W produkcji półprzewodników od kriogenicznych systemów dystrybucji oczekuje się czegoś więcej niż tylko przesyłu ciekłego azotu lub argonu z jednego punktu do drugiego. Płyn musi pozostać stabilny, czysty i jednofazowy aż do punktu zastosowania. Nawet niewielkie ilości ciepła mogą powodować powstawanie gazów błyskawicznego, wahania ciśnienia lub zanieczyszczenie wilgocią, co wpływa na stabilność procesu.

DlategoRura izolowana próżniowoSystemy te są powszechnie stosowane w fabrykach półprzewodników zamiast konwencjonalnych rur izolowanych pianką. W połączeniu z odpowiednio zarządzanymDynamiczny system pompy próżniowejcałkowity ubytek ciepła może pozostać poniżej 3 W/m, przy jednoczesnym zachowaniu długoterminowej stabilności próżni w całej linii transferowej.

W zastosowaniach półprzewodnikowych, izolacja próżniowa nie powinna być postrzegana jako pasywna warstwa wokół rury. Jest to aktywny układ termiczny, który wymaga mierzalnej wydajności próżni i długotrwałej konserwacji. W środowiskach produkcji układów scalonych o wysokiej precyzji, nawet niewielki wzrost temperatury nasycenia cieczy może prowadzić do powstania przepływu dwufazowego, zakłócającego pracę obwodów chłodzenia, systemów oczyszczania lub urządzeń sterujących procesem.

Dlaczego wyciek ciepła ma znaczenie w kriogenicznych systemach półprzewodnikowych

Każda linia transferu kriogenicznego podlega trzem podstawowym formom wymiany ciepła:

• promieniowanie przez przestrzeń pierścieniową
• przewodzenie gazowe spowodowane przez cząsteczki resztkowe
• stałe przewodzenie przez podpory i przekładki

W odpowiednio zaprojektowanymRura izolowana próżniowo, ciśnienie pierścieniowe jest zwykle redukowane poniżej 1×10⁻⁴ Pa. Przy takim poziomie próżni pozostałe cząsteczki gazu mają średnią drogę swobodną znacznie większą niż szczelina pierścieniowa, co znacznie zmniejsza przewodzenie ciepła przez gaz.

Przenoszenie ciepła przez promieniowanie jest kontrolowane za pomocą izolacji wielowarstwowej (MLI). Izolacja składa się z naprzemiennych warstw folii odblaskowej i materiału dystansowego o niskiej przewodności. Przy odpowiedniej gęstości warstw i metodzie montażu, strumień ciepła przez promieniowanie można zredukować do zaledwie kilku watów na metr kwadratowy.

Pozostała część ścieżki termicznej pochodzi głównie z podpór mechanicznych. Aby zminimalizować ten efekt, zazwyczaj stosuje się materiały o niskiej przewodności, takie jak włókno szklane G-10 lub Torlon®. Podpory te nadal wymagają wystarczającej wytrzymałości mechanicznej, aby wytrzymać skurcz termiczny, wibracje i obciążenia sejsmiczne podczas pracy.

Przy dużych odległościach przesyłu, różnica między izolacją próżniową a piankową staje się bardzo zauważalna. Dobrze utrzymany system próżniowy może zachować stabilną wydajność termiczną przez wiele lat, podczas gdy izolacja piankowa stopniowo pochłania wilgoć z atmosfery. Gdy wilgoć wnika w strukturę izolacji i zamarza, wydajność termiczna zazwyczaj spada z czasem.

W praktycznych systemach dystrybucji półprzewodnikowego LN₂rury izolowane próżniowomoże znacząco zmniejszyć odparowanie pary w porównaniu z tradycyjnymi liniami izolowanymi pianką, zwłaszcza na długich odcinkach zewnętrznych lub w przypadku ciągłych prac głównych kolektorów.

Dynamiczny system pompy próżniowej

Jednym z problemów ze statycznymi płaszczami próżniowymi jest to, że jakość próżni może się stopniowo pogarszać na przestrzeni lat z powodu odgazowywania, przenikania helu lub mikroskopijnych nieszczelności.

Aby temu zaradzić, zastosowano rozwiązania o dużej średnicyRura izolowana próżniowosystemy mogą być wyposażone wDynamiczny system pompy próżniowejSystem zazwyczaj obejmuje kompaktowy układ pompy turbomolekularnej lub spiralnej, który okresowo przywraca próżnię pierścieniową do pierwotnego stanu konstrukcyjnego.

Poziomy próżni są stale monitorowane za pomocą manometrów z zimną katodą. Pompa uruchamia się tylko wtedy, gdy ciśnienie wzrośnie powyżej zadanej wartości, dzięki czemu zużycie energii i wymagania konserwacyjne pozostają stosunkowo niskie.

W jednym z projektów modernizacji zakładu półprzewodników w Hsinchu na Tajwanie, aktywnie zarządzany system pomp próżniowych pozwolił starzejącemu się kolektorowi przesyłowemu LN₂ odzyskać sprawność cieplną zbliżoną do pierwotnego stanu roboczego bez wyłączania linii produkcyjnej. W przypadku nowych projektów, aktywna konserwacja próżniowa daje również operatorom większą pewność co do długoterminowej stabilności izolacji przez cały okres eksploatacji systemu.

Materiały i projektowanie systemów

W przypadku zastosowań półprzewodnikowych i wymagających ultrawysokiej czystości, wewnętrzna rura procesowa jest zazwyczaj wykonana ze stali nierdzewnej 304L lub 316L. Powierzchnie wewnętrzne są czyszczone, płukane i pasywowane, aby spełnić wymagania dotyczące czystości tlenowej i zminimalizować ryzyko zanieczyszczenia.

Płaszcz zewnętrzny może być wykonany z malowanej stali węglowej lub stali nierdzewnej, w zależności od środowiska instalacji. W obszarach sąsiadujących z pomieszczeniami czystymi często preferowane są płaszcze zewnętrzne ze stali nierdzewnej, aby uniknąć korozji lub zanieczyszczenia powierzchni.

Należy również dokładnie rozważyć kurczliwość termiczną. Linia przesyłowa LN₂ może skurczyć się o około 2,5–3 mm na metr między temperaturą otoczenia a temperaturą roboczą. Aby zamortyzować ten ruch, w obliczonych punktach zakotwiczenia w całej sieci rurociągów zazwyczaj instaluje się kompensatory rozszerzalności mieszkowej.

W miejscach, gdzie wymagany jest ruch lub elastyczność,Wąż elastyczny izolowany próżniowoZespoły są powszechnie stosowane. Typowe lokalizacje obejmują przyłącza zbiorników, przyłącza urządzeń, odgałęzienia kolektorów i mobilne platformy procesowe.

Te elastyczne węże wykorzystują karbowany rdzeń wewnętrzny wraz z płaszczem próżniowym i strukturą MLI podobną do sztywnej rury próżniowej. Prawidłowo zaprojektowane zespoły mogą zachować integralność próżni po wielokrotnych kriogenicznych cyklach termicznych, zapobiegając jednocześnie tworzeniu się zewnętrznego lodu, co jest powszechne w przypadku nieizolowanych węży oplotowych.

Zawory izolowane próżniowoISeparatory faz

Zarządzanie ucieczką ciepła nie ogranicza się do prostych odcinków rur. Zawory iseparatory fazOdgrywają również ważną rolę w utrzymaniu stabilnych warunków przepływu kriogenicznego.

A Zawór izolowany próżniowoZazwyczaj stosuje się wydłużoną pokrywę i korpus z płaszczem próżniowym, aby chronić krytyczne obszary uszczelnień przed ekstremalnie niskimi temperaturami. Pomaga to zapobiegać zamarzaniu wokół uszczelnienia trzpienia i ogranicza niepożądaną kondensację wewnątrz konstrukcji zaworu.

Bez izolacji próżniowej zawory mogą stać się punktami koncentracji ciepła w systemie. W przypadku zastosowań kriogenicznych może to prowadzić do powstawania lokalnych kieszeni parowych, niestabilnych warunków przepływu lub uderzeń wodnych.

W układach przetwarzania półprzewodników powszechnie stosuje się zawory kulowe z wydłużoną pokrywą i zawory kulowe z górnym wejściem, zgodne z wymogami norm ASME B31.3 i EN 13480.

A Separator faz z izolacją próżniowąSłuży do usuwania gazu błyskawicznego, zanim ciecz dostanie się do wrażliwych urządzeń w dalszej części procesu. W zastosowaniach półprzewodnikowych niestabilny przepływ dwufazowy może powodować wahania ciśnienia na tyle duże, że mogą wywołać alarmy procesowe lub blokady urządzeń.

Większość konstrukcji separatorów wykorzystuje wlot styczny wraz z wewnętrzną konstrukcją demistera, aby poprawić wydajność separacji pary od cieczy. W wielu projektach separator jest połączony z mini zbiornikiem zainstalowanym w pobliżu podłogi procesowej. Mini zbiornik działa jako lokalny bufor, który pomaga stabilizować krótkoterminowe wahania zapotrzebowania bez wprowadzania znacznego dodatkowego obciążenia cieplnego.

Przykład projektu półprzewodnikowego

Projekt rozbudowy zakładu pamięci DRAM w Korei Południowej wymagał nowej sieci dystrybucji LN₂ do obsługi sprzętu testowego chłodzonego zanurzeniowo oraz narzędzi do obróbki płytek półprzewodnikowych.

Instalacja obejmowała około 180 metrów sztywnej rury izolowanej próżniowo, podłączonej do wielu odgałęzień narzędziowych za pomocą elastycznych węży izolowanych próżniowo. W pobliżu magazynu materiałów sypkich zainstalowano separator faz izolowany próżniowo oraz mini zbiornik o pojemności 2 m³.

System dynamicznej pompy próżniowej utrzymywał ciśnienie pierścieniowe poniżej 5×10⁻⁶ mbar na głównych 6-calowych liniach przesyłowych.

Podczas rozruchu zmierzony wyciek ciepła na kolektorze głównym wyniósł średnio około 1,3 W/m w stabilnych warunkach pracy. Po roku ciągłej pracy, okresowe cykle odzyskiwania próżni utrzymały wydajność izolacji zbliżoną do pierwotnego stanu bazowego.

W porównaniu z poprzednią koncepcją izolacji piankowej, zakład odnotował zauważalnie niższe straty ciekłego azotu i lepszą stabilność pracy. Rejestry procesów nie wykazały również żadnych przypadków zanieczyszczenia wilgocią, które mogłyby prowadzić do degradacji izolacji.

Aplikacje

Kriogeniczne systemy transferowe z izolacją próżniową są powszechnie stosowane w produkcji półprzewodników, infrastrukturze LNG, dystrybucji gazów przemysłowych i zastosowaniach ciekłego wodoru.

Mimo że środowiska operacyjne są różne, cel inżynieryjny pozostaje ten sam:

• utrzymać stabilność próżni
• minimalizować wnikanie ciepła
• zachować stabilność fazy w całym procesie transferu

Projektowanie systemów zazwyczaj odbywa się zgodnie z normami międzynarodowymi, takimi jak ASME B31.3, EN 13480 i ISO 21029, w zależności od zakresu projektu i wymogów regionalnych.

W przypadku zakładów produkujących półprzewodniki, wydajność kriogenicznego systemu dystrybucji bezpośrednio wpływa na wydajność operacyjną, zużycie cieczy i długoterminową niezawodność procesów. Z tego powodu rurociągi, zawory, separatory i systemy utrzymania próżni powinny być projektowane jako jeden zintegrowany system termiczny, a nie jako niezależne komponenty.

At HL KriogenicsWspółpracujemy z wykonawcami EPC, firmami gazowymi i zakładami produkującymi półprzewodniki w celu opracowywania rozwiązań w zakresie transferu kriogenicznego opartych na rzeczywistych warunkach pracy, docelowych obciążeniach termicznych i wymaganiach instalacyjnych, a nie na standardowych konfiguracjach katalogowych.

Jeśli planujesz projekt nowej fabryki półprzewodników lub modernizację istniejącej sieci dystrybucji LN₂, nasz zespół inżynierów może pomóc w ocenie efektywności wycieków ciepła, strategii próżniowej i konfiguracji systemu pod kątem długoterminowej eksploatacji.