Pusvadītāju ražošanā kriogēnajām sadales sistēmām ir jāveic vairāk nekā tikai šķidra slāpekļa vai argona pārvietošana no viena punkta uz otru. Šķidrumam ir jāpaliek stabilam, tīram un vienfāzes stāvoklim līdz pat lietošanas vietai. Pat neliels siltuma iekļūšanas daudzums var radīt gāzes uzliesmojumu, spiediena svārstības vai mitruma piesārņojumu, kas ietekmē procesa stabilitāti.

TāpēcVakuuma izolēta caurulepusvadītāju rūpnīcās parasti tiek izmantotas sistēmas parasto putu izolēto cauruļvadu vietā. Apvienojumā ar pareizi pārvaldītuDinamiskā vakuuma sūkņa sistēma, kopējā siltuma noplūde var palikt zem 3 W/m2, vienlaikus saglabājot ilgtermiņa vakuuma stabilitāti visā pārneses līnijā.

Pusvadītāju lietojumos vakuuma izolācija nav jāuzskata par pasīvu slāni ap cauruli. Tā ir aktīva termiskā sistēma, kurai nepieciešama izmērāma vakuuma veiktspēja un ilgtermiņa apkope. Augstas precizitātes mikroshēmu ražošanas vidē pat neliels šķidruma piesātinājuma temperatūras pieaugums var izraisīt divfāžu plūsmas apstākļus, kas traucē dzesēšanas ķēdēm, attīrīšanas sistēmām vai procesa vadības iekārtām.

Kāpēc siltuma noplūde ir svarīga kriogēnās pusvadītāju sistēmās

Katru kriogēno pārneses līniju ietekmē trīs galvenie siltuma pārneses veidi:

• starojums pāri gredzenveida telpai
• gāzveida vadītspēja, ko izraisa atlikušās molekulas
• cieta vadītspēja caur balstiem un starplikām

Pareizi izstrādātā veidāVakuuma izolēta caurule, gredzenveida spiediens parasti tiek samazināts zem 1×10⁻⁴ Pa. Šajā vakuuma līmenī atlikušo gāzes molekulu vidējais brīvais ceļš ir ievērojami lielāks nekā gredzenveida sprauga, kas ievērojami samazina gāzveida siltuma vadītspēju.

Siltuma starojuma pārnesi kontrolē, izmantojot daudzslāņu izolāciju (MLI). Izolācija sastāv no mainīgiem atstarojošas plēves un zemas vadītspējas starplikas materiāla slāņiem. Ar pareizu slāņu blīvumu un uzstādīšanas metodi siltuma starojuma plūsmu var samazināt līdz tikai dažiem vatiem uz kvadrātmetru.

Atlikušo termisko ceļu galvenokārt nodrošina mehāniskie balsti. Lai mazinātu šo efektu, parasti tiek izmantoti materiāli ar zemu vadītspēju, piemēram, G-10 stikla šķiedra vai Torlon®. Šiem balstiem joprojām ir nepieciešama pietiekama mehāniskā izturība, lai ekspluatācijas laikā izturētu termisko saraušanos, vibrāciju un seismisko slodzi.

Lielos attālumos atšķirība starp vakuuma izolāciju un putu izolāciju kļūst ļoti pamanāma. Labi uzturēta vakuuma sistēma var uzturēt stabilu termisko veiktspēju daudzus gadus, savukārt putu izolācija pakāpeniski absorbē mitrumu no atmosfēras. Kad mitrums nonāk izolācijas konstrukcijā un sasalst, termiskā efektivitāte parasti laika gaitā samazinās.

Praktiskās pusvadītāju LN₂ sadales sistēmās,vakuuma izolētas caurulesvar ievērojami samazināt iztvaikošanu, salīdzinot ar tradicionālajām putu izolētajām līnijām, īpaši garos āra apstākļos vai nepārtraukti darbojošos galvenajos kolektoros.

Dinamiskā vakuuma sūkņa sistēma

Viena no statisko vakuuma apvalku problēmām ir tā, ka vakuuma kvalitāte gadu gaitā var lēnām pasliktināties gāzu izdalīšanās, hēlija caurlaidības vai mikroskopiskas noplūdes dēļ.

Lai to risinātu, liela diametraVakuuma izolēta caurulesistēmas var aprīkot arDinamiskā vakuuma sūkņa sistēmaSistēma parasti ietver kompaktu turbomolekulāru vai spirālveida sūkni, kas periodiski atjauno gredzenveida vakuumu tā sākotnējā projektētajā stāvoklī.

Vakuuma līmeņi tiek nepārtraukti uzraudzīti, izmantojot aukstā katoda mērinstrumentus. Sūknis ieslēdzas tikai tad, kad spiediens pārsniedz mērķa iestatīto vērtību, tāpēc enerģijas patēriņš un apkopes prasības joprojām ir relatīvi zemas.

Vienā pusvadītāju ražotnes modernizācijas projektā Hsinču, Taivānā, aktīvi pārvaldīta vakuuma sūknēšanas sistēma ļāva novecojošam LN₂ pārneses kolektoram atjaunot termisko veiktspēju tuvu sākotnējam darbības stāvoklim, neizslēdzot ražošanas līniju. Jaunos projektos aktīva vakuuma uzturēšana sniedz operatoriem arī lielāku pārliecību par ilgtermiņa izolācijas stabilitāti visā sistēmas ekspluatācijas laikā.

Materiāli un sistēmu dizains

Pusvadītāju un īpaši augstas tīrības pakāpes lietojumos iekšējā procesa caurule parasti tiek izgatavota no 304L vai 316L nerūsējošā tērauda. Iekšējās virsmas tiek tīrītas, attīrītas un pasivētas, lai atbilstu skābekļa tīrības prasībām un samazinātu piesārņojuma risku.

Ārējais apvalks var būt izgatavots no krāsota oglekļa tērauda vai nerūsējošā tērauda atkarībā no uzstādīšanas vides. Tīrtelpām blakus esošās zonās bieži vien priekšroka tiek dota nerūsējošā tērauda ārējiem apvalkiem, lai izvairītos no korozijas vai virsmas piesārņojuma.

Rūpīgi jāņem vērā arī termiskā saraušanās. LN₂ pārvades līnija var sarauties aptuveni par 2,5–3 mm uz metru starp apkārtējās vides temperatūru un darba temperatūru. Lai absorbētu šo kustību, visā cauruļvadu tīklā aprēķinātajās enkuru vietās parasti tiek uzstādīti silfonu tipa izplešanās kompensatori.

Kur nepieciešama kustība vai elastība,Vakuuma izolēta elastīga šļūteneParasti tiek izmantoti mezgli. Tipiskas atrašanās vietas ir tvertņu savienojumi, iekārtu pieslēgumi, kolektoru atzari un mobilās procesa platformas.

Šīs elastīgās šļūtenes izmanto gofrētu iekšējo serdi kopā ar vakuuma apvalku un MLI struktūru, kas līdzīga stingrai vakuuma caurulei. Pareizi konstruētas konstrukcijas var saglabāt vakuuma integritāti pēc atkārtotas kriogēnas termiskās ciklēšanas, vienlaikus novēršot ārēja ledus veidošanos, kas ir izplatīta neizolētām pītajām šļūtenēm.

Vakuuma izolēti vārstiunFāžu separatori

Siltuma noplūžu pārvaldība nav saistīta tikai ar taisnām cauruļu sekcijām. Vārsti unfāžu separatoriarī spēlē nozīmīgu lomu stabilu kriogēno plūsmas apstākļu uzturēšanā.

A Vakuuma izolēts vārstsparasti izmanto pagarinātu pārsegu un vakuuma apvalku, lai pasargātu kritiski svarīgas blīvējuma vietas no ārkārtīgi zemas temperatūras. Tas palīdz novērst sasalšanu ap kāta blīvējumu un samazina nevēlamu kondensāciju vārsta konstrukcijā.

Bez vakuuma izolācijas vārsti var kļūt par koncentrētiem siltuma noplūdes punktiem sistēmā. Šķidrās kriogēnās sistēmās tas var radīt lokalizētas tvaika kabatas, nestabilus plūsmas apstākļus vai hidraulisko āmuru.

Pusvadītāju procesu sistēmās saskaņā ar ASME B31.3 un EN 13480 prasībām parasti tiek izmantoti pagarināta pārsega lodveida vārsti un augšējās ieejas lodveida vārsti.

A Vakuuma izolēts fāžu atdalītājstiek izmantots, lai noņemtu uzliesmojošo gāzi pirms šķidruma nonākšanas jutīgās lejupējās iekārtās. Pusvadītāju lietojumos nestabila divfāžu plūsma var radīt spiediena svārstības, kas ir pietiekami lielas, lai aktivizētu procesa trauksmes signālus vai iekārtu bloķēšanu.

Vairumā separatoru konstrukciju tiek izmantota tangenciāla ieplūde kopā ar iekšējo miglotāja struktūru, lai uzlabotu tvaika un šķidruma atdalīšanas efektivitāti. Daudzos projektos separators tiek apvienots ar mini tvertni, kas uzstādīta netālu no procesa grīdas. Mini tvertne darbojas kā lokāls bufera tilpums, kas palīdz stabilizēt īstermiņa pieprasījuma svārstības, neradot būtisku papildu siltuma slodzi.

Pusvadītāju projekta piemērs

DRAM ražotnes paplašināšanas projektam Dienvidkorejā bija nepieciešams jauns LN₂ izplatīšanas tīkls, kas apkalpotu iegremdējamās dzesēšanas testa iekārtas un plākšņu apstrādes instrumentus.

Uzstādīšanas darbi ietvēra aptuveni 180 metrus stingras, vakuuma izolētas caurules, kas savienota ar vairākiem instrumentu atzariem, izmantojot vakuuma izolētas elastīgas šļūtenes. Blakus beramkravu uzglabāšanas zonai tika uzstādīts vakuuma izolēts fāžu separators un 2 m³ mini tvertne.

Dinamiskā vakuuma sūkņa sistēma uzturēja gredzenveida spiedienu zem 5 × 10⁻⁶ mbar galvenajās 6 collu pārvades līnijās.

Nodošanas ekspluatācijā laikā izmērītā siltuma noplūde primārajā kolektorā stabilos ekspluatācijas apstākļos bija vidēji aptuveni 1,3 W/m². Pēc viena nepārtrauktas ekspluatācijas gada periodiski vakuuma atjaunošanas cikli uzturēja izolācijas veiktspēju tuvu sākotnējam bāzes stāvoklim.

Salīdzinot ar iepriekšējo putu izolācijas koncepciju, iekārta ziņoja par ievērojami mazākiem šķidrā slāpekļa zudumiem un uzlabotu darbības stabilitāti. Procesa žurnālos arī netika konstatēti ar mitrumu saistīti piesārņojuma gadījumi, kas būtu saistīti ar izolācijas degradāciju.

Pieteikumi

Vakuuma izolētas kriogēnās pārneses sistēmas tiek plaši izmantotas pusvadītāju ražošanā, sašķidrinātās dabasgāzes infrastruktūrā, rūpnieciskās gāzes sadalē un šķidrā ūdeņraža lietojumos.

Lai gan darbības vide atšķiras, inženiertehniskais mērķis paliek nemainīgs:

• uzturēt vakuuma stabilitāti
• samazināt siltuma iekļūšanu
• saglabāt fāzes stabilitāti visā pārneses procesā

Sistēmas projektēšanā parasti tiek ievēroti starptautiskie standarti, piemēram, ASME B31.3, EN 13480 un ISO 21029, atkarībā no projekta apjoma un reģionālajām prasībām.

Pusvadītāju ražotnēs kriogēnās sadales sistēmas veiktspēja tieši ietekmē darbības efektivitāti, šķidruma patēriņu un ilgtermiņa procesa uzticamību. Tāpēc cauruļvadi, vārsti, separatori un vakuuma uzturēšanas sistēmas jāprojektē kā viena integrēta termiskā sistēma, nevis kā neatkarīgas sastāvdaļas.

At HL kriogēnikaMēs sadarbojamies ar EPC darbuzņēmējiem, gāzes uzņēmumiem un pusvadītāju ražotnēm, lai izstrādātu kriogēnās pārneses risinājumus, pamatojoties uz faktiskajiem ekspluatācijas apstākļiem, termiskās slodzes mērķiem un uzstādīšanas prasībām, nevis standarta kataloga konfigurācijām.

Ja plānojat jaunu pusvadītāju rūpnīcas projektu vai modernizējat esošu LN₂ sadales tīklu, mūsu inženieru komanda var palīdzēt novērtēt siltuma noplūdes veiktspēju, vakuuma stratēģiju un sistēmas konfigurāciju ilgtermiņa darbībai.