Puslaidininkių gamyboje kriogeninės paskirstymo sistemos turi atlikti daugiau nei tiesiog perkelti skystą azotą ar argoną iš vieno taško į kitą. Skystis turi išlikti stabilus, švarus ir vienfazis iki pat naudojimo vietos. Net ir nedidelis šilumos kiekis gali sukelti dujų pliūpsnius, slėgio svyravimus ar drėgmės užterštumą, kurie turi įtakos proceso stabilumui.

Štai kodėlVakuuminiu būdu izoliuotas vamzdissistemos dažniausiai naudojamos puslaidininkių gamyklose vietoj įprastų putplasčiu izoliuotų vamzdynų. Kai jos derinamos su tinkamai valdomaDinaminė vakuuminio siurblio sistema, bendras šilumos nuotėkis gali išlikti mažesnis nei 3 W/m², išlaikant ilgalaikį vakuumo stabilumą visoje perdavimo linijoje.

Puslaidininkių taikymuose vakuuminė izoliacija neturėtų būti laikoma pasyviu sluoksniu aplink vamzdį. Tai aktyvi šiluminė sistema, kuriai reikalingas išmatuojamas vakuumo našumas ir ilgalaikis prižiūrėjimas. Didelio tikslumo lustų gamybos aplinkoje net ir nedidelis skysčio prisotinimo temperatūros padidėjimas gali sukelti dviejų fazių tekėjimo sąlygas, kurios trikdo aušinimo grandines, valymo sistemas ar procesų valdymo įrangą.

Kodėl šilumos nuotėkis yra svarbus kriogeninėse puslaidininkių sistemose

Kiekvieną kriogeninę perdavimo liniją veikia trys pagrindinės šilumos perdavimo formos:

• spinduliuotė per žiedinę erdvę
• dujų laidumas, kurį sukelia likusios molekulės
• kietas laidumas per atramas ir tarpiklius

Tinkamai suprojektuotameVakuuminiu būdu izoliuotas vamzdis, žiedinis slėgis paprastai sumažinamas žemiau 1×10⁻⁴ Pa. Esant tokiam vakuumo lygiui, likusių dujų molekulių vidutinis laisvasis kelias yra žymiai didesnis nei žiedinis tarpas, o tai labai sumažina dujinį šilumos laidumą.

Spinduliuojantis šilumos perdavimas kontroliuojamas naudojant daugiasluoksnę izoliaciją (MLI). Izoliaciją sudaro pakaitomis einantys atspindinčios folijos ir mažo laidumo tarpinės sluoksniai. Tinkamai parinkus sluoksnių tankį ir montavimo būdą, spinduliavimo šilumos srautą galima sumažinti iki kelių vatų kvadratiniam metrui.

Likęs šilumos kelias daugiausia gaunamas iš mechaninių atramų. Siekiant sumažinti šį poveikį, paprastai naudojamos mažo laidumo medžiagos, tokios kaip G-10 stiklo pluoštas arba „Torlon®“. Šioms atramoms vis tiek reikia pakankamai mechaninio stiprumo, kad jos eksploatacijos metu atlaikytų šiluminį susitraukimą, vibraciją ir seisminį apkrovimą.

Dideliais atstumais skirtumas tarp vakuuminės ir putplasčio izoliacijos tampa labai pastebimas. Gerai prižiūrima vakuuminė sistema daugelį metų gali išlaikyti stabilias šilumines charakteristikas, o putplasčio izoliacija palaipsniui sugeria drėgmę iš atmosferos. Kai drėgmė patenka į izoliacijos konstrukciją ir užšąla, šiluminis efektyvumas laikui bėgant paprastai mažėja.

Praktinėse puslaidininkinėse LN₂ paskirstymo sistemosevakuuminiu būdu izoliuoti vamzdynaigali žymiai sumažinti garavimą, palyginti su tradicinėmis putplasčiu izoliuotomis linijomis, ypač ilgose lauko trasose arba nuolat veikiančiuose pagrindiniuose kolektoriuose.

Dinaminė vakuuminio siurblio sistema

Viena iš statinių vakuuminių striukių problemų yra ta, kad dėl dujų išsiskyrimo, helio prasiskverbimo ar mikroskopinio nuotėkio per daugelį metų vakuumo kokybė gali pamažu blogėti.

Siekiant tai išspręsti, didelio skersmensVakuuminiu būdu izoliuotas vamzdissistemos gali būti aprūpintosDinaminė vakuuminio siurblio sistemaSistemoje paprastai yra kompaktiškas turbomolekulinis arba spiralinis siurblys, kuris periodiškai atkuria žiedinį vakuumą į pradinę projektinę būseną.

Vakuumo lygiai nuolat stebimi naudojant šaltojo katodo matuoklius. Siurblys įsijungia tik tada, kai slėgis pakyla virš tikslinės nustatytos vertės, todėl energijos suvartojimas ir priežiūros poreikiai išlieka santykinai maži.

Viename puslaidininkių gamyklos modernizavimo projekte Sindžu mieste, Taivane, aktyviai valdoma vakuuminio siurbimo sistema leido senstančiam LN₂ perdavimo kolektoriui atkurti šiluminį našumą, artimą pradinei darbinei būklei, neišjungiant gamybos linijos. Naujuose projektuose aktyvi vakuuminė priežiūra taip pat suteikia operatoriams didesnį pasitikėjimą ilgalaikiu izoliacijos stabilumu per visą sistemos eksploatavimo laiką.

Medžiagos ir sistemų projektavimas

Puslaidininkių ir itin didelio grynumo taikymams vidinis proceso vamzdis paprastai gaminamas iš 304L arba 316L nerūdijančio plieno. Vidiniai paviršiai valomi, prapučiami ir pasyvuojami, kad atitiktų deguonies švaros reikalavimus ir sumažintų užteršimo riziką.

Išorinis apvalkalas gali būti pagamintas iš dažyto anglinio plieno arba nerūdijančio plieno, priklausomai nuo montavimo aplinkos. Švarių patalpų gretimose vietose dažnai pageidaujami nerūdijančio plieno išoriniai apvalkalai, siekiant išvengti korozijos ar paviršiaus užteršimo.

Taip pat reikia atidžiai atsižvelgti į šiluminį susitraukimą. LN₂ perdavimo linija gali susitraukti maždaug 2,5–3 mm metrui tarp aplinkos temperatūros ir darbinės temperatūros. Šiam judėjimui absorbuoti vamzdynų tinkle apskaičiuotose inkaravimo vietose paprastai įrengiami silfono tipo išsiplėtimo kompensatoriai.

Kai reikalingas judėjimas ar lankstumas,Vakuuminė izoliuota lanksti žarnaDažniausiai naudojami mazgai. Tipinės vietos apima bakų jungtis, įrangos prijungimus, kolektorių atšakas ir mobilias procesų platformas.

Šios lanksčios žarnos naudoja gofruotą vidinį sluoksnį kartu su vakuuminiu apvalkalu ir MLI struktūra, panašia į standžiųjų vakuuminių vamzdžių. Tinkamai suprojektuotos jungtys gali išlaikyti vakuumo vientisumą po pakartotinių kriogeninių terminių ciklų, kartu užkertant kelią išoriniam ledo susidarymui, kuris yra įprastas neizoliuotoms pintoms žarnoms.

Vakuumiškai izoliuoti vožtuvaiirFazių separatoriai

Šilumos nuotėkio valdymas neapsiriboja tiesiomis vamzdžių atkarpomis. Vožtuvai irfazių separatoriaitaip pat atlieka svarbų vaidmenį palaikant stabilias kriogeninio srauto sąlygas.

A Vakuuminiu būdu izoliuotas vožtuvaspaprastai naudoja pailgintą gaubtą ir vakuuminį apvalkalą, kad svarbios sandarinimo vietos būtų apsaugotos nuo itin žemos temperatūros. Tai padeda išvengti užšalimo aplink koto tarpinę ir sumažina nepageidaujamą kondensaciją vožtuvo konstrukcijoje.

Be vakuuminės izoliacijos vožtuvai gali tapti koncentruotomis šilumos nuotėkio vietomis sistemoje. Skystų kriogeninių sistemų atveju tai gali sukelti lokalias garų kišenes, nestabilias srauto sąlygas arba hidraulinius smūgius.

Puslaidininkinėms procesų sistemoms pagal ASME B31.3 ir EN 13480 reikalavimus dažniausiai naudojami pailginto gaubto rutuliniai vožtuvai ir viršutinio įleidimo rutuliniai vožtuvai.

A Vakuuminiu būdu izoliuotas fazių separatoriusNaudojamas pliūpsnio dujoms pašalinti prieš skysčiui patenkant į jautrią įrangą. Puslaidininkių įrenginiuose nestabilus dviejų fazių srautas gali sukelti pakankamai didelius slėgio svyravimus, kad suveiktų proceso signalizacijos arba įrangos blokavimas.

Daugumoje separatorių konstrukcijų naudojamas tangentinis įleidimo angos ir vidinė garų ir skysčių atskyrimo konstrukcija, siekiant pagerinti garų ir skysčių atskyrimo efektyvumą. Daugelyje projektų separatorius derinamas su mini rezervuaru, įrengtu šalia gamybos grindų. Mini rezervuaras veikia kaip vietinė buferinė talpa, padedanti stabilizuoti trumpalaikius poreikio svyravimus nesukeliant didelės papildomos šilumos apkrovos.

Puslaidininkių projekto pavyzdys

Pietų Korėjoje vykusiam DRAM įrenginių plėtros projektui reikėjo naujo LN₂ paskirstymo tinklo, aptarnaujančio panardinamuoju būdu aušinamą bandymų įrangą ir plokštelių apdorojimo įrankius.

Montavimo darbai apėmė maždaug 180 metrų standaus vakuuminiu būdu izoliuoto vamzdžio, prijungto prie kelių įrankių atšakų vakuuminiu būdu izoliuotomis lanksčiomis žarnomis. Šalia biriųjų medžiagų sandėliavimo zonos buvo įrengtas vakuuminiu būdu izoliuotas fazių separatorius ir 2 m³ talpos mini bakas.

Dinaminė vakuuminio siurblio sistema palaikė mažesnį nei 5 × 10⁻⁶ mbar žiedinį slėgį pagrindinėse 6 colių perdavimo linijose.

Paleidimo metu išmatuotas šilumos nuotėkis pirminiame kolektoriuje stabiliomis eksploatavimo sąlygomis buvo vidutiniškai maždaug 1,3 W/m². Po vienerių metų nepertraukiamo naudojimo periodiški vakuumo atkūrimo ciklai išlaikė izoliacijos charakteristikas artimas pradinei bazinei būklei.

Palyginti su ankstesne putplasčio izoliacijos koncepcija, įrenginys užfiksavo pastebimai mažesnius skysto azoto nuostolius ir pagerėjusį eksploatavimo stabilumą. Procesų žurnaluose taip pat nebuvo užfiksuota jokių su drėgme susijusių užteršimo atvejų, susijusių su izoliacijos degradacija.

Paraiškos

Vakuume izoliuotos kriogeninės perdavimo sistemos plačiai naudojamos puslaidininkių gamyboje, SGD infrastruktūroje, pramoninių dujų paskirstyme ir skysto vandenilio taikymuose.

Nors darbo aplinka skiriasi, inžinerinis tikslas išlieka tas pats:

• palaikyti vakuumo stabilumą
• sumažinti šilumos patekimą
• išlaikyti fazės stabilumą viso perdavimo proceso metu

Sistemos projektavimas paprastai atitinka tarptautinius standartus, tokius kaip ASME B31.3, EN 13480 ir ISO 21029, priklausomai nuo projekto apimties ir regioninių reikalavimų.

Puslaidininkių įrenginiuose kriogeninės paskirstymo sistemos veikimas tiesiogiai veikia veikimo efektyvumą, skysčių sunaudojimą ir ilgalaikį proceso patikimumą. Dėl šios priežasties vamzdynai, vožtuvai, separatoriai ir vakuuminės priežiūros sistemos turėtų būti projektuojamos kaip viena integruota šiluminė sistema, o ne kaip atskiri komponentai.

At HL kriogenikaBendradarbiaujame su EPC rangovais, dujų įmonėmis ir puslaidininkių gamyklomis, kad sukurtume kriogeninio perdavimo sprendimus, pagrįstus realiomis eksploatavimo sąlygomis, tiksline šilumine apkrova ir įrengimo reikalavimais, o ne standartinėmis katalogo konfigūracijomis.

Jei planuojate naują puslaidininkių gamyklos projektą arba atnaujinate esamą LN₂ paskirstymo tinklą, mūsų inžinierių komanda gali padėti įvertinti šilumos nuotėkio našumą, vakuumo strategiją ir sistemos konfigūraciją ilgalaikiam veikimui.