传导过大，致使在EMC试验时，不能过发射测试。因此，在低功耗回路里，尽量不用开关电源，而选用性能较好的线性电源。

3 箱体屏蔽

箱体结构电磁屏蔽处理是防止机箱电磁干扰最基本和最有效的办法。外部线缆路径布置也间接与机箱屏蔽有关，因为电缆是要通过机箱进出，强电电源线缆、驱动电机线缆、控制信号线缆、通讯线缆分开铺设，做一定的隔离或分开一定的距离。

（1）确保屏蔽回路导电连续性。机箱对于重量相当敏感，机箱材料基本全是5052和6063合金铝板材，在板卡面板与面板之间采用屏蔽条，减少缝隙，板卡导轨上装有接地掐片。板卡面板外表面做阳极氧化处理，增强耐磨、耐脏，内部和上下、左右侧面进行铬酸钝化处理，增强导电性。（2）机箱各种安装孔。箱体上的各种孔主要用来安装仪表、传感器、开关按钮、指示灯、接插件等元器件。箱体屏蔽效果与开孔大尺寸有密切关系，与开孔面积基本没有直接联系。因此，在设计中尽量开圆孔，其次考虑是开方孔，尽量避免开长腰孔。（3）缝隙深度。增加箱体各结构件之间的缝隙深度，也可以增强箱体屏蔽效能，在填充各结构件之间的缝隙，在接缝隙处加装导电橡胶衬垫，其压缩量应该压缩原有高度的30%～40%范围以内，屏蔽效果可以降低5～10dB。

4 电路设计

电路设计包括：电气和电子原理性设计、元器件选型及元器件布置设计。所有元器件要合理选型。电气元件和电子元件布置是要严格分离布置或隔离，避免强电回路对弱电回路的干扰。同类元器件附近区域不允许放置不干的高速器件和敏感器件，否则就需要在该区域采取相应的措施;正确处理进出机箱的线缆，否则会影响机箱屏蔽效果。因此，连接至机箱接插件连接外部线缆必须使用有金属屏蔽层线缆，并且线缆的金属蔽层与箱体保持导电连续性。

4.1 接插件处理

接插件选型符合相关标准规范有屏蔽作用的接插件。箱体安装的接插件接触表面不能有绝缘漆膜或绝缘涂塑层等。配有屏蔽作用附件的接插件，确保电缆金属屏蔽层和接插件外壳有良好的导电连续性。

接插件金属外壳与箱体接触面必须良好的电连续性，线缆端部金屬屏蔽层与接插件做360°连接，且连接阻抗不大于1mΩ;（塑料机壳不选用带屏蔽的联接器，或联接器金属壳悬空）;反之，则需要接插件外壳四周有向上簧片，以确保与箱体间有良好的接触。

当一个接插件里存在不同类型的信号时，比较敏感的信号之间必须用接地管脚隔离开。

4.2 系统间线缆

各分系统内部有很多来自外部的微弱控制信号和通讯信号，所以各分系统这些信号经常成为最易遭受外部电磁干扰的薄弱环节。还有一些传感放大器信号类型有单端输入式和差分输入。各分系统内部传感器线缆全部采用双绞屏蔽辐射交联氟塑料护套电缆，屏蔽层根据线缆所载信号的性质选择接地方式。所有线缆在进入机箱后通过反馈式滤波器或片式三端滤波器滤除高次谐波干扰信号;差分信号线缆使用共模扼流圈滤除共模干扰信号;并且线缆选用双脚屏蔽。

当同一根电缆线里存在不同类型的信号时，禁止将不同类信号线芯互相绞在一起，同时也要尽可能避免使它们紧挨在一起。

整机正确接地也是保障光刻机电磁兼容性的主要措施之一。为了达到预期设计的屏蔽效果，光刻机外部防护体也应有足够的屏蔽效果，将干扰信号衰减到最小，满足各系统之间达到最大的电磁兼容。整机和各分系统之间，在设计标准允许内的电磁环境中，不降低整机工作性能和MTBF指标;同时，整机所产生的对外干扰不大于设计标准的最大值，以免影响其它机台相应指标，从而达到所有机台之间互不干扰、共同运行的目的。

5 结束语

当设计一台光刻机时，项目设计人员要在前期项目规划设计时就要全方位考虑整机的电磁兼容问题。如果忽视了这一环节，到光刻各分系统总装和集成调试时，干扰问题会全面显露出来，而且处理难度也很大，费用也很高。因此，前期项目规划设计解决电磁兼容问题是最佳时期，而且会最大程度的降低项目成本。

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