半导体专用设备的电气控制柜设计研究

刘强 路文明

摘要：半导体专用设备是为了满足半导体制造工艺而开发的专用设备，近些年在多个行业得到了快速发展。而其电气控制柜作为设备的关键组成部分，其设计越来越重要，越来越需要向标准化、模块化、系列化发展。

关键词：专用设备;控制柜;原理与接线图;人机工程;

一、基本设计内容

控制柜设计的基本途径和方法分为三步：首先根据半导体专用设备的功能、结构组成以及控制方案，确定电气控制柜的布局、结构尺寸等;其次，进行内部电气原理图和接线图的详细设计;最后，根据实际的装配调试效果，经过优化、验证，从而满足设备的控制与维护要求。设计内容包括电气控制柜的结构设计、电气控制柜总体配置图、总接线图设计及各部分的装配图与接线图设计，同时还要有部分的元件目录、进出线号及主要材料清单等技术资料。

二、电路主路（电源部分）原理与布线设计

1.主要进行电源部分电路设计，电气柜是元件的载体，也是这些电器元件最直接的保护层，好的电气柜设计是保证电气系统以致整个半导体专用设备正常运行的必要条件。国标体系文件中对电气柜，尤其是配电柜的设计有较明确的要求。另外，在设计电柜前，根据客户供电形式选用合适的电源配置。控制电源应采用隔离变压器，尤其是对于像激光光源等对电压敏感型的专用装置。开关电源作为由电子电路器件组成的电源，体积小、对输入电压要求不是很高，通常应用在半导体专用设备的直流控制电压领域。电源部分，首选器件、线缆选型正确、整体空间配置合理，利用接线端子、线槽等合理配置，同时要标识明确，不得遗漏，维护测试方便。

2.控制回路（输入输出）原理与布线设计。主要内容包括，输入输出单元的控制，如传感、气动、温度/压力控制单元等，分为模拟、数字两种类型。半导体专用设备中，经常用到专用模块和单元。比如仪器仪表类的专用电性能测试仪及接口板、超声检测单元、温度控制单元以及气体生成与压力控制单元，还有特种光源等，比如激光光源。控制回路和设备的外围如驱动和传感、检测装置等紧密连接，在设计工作中出现问题较多的是，中间过渡连接线悬空，有时还受到设备运动部件的碰撞等，这些细节问题需要在接线图表达以及实际装配过程中密切注意。否則，设备会出现各种各样的问题，降低了设备的可靠性和可维修性。针对特殊单元还需要专门的控制模块，同时防止互相干扰。

3.电气控制柜工艺设计。电气控制装置通常都需要制作单独的电气控制柜、箱，其设计需要考虑以下几方面：（1）根据操作需要及控制面板、箱、柜内各种电气部件的尺寸确定电气箱、柜的总体尺寸及结构形式，非特殊情况下，应使电气控制柜总体尺寸符合结构基本尺寸与系列;（2）根据电气控制柜总体尺寸及结构形式、安装尺寸，设计箱内安装支架，并标出安装孔、安装螺栓及接地螺栓尺寸，同时注明配作方式;（3）为利于控制柜箱内电器的通风散热，在箱体适当部位设计通风孔或通风槽，必要时应在柜体上部设计强迫通风装置与通风孔。通常在驱动器安装位置附近安装通风孔;（4）根据现场安装、维修方便等要求，设计电气控制柜的开门方式及形式，在半导体专用设备中通常以内置门把手为主。

三、人机工程设计

当前电气控制柜的人机工程设计进人全面、广义的人——机——环境整体协调与优化阶段。在国内已经出现很多专业化的工业设计公司，半导体专用设备研发企业可以考虑进行外包。除了设备的功能之外，下面从造型设计、比例尺度设计、色彩设计等方面进行论述。

1.造型与比例尺度设计。产品造型设计依据人机工程学观点，确定人和机器之间最适宜的相互作用方式和方法，对电气柜进行材料、构造、加工方法、功能型、合理性、经济性、审美性的全面推敲与设计，同时注意与设备工程技术设计始终同步、交叉、相互参与的设计。造型的比例尺度是设计人员经常忽视的问题，应根据影响组合的各方面因素做出合理的安排与协调，体现出均衡、稳定、和谐的美学关系。造型常用的几种比例关系有均方根比例、黄金分割比例和模度理论三种。户外机柜的尺寸以以下计算式为基础：

H=H1+175+n×400

式中：H为外形高度;H1为框口高度。

W=W1+165+n×600

式中：W为外形宽度;W1为框口宽度。

D=[D-（D1+D2）]+100+n×300

式中：D为外形深度;D1、D2为框口深度的相关尺寸。以上公式的说明：所有尺寸以毫米为单位。而户外箱体的尺寸中，高度H和深度D的公式都一样，而W=W1+165+n×300。综上所述，参考《GB/T 19183.3-2003电子设备机械结构户外机壳》中第2-1、2-2中的机柜和箱体尺寸说明，半导体专用设备电气控制柜可以借鉴。

2.色彩设计。将色彩作为一个很重要的考虑因素，机电产品的色彩既要美观、大方、和谐，又要能表现产品的功能要求和形态特征，通常从色彩的色相、明度和纯度三要素出发进行设计，同时和壳体的表面处理相结合。如今，国产半导体专用设备的电气控制柜有比较明显的进步，无论在设计还是材料等方面都有很大的改善，元器件和部件也有很大的改观;针对功能较多、长度较大的设备功能模块划分更加合理，网络化智能化手段的逐步使用，也为人机工程设计提供了方便;随着标准化、一体化、智能化等方面的发展，人机工程设计也在不断变化和发展。设备的人机工程设计是个渐进优化的过程，比如某种丝网印刷生产线设备，经过几个型号的改进，在操作面板设置、按钮布局、颜色与比例等的不断优化，如主电源模块在设备底部，驱动模块在执行机构的附近，作为独立的电气箱以及工控机、操作面板等。

总之，高品质半导体专用设备的电气控制柜，要求从设计、加工、生产、制造到运输、包装的各个环节都有质量保证，才能做出高品质、高水平的控制柜。系统的分析和研究对促进半导体专用设备控制柜的标准化和系列化具有重要意义。

参考文献

[1]张晨.关于半导体专用设备的电气控制柜设计研究.2020.

[2]王志广.电气控制柜的人机工程学评价与设计.2019.