V proizvodnji polprevodnikov se od kriogenih distribucijskih sistemov pričakuje več kot le prenos tekočega dušika ali argona z ene točke na drugo. Tekočina mora ostati stabilna, čista in enofazna vse do točke uporabe. Že majhne količine vdora toplote lahko povzročijo bliskovito uhajanje plina, nihanje tlaka ali kontaminacijo z vlago, kar vpliva na stabilnost procesa.

ZatoVakuumsko izolirana cevsistemi se pogosto uporabljajo v tovarnah polprevodnikov namesto običajnih cevovodov, izoliranih s peno. V kombinaciji z ustrezno upravljanimDinamični sistem vakuumske črpalke, lahko skupno uhajanje toplote ostane pod 3 W/m, hkrati pa se ohranja dolgoročna stabilnost vakuuma po celotni prenosni liniji.

Pri polprevodniških aplikacijah se vakuumske izolacije ne sme obravnavati kot pasivna plast okoli cevi. Gre za aktivni toplotni sistem, ki zahteva merljivo vakuumsko delovanje in dolgoročno vzdrževanje. V okoljih visoko natančne proizvodnje čipov lahko že rahlo zvišanje temperature nasičenosti tekočine povzroči dvofazne pretočne pogoje, ki motijo ​​hladilne tokokroge, čistilne sisteme ali opremo za nadzor procesov.

Zakaj je uhajanje toplote pomembno v kriogenih polprevodniških sistemih

Na vsako kriogeno prenosno linijo vplivajo tri glavne oblike prenosa toplote:

• sevanje čez obročasti prostor
• plinska prevodnost, ki jo povzročajo preostale molekule
• trdna prevodnost skozi nosilce in distančnike

V pravilno zasnovanemVakuumsko izolirana cev, se obročasti tlak običajno zmanjša pod 1 × 10⁻⁴ Pa. Pri tej ravni vakuuma imajo preostale molekule plina povprečno prosto pot, ki je bistveno večja od obročaste reže, kar močno zmanjša prevodnost toplote plina.

Sevalni prenos toplote se nadzoruje z večplastno izolacijo (MLI). Izolacija je sestavljena iz izmeničnih plasti odsevne folije in distančnega materiala z nizko prevodnostjo. S pravilno gostoto plasti in načinom namestitve se lahko sevalni toplotni tok zmanjša na le nekaj vatov na kvadratni meter.

Preostala toplotna pot prihaja predvsem iz mehanskih nosilcev. Za zmanjšanje tega učinka se običajno uporabljajo materiali z nizko prevodnostjo, kot sta steklena vlakna G-10 ali Torlon®. Ti nosilci še vedno potrebujejo dovolj mehanske trdnosti, da prenesejo toplotno krčenje, vibracije in potresne obremenitve med delovanjem.

Pri dolgih prenosnih razdaljah postane razlika med vakuumsko izolacijo in penasto izolacijo zelo opazna. Dobro vzdrževan vakuumski sistem lahko ohranja stabilno toplotno delovanje več let, medtem ko penasta izolacija postopoma absorbira vlago iz ozračja. Ko vlaga vstopi v izolacijsko strukturo in zmrzne, se toplotna učinkovitost sčasoma običajno zmanjša.

V praktičnih polprevodniških LN₂ distribucijskih sistemih,vakuumsko izolirane cevilahko znatno zmanjša izparevanje v primerjavi s tradicionalnimi cevmi, izoliranimi s peno, zlasti na dolgih zunanjih odsekih ali neprekinjeno delujočih glavnih razdelilnikih.

Dinamični sistem vakuumske črpalke

Ena od težav s statičnimi vakuumskimi plašči je, da se kakovost vakuuma z leti lahko počasi poslabša zaradi odplinjevanja, prepustnosti helija ali mikroskopskega puščanja.

Da bi to rešili, velik premerVakuumsko izolirana cevsistemi so lahko opremljeni zDinamični sistem vakuumske črpalkeSistem običajno vključuje kompaktno turbomolekularno ali spiralno črpalko, ki periodično obnavlja obročasti vakuum v prvotno konstrukcijsko stanje.

Nivo vakuuma se neprekinjeno spremlja z merilniki s hladno katodo. Črpalka se aktivira le, ko tlak naraste nad ciljno nastavljeno vrednost, zato poraba energije in potrebe po vzdrževanju ostajajo relativno nizke.

V enem od projektov nadgradnje obrata za polprevodnike v Hsinchuju na Tajvanu je aktivno upravljan sistem vakuumskega črpanja omogočil, da je starajoči se prenosni kolektor LN₂ povrnil toplotno delovanje blizu prvotnega obratovalnega stanja, ne da bi pri tem zaustavil proizvodno linijo. Pri novih projektih aktivno vzdrževanje vakuuma daje operaterjem tudi večje zaupanje v dolgoročno stabilnost izolacije skozi celotno življenjsko dobo sistema.

Materiali in zasnova sistema

Za polprevodniške in ultra čiste aplikacije je notranja procesna cev običajno izdelana iz nerjavečega jekla 304L ali 316L. Notranje površine so očiščene, prepihnjene in pasivizirane, da izpolnjujejo zahteve za čistočo kisika in zmanjšajo tveganje kontaminacije.

Zunanji plašč je lahko iz barvanega ogljikovega jekla ali nerjavečega jekla, odvisno od okolja namestitve. V območjih, ki mejijo na čiste prostore, so pogosto prednostni zunanji plašči iz nerjavečega jekla, da se prepreči korozija ali površinska kontaminacija.

Prav tako je treba skrbno upoštevati toplotno krčenje. Prenosna cev za LN₂ se lahko med temperaturo okolice in delovno temperaturo skrči za približno 2,5–3 mm na meter. Za absorpcijo tega gibanja so na izračunanih sidrnih mestih po celotnem cevovodnem omrežju običajno nameščeni kompenzatorji raztezanja v obliki meha.

Kjer je potrebno gibanje ali gibljivost,Vakuumsko izolirana fleksibilna cevSklopi se pogosto uporabljajo. Tipične lokacije vključujejo priključke rezervoarjev, priključke opreme, razdelilne veje in mobilne procesne platforme.

Te fleksibilne cevi uporabljajo valovito notranje jedro skupaj z vakuumskim plaščem in MLI strukturo, podobno kot toge vakuumske cevi. Pravilno zasnovani sklopi lahko ohranijo integriteto vakuuma po večkratnih kriogenih toplotnih ciklih, hkrati pa preprečijo nastajanje zunanjega ledu, ki je pogost pri neizoliranih pletenih ceveh.

Vakuumsko izolirani ventiliinFazni ločevalniki

Obvladovanje uhajanja toplote ni omejeno le na ravne odseke cevi. Ventili infazni ločevalnikiigrajo tudi pomembno vlogo pri vzdrževanju stabilnih kriogenih pretočnih pogojev.

A Vakuumsko izoliran ventilobičajno uporablja podaljšan pokrov in vakuumsko zaprto ohišje, da kritična tesnilna območja ostanejo stran od izjemno nizkih temperatur. To pomaga preprečiti zmrzovanje okoli tesnila vretena in zmanjša neželeno kondenzacijo znotraj konstrukcije ventila.

Brez vakuumske izolacije lahko ventili postanejo koncentrirana mesta uhajanja toplote znotraj sistema. Pri uporabi tekočih kriogenih sistemov lahko to povzroči lokalizirane parne žepe, nestabilne pretočne pogoje ali vodni udar.

Za polprevodniške procesne sisteme se v skladu z zahtevami ASME B31.3 in EN 13480 običajno uporabljajo kroglični ventili s podaljšanim pokrovom in kroglični ventili z zgornjim vhodom.

A Vakuumsko izoliran fazni ločevalnikse uporablja za odstranjevanje bliskovitega plina, preden tekočina vstopi v občutljivo opremo v nadaljevanju. V polprevodniških aplikacijah lahko nestabilen dvofazni tok povzroči nihanja tlaka, ki so dovolj velika, da sprožijo procesne alarme ali blokade opreme.

Večina modelov separatorjev uporablja tangencialni vhod skupaj z notranjo strukturo odmrzovalnika za izboljšanje učinkovitosti ločevanja pare in tekočine. V mnogih projektih je separator kombiniran z mini rezervoarjem, nameščenim v bližini procesnega prostora. Mini rezervoar deluje kot lokalni vmesni volumen, ki pomaga stabilizirati kratkoročna nihanja povpraševanja, ne da bi pri tem uvedel znatno dodatno toplotno obremenitev.

Primer polprevodniškega projekta

Projekt širitve obrata DRAM v Južni Koreji je zahteval novo distribucijsko omrežje LN₂, ki je oskrbovalo testno opremo s potopnim hlajenjem in orodja za obdelavo rezin.

Namestitev je vključevala približno 180 metrov toge vakuumsko izolirane cevi, ki je bila prek vakuumsko izoliranih fleksibilnih cevi priključena na več orodij. V bližini skladiščnega prostora za razsuti tovor sta bila nameščena vakuumsko izoliran fazni ločevalnik in 2 m³ mini rezervoar.

Sistem dinamične vakuumske črpalke je vzdrževal obročasti tlak pod 5×10⁻⁶ mbar na glavnih 6-palčnih prenosnih ceveh.

Med zagonom je izmerjeno uhajanje toplote na primarnem kolektorju v povprečju znašalo približno 1,3 W/m² pri stabilnih obratovalnih pogojih. Po enem letu neprekinjenega delovanja so periodični cikli vakuumske obnove ohranjali izolacijsko delovanje blizu prvotnega osnovnega stanja.

V primerjavi s prejšnjim konceptom izolacije s peno je objekt poročal o opazno manjših izgubah tekočega dušika in izboljšani obratovalni stabilnosti. Procesni dnevniki prav tako niso pokazali kontaminacije zaradi vlage, povezane z degradacijo izolacije.

Aplikacije

Vakuumsko izolirani kriogeni prenosni sistemi se pogosto uporabljajo v proizvodnji polprevodnikov, infrastrukturi za utekočinjeni zemeljski plin (LNG), industrijski distribuciji plina in aplikacijah za tekoči vodik.

Čeprav se operativna okolja razlikujejo, inženirski cilj ostaja enak:

• ohranjanje stabilnosti vakuuma
• zmanjšati vdor toplote
• ohranjanje fazne stabilnosti skozi celoten proces prenosa

Zasnova sistema običajno sledi mednarodnim standardom, kot so ASME B31.3, EN 13480 in ISO 21029, odvisno od obsega projekta in regionalnih zahtev.

Pri polprevodniških obratih delovanje kriogenega distribucijskega sistema neposredno vpliva na obratovalno učinkovitost, porabo tekočine in dolgoročno zanesljivost procesa. Zaradi tega bi morali biti cevovodi, ventili, separatorji in sistemi za vzdrževanje vakuuma zasnovani kot en integriran toplotni sistem in ne kot neodvisne komponente.

At HL CryogenicsSodelujemo z izvajalci EPC, plinskimi podjetji in polprevodniškimi obrati pri razvoju rešitev za kriogeni prenos, ki temeljijo na dejanskih obratovalnih pogojih, ciljnih toplotnih obremenitvah in zahtevah po namestitvi, namesto na standardnih konfiguracijah iz kataloga.

Če načrtujete nov projekt tovarne polprevodnikov ali nadgrajujete obstoječe distribucijsko omrežje za LN₂, vam lahko naša inženirska ekipa pomaga oceniti učinkovitost uhajanja toplote, strategijo vakuuma in konfiguracijo sistema za dolgoročno delovanje.