U proizvodnji poluprovodnika, od kriogenih distribucionih sistema se očekuje više od pukog prenosa tečnog azota ili argona s jedne tačke na drugu. Fluid mora ostati stabilan, čist i jednofazan sve do tačke upotrebe. Čak i male količine prodora toplote mogu generisati bljesak gasa, fluktuacije pritiska ili kontaminaciju vlagom što utiče na stabilnost procesa.

Zato jeVakuumski izolirana cijevsistemi se obično koriste u fabrikama poluprovodnika umjesto konvencionalnih cijevi izolovanih pjenom. Kada se kombinuju sa pravilno upravljanimDinamički sistem vakuumske pumpe, ukupno gubljenje toplote može ostati ispod 3 W/m² uz održavanje dugoročne stabilnosti vakuuma duž cijele prenosne linije.

Za primjene u poluprovodnicima, vakuumska izolacija ne bi trebala biti posmatrana kao pasivni sloj oko cijevi. To je aktivni termalni sistem koji zahtijeva mjerljive vakuumske performanse i dugoročno održavanje. U okruženjima proizvodnje visokopreciznih čipova, čak i malo povećanje temperature zasićenja fluida može dovesti do dvofaznih uslova protoka koji ometaju rashladne krugove, sisteme za prečišćavanje ili opremu za kontrolu procesa.

Zašto je gubitak toplote važan u kriogenim poluprovodničkim sistemima

Na svaku kriogenu prenosnu liniju utiču tri primarna oblika prenosa toplote:

• zračenje preko prstenastog prostora
• plinovita provodljivost uzrokovana rezidualnim molekulama
• čvrsta provodljivost kroz nosače i odstojnike

U pravilno dizajniranomVakuumski izolirana cijev, anularni pritisak se obično smanjuje ispod 1×10⁻⁴ Pa. Na tom nivou vakuuma, preostali molekuli gasa imaju srednji slobodni put znatno veći od anularnog razmaka, što znatno smanjuje provođenje toplote gasovito.

Prijenos topline zračenjem kontrolira se korištenjem višeslojne izolacije (MLI). Izolacija se sastoji od naizmjeničnih slojeva reflektirajuće folije i materijala za odstojnike niske provodljivosti. Uz pravilnu gustoću slojeva i način ugradnje, fluks topline zračenjem može se smanjiti na samo nekoliko vati po kvadratnom metru.

Preostali termalni put dolazi uglavnom od mehaničkih nosača. Da bi se ovaj efekat smanjio, obično se koriste materijali niske provodljivosti poput fiberglasa G-10 ili Torlon®. Ovi nosači i dalje trebaju dovoljnu mehaničku čvrstoću da bi podnijeli termičko skupljanje, vibracije i seizmičko opterećenje tokom rada.

Na velikim udaljenostima prenosa, razlika između vakuumske izolacije i pjenaste izolacije postaje vrlo primjetna. Dobro održavan vakuumski sistem može održavati stabilne termalne performanse dugi niz godina, dok pjenasta izolacija postepeno apsorbira vlagu iz atmosfere. Nakon što vlaga uđe u izolacijsku strukturu i smrzne se, termička efikasnost obično s vremenom opada.

U praktičnim poluprovodničkim LN₂ distribucijskim sistemima,vakuumski izolirane cijevimože značajno smanjiti isparavanje u poređenju s tradicionalnim vodovima izoliranim pjenom, posebno na dugim vanjskim dionicama ili kontinuirano radnim glavnim razvodnicima.

Dinamički sistem vakuumske pumpe

Jedan problem sa statičkim vakuumskim oblogama je taj što se kvalitet vakuuma može polako pogoršavati tokom godina zbog ispuštanja gasova, prodiranja helija ili mikroskopskog curenja.

Da bi se ovo riješilo, veliki promjerVakuumski izolirana cijevsistemi mogu biti opremljeni saDinamički sistem vakuumske pumpeSistem obično uključuje kompaktni turbomolekularni ili scroll pumpni sistem koji periodično vraća prstenasti vakuum u prvobitno projektno stanje.

Nivoi vakuuma se kontinuirano prate pomoću mjerača s hladnom katodom. Pumpa se aktivira samo kada pritisak poraste iznad ciljane zadane vrijednosti, tako da potrošnja energije i zahtjevi za održavanjem ostaju relativno niski.

U jednom projektu modernizacije postrojenja za poluprovodnike u Hsinchuu, Tajvan, aktivno upravljani sistem vakuumskog pumpanja omogućio je da zastarjeli LN₂ razvodnik povrati termalne performanse blizu prvobitnog radnog stanja bez gašenja proizvodne linije. Kod novih projekata, aktivno održavanje vakuuma također daje operaterima veće povjerenje u dugoročnu stabilnost izolacije tokom cijelog vijeka trajanja sistema.

Materijali i dizajn sistema

Za primjene u poluprovodnicima i ultra-visokoj čistoći, unutrašnja procesna cijev se obično izrađuje od nehrđajućeg čelika 304L ili 316L. Unutrašnje površine se čiste, pročišćavaju i pasiviziraju kako bi se ispunili zahtjevi za čistoću kisika i smanjio rizik od kontaminacije.

Vanjski omotač može biti od obojenog ugljičnog čelika ili nehrđajućeg čelika, ovisno o okruženju ugradnje. U područjima u blizini čistih soba, vanjski omotači od nehrđajućeg čelika često se preferiraju kako bi se izbjegla korozija ili površinska kontaminacija.

Termičko skupljanje također treba pažljivo uzeti u obzir. LN₂ transportna linija može se skupiti otprilike 2,5-3 mm po metru između temperature okoline i radne temperature. Da bi se apsorbovalo ovo kretanje, kompenzatori ekspanzije tipa mijeha obično se ugrađuju na izračunatim mjestima sidrenja duž cjevovodne mreže.

Tamo gdje je potrebna pokretljivost ili fleksibilnost,Vakuumski izolirano fleksibilno crijevoSklopovi se obično koriste. Tipične lokacije uključuju priključke rezervoara, priključke opreme, grane razvodnika i mobilne procesne platforme.

Ova fleksibilna crijeva koriste valovitu unutrašnju jezgru zajedno s vakuumskim omotačem i MLI strukturom sličnom krutim vakuumskim cijevima. Pravilno dizajnirani sklopovi mogu održati integritet vakuuma nakon ponovljenih kriogenih termičkih ciklusa, a istovremeno sprječavaju stvaranje vanjskog leda koji je uobičajen na neizoliranim pletenim crijevima.

Vakuumski izolirani ventiliiFazni separatori

Upravljanje gubitkom topline nije ograničeno samo na ravne dijelove cijevi. Ventili ifazni separatoritakođer igraju glavnu ulogu u održavanju stabilnih kriogenih uvjeta protoka.

A Vakuumski izolirani ventilObično koristi produženi poklopac i vakuumski obloženo tijelo kako bi se kritična područja zaptivanja zaštitila od ekstremno niskih temperatura. To pomaže u sprječavanju smrzavanja oko pakovanja vretena i smanjuje neželjenu kondenzaciju unutar strukture ventila.

Bez vakuumske izolacije, ventili mogu postati koncentrisane tačke curenja toplote unutar sistema. U kriogenim uslovima rada sa tečnim tečnostima, ovo može generisati lokalizovane džepove pare, nestabilne uslove protoka ili događaje vodenog udara.

Za poluprovodničke procesne sisteme, obično se koriste kuglasti ventili s produženim poklopcem i kuglasti ventili s gornjim ulazom u skladu sa zahtjevima ASME B31.3 i EN 13480.

A Vakuumski izolirani separator fazaKoristi se za uklanjanje plina prije nego što tekućina uđe u osjetljivu opremu nizvodno. U primjenama poluvodiča, nestabilan dvofazni protok može stvoriti dovoljno velike oscilacije pritiska da aktiviraju procesne alarme ili blokade opreme.

Većina dizajna separatora koristi tangencijalni ulaz zajedno s unutrašnjom strukturom odmrzivača kako bi se poboljšala efikasnost odvajanja pare i tekućine. U mnogim projektima, separator se kombinira s mini spremnikom instaliranim u blizini procesne površine. Mini spremnik djeluje kao lokalni tampon volumen koji pomaže u stabilizaciji kratkoročnih fluktuacija potražnje bez uvođenja značajnog dodatnog toplinskog opterećenja.

Primjer projekta poluprovodnika

Projekt proširenja DRAM postrojenja u Južnoj Koreji zahtijevao je novu LN₂ distribucijsku mrežu koja je opsluživala opremu za testiranje hlađenu uranjanjem i alate za obradu pločica.

Instalacija je uključivala približno 180 metara krutih vakuumski izoliranih cijevi povezanih s više ogranaka alata putem vakuumski izoliranih fleksibilnih crijeva. Vakuumski izolirani fazni separator i mini rezervoar od 2 m³ instalirani su u blizini skladišnog prostora za rasuti materijal.

Sistem dinamičke vakuumske pumpe održavao je prstenasti pritisak ispod 5×10⁻⁶ mbar na glavnim transfernim linijama od 6 inča.

Tokom puštanja u rad, izmjereni gubitak toplote na primarnom kolektoru u prosjeku je iznosio približno 1,3 W/m² pod stabilnim radnim uslovima. Nakon godinu dana neprekidnog rada, periodični ciklusi vakuumskog oporavka održali su performanse izolacije blizu prvobitnog osnovnog stanja.

U poređenju sa prethodnim konceptom izolacije pjenom, postrojenje je prijavilo znatno niže gubitke tečnog azota i poboljšanu operativnu stabilnost. Procesni zapisi također nisu pokazali nikakve događaje kontaminacije povezane s vlagom i degradacijom izolacije.

Aplikacije

Vakuumski izolovani kriogeni transportni sistemi se široko koriste u proizvodnji poluprovodnika, infrastrukturi za tečni prirodni gas (LNG), distribuciji industrijskog gasa i primjeni tečnog vodonika.

Iako se operativna okruženja razlikuju, inženjerski cilj ostaje isti:

• održavati stabilnost vakuuma
• minimizirati ulazak toplote
• očuvati faznu stabilnost tokom cijelog procesa prenosa

Dizajn sistema obično prati međunarodne standarde kao što su ASME B31.3, EN 13480 i ISO 21029, ovisno o obimu projekta i regionalnim zahtjevima.

Za poluprovodnička postrojenja, performanse kriogenog distribucijskog sistema direktno utiču na operativnu efikasnost, potrošnju tečnosti i dugoročnu pouzdanost procesa. Zbog toga, cjevovodi, ventili, separatori i sistemi za održavanje vakuuma trebaju biti projektovani kao jedan integrisani termalni sistem, a ne kao nezavisne komponente.

At HL kriogenika, sarađujemo sa izvođačima EPC-a, gasnim kompanijama i postrojenjima za poluprovodnike kako bismo razvili kriogena rješenja za prenos zasnovana na stvarnim radnim uslovima, ciljevima termičkog opterećenja i zahtjevima za instalaciju, a ne na standardnim konfiguracijama iz kataloga.

Ako planirate novi projekat fabrike poluprovodnika ili nadograđujete postojeću LN₂ distribucionu mrežu, naš inženjerski tim vam može pomoći u procjeni performansi curenja toplote, strategije vakuuma i konfiguracije sistema za dugoročni rad.