În fabricarea semiconductorilor, se așteaptă ca sistemele criogenice de distribuție să facă mai mult decât simplul transfer de azot lichid sau argon dintr-un punct în altul. Fluidul trebuie să rămână stabil, curat și monofazat până la punctul de utilizare. Chiar și cantități mici de căldură pot genera gaze flash, fluctuații de presiune sau contaminare cu umiditate care afectează stabilitatea procesului.

Acesta este motivul pentru careȚeavă izolată în vidsistemele sunt utilizate în mod obișnuit în fabricile de semiconductori în locul conductelor convenționale izolate cu spumă. Atunci când sunt combinate cu un sistem gestionat corespunzătorSistem dinamic de pompă de vid, scurgerea totală de căldură poate rămâne sub 3 W/m², menținând în același timp stabilitatea vidului pe termen lung pe întreaga linie de transfer.

Pentru aplicațiile semiconductoare, izolația în vid nu ar trebui considerată un strat pasiv în jurul țevii. Este un sistem termic activ care necesită performanțe măsurabile în vid și mentenabilitate pe termen lung. În mediile de fabricație a cipurilor de înaltă precizie, chiar și o ușoară creștere a temperaturii de saturație a fluidului poate duce la condiții de curgere bifazate care interferează cu circuitele de răcire, sistemele de purificare sau echipamentele de control al proceselor.

De ce este importantă scurgerea de căldură în sistemele criogenice semiconductoare

Fiecare linie de transfer criogenic este afectată de trei forme principale de transfer de căldură:

• radiația prin spațiul inelar
• conducția gazoasă cauzată de moleculele reziduale
• conducție solidă prin suporturi și distanțiere

Într-un proiect corespunzătorȚeavă izolată în vid, presiunea inelară este de obicei redusă sub 1×10⁻⁴ Pa. La acel nivel de vid, moleculele de gaz rămase au un drum liber mediu semnificativ mai mare decât spațiul inelar, ceea ce reduce considerabil conductivitatea termică gazoasă.

Transferul de căldură radiativ este controlat prin intermediul unei izolații multistrat (MLI). Izolația constă din straturi alternante de folie reflectorizantă și material distanțier cu conductivitate scăzută. Cu densitatea corectă a straturilor și metoda de instalare corectă, fluxul de căldură radiativ poate fi redus la doar câțiva wați pe metru pătrat.

Calea termică rămasă provine în principal din suporturi mecanice. Pentru a minimiza acest efect, se utilizează de obicei materiale cu conductivitate scăzută, cum ar fi fibra de sticlă G-10 sau Torlon®. Aceste suporturi necesită în continuare suficientă rezistență mecanică pentru a tolera contracția termică, vibrațiile și încărcarea seismică în timpul funcționării.

Pe distanțe lungi de transfer, diferența dintre izolația în vid și izolația din spumă devine foarte vizibilă. Un sistem de vid bine întreținut poate menține performanțe termice stabile timp de mulți ani, în timp ce izolația din spumă absoarbe treptat umezeala din atmosferă. Odată ce umezeala pătrunde în structura izolației și îngheață, eficiența termică scade de obicei în timp.

În sistemele practice de distribuție a LN₂ cu semiconductori,conducte izolate în vidpoate reduce semnificativ fierberea în comparație cu conductele tradiționale izolate cu spumă, în special pe distanțe lungi în aer liber sau pe colectoarele principale care funcționează continuu.

Sistem dinamic de pompă de vid

O problemă cu mantaurile statice de vid este că, de-a lungul anilor, calitatea vidului se poate deteriora lent din cauza degazărilor, permeabilității heliului sau scurgerilor microscopice.

Pentru a rezolva acest lucru, diametrul mareȚeavă izolată în vidsistemele pot fi echipate cu unSistem dinamic de pompă de vidSistemul include în mod normal un ansamblu compact de pompă turbomoleculară sau spirală care restabilește periodic vidul inelar la starea sa inițială de proiectare.

Nivelurile de vid sunt monitorizate continuu folosind manometre cu catod rece. Pompa se activează doar atunci când presiunea crește peste valoarea de referință țintă, astfel încât consumul de energie și cerințele de întreținere rămân relativ scăzute.

Într-un proiect de modernizare a unei instalații de semiconductori din Hsinchu, Taiwan, un sistem de pompare în vid gestionat activ a permis unui colector de transfer LN₂ îmbătrânit să își recapete performanța termică aproape de starea inițială de funcționare fără a opri linia de producție. Pentru proiectele noi, întreținerea activă în vid oferă, de asemenea, operatorilor o încredere mai mare în stabilitatea izolației pe termen lung pe toată durata de viață a sistemului.

Materiale și proiectare de sistem

Pentru aplicațiile cu semiconductori și de puritate ultra-înaltă, conducta interioară de proces este de obicei fabricată din oțel inoxidabil 304L sau 316L. Suprafețele interne sunt curățate, purjate și pasivate pentru a îndeplini cerințele de curățare a oxigenului și a minimiza riscul de contaminare.

Învelișul exterioar poate fi realizat din oțel carbon vopsit sau oțel inoxidabil, în funcție de mediul de instalare. În zonele adiacente camerelor sterile, învelișurile exterioare din oțel inoxidabil sunt adesea preferate pentru a evita coroziunea sau contaminarea suprafeței.

Contracția termică trebuie, de asemenea, luată în considerare cu atenție. O linie de transfer LN₂ se poate contracta cu aproximativ 2,5–3 mm pe metru între temperatura ambiantă și temperatura de funcționare. Pentru a absorbi această mișcare, compensatoarele de dilatare de tip burduf sunt de obicei instalate în poziții de ancorare calculate în întreaga rețea de conducte.

Acolo unde este necesară mișcare sau flexibilitate,Furtun flexibil izolat în vidAnsamblurile sunt utilizate în mod obișnuit. Locațiile tipice includ conexiunile rezervoarelor, conexiunile echipamentelor, ramificațiile distribuitoarelor și skidurile mobile de proces.

Aceste furtunuri flexibile utilizează un miez interior ondulat împreună cu o manta de vid și o structură MLI similară cu țeava rigidă de vid. Ansamblurile proiectate corespunzător pot menține integritatea vidului după cicluri termice criogenice repetate, prevenind în același timp formarea externă de gheață, fenomen comun la furtunurile împletite neizolate.

Valve izolate în vidşiSeparatoare de fază

Gestionarea scurgerilor de căldură nu se limitează la secțiuni drepte de țevi. Robinetele șiseparatoare de fazăjoacă, de asemenea, un rol major în menținerea unor condiții stabile de flux criogenic.

A Valvă izolată în vidÎn mod normal, se utilizează o capotă extinsă și un corp învelit în vid pentru a proteja zonele critice de etanșare de temperaturi extrem de scăzute. Acest lucru ajută la prevenirea înghețului în jurul garniturii tijei și reduce condensul nedorit din interiorul structurii valvei.

Fără izolație în vid, valvele pot deveni puncte concentrate de scurgeri de căldură în cadrul sistemului. În serviciul criogenic lichid, acest lucru poate genera buzunare localizate de vapori, condiții de curgere instabile sau evenimente de lovitură de berbec.

Pentru sistemele de procesare a semiconductorilor, robinetele globulare cu capac extins și robinetele cu bilă cu intrare superioară sunt utilizate în mod obișnuit în conformitate cu cerințele ASME B31.3 și EN 13480.

A Separator de fază izolat în vidse utilizează pentru a elimina gazul de declanșare înainte ca lichidul să intre în echipamentele sensibile din aval. În aplicațiile cu semiconductori, fluxul instabil bifazic poate crea fluctuații de presiune suficient de mari pentru a declanșa alarme de proces sau blocări ale echipamentelor.

Majoritatea modelelor de separatoare utilizează o intrare tangențială împreună cu o structură internă de demineralizare pentru a îmbunătăți eficiența separării vapori-lichid. În multe proiecte, separatorul este combinat cu un mini-rezervor instalat lângă podeaua procesului. Mini-rezervorul acționează ca un volum tampon local care ajută la stabilizarea fluctuațiilor pe termen scurt ale cererii fără a introduce o sarcină termică suplimentară semnificativă.

Exemplu de proiect semiconductor

Un proiect de extindere a unei unități DRAM din Coreea de Sud a necesitat o nouă rețea de distribuție a LN₂ care să deservească echipamente de testare răcite prin imersie și instrumente de procesare a napolitanelor.

Instalația a inclus aproximativ 180 de metri de țeavă rigidă izolată în vid, conectată la mai multe ramificații pentru unelte prin ansambluri de furtunuri flexibile izolate în vid. Un separator de faze izolat în vid și un mini-rezervor de 2 m³ au fost instalate în apropierea zonei de depozitare în vrac.

Sistemul de pompă de vid dinamică a menținut presiunea inelară sub 5×10⁻⁶ mbar pe conductele principale de transfer de 6 inci.

În timpul punerii în funcțiune, scurgerea de căldură măsurată pe colectorul primar a fost în medie de aproximativ 1,3 W/m² în condiții de funcționare stabile. După un an de funcționare continuă, ciclurile periodice de recuperare a vidului au menținut performanța izolației aproape de starea inițială de bază.

Comparativ cu conceptul anterior de izolație cu spumă, instalația a raportat pierderi de azot lichid considerabil mai mici și o stabilitate în funcționare îmbunătățită. De asemenea, jurnalele de proces nu au arătat evenimente de contaminare legate de umiditate asociate cu degradarea izolației.

Aplicații

Sistemele criogenice de transfer izolate în vid sunt utilizate pe scară largă în fabricarea semiconductorilor, infrastructura GNL, distribuția gazelor industriale și aplicațiile de hidrogen lichid.

Deși mediile de operare diferă, obiectivul ingineresc rămâne același:

• menține stabilitatea în vid
• minimizarea pătrunderii de căldură
• menține stabilitatea fazei pe tot parcursul procesului de transfer

Proiectarea sistemului respectă în mod normal standardele internaționale precum ASME B31.3, EN 13480 și ISO 21029, în funcție de amploarea proiectului și de cerințele regionale.

Pentru instalațiile de semiconductori, performanța sistemului de distribuție criogenică afectează în mod direct eficiența operațională, consumul de lichide și fiabilitatea procesului pe termen lung. Din acest motiv, conductele, valvele, separatoarele și sistemele de întreținere în vid ar trebui proiectate ca un singur sistem termic integrat, mai degrabă decât ca componente independente.

At HL CryogenicsColaborăm cu contractori EPC, companii de gaze și instalații de semiconductori pentru a dezvolta soluții de transfer criogenic bazate pe condițiile reale de funcționare, obiectivele de sarcină termică și cerințele de instalare, mai degrabă decât pe configurațiile standard din catalog.

Dacă planificați un nou proiect de fabricare a semiconductorilor sau modernizați o rețea existentă de distribuție a LN₂, echipa noastră de ingineri vă poate ajuta să evaluați performanța scurgerilor de căldură, strategia de vid și configurația sistemului pentru funcționare pe termen lung.