基于CTI400冷凝泵故障分析研究

2013-11-16 方雪冰深圳深愛半導體有限公司

　　本文通過介紹CTI 400 冷凝泵工作原理，常見的故障與產(chǎn)生這些故障可能存在的原因，為解決這些常見問題提供了理論指導。

　　隨著真空技術的發(fā)展，冷凝泵在真空方面的應用越來越廣泛，由于它在使用過程中比較潔凈，性能穩(wěn)定，在半導體、太陽能制造等方面具有明顯優(yōu)勢，因此在這些領域里大都采用冷凝泵作為真空發(fā)生裝置，但是由于我們在這方面缺少專業(yè)的知識和零備件，冷凝泵的維護維修一般只能在跨國公司的辦事處或者少數(shù)專業(yè)維修公司那里進行相關的維修工作，價格非常昂貴。下面以CTI 400 冷凝泵為例將我們在日常遇到問題與大家一起討論一下。

1、冷凝泵的結構原理

　　CTI 400 冷凝泵又叫低溫泵或冷泵。一般情況下它和CTI 9600型壓縮機配對使用，作為一個獨立的結構單元，采用外部冷卻循環(huán)水實現(xiàn)熱交換。CTI 400 冷泵的核心部件包括80K 冷阱、15K 冷阱、15K吸附矩陣、防輻射罩及冷泵驅動組件等組成。冷泵驅動組件包括馬達、傳動機構、冷頭、活塞環(huán)等零件。這種冷凝泵在壓縮機的作用下產(chǎn)生兩個溫度制冷區(qū)，即一級制冷區(qū)和二級制冷區(qū)，它們制冷部位表面的溫度是不一樣的。一級制冷區(qū)通常溫度范圍在80K 左右，其主要作用是用來冷卻輻射罩和冷阱，輻射罩的主要功能是防止熱交換，冷阱主要是用來吸附真空腔體內(nèi)的水氣、N2、O2 等氣體及雜質；二級制冷區(qū)的溫度通常在10K～20K 之間，一般情況下為10K，溫度超過15K時冷凝泵的抽速下降。它主要是用來冷卻吸附矩陣、15K 冷阱，因為部分氣體如N2、O2進入腔體內(nèi)部后沒有被冷阱吸附，而惰性氣體Ne、H2、He 等氣體不能被低溫冷凝在光的表面上，所以需要采用一種吸附劑來吸附這些氣體，而活性炭這種材料具有吸附能力強、較大的吸附表面積，并且活性炭在室溫下很容易釋放吸附的氣體，達到自身清潔再生，因此被選作為冷泵的吸附材料。雖然活性炭的吸附能力強，但總會有飽和的時候，因此冷泵需要定期再生。

2、常見的故障及分析

　　冷泵在使用過程中隨著時間的增加，各種問題就相繼出現(xiàn)。常見的問題有：冷頭發(fā)出“咔嚓、咔嚓”的異常聲音；冷泵溫度達不到正常的工作溫度10K；冷泵抽真空速度慢。

　　2.1、冷頭發(fā)出異常聲音的處理及調試這種情況常見于冷泵使用一段時間后出現(xiàn)，主要原因是冷頭部分受到污染，因為正常情況下冷頭部位是清潔且無雜質，運行過程中聲音節(jié)奏感強，人體感覺比較舒適。而出現(xiàn)“咔嚓”異常聲音的說明冷頭里面含有水氣、空氣等，在較低溫度下結冰產(chǎn)生摩擦所致。當這種問題出現(xiàn)時，首先查看冷泵工作情況，如果冷泵是再生后運行了很長的時間，一般來說通過對冷泵進行再生可以消除這種故障，否則需要對冷頭進行維護。

　　對冷頭進行維護時，為了防止壓縮機的氦氣不受到污染和壓力降低，首先需要將冷泵與壓縮機連接的氦氣管道拆開，然后才能對冷泵驅動組件清潔。清潔時需先對氦氣進行釋放，松動螺釘，取出冷頭，如圖1 示。從圖1 中可以看出，一、二級冷頭及驅動機構受到了嚴重的污染，這就需要用酒精對兩級冷頭等部位進行全面的清理，然后放在烘箱烘干，以防空氣、酒精中的水氣進入冷頭影響維護效果。為了保證維護后的效果，還需要對冷頭中的活塞環(huán)進行查看和分析，如果認為它們的狀態(tài)不影響后面的使用效果則應保留，否則需要進行更換。冷頭的溫度零下200 多度，冷頭內(nèi)的任何物質都會凝聚成固態(tài)微粒進而影響冷頭的工作狀態(tài)，甚至發(fā)出刺耳聲音，因此需要使用無塵紙和酒精對馬達驅動內(nèi)各零件進行清潔，不能留下任何可能存在影響冷頭工作狀態(tài)的物質，同時需要分析腔體內(nèi)的零件狀態(tài)是否可繼續(xù)使用。

驅動組件中的冷頭

圖1 驅動組件中的冷頭

　　冷頭的安裝需要在凈化級別較高的環(huán)境下進行，否則很難保證冷頭清潔后的效果。在對冷頭清潔、安裝等工作過程中，由于無法消除里面存在的空氣、水氣及雜質等，因此需要對其提純，對它的提純要有專用工具才能進行，否則達不到預期效果。我們常用的提純方法有兩種：①抽真空法，即先用真空泵對其抽真空，然后沖入高純氦氣，反復數(shù)次即可達到提純的目的；②連續(xù)排氣法，即讓冷泵馬達在工作狀態(tài)下，從冷泵進氣口充入高純氦氣，從排氣口排放出來，連續(xù)運轉數(shù)后分鐘即可達到提純目的。

　　冷泵是通過氦氣管道與壓縮機直接相連，里面的大部分污染物來自壓縮機，為了保證進入冷泵的氦氣是純凈的，從壓縮機出來的氦氣都經(jīng)過一個吸附桶進行過濾，當冷頭較臟時則說明吸附桶存在失效的可能，此時則需要查看它投入使用的日期，如果使用時間較長則要考慮更換，一般來說它的使用壽命為2～3 年。

　　2.2、冷泵達不到正常溫度10K 冷泵正常工作時的溫度為10K，如果達不到這個數(shù)值，則說明冷泵、壓縮機存在問題，根據(jù)我們?nèi)粘＝?jīng)驗，可能出現(xiàn)問題的地方有：

　　2.2.1、壓縮機的He 壓力減少壓縮機經(jīng)過長期運轉后，由于各接頭之間的松動，導致部分氦氣泄漏，同時由于在對冷泵、壓縮機進行維護時拆卸管道導致的氦氣損失，均會產(chǎn)生壓力下降。我們可以查看壓縮機氦氣壓力表，一般情況下，在靜態(tài)時壓縮機的氦氣壓力為245psi 左右，動態(tài)時范圍在60～100psi 之間，如果壓力表的指針在上面兩個數(shù)值范圍內(nèi)波動則認為正常，否則需要補充氦氣。為了避免氦氣的泄漏對壓縮機制冷能力的影響，應避免對He 管路進行頻繁拆裝和He 壓力的檢查。

　　2.2.2、壓縮機冷卻水的溫度和流量如果冷卻水的溫度較高，流量較小，則不能對壓縮機產(chǎn)生的熱量有效帶走�？梢酝ㄟ^壓縮機冷卻水流量計查看冷卻水的流量，前級監(jiān)控查看冷卻水的溫度，冷卻水的溫度一般在15℃，高于此值時則需要動力提供支持。從我們工作情況來看壓縮機冷水管的堵塞是導致冷泵溫度達不到10K 的主要原因之一。

　　2.2.3、吸附桶狀態(tài)從壓縮機出來的He 均要經(jīng)過吸附桶進行過濾，來阻止He 中雜質及污染物進入冷泵驅動件中，使用時間長了He 就會產(chǎn)生堵塞，輕微堵塞時，冷泵溫度可以壓到20K 左右，重度堵塞時冷泵溫度只能壓到100K 左右，嚴重者將導致壓縮機開不起來，一般來說它的使用壽命2～3 年，因此要制定周期的維護計劃，消除因吸附桶而引起冷泵狀態(tài)差。

　　2.2.4、密封元件的狀態(tài)冷泵的制冷是靠He 膨脹吸熱來實現(xiàn)的，因此各個密封件的狀態(tài)就顯得尤為重要，根據(jù)日常維護的經(jīng)驗知道，圖2 中標號為①、⑨、輥輳訛三個密封件對冷泵溫度和真空抽速的影響明顯，其中標號為輥輳訛的密封件直接影響冷泵最低溫度，當它受到損壞時，冷泵最低溫度只能到20K，①、⑨密封件一般是不會受到損壞，只是長時間運行后效果變差，因此需要定期進行維護和更換以便保證冷泵狀態(tài)。

　　2.3、冷泵抽真空速度慢判定

　　冷泵工作狀態(tài)主要參數(shù)有：工作溫度、極限真空、冷泵抽速等。根據(jù)日常經(jīng)驗產(chǎn)生此問題的原因可能為壓縮機、冷泵或者動力供給。對于動力供給是最容易確認的，只要動力提供的冷卻循環(huán)水溫度、流量滿足要求動力方面就沒有問題。關于壓縮機的維護，實際上我們能夠維護的也就是吸附桶更換和He 的補充及提純，只要這兩樣做好了壓縮機的問題基本上是正常的。

　　從冷泵本身結構來看影響抽速的問題點就較多了，我們常見的原因主要有以下幾點：

　　1)15K 吸附矩陣使用時間久了，本身吸附能力變差，需要進行更換或者重新再生，一般來說吸附矩陣在蒸發(fā)等較干凈環(huán)境下工作，它的使用壽命可以達到3 年，環(huán)境較差的條件下它使用壽命在1 年左右，因此對它的檢查和更換需要作好記錄與維護；

　　2)15K、80K 冷阱表面保護層破壞，當冷阱上面的保護層被破壞后，其吸附水氣等能力變差，影響抽速效果；

　　3)冷泵驅動組件，它里面有很多元件影響冷泵抽速：如圖2 中的①、⑨、輥輳訛號密封件雖然影響冷泵的溫度，但是冷泵的溫度直接決定了冷泵抽速，因此它們的狀態(tài)好壞影響著冷泵的抽速；標號為③、⑧兩級冷頭影響著冷泵再生后的使用壽命，雖然它們對最低溫度沒有任何影響，但是如果兩級冷頭中的任一個狀態(tài)不好都將導致抽速慢的情況發(fā)生，且每次再生后使用的時間均很短，有的只有十幾爐的使用壽命就需要重新再生，因此對它們的保養(yǎng)和定期檢查是十分必要的。

CTI 400 冷泵驅動