У производњи полупроводника, од криогених дистрибутивних система се очекује више од пуког преноса течног азота или аргона са једне тачке на другу. Флуид мора остати стабилан, чист и једнофазан све до тачке употребе. Чак и мале количине продора топлоте могу генерисати блиц гас, флуктуације притиска или контаминацију влагом што утиче на стабилност процеса.

ЗатоВакуумски изолована цевсистеми се обично користе у фабрикама полупроводника уместо конвенционалних цеви изолованих пеном. Када се комбинују са правилно управљанимДинамички систем вакуум пумпе, укупно цурење топлоте може остати испод 3 W/m² уз одржавање дугорочне стабилности вакуума дуж целе преносне линије.

За полупроводничке примене, вакуумска изолација не треба да се посматра као пасивни слој око цеви. То је активни термички систем који захтева мерљиве перформансе вакуума и дугорочну одржавање. У окружењима за производњу високопрецизних чипова, чак и мало повећање температуре засићења флуида може довести до двофазних услова протока који ометају расхладне кругове, системе за пречишћавање или опрему за контролу процеса.

Зашто је цурење топлоте важно у криогеним полупроводничким системима

На сваку криогену преносну линију утичу три основна облика преноса топлоте:

• зрачење преко прстенастог простора
• гасовите проводљивости узроковане резидуалним молекулима
• чврста проводљивост кроз носаче и одстојнике

У правилно дизајнираномВакуумски изолована цев, прстенасти притисак се обично смањује испод 1×10⁻⁴ Па. На том нивоу вакуума, преостали молекули гаса имају средњи слободни пут знатно већи од прстенастог зазора, што значајно смањује проводљивост топлоте гасовитог система.

Радијативни пренос топлоте се контролише помоћу вишеслојне изолације (MLI). Изолација се састоји од наизменичних слојева рефлектујуће фолије и материјала за одстојање ниске проводљивости. Уз исправну густину слојева и начин постављања, радијативни топлотни флукс може се смањити на само неколико вати по квадратном метру.

Преостали топлотни пут долази углавном од механичких носача. Да би се овај ефекат минимизирао, обично се користе материјали са ниском проводљивошћу као што су фиберглас G-10 или Torlon®. Овим носачима је и даље потребна довољна механичка чврстоћа да би толерисали термичко скупљање, вибрације и сеизмичко оптерећење током рада.

На великим удаљеностима преноса, разлика између вакуумске изолације и пенасте изолације постаје веома приметна. Добро одржаван вакуумски систем може да одржи стабилне термичке перформансе дуги низ година, док пенаста изолација постепено апсорбује влагу из атмосфере. Када влага уђе у изолациону структуру и замрзне се, термичка ефикасност обично опада током времена.

У практичним полупроводничким LN₂ дистрибутивним системима,вакуумски изоловане цевиможе значајно смањити кључање у поређењу са традиционалним цевима изолованим пеном, посебно на дугим спољним цевима или главним разводницима који континуирано раде.

Динамички систем вакуум пумпе

Један проблем са статичким вакуумским јакнама је тај што се квалитет вакуума може полако погоршавати током година због испуштања гасова, продирања хелијума или микроскопског цурења.

Да би се ово решило, велики пречникВакуумски изолована цевсистеми могу бити опремљени саДинамички систем вакуум пумпеСистем обично укључује компактни турбомолекуларни или спирални пумпни систем који периодично враћа прстенасти вакуум у првобитно пројектовано стање.

Нивои вакуума се континуирано прате помоћу манометара са хладном катодом. Пумпа се активира само када притисак порасте изнад циљане подешене вредности, тако да потрошња енергије и захтеви за одржавањем остају релативно ниски.

У једном пројекту надоградње постројења за производњу полупроводника у Хсинчуу, на Тајвану, активно управљани систем вакуумског пумпања омогућио је да застарели LN₂ преносни колектор поврати термичке перформансе близу првобитног радног стања без заустављања производне линије. Код нових пројеката, активно одржавање вакуума такође даје оператерима веће поверење у дугорочну стабилност изолације током целог животног века система.

Материјали и дизајн система

За примене у полупроводницима и ултра-високој чистоћи, унутрашња процесна цев се обично производи од нерђајућег челика 304L или 316L. Унутрашње површине се чисте, прочишћавају и пасивизирају како би се испунили захтеви за чисту кисеоником услугу и минимизирао ризик од контаминације.

Спољни омотач може бити од обојеног угљеничног челика или нерђајућег челика, у зависности од окружења уградње. У просторијама поред чистих просторија, спољашњи омотачи од нерђајућег челика су често пожељнији како би се избегла корозија или површинска контаминација.

Термичко скупљање такође треба пажљиво размотрити. Трансферна линија за LN₂ може се скупити приближно 2,5–3 мм по метру између температуре околине и радне температуре. Да би се апсорбовало ово кретање, компензатори ширења типа меха се обично инсталирају на израчунатим местима за сидрење дуж цевоводне мреже.

Где је потребна покретљивост или флексибилност,Вакуумски изоловано флексибилно цревоСклопови се често користе. Типичне локације укључују прикључке резервоара, прикључке опреме, гране разводника и мобилне процесне платформе.

Ова флексибилна црева користе валовито унутрашње језгро заједно са вакуумским омотачем и MLI структуром сличном крутој вакуумској цеви. Правилно дизајнирани склопови могу одржати интегритет вакуума након поновљених криогених термичких циклуса, а истовремено спречавају спољашње стварање леда које је уобичајено на неизолованим плетеним цревима.

Вакуумски изоловани вентилииФазни сепаратори

Управљање цурењем топлоте није ограничено само на равне делове цеви. Вентили ифазни сепараторитакође играју главну улогу у одржавању стабилних криогених услова протока.

A Вакуумски изоловани вентилобично користи продужени поклопац и тело са вакуумским омотачем како би се критична подручја заптивања заштитила од екстремно ниских температура. Ово помаже у спречавању смрзавања око заптивке вретена и смањује нежељену кондензацију унутар структуре вентила.

Без вакуумске изолације, вентили могу постати концентрисане тачке цурења топлоте унутар система. У течном криогеном режиму, ово може створити локализоване џепове паре, нестабилне услове протока или хидрауличке ударе.

За полупроводничке процесне системе, кугласти вентили са продуженим поклопцем и кугласти вентили са горњим улазом се обично користе у складу са захтевима ASME B31.3 и EN 13480.

A Вакуумски изоловани фазни сепараторкористи се за уклањање флеш гаса пре него што течност уђе у осетљиву низводну опрему. У полупроводничким применама, нестабилни двофазни проток може створити осцилације притиска довољно велике да покрену процесне аларме или блокаде опреме.

Већина дизајна сепаратора користи тангенцијални улаз заједно са унутрашњом структуром демистера како би се побољшала ефикасност одвајања паре и течности. У многим пројектима, сепаратор се комбинује са мини резервоаром инсталираним близу процесног пода. Мини резервоар делује као локална запремина заштите која помаже у стабилизацији краткорочних флуктуација потражње без увођења значајног додатног топлотног оптерећења.

Пример пројекта полупроводника

Пројекат проширења постројења за DRAM меморију у Јужној Кореји захтевао је нову дистрибутивну мрежу за LN₂ која је опслуживала опрему за тестирање са хлађењем потапањем и алате за обраду плочица.

Инсталација је обухватала приближно 180 метара круте вакуумски изоловане цеви повезане са више грана алата помоћу вакуумски изолованих флексибилних црева. Вакуумски изоловани фазни сепаратор и мини резервоар од 2 м³ су инсталирани у близини простора за складиштење расутих материјала.

Систем динамичке вакуумске пумпе одржавао је прстенасти притисак испод 5×10⁻⁶ mbar на главним преносним линијама од 6 инча.

Током пуштања у рад, измерено цурење топлоте на примарном колектору у просеку је износило приближно 1,3 W/m² под стабилним радним условима. Након годину дана непрекидног рада, периодични циклуси вакуумског опоравка одржавали су перформансе изолације близу првобитног основног стања.

У поређењу са претходним концептом изолације пеном, објекат је пријавио знатно мање губитке течног азота и побољшану оперативну стабилност. Процесни евиденција такође није показала контаминацију повезану са влагом и деградацијом изолације.

Апликације

Вакуумски изоловани криогени преносни системи се широко користе у производњи полупроводника, инфраструктури за течни природни гас (LNG), дистрибуцији индустријског гаса и применама течног водоника.

Иако се оперативна окружења разликују, инжењерски циљ остаје исти:

• одржавати стабилност вакуума
• минимизирати продор топлоте
• очувају фазну стабилност током целог процеса преноса

Пројектовање система обично прати међународне стандарде као што су ASME B31.3, EN 13480 и ISO 21029, у зависности од обима пројекта и регионалних захтева.

За полупроводничке постројења, перформансе криогеног дистрибутивног система директно утичу на ефикасност рада, потрошњу течности и дугорочну поузданост процеса. Због тога, цевоводи, вентили, сепаратори и системи за одржавање вакуума треба да буду пројектовани као један интегрисани термички систем, а не као независне компоненте.

At HL Cryogenics, сарађујемо са извођачима енергетских и електричних радова (EPC), гасним компанијама и постројењима за полупроводнике како бисмо развили криогена решења за пренос на основу стварних радних услова, циљева термичког оптерећења и захтева за инсталацију, а не стандардних каталошких конфигурација.

Ако планирате нови пројекат фабрике полупроводника или надоградњу постојеће дистрибутивне мреже за LN₂, наш инжењерски тим може вам помоћи у процени перформанси цурења топлоте, стратегије вакуума и конфигурације система за дугорочни рад.