در تولید نیمههادیها، از سیستمهای توزیع برودتی انتظار میرود کاری بیش از انتقال ساده نیتروژن یا آرگون مایع از یک نقطه به نقطه دیگر انجام دهند. سیال باید تا نقطه استفاده پایدار، تمیز و تک فاز باقی بماند. حتی مقادیر کمی از ورود گرما میتواند باعث ایجاد گاز فلش، نوسان فشار یا آلودگی رطوبت شود که بر پایداری فرآیند تأثیر میگذارد.
به همین دلیل است کهلوله عایق خلاءسیستمها معمولاً در کارخانههای نیمههادی به جای لولهکشی عایق فوم معمولی استفاده میشوند. وقتی با یک سیستم مدیریتشدهی مناسب ترکیب شوندسیستم پمپ خلاء دینامیکی، نشت گرمای کلی میتواند کمتر از 3 وات بر متر مربع باقی بماند و در عین حال پایداری خلأ بلندمدت را در کل خط انتقال حفظ کند.
برای کاربردهای نیمههادی، عایق خلاء نباید به عنوان یک لایه غیرفعال در اطراف لوله در نظر گرفته شود. این یک سیستم حرارتی فعال است که نیاز به عملکرد خلاء قابل اندازهگیری و قابلیت نگهداری طولانی مدت دارد. در محیطهای تولید تراشه با دقت بالا، حتی افزایش اندک در دمای اشباع سیال ممکن است منجر به شرایط جریان دو فازی شود که با مدارهای خنککننده، سیستمهای تصفیه یا تجهیزات کنترل فرآیند تداخل میکند.
چرا نشت گرما در سیستمهای نیمههادی برودتی اهمیت دارد؟
هر خط انتقال برودتی تحت تأثیر سه شکل اصلی انتقال حرارت قرار دارد:
- تابش در فضای حلقوی
- رسانایی گازی ناشی از مولکولهای باقیمانده
- رسانایی جامد از طریق تکیهگاهها و فاصلهدهندهها
در یک طراحی مناسبلوله عایق خلاءفشار حلقوی معمولاً به زیر 1×10⁻⁴ پاسکال کاهش مییابد. در آن سطح خلاء، مولکولهای گاز باقیمانده دارای یک مسیر آزاد میانگین به طور قابل توجهی بزرگتر از شکاف حلقوی هستند که هدایت حرارتی گازی را تا حد زیادی کاهش میدهد.
انتقال حرارت تابشی با استفاده از عایق چند لایه (MLI) کنترل میشود. این عایق از لایههای متناوب فویل بازتابنده و مواد فاصلهدهنده با رسانایی کم تشکیل شده است. با تراکم لایه و روش نصب صحیح، شار حرارت تابشی را میتوان تنها به چند وات در هر متر مربع کاهش داد.
مسیر حرارتی باقیمانده عمدتاً از تکیهگاههای مکانیکی ناشی میشود. برای به حداقل رساندن این اثر، معمولاً از مواد با رسانایی کم مانند فایبرگلاس G-10 یا Torlon® استفاده میشود. این تکیهگاهها همچنان به مقاومت مکانیکی کافی برای تحمل انقباض حرارتی، ارتعاش و بارگذاری لرزهای در حین کار نیاز دارند.
در فواصل انتقال طولانی، تفاوت بین عایق خلاء و عایق فوم بسیار قابل توجه میشود. یک سیستم خلاء که به خوبی نگهداری شود میتواند عملکرد حرارتی پایداری را برای سالهای زیادی حفظ کند، در حالی که عایق فوم به تدریج رطوبت را از جو جذب میکند. هنگامی که رطوبت وارد ساختار عایق شده و یخ میزند، معمولاً راندمان حرارتی با گذشت زمان کاهش مییابد.
در سیستمهای توزیع نیمههادی LN₂ عملی،لولههای عایق خلأمیتواند در مقایسه با خطوط عایقبندی شده با فوم سنتی، به خصوص در مسیرهای طولانی در فضای باز یا هدرهای اصلی که به طور مداوم کار میکنند، جوشش را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
سیستم پمپ خلاء دینامیکی
یکی از مشکلات کاپشنهای خلاء استاتیک این است که کیفیت خلاء ممکن است به دلیل خروج گاز، نفوذ هلیوم یا نشت میکروسکوپی، به آرامی در طول سالها رو به زوال برود.
برای رفع این مشکل، قطر بزرگلوله عایق خلاءسیستمها میتوانند مجهز بهسیستم پمپ خلاء دینامیکیاین سیستم معمولاً شامل یک پمپ توربومولکولی فشرده یا پمپ اسکرول است که به صورت دورهای خلاء حلقوی را به شرایط طراحی اولیه خود بازمیگرداند.
سطح خلاء به طور مداوم با استفاده از گیجهای کاتد سرد کنترل میشود. پمپ فقط زمانی فعال میشود که فشار از نقطه تنظیم هدف بالاتر رود، بنابراین مصرف برق و نیازهای نگهداری نسبتاً پایین باقی میمانند.
در یک پروژه ارتقاء تأسیسات نیمههادی در هسینچو، تایوان، یک سیستم پمپاژ خلاء با مدیریت فعال، به یک هدر انتقال LN₂ قدیمی اجازه داد تا عملکرد حرارتی خود را نزدیک به شرایط عملیاتی اولیه خود بدون خاموش کردن خط تولید بازیابی کند. برای پروژههای جدید، نگهداری خلاء فعال همچنین به اپراتورها اطمینان بهتری در مورد پایداری عایق طولانی مدت در طول عمر مفید سیستم میدهد.
طراحی مواد و سیستم
برای کاربردهای نیمههادی و با خلوص بسیار بالا، لوله فرآیند داخلی معمولاً از فولاد ضد زنگ 304L یا 316L ساخته میشود. سطوح داخلی تمیز، پر شده و غیرفعال میشوند تا الزامات سرویس تمیز با اکسیژن را برآورده کرده و خطر آلودگی را به حداقل برسانند.
بسته به محیط نصب، روکش بیرونی میتواند از جنس فولاد کربنی رنگشده یا فولاد ضدزنگ باشد. در مناطق مجاور اتاق تمیز، روکشهای بیرونی ضدزنگ اغلب برای جلوگیری از خوردگی یا آلودگی سطحی ترجیح داده میشوند.
انقباض حرارتی نیز باید به دقت در نظر گرفته شود. یک خط انتقال LN₂ میتواند تقریباً 2.5 تا 3 میلیمتر در هر متر بین دمای محیط و دمای عملیاتی منقبض شود. برای جذب این حرکت، جبرانکنندههای انبساط از نوع حلزونی معمولاً در مکانهای لنگر محاسبهشده در سراسر شبکه لولهکشی نصب میشوند.
جایی که حرکت یا انعطافپذیری مورد نیاز است،شیلنگ انعطاف پذیر عایق خلاءمعمولاً از مجموعهها استفاده میشود. مکانهای معمول شامل اتصالات مخزن، اتصالات تجهیزات، انشعابات منیفولد و اسلایدهای فرآیند سیار است.
این شلنگهای انعطافپذیر از یک هسته داخلی موجدار به همراه یک ژاکت خلاء و ساختار MLI مشابه لوله خلاء صلب استفاده میکنند. مجموعههای طراحیشدهی مناسب میتوانند پس از چرخههای حرارتی برودتی مکرر، یکپارچگی خلاء را حفظ کنند و در عین حال از تشکیل یخ خارجی که در شلنگهای بافتهشدهی غیرعایق رایج است، جلوگیری کنند.
شیرهای عایق خلاءوجداکنندههای فاز
مدیریت نشت گرما محدود به بخشهای مستقیم لوله نیست. شیرآلات وجداکنندههای فازهمچنین نقش مهمی در حفظ شرایط پایدار جریان کرایوژنیک دارند.
A شیر عایق خلاءمعمولاً از یک کلاهک (کلاهک) بلند و بدنه با روکش خلاء استفاده میکند تا نواحی آببندی بحرانی را از دماهای بسیار پایین دور نگه دارد. این امر به جلوگیری از یخزدگی اطراف پکینگ ساقه کمک میکند و تراکم ناخواسته را در داخل ساختار شیر کاهش میدهد.
بدون عایق خلاء، شیرها میتوانند به نقاط نشت حرارت متمرکز در سیستم تبدیل شوند. در سرویس برودتی مایع، این ممکن است باعث ایجاد حبابهای بخار موضعی، شرایط جریان ناپایدار یا پدیده ضربه قوچ شود.
برای سیستمهای فرآیند نیمههادی، شیرهای کروی با کلاهک کشیده و شیرهای توپی با ورودی بالا معمولاً مطابق با الزامات ASME B31.3 و EN 13480 استفاده میشوند.
A جداکننده فاز عایق خلاءبرای حذف گاز فلش قبل از ورود مایع به تجهیزات حساس پاییندستی استفاده میشود. در کاربردهای نیمههادی، جریان دو فازی ناپایدار میتواند نوسانات فشاری به اندازهای بزرگ ایجاد کند که آلارمهای فرآیند یا قفلهای داخلی تجهیزات را فعال کند.
بیشتر طرحهای جداکننده از یک ورودی مماسی به همراه یک ساختار جداکننده داخلی برای بهبود راندمان جداسازی بخار-مایع استفاده میکنند. در بسیاری از پروژهها، جداکننده با یک مخزن کوچک (Mini Tank) که در نزدیکی کف فرآیند نصب شده است، ترکیب میشود. مخزن کوچک به عنوان یک حجم بافر محلی عمل میکند که به تثبیت نوسانات تقاضای کوتاه مدت بدون ایجاد بار حرارتی اضافی قابل توجه کمک میکند.
مثال پروژه نیمههادی
یک پروژه توسعه تأسیسات DRAM در کره جنوبی نیاز به یک شبکه توزیع LN₂ جدید داشت که تجهیزات تست با خنککننده غوطهوری و ابزارهای پردازش ویفر را ارائه دهد.
این نصب شامل تقریباً ۱۸۰ متر لوله عایق خلأ صلب متصل به چندین شاخه ابزار از طریق مجموعههای شلنگ انعطافپذیر عایق خلأ بود. یک جداکننده فاز عایق خلأ و یک مخزن کوچک ۲ متر مکعبی در نزدیکی محل ذخیرهسازی انبوه نصب شدند.
سیستم پمپ خلاء دینامیکی، فشار حلقوی را در خطوط انتقال اصلی ۶ اینچی، زیر ۵×۱۰⁻⁶ میلیبار حفظ کرد.
در طول راهاندازی، نشت گرمای اندازهگیری شده در هدر اصلی به طور متوسط تقریباً 1.3 وات بر متر مربع در شرایط عملیاتی پایدار بود. پس از یک سال سرویس مداوم، چرخههای بازیابی خلاء دورهای، عملکرد عایق را نزدیک به شرایط پایه اصلی نگه داشتند.
در مقایسه با طرح عایقبندی فومی قبلی، این مرکز گزارش داد که تلفات نیتروژن مایع به طور قابل توجهی کاهش یافته و پایداری عملیاتی بهبود یافته است. گزارشهای فرآیند همچنین هیچ رویداد آلودگی مرتبط با رطوبت مرتبط با تخریب عایق را نشان نداد.
کاربردها
سیستمهای انتقال برودتی عایقبندیشده با خلاء بهطور گسترده در تولید نیمههادیها، زیرساختهای LNG، توزیع گاز صنعتی و کاربردهای هیدروژن مایع مورد استفاده قرار میگیرند.
اگرچه محیطهای عملیاتی متفاوت هستند، هدف مهندسی یکسان باقی میماند:
- حفظ پایداری خلاء
- به حداقل رساندن ورود گرما
- حفظ پایداری فاز در طول فرآیند انتقال
طراحی سیستم معمولاً بسته به دامنه پروژه و الزامات منطقهای، از استانداردهای بینالمللی مانند ASME B31.3، EN 13480 و ISO 21029 پیروی میکند.
برای تأسیسات نیمههادی، عملکرد سیستم توزیع برودتی مستقیماً بر راندمان عملیاتی، مصرف مایع و قابلیت اطمینان فرآیند در درازمدت تأثیر میگذارد. به همین دلیل، لولهکشی، شیرآلات، جداکنندهها و سیستمهای نگهداری خلاء باید به عنوان یک سیستم حرارتی یکپارچه به جای اجزای مستقل طراحی شوند.
At کرایوژنیک HLما با پیمانکاران EPC، شرکتهای گاز و تأسیسات نیمههادی همکاری میکنیم تا راهحلهای انتقال برودتی را بر اساس شرایط عملیاتی واقعی، اهداف بار حرارتی و الزامات نصب، به جای پیکربندیهای استاندارد کاتالوگ، توسعه دهیم.
اگر در حال برنامهریزی یک پروژه تولید نیمههادی جدید یا ارتقاء یک شبکه توزیع LN₂ موجود هستید، تیم مهندسی ما میتواند به ارزیابی عملکرد نشت گرما، استراتژی خلاء و پیکربندی سیستم برای عملکرد طولانی مدت کمک کند.
زمان ارسال: ۱۸ مه ۲۰۲۶
