Во производството на полупроводници, од криогените дистрибутивни системи се очекува да прават повеќе од едноставно пренесување на течен азот или аргон од една до друга точка. Течноста мора да остане стабилна, чиста и еднофазна сè до точката на употреба. Дури и мали количини на навлегување на топлина можат да генерираат флеш гас, флуктуации на притисокот или контаминација со влага што влијае на стабилноста на процесот.

ЗатоаВакуумски изолирана цевкасистемите најчесто се користат во полупроводнички фабрики наместо конвенционални цевки изолирани со пена. Кога се комбинираат со правилно управуванДинамички систем на вакуумска пумпа, вкупното истекување на топлина може да остане под 3 W/m, додека се одржува долгорочна стабилност на вакуумот низ целата преносна линија.

За полупроводнички апликации, вакуумската изолација не треба да се гледа како пасивен слој околу цевката. Тоа е активен термички систем кој бара мерливи вакуумски перформанси и долгорочна одржливост. Во средини за производство на чипови со висока прецизност, дури и мало зголемување на температурата на сатурација на течноста може да доведе до услови на двофазен проток што се мешаат во ладилните кола, системите за прочистување или опремата за контрола на процесот.

Зошто е важно истекувањето на топлина кај криогените полупроводнички системи

Секоја криогена линија за пренос е под влијание на три основни форми на пренос на топлина:

• зрачење низ прстенестиот простор
• гасовита спроводливост предизвикана од преостанати молекули
• цврста спроводливост низ потпори и одстојници

Во правилно дизајниранаВакуумски изолирана цевка, прстенестиот притисок обично се намалува под 1×10⁻⁴ Pa. На тоа ниво на вакуум, преостанатите молекули на гас имаат средна слободна патека значително поголема од прстенестиот јаз, што значително го намалува гасовитото спроведување на топлина.

Радијативниот пренос на топлина се контролира со употреба на повеќеслојна изолација (MLI). Изолацијата се состои од наизменични слоеви на рефлектирачка фолија и материјал за одвојување со ниска спроводливост. Со правилна густина на слоевите и метод на инсталација, зрачниот топлински флукс може да се намали на само неколку вати на квадратен метар.

Преостанатиот термички пат доаѓа главно од механички носачи. За да се минимизира овој ефект, обично се користат материјали со ниска спроводливост како што се фиберглас G-10 или Torlon®. На овие носачи сè уште им е потребна доволна механичка цврстина за да толерираат термичка контракција, вибрации и сеизмичко оптоварување за време на работата.

На долги растојанија на пренос, разликата помеѓу вакуумската изолација и пенастата изолација станува многу забележлива. Добро одржуваниот вакуумски систем може да одржува стабилни термички перформанси многу години, додека пенастата изолација постепено ја апсорбира влагата од атмосферата. Откако влагата ќе влезе во изолациската структура и ќе замрзне, термичката ефикасност обично се намалува со текот на времето.

Во практичните полупроводнички LN₂ дистрибутивни системи,вакуумски изолирани цевкиможе значително да го намали истекувањето во споредба со традиционалните цевки изолирани со пена, особено при долги работи на отворено или главни колектори со континуирана работа.

Динамички систем на вакуумска пумпа

Еден проблем со статичките вакуумски обвивки е тоа што квалитетот на вакуумот може полека да се влошува со текот на годините поради испуштање гасови, пенетрација на хелиум или микроскопско истекување.

За да се реши ова, голем дијаметарВакуумски изолирана цевкасистемите можат да бидат опремени соДинамички систем на вакуумска пумпаСистемот нормално вклучува компактен турбомолекуларен или спирален пумпи кој периодично го враќа прстенестиот вакуум во неговата оригинална проектна состојба.

Нивоата на вакуум се следат континуирано со помош на манометри со ладна катода. Пумпата се активира само кога притисокот се искачува над целната зададена вредност, така што потрошувачката на енергија и потребите за одржување остануваат релативно ниски.

Во еден проект за надградба на полупроводнички објект во Хсинчу, Тајван, активно управуван систем за вакуумско пумпање му овозможи на стар преносен колектор LN₂ да ги врати термичките перформанси блиску до неговата оригинална работна состојба без да се исклучи производствената линија. За нови проекти, активното вакуумско одржување им дава на операторите поголема доверба во долгорочната стабилност на изолацијата во текот на целиот работен век на системот.

Материјали и дизајн на системи

За полупроводнички и ултра-високо чистотни апликации, внатрешната процесна цевка обично се произведува од не'рѓосувачки челик 304L или 316L. Внатрешните површини се чистат, прочистуваат и пасивираат за да се задоволат барањата за чистење со кислород и да се минимизира ризикот од контаминација.

Надворешната обвивка може да биде изработена од обоен јаглероден челик или не'рѓосувачки челик, во зависност од инсталациската средина. Во областите во близина на чисти простории, честопати се претпочитаат надворешни обвивки од не'рѓосувачки челик за да се избегне корозија или површинска контаминација.

Термичката контракција, исто така, треба внимателно да се разгледа. Трансфер линијата LN₂ може да се контрахира приближно 2,5–3 mm на метар помеѓу температурата на околината и работната температура. За да се апсорбира ова движење, компензаторите за експанзија од типот мех обично се инсталираат на пресметаните места за сидра низ целата цевководна мрежа.

Каде што е потребно движење или флексибилност,Флексибилно црево со вакуумска изолацијаНајчесто се користат склопови. Типични локации вклучуваат приклучоци на резервоари, приклучоци за опрема, гранки на колектор и мобилни процесни лизгалки.

Овие флексибилни црева користат брановидно внатрешно јадро заедно со вакуумска обвивка и MLI структура слична на цврста вакуумска цевка. Правилно дизајнираните склопови можат да го одржат интегритетот на вакуумот по повторено криогено термичко циклусирање, а воедно да спречат формирање на надворешен мраз што е вообичаено кај неизолираните плетени црева.

Вакуумски изолирани вентилииФазни сепаратори

Управувањето со истекување на топлина не е ограничено на прави делови од цевките. Вентили ифазни сепараториисто така играат голема улога во одржувањето на стабилни услови на криогенски проток.

A Вакуумски изолиран вентилнормално користи продолжена хауба и тело со вакуумска обвивка за да ги држи критичните запечатувачки области подалеку од екстремно ниски температури. Ова помага да се спречи замрзнување околу заптивката на стеблото и ја намалува несаканата кондензација во структурата на вентилот.

Без вакуумска изолација, вентилите можат да станат концентрирани точки на истекување на топлина во системот. При течно-криогено работење, ова може да генерира локализирани џебови на пареа, нестабилни услови на проток или настани на воден удар.

За полупроводнички процесни системи, најчесто се користат вентили со продолжен капак и топчести вентили со влез одозгора во согласност со барањата на ASME B31.3 и EN 13480.

A Вакуумски изолиран фазен сепараторСе користи за отстранување на гасот за брзо отстранување пред течноста да влезе во чувствителна опрема низводно. Во полупроводничките апликации, нестабилниот двофазен проток може да создаде осцилации на притисокот доволно големи за да активираат аларми на процесот или меѓусебни блокирања на опремата.

Повеќето дизајни на сепаратори користат тангенцијален влез заедно со внатрешна структура на одмаглувач за да се подобри ефикасноста на одвојување на пареа-течност. Во многу проекти, сепараторот е комбиниран со мини резервоар инсталиран во близина на процесот. Мини резервоарот делува како локален тампон волумен што помага да се стабилизираат краткорочните флуктуации на побарувачката без да се воведе значително дополнително топлинско оптоварување.

Пример за проект за полупроводници

Проектот за проширување на објектот DRAM во Јужна Кореја бараше нова дистрибутивна мрежа LN₂ што ќе служи за опрема за тестирање со потопно ладење и алатки за обработка на плочки.

Инсталацијата вклучуваше приближно 180 метри цврста вакуумски изолирана цевка поврзана со повеќе гранки на алатки преку склопови на вакуумски изолирани флексибилни црева. Вакуумски изолиран фазен сепаратор и мини резервоар од 2 m³ беа инсталирани во близина на просторот за складирање на големо.

Системот за динамичка вакуумска пумпа одржуваше прстенест притисок под 5×10⁻⁶ mbar на главните преносни линии од 6 инчи.

За време на пуштањето во работа, измереното истекување на топлина на примарниот колектор во просек изнесуваше приближно 1,3 W/m под стабилни работни услови. По една година континуирано работење, периодичните циклуси на обновување на вакуумот ги одржаа перформансите на изолацијата блиску до оригиналната основна состојба.

Во споредба со претходниот концепт на изолација со пена, објектот пријави значително помали загуби на течен азот и подобрена оперативна стабилност. Дневниците на процесот, исто така, не покажаа никакви настани на контаминација поврзани со влага и деградација на изолацијата.

Апликации

Вакуумски изолираните криогени системи за пренос се користат во производството на полупроводници, инфраструктурата за течен природен гас (LNG), дистрибуцијата на индустриски гас и апликациите за течен водород.

Иако оперативните средини се разликуваат, инженерската цел останува иста:

• одржувајте ја стабилноста на вакуумот
• минимизирајте го навлегувањето на топлина
• зачувување на фазната стабилност во текот на целиот процес на пренос

Дизајнот на системот вообичаено ги следи меѓународните стандарди како што се ASME B31.3, EN 13480 и ISO 21029, во зависност од обемот на проектот и регионалните барања.

За полупроводничките постројки, перформансите на криогениот дистрибутивен систем директно влијаат на оперативната ефикасност, потрошувачката на течности и долгорочната сигурност на процесот. Поради тоа, цевките, вентилите, сепараторите и системите за вакуумско одржување треба да бидат дизајнирани како еден интегриран термички систем, а не како независни компоненти.

At HL Криогеника, соработуваме со EPC изведувачи, гасни компании и полупроводнички постројки за да развиеме криогени решенија за пренос врз основа на реални работни услови, цели за термичко оптоварување и барања за инсталација, наместо стандардни каталошки конфигурации.

Доколку планирате нов проект за полупроводничка фабрика или надградба на постоечка дистрибутивна мрежа LN₂, нашиот инженерски тим може да ви помогне да ги процените перформансите за истекување на топлина, стратегијата за вакуум и конфигурацијата на системот за долгорочно работење.