X 光檢測機真空頻繁報錯故障分析

申承志，趙英偉，郝曉亮，馬培圣，劉 楠

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

1 背景

X 光檢測機利用X 光透射成像原理，由X 光發(fā)射器產生X光，X 光接收裝置能接收X 光并成像。X 光接收裝置將產生的圖像信號傳給電腦，在電腦屏幕上顯示被測物體的內部結構。這種設備一般用來檢測芯片、PCB 板、鋰電池和精密鑄件等零部件。電子工業(yè)中的X 光檢測機要求高精度。

某臺X 光檢測機真空頻繁報錯，該故障3 天左右出現(xiàn)一次。該型號X 光檢測機的真空系統(tǒng)由膜片泵、分子泵、手動放氣閥、真空計和透射光束發(fā)射器等部件組成，如圖1 所示。該X 光檢測機與真空有關的部分電路簡圖如圖2 所示，膜片泵運轉一段時間后會停機一段時間，進氣口真空值（壓強）上升速度慢。

圖1 某X 光檢測機真空部分結構簡圖

圖2 某X 光檢測機與真空有關的部分電路簡圖

2 冷陰極電離真空計原理

高真空計有多種類型，常見的有熱陰極電離真空計、冷陰極電離真空計和B-A 型電離真空計。冷陰極電離真空規(guī)一般具有3 種電極配置方式，即潘寧規(guī)、磁控規(guī)和反磁控規(guī)[1-2]。早期真空計的規(guī)管和控制器是分開的，后來隨著技術發(fā)展，規(guī)管和控制器的主要部分可以組裝在一起。

冷陰極電離規(guī)在直流高壓電源、電場和磁場的共同作用下，形成自持氣體放電，一般又稱為潘寧放電[2]。冷陰極電離真空計中的電流I與壓強P 是非線性關系，但在一定的壓強范圍內，放電電流與壓強的關系遵循冪次方關系[3]：I=KPn，即 lgI=nlgP +C，C=lgK。其中，I 為放電電流，K 為規(guī)管常數(shù)，P 為壓強，n 為指數(shù)，一般在1～2，它是與規(guī)管結構有關的常數(shù)[3]。

冷陰極電離規(guī)的硬件電路和軟件程序對讀數(shù)輸出是有影響的[2]。要使真空計讀數(shù)在誤差允許范圍內，可以在軟件里設置誤差修正表，通過修改該表來調整輸出。冷陰極電離真空計的電路部分長期工作，部分電子元器件電氣參數(shù)可能發(fā)生改變，導致真空計讀數(shù)偏差。冷陰極電離規(guī)在使用過程中免不了放電噴濺沾污。因此，要定期清潔電極表面和內壁，否則會帶來測量誤差，甚至不激發(fā)。

3 故障分析與處理

故障出現(xiàn)后，屏幕上真空指示圓形圖標為紅色，真空度顯示為0，設備不能正常工作。故障原因可能有：①真空計故障；②抽真空部件故障；③腔室漏率大故障；④電氣控制故障。

首先從第一個原因開始，圖3 是一個有沾污的冷陰極電離規(guī)。用萬用表測量該規(guī)管帶孔圓盤上深色的薄層與側壁的電阻，電阻值在20 kΩ～1.5 MΩ。如圖4 所示，陽極桿深色段是放電的地方，這兩處與陰極很近。該電離規(guī)管電極結構簡圖如圖5 所示。使用百潔布打磨冷陰極電離規(guī)管有沾污處，再做清潔。裝回設備后可使用一個月左右。這樣處理了兩、三次，該問題沒有徹底解決。

圖3 某個有沾污的電離規(guī)管

圖4 陽極桿深色段

圖5 某電離規(guī)管電極結構簡圖

接著查看該設備的膜片泵和分子泵。膜片真空泵有時停止不動，這是間歇式工作模式，與連續(xù)工作模式不同。拆下膜片泵，單獨測試極限真空，它能抽到的極限真空是500 Pa。該真空泵的極限真空跟它手冊上的值是200 Pa 差了一些。膜片真空泵極限真空差是一個可能原因，為此購買了一臺該型號真空泵。后聯(lián)系分子泵廠家得知，前級泵間歇式工作也是正常，要看分子泵電子驅動器的設置。

從圖2 可以看出，膜片真空泵受分子泵電子驅動器控制。X3接頭輔助輸出Aux2（B1）引腳，它的功能由一個參數(shù)決定，它可以設置成8 種功能中的一種，其中一種是前級泵（Baking Pump）[4]。前級泵的工作模式由另一個參數(shù)決定，它有3 種工作模式，分別是連續(xù)、間歇和延時啟動[4]。圖2 中，驅動器X3 接頭上的DO1 引腳控制高真空計的電源，該引腳有15 種功能設置，其中一種是“達到轉速設定點開關”，當條件達到時會輸出“ON”[4]。由此可見，分子泵電子驅動器控制膜片泵和高真空計，驅動分子泵，是該設備真空系統(tǒng)的控制部件。

故障出現(xiàn)時真空顯示如圖6 所示，在真空顯示處，右下角的圓形圖標由綠色變?yōu)榧t色，接著顏色反復變了幾次，經(jīng)過大約2 min，圓形圖標保持紅色。一段時間以后設備停止抽真空，這個時間由設備真空延時參數(shù)決定。

圖6 真空顯示

這個新的故障現(xiàn)象顯示真空度太高（或者說壓強太低），導致設備真空出錯。設備上高真空計的準確度在1×10-1～1×10-7Pa≈±30%[5]。設備真空正常狀態(tài)是在2×10-3～3×10-5Pa。膜片泵技術參數(shù)中能抽到的真空值≤200 Pa，該設備使用分子泵，還有一些KF 接頭，與該真空結構類似的設備極限真空＞1×10-4Pa。由此推斷該真空系統(tǒng)的極限真空＞3×10-5Pa。當它的真空顯示值≤3×10-5Pa 時，真空計出現(xiàn)問題的可能性很大。使用2 個KF25 三通，將一套熱陰極電離真空計加裝到設備上高真空計相同的位置，如圖7 所示。發(fā)現(xiàn)設備上的高真空計讀數(shù)比它小一個數(shù)量級，讀數(shù)見表1?？梢酝茢嘤幸粋€或者兩個真空計不準。將設備上的高真空計送到高真空計生產廠家進行維修和調整，修好以后裝回設備。設備工作兩個月時間，沒有再出現(xiàn)該故障。將一個高真空計送去校準，然后用校準過的高真空計與設備上維修過的真空計進行對比，對比值見表2。由此得出故障原因：真空計不準，導致設備真空報警故障。

圖7 在設備上加裝另外一套真空計

表1 真空值對比

表2 維修后的真空計與校準過的真空計對比

4 總結

獲取信息提前到故障現(xiàn)場等待，看到故障發(fā)生時的情況。經(jīng)過多次檢測，找到X 光檢測機真空故障頻繁發(fā)生的原因和解決辦法。有校準過的高真空計方便維修，加快維修速度。

半導體設備大量使用真空計，設備真空值是一個常用參數(shù)。真空達不到要求，設備不能正常使用，或者某一步工藝不能進行。真空計讀數(shù)準確很重要。若工作中不重視真空計的準確性，則可能無法確認故障原因。