En la fabricació de semiconductors, s'espera que els sistemes de distribució criogènica facin més que simplement transferir nitrogen líquid o argó d'un punt a un altre. El fluid ha de romandre estable, net i monofàsic fins al punt d'ús. Fins i tot petites quantitats d'entrada de calor poden generar gas flash, fluctuacions de pressió o contaminació per humitat que afecten l'estabilitat del procés.

És per això queTub aïllat al buitels sistemes s'utilitzen habitualment en fàbriques de semiconductors en lloc de canonades convencionals amb aïllament d'escuma. Quan es combinen amb un sistema gestionat correctamentSistema de bomba de buit dinàmic, la fuita de calor global pot romandre per sota de 3 W/m mentre es manté l'estabilitat del buit a llarg termini a tota la línia de transferència.

Per a aplicacions de semiconductors, l'aïllament al buit no s'ha de veure com una capa passiva al voltant de la canonada. És un sistema tèrmic actiu que requereix un rendiment de buit mesurable i una mantenibilitat a llarg termini. En entorns de fabricació de xips d'alta precisió, fins i tot un lleuger augment de la temperatura de saturació del fluid pot conduir a condicions de flux bifàsic que interfereixen amb els circuits de refrigeració, els sistemes de purificació o els equips de control de processos.

Per què és important la fuita de calor en els sistemes de semiconductors criogènics

Cada línia de transferència criogènica es veu afectada per tres formes principals de transferència de calor:

• radiació a través de l'espai anular
• conducció gasosa causada per molècules residuals
• conducció sòlida a través de suports i separadors

En un disseny adequatTub aïllat al buit, la pressió anular es redueix típicament per sota d'1 × 10⁻⁴ Pa. A aquest nivell de buit, les molècules de gas restants tenen un recorregut lliure mitjà significativament més gran que l'espai anular, cosa que redueix considerablement la conducció de calor gasosa.

La transferència de calor per radiació es controla mitjançant un aïllament multicapa (MLI). L'aïllament consisteix en capes alternes de làmina reflectant i material separador de baixa conductivitat. Amb la densitat de capa i el mètode d'instal·lació correctes, el flux de calor per radiació es pot reduir a només uns pocs watts per metre quadrat.

La resta del camí tèrmic prové principalment de suports mecànics. Per minimitzar aquest efecte, normalment s'utilitzen materials de baixa conductivitat com la fibra de vidre G-10 o el Torlon®. Aquests suports encara necessiten prou resistència mecànica per tolerar la contracció tèrmica, la vibració i la càrrega sísmica durant el funcionament.

En llargues distàncies de transferència, la diferència entre l'aïllament al buit i l'aïllament d'escuma es fa molt notable. Un sistema de buit ben mantingut pot mantenir un rendiment tèrmic estable durant molts anys, mentre que l'aïllament d'escuma absorbeix gradualment la humitat de l'atmosfera. Un cop la humitat entra a l'estructura d'aïllament i es congela, l'eficiència tèrmica sol disminuir amb el temps.

En sistemes pràctics de distribució de LN₂ de semiconductors,canonades aïllades al buitpot reduir significativament l'ebullició en comparació amb les línies tradicionals amb aïllament d'escuma, especialment en llargs trajectes a l'aire lliure o en col·lectors principals que funcionen contínuament.

Sistema de bomba de buit dinàmic

Un problema amb les jaquetes de buit estàtiques és que la qualitat del buit es pot deteriorar lentament amb el pas dels anys a causa de la desgasificació, la permeació d'heli o les fuites microscòpiques.

Per solucionar això, de gran diàmetreTub aïllat al buitels sistemes poden estar equipats amb unSistema de bomba de buit dinàmicEl sistema normalment inclou una bomba turbomolecular o de espiral compacta que restaura periòdicament el buit anular a la seva condició de disseny original.

Els nivells de buit es controlen contínuament mitjançant manòmetres de càtode fred. La bomba només s'activa quan la pressió puja més enllà del punt de consigna objectiu, de manera que el consum d'energia i els requisits de manteniment es mantenen relativament baixos.

En un projecte de modernització d'una instal·lació de semiconductors a Hsinchu, Taiwan, un sistema de bombament de buit gestionat activament va permetre que un capçal de transferència de LN₂ envellit recuperés el rendiment tèrmic a prop del seu estat de funcionament original sense aturar la línia de producció. Per a nous projectes, el manteniment actiu del buit també dóna als operadors més confiança en l'estabilitat de l'aïllament a llarg termini durant tota la vida útil del sistema.

Disseny de Materials i Sistemes

Per a aplicacions de semiconductors i d'ultraalta puresa, el tub de procés interior normalment es fabrica amb acer inoxidable 304L o 316L. Les superfícies internes es netegen, purguen i passiven per complir els requisits de servei de neteja d'oxigen i minimitzar el risc de contaminació.

La jaqueta exterior pot utilitzar acer al carboni pintat o acer inoxidable segons l'entorn d'instal·lació. A les zones adjacents a sales blanques, sovint es prefereixen les jaqueta exterior d'acer inoxidable per evitar la corrosió o la contaminació superficial.

La contracció tèrmica també s'ha de tenir en compte acuradament. Una línia de transferència de LN₂ es pot contraure aproximadament entre 2,5 i 3 mm per metre entre la temperatura ambient i la temperatura de funcionament. Per absorbir aquest moviment, normalment s'instal·len compensadors d'expansió tipus manxa en ubicacions d'ancoratge calculades a tota la xarxa de canonades.

Quan es requereix moviment o flexibilitat,Mànega flexible aïllada al buitEls conjunts s'utilitzen habitualment. Les ubicacions típiques inclouen connexions de tancs, connexions d'equips, ramificacions de col·lectors i patins de procés mòbils.

Aquestes mànegues flexibles utilitzen un nucli interior corrugat juntament amb una camisa de buit i una estructura MLI similar a la canonada de buit rígida. Els conjunts correctament dissenyats poden mantenir la integritat del buit després de cicles tèrmics criogènics repetits, alhora que eviten la formació de gel extern que és habitual en mànegues trenades no aïllades.

Vàlvules aïllades al buitiSeparadors de fase

La gestió de fuites de calor no es limita a seccions de canonades rectes. Vàlvules iseparadors de fasetambé tenen un paper important en el manteniment d'unes condicions de flux criogènic estables.

A Vàlvula aïllada al buitnormalment utilitza un bonet estès i un cos encamisat al buit per mantenir les zones de segellat crítiques allunyades de temperatures extremadament baixes. Això ajuda a evitar la congelació al voltant del premsaestopes de la tija i redueix la condensació no desitjada dins de l'estructura de la vàlvula.

Sense aïllament al buit, les vàlvules poden convertir-se en punts concentrats de fuites de calor dins del sistema. En el servei criogènic líquid, això pot generar bosses de vapor localitzades, condicions de flux inestables o cops d'ariet.

Per a sistemes de procés de semiconductors, les vàlvules de globus de caputxa estesa i les vàlvules de bola d'entrada superior s'utilitzen habitualment d'acord amb els requisits ASME B31.3 i EN 13480.

A Separador de fase aïllat al buits'utilitza per eliminar el gas flash abans que el líquid entri en equips sensibles aigües avall. En aplicacions de semiconductors, el flux bifàsic inestable pot crear oscil·lacions de pressió prou grans com per activar alarmes de procés o enclavaments d'equips.

La majoria de dissenys de separadors utilitzen una entrada tangencial juntament amb una estructura interna de desembussament per millorar l'eficiència de la separació vapor-líquid. En molts projectes, el separador es combina amb un mini tanc instal·lat a prop de la planta del procés. El mini tanc actua com un volum tampó local que ajuda a estabilitzar les fluctuacions de la demanda a curt termini sense introduir una càrrega tèrmica addicional significativa.

Exemple de projecte de semiconductors

Un projecte d'ampliació d'unes instal·lacions de DRAM a Corea del Sud requeria una nova xarxa de distribució de LN₂ que donés servei a equips de prova refrigerats per immersió i eines de processament de làmines.

La instal·lació incloïa aproximadament 180 metres de canonada rígida aïllada al buit connectada a múltiples ramificacions d'eines mitjançant conjunts de mànegues flexibles aïllades al buit. Es van instal·lar un separador de fases aïllat al buit i un minitanc de 2 m³ a prop de la zona d'emmagatzematge a granel.

El sistema de bomba de buit dinàmic va mantenir la pressió anular per sota de 5 × 10⁻⁶ mbar a les línies de transferència principals de 6 polzades.

Durant la posada en marxa, la fuita de calor mesurada al col·lector primari va tenir una mitjana d'aproximadament 1,3 W/m en condicions de funcionament estables. Després d'un any de servei continu, els cicles periòdics de recuperació de buit van mantenir el rendiment de l'aïllament proper a la condició de referència original.

En comparació amb el concepte anterior d'aïllament amb escuma, la instal·lació va informar de pèrdues de nitrogen líquid notablement més baixes i d'una millor estabilitat operativa. Els registres del procés tampoc van mostrar cap esdeveniment de contaminació relacionat amb la humitat associat a la degradació de l'aïllament.

Aplicacions

Els sistemes de transferència criogènica aïllats al buit s'utilitzen àmpliament en la fabricació de semiconductors, la infraestructura de GNL, la distribució de gas industrial i les aplicacions d'hidrogen líquid.

Tot i que els entorns operatius són diferents, l'objectiu d'enginyeria continua sent el mateix:

• mantenir l'estabilitat al buit
• minimitzar l'entrada de calor
• preservar l'estabilitat de fase durant tot el procés de transferència

El disseny del sistema normalment segueix els estàndards internacionals com ara ASME B31.3, EN 13480 i ISO 21029, depenent de l'abast del projecte i els requisits regionals.

Per a les instal·lacions de semiconductors, el rendiment del sistema de distribució criogènica afecta directament l'eficiència operativa, el consum de líquids i la fiabilitat del procés a llarg termini. Per això, les canonades, les vàlvules, els separadors i els sistemes de manteniment de buit s'han de dissenyar com un sistema tèrmic integrat en lloc de components independents.

At HL Criogènics, treballem amb contractistes d'infraestructures, enginyeria i estructures (EPC), companyies de gas i instal·lacions de semiconductors per desenvolupar solucions de transferència criogènica basades en condicions de funcionament reals, objectius de càrrega tèrmica i requisits d'instal·lació en lloc de configuracions estàndard de catàleg.

Si esteu planificant un nou projecte de fàbrica de semiconductors o actualitzant una xarxa de distribució de LN₂ existent, el nostre equip d'enginyeria us pot ajudar a avaluar el rendiment de les fuites de calor, l'estratègia de buit i la configuració del sistema per a un funcionament a llarg termini.