Pri výrobe polovodičov sa od kryogénnych distribučných systémov očakáva viac než len jednoduchý prenos kvapalného dusíka alebo argónu z jedného miesta do druhého. Kvapalina musí zostať stabilná, čistá a jednofázová až do miesta použitia. Aj malé množstvo vnikajúceho tepla môže spôsobiť bleskový plyn, kolísanie tlaku alebo kontamináciu vlhkosťou, čo ovplyvňuje stabilitu procesu.

PretoVákuovo izolované potrubiesystémy sa bežne používajú v polovodičových továrňach namiesto konvenčných potrubí izolovaných penou. V kombinácii s vhodne riadenýmDynamický systém vákuového čerpadla, celkový únik tepla môže zostať pod 3 W/m² a zároveň sa zachová dlhodobá stabilita vákua v celom prenosovom potrubí.

V prípade polovodičových aplikácií by sa vákuová izolácia nemala považovať za pasívnu vrstvu okolo potrubia. Ide o aktívny tepelný systém, ktorý vyžaduje merateľný vákuový výkon a dlhodobú udržiavateľnosť. V prostrediach výroby vysoko presných čipov môže aj mierne zvýšenie teploty nasýtenia kvapaliny viesť k dvojfázovým podmienkam prúdenia, ktoré narúšajú chladiace obvody, čistiace systémy alebo zariadenia na riadenie procesov.

Prečo je únik tepla dôležitý v kryogénnych polovodičových systémoch

Každé kryogénne prenosové potrubie je ovplyvnené tromi hlavnými formami prenosu tepla:

• žiarenie cez prstencový priestor
• plynné vedenie spôsobené zvyškovými molekulami
• pevné vedenie cez podpery a dištančné vložky

V správne navrhnutomVákuovo izolované potrubie, tlak v prstenci sa typicky zníži pod 1×10⁻⁴ Pa. Pri tejto úrovni vákua majú zostávajúce molekuly plynu strednú voľnú dráhu výrazne väčšiu ako je prstencová medzera, čo výrazne znižuje vedenie tepla plynom.

Prenos sálavého tepla je riadený pomocou viacvrstvovej izolácie (MLI). Izolácia pozostáva zo striedajúcich sa vrstiev reflexnej fólie a dištančného materiálu s nízkou vodivosťou. Pri správnej hustote vrstiev a spôsobe inštalácie je možné znížiť sálavý tepelný tok len na niekoľko wattov na meter štvorcový.

Zvyšná tepelná dráha pochádza prevažne z mechanických podpier. Na minimalizáciu tohto efektu sa zvyčajne používajú materiály s nízkou vodivosťou, ako napríklad sklolaminát G-10 alebo Torlon®. Tieto podpery stále potrebujú dostatočnú mechanickú pevnosť, aby počas prevádzky odolali tepelnému sťahovaniu, vibráciám a seizmickému zaťaženiu.

Pri dlhých prenosových vzdialenostiach je rozdiel medzi vákuovou izoláciou a penovou izoláciou veľmi badateľný. Dobre udržiavaný vákuový systém dokáže udržiavať stabilný tepelný výkon po mnoho rokov, zatiaľ čo penová izolácia postupne absorbuje vlhkosť z atmosféry. Keď vlhkosť vstúpi do izolačnej konštrukcie a zamrzne, tepelná účinnosť zvyčajne časom klesá.

V praktických distribučných systémoch polovodičového LN₂,vákuovo izolované potrubiemôže výrazne znížiť vyparovanie v porovnaní s tradičnými potrubiami s penou izolovanými, najmä na dlhých vonkajších úsekoch alebo pri nepretržite prevádzkovaných hlavných zberných potrubiach.

Dynamický systém vákuového čerpadla

Jedným z problémov so statickými vákuovými plášťami je, že kvalita vákua sa môže v priebehu rokov pomaly zhoršovať v dôsledku uvoľňovania plynov, prenikania hélia alebo mikroskopického úniku.

Na riešenie tohto problému sa používajú zariadenia s veľkým priemeromVákuovo izolované potrubiesystémy môžu byť vybavenéDynamický systém vákuového čerpadlaSystém zvyčajne obsahuje kompaktné turbomolekulárne alebo špirálové čerpadlo, ktoré periodicky obnovuje prstencové vákuum do pôvodného konštrukčného stavu.

Úrovne vákua sa nepretržite monitorujú pomocou manometrov so studenou katódou. Čerpadlo sa aktivuje iba vtedy, keď tlak stúpne nad cieľovú požadovanú hodnotu, takže spotreba energie a požiadavky na údržbu zostávajú relatívne nízke.

V jednom projekte modernizácie polovodičového závodu v meste Hsinchu na Taiwane umožnil aktívne riadený systém vákuového čerpania starnúcemu prenosovému zberaču LN₂ obnoviť tepelný výkon blízky pôvodnému prevádzkovému stavu bez toho, aby sa musela odstaviť výrobná linka. Pri nových projektoch aktívna údržba vákua tiež poskytuje operátorom väčšiu istotu v dlhodobej stabilite izolácie počas celej životnosti systému.

Materiály a návrh systému

Pre polovodičové a ultračisté aplikácie sa vnútorné procesné potrubie zvyčajne vyrába z nehrdzavejúcej ocele 304L alebo 316L. Vnútorné povrchy sú čistené, preplachované a pasivované, aby spĺňali požiadavky na čistý kyslíkový servis a minimalizovali riziko kontaminácie.

Vonkajší plášť môže byť vyrobený z lakovanej uhlíkovej ocele alebo nehrdzavejúcej ocele v závislosti od prostredia inštalácie. V priestoroch priľahlých k čistým priestorom sa často uprednostňujú nerezové vonkajšie plášte, aby sa zabránilo korózii alebo povrchovej kontaminácii.

Tepelné zmršťovanie je tiež potrebné starostlivo zvážiť. Prenosové potrubie LN₂ sa môže zmrštiť približne o 2,5 – 3 mm na meter medzi teplotou okolia a prevádzkovou teplotou. Na absorbovanie tohto pohybu sa v celej potrubnej sieti zvyčajne inštalujú vlnovcové kompenzátory rozťažnosti na vypočítaných kotviacimi miestach.

Tam, kde je potrebný pohyb alebo flexibilita,Vákuovo izolovaná flexibilná hadicaBežne sa používajú zostavy. Medzi typické miesta patria pripojenia nádrží, pripojenia zariadení, rozdeľovacie odbočky a mobilné procesné plošiny.

Tieto flexibilné hadice používajú vlnité vnútorné jadro spolu s vákuovým plášťom a štruktúrou MLI podobnou pevnej vákuovej rúrke. Správne navrhnuté zostavy dokážu udržať integritu vákua aj po opakovaných kryogénnych tepelných cykloch a zároveň zabrániť tvorbe vonkajšieho ľadu, ktorá je bežná na neizolovaných opletených hadiciach.

Vákuovo izolované ventilyaFázové separátory

Riešenie úniku tepla sa neobmedzuje len na rovné úseky potrubia. Ventily afázové separátorytiež zohrávajú dôležitú úlohu pri udržiavaní stabilných kryogénnych podmienok prúdenia.

A Vákuovo izolovaný ventilzvyčajne používa predĺžený kryt a vákuovo plášťované teleso, aby sa kritické tesniace oblasti chránili pred extrémne nízkymi teplotami. To pomáha predchádzať zamrznutiu okolo tesnenia vretena a znižuje nežiaducu kondenzáciu vo vnútri konštrukcie ventilu.

Bez vákuovej izolácie sa ventily môžu stať koncentrovanými bodmi úniku tepla v systéme. V kryogénnej prevádzke kvapalín to môže viesť k lokálnym parným bublinám, nestabilným prietokovým podmienkam alebo vodným rázom.

Pre polovodičové procesné systémy sa bežne používajú guľové ventily s predĺženým krytom a guľové ventily s horným vstupom v súlade s požiadavkami ASME B31.3 a EN 13480.

A Vákuovo izolovaný fázový separátorpoužíva sa na odstránenie bleskového plynu predtým, ako kvapalina vstúpi do citlivého zariadenia za riadením. V polovodičových aplikáciách môže nestabilný dvojfázový tok spôsobiť tlakové výkyvy dostatočne veľké na spustenie procesných alarmov alebo blokovania zariadení.

Väčšina konštrukcií separátorov využíva tangenciálny vstup spolu s vnútornou odhmlievačovou štruktúrou na zlepšenie účinnosti separácie pár a kvapalín. V mnohých projektoch je separátor kombinovaný s mini nádržou inštalovanou v blízkosti procesnej podlahy. Mini nádrž slúži ako lokálny vyrovnávací objem, ktorý pomáha stabilizovať krátkodobé výkyvy dopytu bez zavedenia významného dodatočného tepelného zaťaženia.

Príklad polovodičového projektu

Projekt rozšírenia zariadenia DRAM v Južnej Kórei si vyžadoval novú distribučnú sieť LN₂, ktorá by obsluhovala testovacie zariadenia chladené ponorením a nástroje na spracovanie doštičiek.

Inštalácia zahŕňala približne 180 metrov pevného vákuovo izolovaného potrubia pripojeného k viacerým odbočkám nástrojov pomocou vákuovo izolovaných flexibilných hadíc. V blízkosti skladovacieho priestoru pre sypký materiál bol nainštalovaný vákuovo izolovaný fázový separátor a 2 m³ mini nádrž.

Systém dynamického vákuového čerpadla udržiaval tlak v prstenci pod 5×10⁻⁶ mbar na hlavných 6-palcových prenosových potrubiach.

Počas uvedenia do prevádzky dosiahol nameraný tepelný únik na primárnom zberači v priemere približne 1,3 W/m² za stabilných prevádzkových podmienok. Po jednom roku nepretržitej prevádzky pravidelné cykly obnovy vákua udržiavali izolačný výkon blízko pôvodného základného stavu.

V porovnaní s predchádzajúcim konceptom penovej izolácie zariadenie vykázalo citeľne nižšie straty tekutého dusíka a zlepšenú prevádzkovú stabilitu. Procesné záznamy tiež nepreukázali žiadne kontaminačné udalosti súvisiace s vlhkosťou, ktoré by mohli viesť k degradácii izolácie.

Aplikácie

Vákuovo izolované kryogénne prenosové systémy sa široko používajú vo výrobe polovodičov, infraštruktúre LNG, distribúcii priemyselných plynov a aplikáciách skvapalneného vodíka.

Aj keď sa prevádzkové prostredia líšia, technický cieľ zostáva rovnaký:

• udržiavať stabilitu vákua
• minimalizovať prienik tepla
• zachovať fázovú stabilitu počas celého procesu prenosu

Návrh systému sa zvyčajne riadi medzinárodnými normami, ako sú ASME B31.3, EN 13480 a ISO 21029, v závislosti od rozsahu projektu a regionálnych požiadaviek.

V prípade polovodičových zariadení má výkon kryogénneho distribučného systému priamy vplyv na prevádzkovú účinnosť, spotrebu kvapaliny a dlhodobú spoľahlivosť procesu. Z tohto dôvodu by potrubia, ventily, separátory a systémy na údržbu vákua mali byť navrhnuté ako jeden integrovaný tepelný systém, a nie ako nezávislé komponenty.

At HL Cryogenics, spolupracujeme s dodávateľmi EPC, plynárenskými spoločnosťami a polovodičovými zariadeniami na vývoji kryogénnych prenosových riešení založených na skutočných prevádzkových podmienkach, cieľovom tepelnom zaťažení a požiadavkách na inštaláciu, a nie na štandardných katalógových konfiguráciách.

Ak plánujete nový projekt výroby polovodičov alebo modernizujete existujúcu distribučnú sieť LN₂, náš technický tím vám môže pomôcť s vyhodnotením tepelných únikov, stratégie vákua a konfigurácie systému pre dlhodobú prevádzku.