陳白冰，黃曉許，曹 珂，高曉生

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000)

真空泵是半導(dǎo)體生產(chǎn)線中最常見的基礎(chǔ)設(shè)備之一，為各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工序提供真空工藝條件。PECVD工藝主泵常采用螺桿式真空泵。運行過程中殘余反應(yīng)氣體會攜帶少量氮化硅顆粒進入真空泵內(nèi)，即使具有氮氣稀釋功能，氮化硅顆粒仍會附著在泵殼與螺桿上，導(dǎo)致螺桿與泵殼之間間隙減小，造成主軸卡死。因此必須定期對泵組進行分解維護保養(yǎng)或維修恢復(fù)其性能。

1 自主維護流程

（1）閱讀設(shè)備說明書，學(xué)習(xí)真空泵的工作原理。

（2）對故障泵組進行拆解，了解零部件結(jié)構(gòu)、安裝順序與相互關(guān)系，進行工作原理分析。

（3）將主要零件精確測繪，一般部位的測量精度達(dá)到0.02mm，對關(guān)鍵配合尺寸的測量精度要達(dá)到0.002mm。對關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)零件做摸底測試，參考軸承手冊對所用軸承查明型號，分析應(yīng)用特點，了解選型原理。對關(guān)鍵的軸承進行檢測，復(fù)核型號，了解受力情況和磨損情況。

（4）用繪圖軟件對各個零件進行精確三維立體建模，模擬仿真裝配，觀察各零件在裝配圖中的位置關(guān)系，確定零件間的配合性質(zhì)，了解零件的功能用途。

（5）從設(shè)計者的角度，對照泵組應(yīng)實現(xiàn)的功能，研究各個零件的作用，裝配要求。結(jié)合使用環(huán)境，歸納泵組的特點。對照設(shè)備所實現(xiàn)的工藝要求，參照真空設(shè)計手冊中該類型泵的類似產(chǎn)品得出結(jié)論。

（6）拆解多個真空泵，積累不同工況下平均無故障時間數(shù)據(jù)，分析故障產(chǎn)生原因，確定維修重點。根據(jù)維修難點，設(shè)計專用工具、工裝。

（7）編制維修記錄表，分為外觀檢查記錄表、真空泵分解記錄表、真空泵裝配記錄表、試車記錄表四部分，主要內(nèi)容有：

a.外觀檢查：電器連接、冷卻水路、稀釋氮氣管路等；

b.潤滑油油量、品質(zhì)；

c.轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)情況：轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼間多點間隙；

d.軸向位置精度：齒輪與軸承壓緊端蓋的距離、軸承壓緊端蓋安裝間隙、軸承法蘭座體安裝間隙、電機轉(zhuǎn)子波形墊片的壓縮厚度、主軸竄動、主軸跳動精度、兩轉(zhuǎn)子軸齒間間隙；

e.試車情況：潤滑油液位情況、氮氣冷卻水壓力情況、連續(xù)運行極限真空度、羅茨泵螺桿泵電流轉(zhuǎn)速情況等。

2 荏原AAS100WN真空泵組的組成與特點

荏原AAS100WN真空泵組工藝需求與技術(shù)指標(biāo)見表1，主要由機械泵組、氮氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)（含檢測保護）組成。目前在半導(dǎo)體、薄膜太陽能電池以及其他工藝條件苛刻的行業(yè)，均采用羅茨泵與干泵組成真空泵組，一方面可以減小螺桿泵尺寸，提高壓縮比，提高了中真空階段抽速，另一方面極限真空度也可以提高一個數(shù)量級[1]。

表1泵組工藝需求與技術(shù)指標(biāo)

2.1 螺桿式真空泵

螺桿真空泵（MP）屬變?nèi)莘e式真空泵。其中由軸承支撐一對螺桿，螺桿經(jīng)間隙調(diào)整使陰陽螺桿間、螺桿與殼體間有微小間隙。螺桿泵在工作時，陰陽螺桿同步高速反向旋轉(zhuǎn)，相互之間無摩擦，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。工作腔內(nèi)無潤滑油，因此螺桿泵多應(yīng)用于無油真空系統(tǒng)中。與其他無油真空泵相比，螺桿真空泵具有抽速高，極限真空度好，適用于抽排含有大量水蒸汽及少量粉塵的氣體場合[2]。

該真空泵屬于變螺距螺桿真空泵，螺桿轉(zhuǎn)子導(dǎo)程243mm，進氣端螺距40mm，排氣端螺距16mm。轉(zhuǎn)子在相同導(dǎo)程下，變螺距螺桿真空泵與等螺距螺桿真空泵相比，具有以下特點[3]：

（1）運行時，變螺距轉(zhuǎn)子溫度均低于等螺距轉(zhuǎn)子，溫度下降幅度達(dá)到22%，有效降低了溫度上升對轉(zhuǎn)子帶來的影響；

（2）變螺距轉(zhuǎn)子總形變量、軸向形變量及徑向形變量均遠(yuǎn)小于等螺距轉(zhuǎn)子。其中總變形量降低幅度達(dá)到52%，軸向變形量降低達(dá)49%，徑向變形量降低達(dá)41%。

（3）變螺距螺桿泵的極限真空度要優(yōu)于等螺距螺桿真空泵。

2.2 羅茨真空泵

為了提高前級泵的抽速與極限真空度，將羅茨泵與螺桿泵串聯(lián)使用。羅茨真空泵（BP）的泵腔內(nèi)，有2個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，轉(zhuǎn)子間做反向同步旋轉(zhuǎn)運動。轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與殼體間保持有一定的間隙，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，壓縮比很低，故必須與前級泵配合才可以使用。

2.3 電氣控制

電氣控制系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)與保護系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)真空泵組、氮氣系統(tǒng)、冷軟水系統(tǒng)的啟停，負(fù)責(zé)真空度、溫度、水流量的檢測與保護。該電氣系統(tǒng)具有相序保護、過流保護、過載保護、水流保護、氣壓保護、溫度檢測保護等措施，在工藝條件和工作異常時停機報警，保護真空泵組，防止真空泵受到二次破壞。

2.4 氮氣系統(tǒng)

氮氣系統(tǒng)主要功能有2點：（1）氮氣密封，保證腔內(nèi)反應(yīng)氣體與外界隔離；（2）殘余反應(yīng)氣體稀釋、吹掃，裹帶出泵體內(nèi)。氮氣管道見圖1。氮氣管道接在螺桿泵、羅茨泵的齒輪端與電機端軸封處，對氣環(huán)處供氣。氣環(huán)漲緊后，可以保證泵內(nèi)氣體與齒輪端、電機端隔絕，起到密封作用，防止反應(yīng)氣體泄漏。在螺桿泵齒輪端附近與排氣口處有兩處稀釋點，用于殘余反應(yīng)氣體顆粒稀釋，防止反應(yīng)氣體顆粒吸附在殼體與轉(zhuǎn)子軸上，延長真空泵維護周期。每個軸封處均有針閥進行調(diào)節(jié)，這樣既可以最大限度地對有毒有害氣體進行隔絕，又可以保證真空泵的真空度，減少高純氮氣的消耗。

圖1 氮氣管道圖

2.5 冷卻水系統(tǒng)

真空泵轉(zhuǎn)子在輸送和壓縮氣體時會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量會使轉(zhuǎn)子軸向與徑向發(fā)生形變，這些形變會影響轉(zhuǎn)子間隙、軸承壽命。根據(jù)變螺距真空泵轉(zhuǎn)子溫度場和熱變形有限元分析可知，轉(zhuǎn)子軸的最高溫度位于排氣側(cè)，轉(zhuǎn)子軸進氣端總變形量最大，排氣端總變形量最小。該泵組冷卻水系統(tǒng)針對發(fā)熱量最大處如真空泵電機、轉(zhuǎn)子軸殼體、齒輪箱進行充分散熱，防止溫度過高，保證泵組正常運轉(zhuǎn)。

2.6 結(jié)構(gòu)特點

（1）與國內(nèi)大多數(shù)廠家生產(chǎn)的螺桿泵與羅茨泵不同，該型泵組的螺桿泵與羅茨泵采用在電機端（D端）安裝2個永磁同步電機同時驅(qū)動2個轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)動力矩均勻，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。齒輪端（C端）的一對同步齒輪均只做限位傳動，不傳遞大扭矩，保證運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，減少了齒輪的磨損；

（2）軸組設(shè)計[4]。螺桿泵軸承的固定方式為一端（電機端）固定、一端（齒輪端）游動支承方式。螺桿泵主軸結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中齒輪端軸承采用NTN公司的7306ADBC3角接觸軸承DB安裝，軸向安裝游隙在46～60μm，回轉(zhuǎn)重心處于較靠兩支撐點中心，預(yù)緊力介于中載荷和輕載荷之間，保證高溫高轉(zhuǎn)速工況下高精度使用。對該軸組主要承受較高的徑向載荷，同時該軸組具有軸向定位功能，軸向受力較小，選用軸承的壓力角為A型（30°），保證軸組可以在高轉(zhuǎn)速和高溫情況下長時間使用。當(dāng)轉(zhuǎn)子軸受熱形變時，轉(zhuǎn)子在排氣側(cè)形變量極小，軸承軸向游隙略微增大，軸承不會卡死破壞，徑向游隙減小，振動減輕，提高運動精度。

因進氣側(cè)轉(zhuǎn)子軸向形變量最大，軸承外圈與軸承座內(nèi)孔之間有一個較大的配合間隙，保證在高溫下軸承外套軸向游動可靠，伸縮自如且不與軸承孔殼內(nèi)表面發(fā)生相對的轉(zhuǎn)動。電機端采用NTN公司6006NX5-C3防蠕動深溝球軸承。經(jīng)測量，該軸承后綴油品為特殊定制，經(jīng)過查詢資料，應(yīng)為氟化油脂。

圖2 螺桿泵主軸結(jié)構(gòu)圖

序號1 2 3 4 5 6 7名稱齒輪圓螺母止動墊圈軸承后座壓蓋7306A軸承軸承間隔外環(huán)軸承間隔內(nèi)環(huán)數(shù)量1 1 1 1 1 1 1備注 序號8 9 1 0 11 12 13 14名稱7306A軸承軸承座定位環(huán)軸承座墊片6006軸承軸承外墊片數(shù)量1 1 1 1 1 1 1備注 序號15 16 17 18 19 20 21名稱止動墊圈圓螺母轉(zhuǎn)子定位環(huán)波形墊片轉(zhuǎn)子膨脹環(huán)組轉(zhuǎn)子外定位環(huán)數(shù)量1 1 1 1 1 1 1備注

羅茨泵齒輪端采用5206軸承，是一款角接觸球軸承。電機端采用6006NX5-C3軸承在型號、功能上與螺桿泵一致。羅茨泵主軸結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 羅茨泵主軸結(jié)構(gòu)圖

序號1 2 3 4 5 6 7 8名稱M6×20固定螺絲φ6彈簧墊圈轉(zhuǎn)子后端壓蓋轉(zhuǎn)子定位銷轉(zhuǎn)子波形墊圈a波形墊圈b轉(zhuǎn)自定位環(huán)數(shù)量1 1 1 2 1 1 1 1備注 序號9 10 11 12 13 14 15 16名稱M30×1.0圓螺母止動墊圈軸承墊圈（后）6006軸承軸承墊圈（前）軸承座定位環(huán)（短）定位環(huán)數(shù)量1 1 1 1 1 1 1 1備注 序號17 18 19 20 21 22名稱軸承座5206軸承止動墊圈M30×1.0圓螺母軸承后座壓蓋齒輪數(shù)量1 1 1 1 1 1備注

（3）齒輪箱采用全氟聚醚潤滑油（PEPF），化學(xué)性能穩(wěn)定，與抽排氣體不發(fā)生反應(yīng)。具有低揮發(fā)性、較寬的液體溫度范圍及優(yōu)異的黏度安全可靠，適合半導(dǎo)體工況。

（4）整機密封性優(yōu)良，內(nèi)腔與外部全部采用全氟橡膠圈密封，轉(zhuǎn)子動密封處采用氮氣密封結(jié)構(gòu)，雙層密封隔離可靠。稀釋氮氣分級調(diào)節(jié)，稀釋點安排科學(xué)，提高了安全系數(shù)，減少了腔內(nèi)結(jié)構(gòu)。

（5）加工、裝配工藝先進，裝配精度高。所有零件加工精度非常優(yōu)良，重要零件的關(guān)鍵加工尺寸公差帶≤0.005mm，零件精度高。各個零件功能明確，結(jié)構(gòu)設(shè)計精細(xì)：a、電機轉(zhuǎn)子采用脹套固定，結(jié)構(gòu)尺寸??；b、電機轉(zhuǎn)子前端的波形墊片，方便拆卸，同時減少在旋轉(zhuǎn)時的振動；c、端蓋板采用前錐后柱定位銷，保證裝配精度，方便蓋體安裝；d、同步齒輪的軸向固定采用膨脹環(huán)組無鍵聯(lián)結(jié)，同軸度高，拆裝方便；e、頂卸螺釘處的底面均有沉頭凹坑，這樣在反復(fù)拆卸時就不用擔(dān)心底面頂出毛刺，無平面高點，影響密封；f、電機轉(zhuǎn)子與主軸間無鍵連接，同過定位銷定位，轉(zhuǎn)子與定位環(huán)中安裝彈簧墊圈，采用軸向震擊法拆卸。

泵的各處有許多測量工藝孔，每處泵腔空間都有密封堵頭，可以方便的測量真空度，檢測每一級的工作情況。

3 泵組的分解

首先對外圍氮氣管道、冷卻水管道、電氣接頭部分進行拆卸，對管路接口連接處進行標(biāo)識。對復(fù)雜管路如氮氣管路畫詳細(xì)的管路圖，這樣有助于后期功能分析。冷卻水管道標(biāo)識、電氣插頭標(biāo)識見表 2、表 3。

將抱死的螺桿泵拆開可以發(fā)現(xiàn)陰陽螺桿齒面之間、螺桿與殼體之間已經(jīng)被氮化硅粉塵顆粒填滿（見圖4），必須對螺桿與泵體進行清洗。清洗工藝如下：

表2 冷卻水管道標(biāo)識

表3 電氣插頭標(biāo)識

圖4 螺桿泵拆解圖

（1）用100目的金剛砂對螺桿轉(zhuǎn)子吹掃，清除表面沉積的氮化硅；

（2）用1%的氫氟酸對需要清洗部位腐蝕60s，用清水進行沖洗；

（3）對腐蝕過的螺桿轉(zhuǎn)子噴涂聚四氟乙烯涂料做防腐處理。

聚四氟乙烯涂料對螺桿轉(zhuǎn)子噴涂厚度一般為70～90μm。聚四氟乙烯的肖式硬度為60度，具有附著力強、耐酸性與耐磨性優(yōu)良特點，可以進行重復(fù)噴涂。

4 安裝中難點與解決方法

4.1 動平衡調(diào)整

螺桿真空泵在工作過程中，螺桿壓縮空氣發(fā)熱導(dǎo)致變形，因此螺桿在安裝過程中要預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙太小，變形易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子卡??；間隙過大，螺桿真空泵無法獲得較高的真空度。因此螺桿式真空泵裝配的關(guān)鍵在于主軸間隙調(diào)整，經(jīng)過多臺測試，裝配間隙數(shù)據(jù)如下：

螺桿齒頂圓與齒底圓間間隙0.16mm

螺桿齒與電機側(cè)端面間隙0.15mm

螺桿與齒輪箱側(cè)端面間隙0.1mm

由于兩螺桿安裝后，齒間軸向間隙很小，兩螺桿同步轉(zhuǎn)動時，安裝不到位易出現(xiàn)兩螺桿齒間摩擦導(dǎo)致螺桿報廢。在調(diào)整好螺桿間隙后，陰陽螺桿的軸向間隙一定要對稱。設(shè)計專用工裝固定其中一個螺桿，手動轉(zhuǎn)動另一個螺桿，由于軸向間隙窄，只能轉(zhuǎn)動一個極其微小的角度，這個角度無法測量，因此無法根據(jù)這個角度進行準(zhǔn)確調(diào)整。制作一個專用工裝，可以精確檢測角度變化量，使兩軸相對角度可以精確調(diào)整，保證齒面前后間隙一致。若測量后發(fā)現(xiàn)兩螺桿轉(zhuǎn)子齒面前后間隙過大，說明齒面磨損較為嚴(yán)重，真空泵就無法獲得較高的真空度。用聚四氟乙烯涂料對螺桿進行反復(fù)噴涂，齒面前后間隙有所減少后，重新進行調(diào)整。

主軸裝配完成后必須對齒輪端面跳動進行檢測，齒輪端面跳動必須保證在0.1mm以內(nèi)，否則將造成齒輪磨損。

4.2 氮氣系統(tǒng)流量調(diào)整

氮氣系統(tǒng)各點流量大小直接影響設(shè)備的整體性能。流量太小，氣環(huán)處會泄漏氣體及有害氣體；氮氣稀釋處反應(yīng)氣殘余氣體顆粒會大量沉積，直接影響真空泵組的使用壽命。流量過大，將會影響泵組的真空度。因此確定氮氣系統(tǒng)各個部位的流量十分重要。

（1）設(shè)計加工串入質(zhì)量流量計的管路，保證管路的氣密性，管路盡量短，將該管路串入每個耗氣點，設(shè)計操作順序，記錄泵組顯示的總流量數(shù)據(jù)；

（2）當(dāng)輸入氣壓值為0.1MPa時，確定每個耗氣點在泵組靜態(tài)與動態(tài)的流量最大值。注意開關(guān)球閥與角閥時對各個耗氣點流量的影響變化，并記錄泵組顯示的總流量數(shù)據(jù)。對照實際的流量值，特別注意漲緊環(huán)處的不同時間段（靜態(tài)、動態(tài)、1h、2h后）的流量；

（2）最后整理分析每個耗氣點的正常流量，確定標(biāo)準(zhǔn)流量。

4.3 確定泵組各段的真空數(shù)值

摸清泵組各段真空數(shù)值，可以幫助維修人員盡快摸清泵組運行狀態(tài)，準(zhǔn)備維修方案。

（1）確定數(shù)據(jù)采集的位置，主要有羅茨泵、螺桿泵之間法蘭處，電機定子腔，齒輪箱內(nèi)腔，螺桿泵中段部位）；

（2）準(zhǔn)備測量儀表一套，設(shè)計加工電阻計和泵體連接的管路，保證接頭的氣密性，同時增加一個真空閥門，保證在測量時不污染電阻計，設(shè)計操作順序，準(zhǔn)備記錄表，并記錄入口處的真空度作對比數(shù)據(jù)；

（3）最后整理分析每個采集位置的真空度，確定標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

真空泵是真空設(shè)備的核心部件之一，隨著真空泵使用年限的增加，故障現(xiàn)象與種類也會越來越多。作為維修人員，只要我們了解真空泵的工作原理與機械結(jié)構(gòu)有助于故障快速定位與設(shè)備功能的恢復(fù)。