В производството на полупроводници се очаква криогенните разпределителни системи да правят повече от просто прехвърляне на течен азот или аргон от една точка до друга. Флуидът трябва да остане стабилен, чист и еднофазен по целия път до точката на употреба. Дори малки количества проникваща топлина могат да генерират внезапно отделяне на газ, колебания в налягането или замърсяване с влага, което влияе върху стабилността на процеса.

Ето защоВакуумно изолирана тръбаСистемите обикновено се използват в полупроводниковите заводи вместо конвенционални тръбопроводи, изолирани с пяна. Когато се комбинират с правилно управляванаДинамична вакуумна помпа, общото изтичане на топлина може да остане под 3 W/m, като същевременно се поддържа дългосрочна стабилност на вакуума в цялата преносна линия.

За полупроводникови приложения, вакуумната изолация не трябва да се разглежда като пасивен слой около тръбата. Тя е активна термична система, която изисква измерима вакуумна производителност и дългосрочна поддръжка. В среди за производство на високопрецизни чипове, дори леко повишаване на температурата на насищане с флуид може да доведе до двуфазни условия на потока, които пречат на охлаждащите вериги, пречиствателните системи или оборудването за контрол на процесите.

Защо изтичането на топлина е от значение в криогенните полупроводникови системи

Всяка криогенна преносна линия е повлияна от три основни форми на топлопренос:

• радиация през пръстеновидното пространство
• газопроводимост, причинена от остатъчни молекули
• твърда проводимост чрез опори и дистанционни елементи

В правилно проектиранВакуумно изолирана тръба, пръстеновидното налягане обикновено се намалява под 1×10⁻⁴ Pa. При това ниво на вакуум, останалите газови молекули имат среден свободен пробег, значително по-голям от пръстеновидната междина, което значително намалява топлопроводимостта на газовете.

Радиационният топлопренос се контролира с помощта на многослойна изолация (MLI). Изолацията се състои от редуващи се слоеве от отразяващо фолио и нископроводим дистанционен материал. С правилната плътност на слоевете и метод на монтаж, радиационният топлинен поток може да бъде намален до само няколко вата на квадратен метър.

Останалият топлинен път идва главно от механични опори. За да се сведе до минимум този ефект, обикновено се използват материали с ниска проводимост, като например фибростъкло G-10 или Torlon®. Тези опори все още се нуждаят от достатъчна механична якост, за да издържат на термично свиване, вибрации и сеизмично натоварване по време на работа.

При дълги разстояния на пренос, разликата между вакуумната изолация и пяната изолация става много забележима. Добре поддържаната вакуумна система може да поддържа стабилни топлинни характеристики в продължение на много години, докато пяната изолация постепенно абсорбира влагата от атмосферата. След като влагата навлезе в изолационната структура и замръзне, топлинната ефективност обикновено намалява с времето.

В практическите полупроводникови разпределителни системи LN₂,вакуумно изолирани тръбопроводиможе значително да намали изпаряването в сравнение с традиционните тръбопроводи с пяна изолация, особено при дълги външни участъци или непрекъснато работещи главни колектори.

Динамична вакуумна помпа

Един от проблемите със статичните вакуумни якета е, че качеството на вакуума може бавно да се влоши с течение на годините поради отделяне на газове, проникване на хелий или микроскопични течове.

За да се реши това, голям диаметърВакуумно изолирана тръбасистемите могат да бъдат оборудвани сДинамична вакуумна помпаСистемата обикновено включва компактна турбомолекулярна или спиралова помпа, която периодично възстановява пръстеновидния вакуум до първоначалното му проектно състояние.

Нивата на вакуум се следят непрекъснато с помощта на манометри със студен катод. Помпата се активира само когато налягането се повиши над целевата зададена точка, така че консумацията на енергия и изискванията за поддръжка остават относително ниски.

В един проект за модернизация на съоръжение за полупроводници в Хсинчу, Тайван, активно управлявана вакуумна помпа позволи на стареещ LN₂ трансферен колектор да възстанови топлинните си характеристики, близки до първоначалното си работно състояние, без да се спира производствената линия. При новите проекти, активната вакуумна поддръжка също така дава на операторите по-голяма увереност в дългосрочната стабилност на изолацията през целия експлоатационен живот на системата.

Материали и системен дизайн

За приложения в полупроводници и свръхвисока чистота, вътрешната технологична тръба обикновено се произвежда от неръждаема стомана 304L или 316L. Вътрешните повърхности се почистват, продухват и пасивират, за да отговарят на изискванията за кислородно чиста работа и да се сведе до минимум рискът от замърсяване.

Външният кожух може да е от боядисана въглеродна стомана или неръждаема стомана в зависимост от средата на монтаж. В зони, съседни на чисти помещения, външните кожуси от неръждаема стомана често са предпочитани, за да се избегне корозия или повърхностно замърсяване.

Термичното свиване също трябва да се вземе предвид внимателно. Трансферната линия за LN₂ може да се свие с приблизително 2,5–3 мм на метър между околната температура и работната температура. За да се абсорбира това движение, обикновено се монтират компенсатори на разширението от тип мехове на изчислените места за закрепване в цялата тръбопроводна мрежа.

Където е необходима движение или гъвкавост,Вакуумно изолиран гъвкав маркучЧесто се използват възли. Типични местоположения включват връзки на резервоари, връзки на оборудване, разклонения на колектори и мобилни технологични платформи.

Тези гъвкави маркучи използват гофрирана вътрешна сърцевина, заедно с вакуумна обвивка и MLI структура, подобна на твърда вакуумна тръба. Правилно проектираните сглобки могат да поддържат вакуумната цялост след многократни криогенни термични цикли, като същевременно предотвратяват образуването на външен лед, което е често срещано при неизолираните оплетени маркучи.

Вакуумно изолирани клапанииФазови сепаратори

Управлението на топлинните изтичания не се ограничава само до прави тръбни участъци. Вентили ифазови сепараторисъщо играят важна роля за поддържането на стабилни условия на криогенен поток.

A Вакуумно изолиран вентилобикновено използва удължен капак и корпус с вакуумна обвивка, за да предпази критичните уплътнителни зони от изключително ниски температури. Това помага за предотвратяване на замръзване около уплътнението на стеблото и намалява нежеланата кондензация вътре в конструкцията на клапана.

Без вакуумна изолация, клапаните могат да се превърнат в концентрирани точки на изтичане на топлина в системата. При работа с течни криогенни системи това може да генерира локализирани парни джобове, нестабилен поток или воден удар.

За полупроводникови технологични системи обикновено се използват сферични вентили с удължен капак и сферични вентили с горен вход, в съответствие с изискванията на ASME B31.3 и EN 13480.

A Вакуумно изолиран фазов сепараторсе използва за отстраняване на изпарения газ, преди течността да попадне в чувствително оборудване след веригата. В полупроводниковите приложения, нестабилният двуфазен поток може да създаде колебания в налягането, достатъчно големи, за да задействат аларми в процеса или блокировки на оборудването.

Повечето конструкции на сепаратори използват тангенциален вход заедно с вътрешна структура за размразяване, за да подобрят ефективността на разделяне на пари и течности. В много проекти сепараторът се комбинира с мини резервоар, инсталиран близо до технологичния етаж. Мини резервоарът действа като локален буферен обем, който помага за стабилизиране на краткосрочните колебания в търсенето, без да въвежда значително допълнително топлинно натоварване.

Примерен проект за полупроводници

Проект за разширяване на съоръжение за DRAM памети в Южна Корея изискваше нова дистрибуторска мрежа за LN₂, обслужваща тестово оборудване с потапящо охлаждане и инструменти за обработка на пластини.

Инсталацията включваше приблизително 180 метра твърда вакуумно изолирана тръба, свързана с множество разклонения на инструмента чрез вакуумно изолирани гъвкави маркучи. В близост до зоната за съхранение на насипни материали бяха монтирани вакуумно изолиран фазов сепаратор и мини резервоар с обем 2 м³.

Системата за динамична вакуумна помпа поддържаше пръстеновидно налягане под 5×10⁻⁶ mbar на главните 6-инчови преносни тръбопроводи.

По време на въвеждането в експлоатация, измереното изтичане на топлина от първичния колектор е средно приблизително 1,3 W/m² при стабилни работни условия. След една година непрекъсната експлоатация, периодичните цикли на възстановяване на вакуума са поддържали изолационните характеристики близо до първоначалното изходно състояние.

В сравнение с предишната концепция за изолация с пяна, съоръжението отчете значително по-ниски загуби на течен азот и подобрена експлоатационна стабилност. Процесните дневници също не показаха събития на замърсяване, свързани с влага, и разграждане на изолацията.

Приложения

Вакуумно изолираните криогенни трансферни системи се използват широко в производството на полупроводници, инфраструктурата за втечнен природен газ (LNG), промишленото газоразпределение и приложенията за течен водород.

Въпреки че работните среди се различават, инженерната цел остава същата:

• поддържане на вакуумна стабилност
• минимизиране на проникването на топлина
• запазване на фазова стабилност по време на целия процес на прехвърляне

Проектирането на системата обикновено следва международни стандарти като ASME B31.3, EN 13480 и ISO 21029, в зависимост от обхвата на проекта и регионалните изисквания.

За полупроводниковите съоръжения, производителността на криогенната разпределителна система влияе пряко върху оперативната ефективност, разхода на течности и дългосрочната надеждност на процеса. Поради това тръбопроводите, клапаните, сепараторите и системите за поддържане на вакуума трябва да бъдат проектирани като една интегрирана термична система, а не като независими компоненти.

At HL Cryogenics, ние работим с изпълнители на EPC, газови компании и полупроводникови съоръжения, за да разработваме криогенни трансферни решения, базирани на действителните експлоатационни условия, целеви термични натоварвания и изисквания за монтаж, а не на стандартни каталожни конфигурации.

Ако планирате нов проект за производство на полупроводници или модернизирате съществуваща разпределителна мрежа за LN₂, нашият инженерен екип може да ви помогне да оцените ефективността на топлинните изтичания, вакуумната стратегия и конфигурацията на системата за дългосрочна експлоатация.