高世代液晶面板生產環(huán)境控制與高精度區(qū)域的溫度控制實例研究
劉謙輝
（中國電子系統(tǒng)工程第四建設有限公司石家莊050051）
摘要：本文就高世代液晶顯示面板高精密溫度控制的機器人區(qū)域進行分析與驗證，研究控制如何和保證黃光區(qū)曝光機機器人區(qū)域的溫度穩(wěn)定。
關鍵詞：干盤管機器人質量流量
中圖分類號：TU745.7文章編號：1002-3607( 2016) 05-0050-03
前言
隨著國內液晶面板行業(yè)的快速發(fā)展，越來越高世代的廠房在全國范圍內建設。目前的8.5代面板已經形成主流，其中也使用了金屬氧化物，IGZO，LTPS，AMOLED等等高清技術，對于車間生產環(huán)境要求也越來越高。由于高世代基板尺寸已經做到2200mm×2300mm，如此大尺寸面板對生產的溫度條件非常敏感，如何控制其生產環(huán)境溫度，將是本次研究的重點。
液晶面板行業(yè)中，儲存玻璃基板的STK區(qū)，相對于其他區(qū)域存放的時間較長，對潔凈度要求特別高，機器人區(qū)域的潔凈度也是如此。
同時黃光區(qū)工藝要求對溫度控制比其他工藝相對高。本研究將就如何控制保證黃光區(qū)曝光機機器人區(qū)域的溫度穩(wěn)定進行分析與驗證。
1方案確認依據
設計一套干盤管控制系統(tǒng)，運用在高世代液晶顯示面板高精密溫度控制的機器人區(qū)域，采用大質量流量的思路，減少干盤管進出水溫度差的系統(tǒng)，作為負載不大區(qū)域的解決方案。
高世代的顯示器分辨率已經到了4K，8K或以上了，玻璃基板上的電晶體電路線寬小于2μm。以8.5代廠為例，玻璃基板尺寸為2200mm×2300mm．透明石英玻璃膨脹系數為( 5.3~ 5.8)×10-7，若是生產環(huán)境溫度控制在23+/-10C的條件下，短邊變形量將為1.25 μm，同時也會對基板上鋁線或銅線產生熱脹冷縮，所以溫度區(qū)間穩(wěn)定不穩(wěn)定對于產品性能的影響巨大。
液晶面板需要做到5～12次的掩膜工序，每一片玻璃基板需要進出曝光機5~1 2次，玻璃基板由機器人將其送進送出曝光機，所以需要一個溫度穩(wěn)定的區(qū)間，作為吸收溫度變異的
緩沖空間，對于這個區(qū)間的溫度控制方法就是文中的主要目標。
基于此，文中主要研究是采用何種系統(tǒng)，才能穩(wěn)定玻璃基板在機器人緩沖區(qū)間的環(huán)境溫度，這個溫度變異能夠控制在0.20C以內。
在談到溫度的變異值時，必須要定義此變異值是在同一位置下隨著時間的改變所產生的變化，或者談論的是在同一潔凈室中不同位置的溫度變異值（或者稱為溫度的均勻性）。此
二者的定義與內涵都不同，也應該要有不同的規(guī)格。前者著重在溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須使系統(tǒng)不隨著時間而改變；后者所討論則是空間內的均勻性，受到空間設計與工藝設備自
身特性的影響。探討的方向不同，要解決問題所采取的方法也不一樣。文中主要針對前者進行探討研究。
一般潔凈室溫度傳感器輸出訊號給回水管上的二通閥，調節(jié)開度使得進入干盤管的流量得到所需要的冷凍水流量。當負載變大開度加大，負載變小開度減小。所以經過干盤管的水
流量是變化的，而進出水溫度差則被設計為固定值。但是在0.20C或更小的范圍，這樣的設計是否穩(wěn)定可行？
由盤管的冷量方程式為時間的
在方程式⑧中當d△T(t)/d t趨近于0，物理意義是進出盤管的冷凍水溫度差隨著時間的變異為0，也就表示水溫溫差變化差非常小。若是瞬間的冷量為常數，當△T(t)變化很小，m(t)的數值會變大。我們準備利用這個方程式設計另一種系統(tǒng)。
由于機器人區(qū)域為了潔凈度設計了100%覆蓋率的FFU，空氣側的流量基本不變，若是當水側的回水水溫接近送風溫度，而進回水溫差△T又很小，如此空間溫度穩(wěn)定在+/-0.2℃
就很容易實現。
2方案設計描述
在南京某個8.5代線的Array車間，在玻璃基板進入曝光機前設置了機器人手臂上下玻璃基板，這個區(qū)域也作為穩(wěn)定溫度變異的區(qū)間。該區(qū)為獨立的循環(huán)系統(tǒng)，設計了獨立回風夾道，在回風夾道配置干盤管，設計要求機器人區(qū)域溫度范圍23±0.2 ℃（見圖1）。
原系統(tǒng)設計供水溫度為12℃，回水溫度為19℃，盤管進回水溫差固定在7℃�？臻g內設置一個溫度傳感器（精度為0.1℃），控制回水管中的電動閥(M)的開度來調節(jié)流量，使
盤管后的空氣溫度達到設計要求之內（見圖2）。
實際運行的過程中出現了溫度波動超標的現象，穩(wěn)定性不好，經常超出限定值，存在1℃上下限超標的問題（見圖3）。我們觀察發(fā)現長時間運行下，電動閥的開度基本維持在10%左右無明顯變化，但是仍然會有1℃溫差的波動，表示雖然流量穩(wěn)定，但是結果并不理想，達不到設計要求。
從方程式③得知在負載不變的情況下，若是△T要很小，就需要加大流量。在不改變原來盤管冷卻能力與尺寸的情況下，如何達到盤管原設計最大流量？我們在管道上增加了一
套管道循環(huán)泵，由于循環(huán)泵能夠提供固定的流量，剩下的就是冷凍水溫度的控制了。
為了不影響整個系統(tǒng)的供回水水溫，增加單向閥和管道，使干盤管、管道泵形成一個混水系統(tǒng)（見圖4）。由于管道循環(huán)泵一直運行，使得盤管的流量為穩(wěn)定值。原設計盤管進回水溫度為12℃和19℃，固定流量混水系統(tǒng)使用后，電動閥的開度控制管道內混水的供水溫度，使得干盤管進出水溫控制在22℃和22.5℃。
該機器人緩沖空間需要控制在230C，而冷凍水回水溫度在22.5℃，由于回水溫度與送風溫度相當接近，溫度的穩(wěn)定就可以確保。
為了精準的控制微小變量，我們選用了線性1/1000電動閥，室內溫度傳感器0.1℃精度，在管道上也設置水溫度傳感器以調節(jié)干盤管供水溫度，盤管中的管道泵一用一備來增加混水，提高供水溫度，同時使得溫度達到設定值。現場PID設置P值為-1；I值為100；D值為0；DB為0.02℃。
控制系統(tǒng)采用PLC分布式1/0系統(tǒng)架構（見圖5)，冗余系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；輸入輸出模擬量信號采用4~ 20ma電流信號，以提高抗干擾能力，儀表和設備的選型高于控制要求一個等級。軟件采用GE的iFix系統(tǒng)組態(tài)軟件。
3測試效果與評價
由圖6中曲線看出，在本次方案實施之前（2016年1月15日），溫度的波動超出了要求范圍0.2℃以外，并且震蕩得比較厲害，不符合設計要求。通過修改設計增加管道泵和混水的控制方式后，室內的溫度控制在±0.1℃范圍內波動，達到了設計要求。
大流量小溫差在溫度控制方面的穩(wěn)定性還是可以確定的。此方式可以應用在以后高精度
溫控方面，也可以用來提高溫度的穩(wěn)定性。
4結束語
一般傳統(tǒng)的溫度控制是由二通閥門開度決定盤管的流量，在使得帶變頻的水泵可以根據現場負荷（透過進回水壓差）大小來調節(jié)變頻器的使輸出。當現場負荷小的時候變頻器以較
低頻率運行，以達到節(jié)能目的。
本次的研究是為了控制溫度的穩(wěn)定性，采用了定流量溫控方式，雖然提高了能源消耗，但是很好的控制了溫度的穩(wěn)定性。相對應于能源消耗量，認為還是值得的。
研究中采用了大流量小溫差的方式成功的把機器人區(qū)域的溫度控制在穩(wěn)定的范圍。未來對于精度更高的要求下（±0 1或0.05℃），除了這個系統(tǒng)之外，或許還需要利用電熱盤管
更精密的控制系統(tǒng)，這也是我們下一階段研究的方向。
另外，潔凈室內的溫濕度的穩(wěn)定性和均勻性是值得研究的兩個問題，潔凈室中對于溫度分布的均勻性目前并沒有特殊的標準規(guī)格，IEST-RT-CC006.02的建議文件中認為這是屬于廠商與業(yè)主之間契約認定的問題，未來可以作為研究課題。
