В полупроводниковом производстве от криогенных распределительных систем ожидается нечто большее, чем просто перекачка жидкого азота или аргона из одной точки в другую. Жидкость должна оставаться стабильной, чистой и однофазной на всем пути до места использования. Даже небольшое поступление тепла может привести к образованию газовых испарений, колебаниям давления или загрязнению влагой, что влияет на стабильность процесса.

ПоэтомуВакуумная изолированная трубаВ полупроводниковых фабриках такие системы широко используются вместо традиционных трубопроводов с пенополиуретановой изоляцией. В сочетании с правильно организованной системой...Система динамического вакуумного насосаТаким образом, общая теплопотеря может оставаться ниже 3 Вт/м² при сохранении долговременной стабильности вакуума по всей линии передачи.

В полупроводниковых приложениях вакуумную изоляцию не следует рассматривать как пассивный слой вокруг трубы. Это активная тепловая система, требующая измеримых характеристик вакуума и долговременной ремонтопригодности. В условиях высокоточного производства микросхем даже незначительное повышение температуры насыщения жидкости может привести к двухфазному потоку, который будет мешать работе контуров охлаждения, систем очистки или оборудования управления технологическими процессами.

Почему утечка тепла важна в криогенных полупроводниковых системах

На каждую криогенную линию теплопередачи влияют три основных вида теплопередачи:

• излучение через кольцевое пространство
• Газопроводимость, вызванная остаточными молекулами
• твердая проводимость через опоры и распорки

В правильно спроектированномВакуумная изолированная трубаОбычно давление в кольцевом зазоре снижается ниже 1×10⁻⁴ Па. При таком уровне вакуума средняя длина свободного пробега оставшихся молекул газа значительно превышает длину свободного пробега в кольцевом зазоре, что существенно снижает теплопроводность газа.

Теплопередача за счет излучения контролируется с помощью многослойной теплоизоляции (МТИЗ). Изоляция состоит из чередующихся слоев отражающей фольги и низкопроводящего разделительного материала. При правильной плотности слоев и способе монтажа поток теплового излучения может быть снижен до нескольких ватт на квадратный метр.

Оставшийся тепловой поток в основном обеспечивается механическими опорами. Для минимизации этого эффекта обычно используются материалы с низкой теплопроводностью, такие как стекловолокно G-10 или Torlon®. Эти опоры должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать термическое сжатие, вибрацию и сейсмические нагрузки во время эксплуатации.

На больших расстояниях разница между вакуумной и пенополиуретановой изоляцией становится очень заметной. Хорошо обслуживаемая вакуумная система может поддерживать стабильные тепловые характеристики в течение многих лет, в то время как пенополиуретановая изоляция постепенно поглощает влагу из атмосферы. Как только влага проникает в изоляционную структуру и замерзает, тепловая эффективность обычно со временем снижается.

В практических полупроводниковых системах распределения LN₂,вакуумно-изолированные трубопроводыЭто позволяет значительно снизить испарение по сравнению с традиционными трубопроводами с пенополиуретановой изоляцией, особенно на длинных наружных участках или при непрерывной работе основных коллекторов.

Система динамического вакуумного насоса

Одна из проблем статических вакуумных рубашек заключается в том, что качество вакуума может постепенно ухудшаться с течением времени из-за выделения газов, проникновения гелия или микроскопических утечек.

Для решения этой проблемы используются трубы большого диаметра.Вакуумная изолированная трубасистемы могут быть оснащеныСистема динамического вакуумного насосаСистема обычно включает в себя компактный турбомолекулярный или спиральный насос, который периодически восстанавливает кольцевой вакуум до исходного проектного состояния.

Уровень вакуума непрерывно контролируется с помощью манометров с холодным катодом. Насос включается только тогда, когда давление превышает заданное значение, поэтому энергопотребление и требования к техническому обслуживанию остаются относительно низкими.

В рамках одного из проектов модернизации полупроводникового завода в Синьчу, Тайвань, активно управляемая система вакуумной откачки позволила восстановить тепловые характеристики стареющего коллектора для перекачки жидкого азота до уровня, близкого к исходному, без остановки производственной линии. Для новых проектов активное вакуумное обслуживание также дает операторам большую уверенность в долгосрочной стабильности изоляции на протяжении всего срока службы системы.

Материалы и системное проектирование

Для полупроводниковых и сверхчистых применений внутренний технологический трубопровод обычно изготавливается из нержавеющей стали марок 304L или 316L. Внутренние поверхности очищаются, продуваются и пассивируются для соответствия требованиям к работе в условиях чистоты кислорода и минимизации риска загрязнения.

Внешняя оболочка может быть изготовлена ​​из окрашенной углеродистой стали или нержавеющей стали в зависимости от условий установки. В зонах, прилегающих к чистым помещениям, часто предпочтительнее использовать внешнюю оболочку из нержавеющей стали, чтобы избежать коррозии или загрязнения поверхности.

Необходимо также тщательно учитывать термическое сжатие. Трубопровод для перекачки жидкого азота может сжиматься примерно на 2,5–3 мм на метр между температурой окружающей среды и рабочей температурой. Для компенсации этого сжатия обычно устанавливаются компенсаторы расширения сильфонного типа в расчетных местах крепления по всей трубопроводной сети.

Там, где требуется движение или гибкость,Вакуумный изолированный гибкий шлангШироко используются узлы и агрегаты. Типичные места их установки включают соединения резервуаров, подключение оборудования, ответвления коллекторов и мобильные технологические установки.

В этих гибких шлангах используется гофрированный внутренний сердечник в сочетании с вакуумной оболочкой и многослойной теплоизоляцией, аналогичной жесткой вакуумной трубе. Правильно спроектированные узлы могут сохранять вакуумную целостность после многократных криогенных термических циклов, а также предотвращать образование внешнего льда, часто встречающееся на неизолированных плетеных шлангах.

Вакуумные изолированные клапаныиФазовые сепараторы

Устранение тепловых утечек не ограничивается прямыми участками труб. Клапаны ифазовые сепараторытакже играют важную роль в поддержании стабильных криогенных условий потока.

A Вакуумный изолированный клапанОбычно используется удлиненный колпак и корпус с вакуумной рубашкой, чтобы защитить критически важные зоны уплотнения от экстремально низких температур. Это помогает предотвратить замерзание вокруг уплотнения штока и уменьшает нежелательную конденсацию внутри конструкции клапана.

Без вакуумной изоляции клапаны могут стать очагами концентрированной утечки тепла в системе. В криогенных системах с жидкостным охлаждением это может привести к образованию локальных паровых скоплений, нестабильным условиям потока или гидроударам.

В системах для производства полупроводников обычно используются шаровые вентили с удлиненным колпаком и шаровые вентили с верхним входом в соответствии с требованиями ASME B31.3 и EN 13480.

A Вакуумно-изолированный фазоразделительИспользуется для удаления паров газа до того, как жидкость попадет в чувствительное оборудование, расположенное ниже по потоку. В полупроводниковых технологиях нестабильный двухфазный поток может создавать колебания давления, достаточно большие, чтобы вызвать срабатывание технологических аварийных сигналов или блокировку оборудования.

В большинстве конструкций сепараторов используется тангенциальный вход в сочетании с внутренней демистерной структурой для повышения эффективности разделения пара и жидкости. Во многих проектах сепаратор комбинируется с мини-резервуаром, установленным вблизи технологического цеха. Мини-резервуар действует как локальный буферный объем, помогающий стабилизировать краткосрочные колебания спроса без существенного увеличения тепловой нагрузки.

Пример проекта по разработке полупроводниковой технологии

Для проекта расширения производства DRAM в Южной Корее потребовалась новая сеть распределения жидкого азота (LN₂), обслуживающая оборудование для тестирования с иммерсионным охлаждением и инструменты для обработки кремниевых пластин.

Монтаж включал в себя приблизительно 180 метров жестких вакуумно-изолированных труб, соединенных с многочисленными ответвлениями оборудования посредством вакуумно-изолированных гибких шлангов. Вблизи зоны хранения сыпучих материалов были установлены вакуумно-изолированный фазовый сепаратор и мини-резервуар объемом 2 м³.

Динамическая вакуумная насосная система поддерживала кольцевое давление ниже 5×10⁻⁶ мбар на основных 6-дюймовых трубопроводах перекачки.

В ходе пусконаладочных работ измеренные тепловые потери на основном коллекторе составляли в среднем приблизительно 1,3 Вт/м² при стабильных условиях эксплуатации. После года непрерывной эксплуатации периодические циклы вакуумной рекуперации позволили сохранить теплоизоляционные характеристики близкими к исходному базовому уровню.

По сравнению с предыдущей концепцией пенополиуретановой изоляции, на предприятии были зафиксированы заметно меньшие потери жидкого азота и улучшенная стабильность работы. В технологических журналах также не было зафиксировано случаев загрязнения, связанного с влажностью и приводящего к деградации изоляции.

Приложения

Вакуумные изолированные криогенные системы транспортировки широко используются в полупроводниковом производстве, инфраструктуре СПГ, системах распределения промышленных газов и в системах с жидким водородом.

Несмотря на различия в условиях эксплуатации, инженерная цель остается неизменной:

• поддерживать стабильность вакуума
• минимизировать проникновение тепла
• сохранение фазовой стабильности на протяжении всего процесса переноса

Проектирование систем обычно осуществляется в соответствии с международными стандартами, такими как ASME B31.3, EN 13480 и ISO 21029, в зависимости от масштаба проекта и региональных требований.

Для предприятий по производству полупроводников производительность криогенной распределительной системы напрямую влияет на эффективность работы, расход жидкости и долговременную надежность технологического процесса. Поэтому трубопроводы, клапаны, сепараторы и системы вакуумной обработки следует проектировать как единую интегрированную тепловую систему, а не как отдельные компоненты.

At HL КриогеникаМы сотрудничаем с EPC-подрядчиками, газовыми компаниями и предприятиями полупроводниковой промышленности для разработки решений по криогенной транспортировке, основанных на фактических условиях эксплуатации, целевых показателях тепловой нагрузки и требованиях к установке, а не на стандартных конфигурациях из каталога.

Если вы планируете новый проект по производству полупроводников или модернизацию существующей сети распределения жидкого азота, наша инженерная команда поможет оценить тепловые потери, стратегию вакуумирования и конфигурацию системы для долгосрочной эксплуатации.