Nella produzione di semiconduttori, i sistemi di distribuzione criogenica devono fare molto di più che semplicemente trasferire azoto liquido o argon da un punto all'altro. Il fluido deve rimanere stabile, pulito e monofase fino al punto di utilizzo. Anche piccole quantità di calore possono generare gas di evaporazione, fluttuazioni di pressione o contaminazione da umidità che compromettono la stabilità del processo.

È per questoTubo isolato sottovuotoI sistemi sono comunemente utilizzati nelle fabbriche di semiconduttori al posto delle tradizionali tubazioni isolate con schiuma. Se combinati con una gestione adeguataSistema di pompa a vuoto dinamico, la dispersione termica complessiva può rimanere inferiore a 3 W/m mantenendo la stabilità del vuoto a lungo termine lungo l'intera linea di trasferimento.

Nelle applicazioni per semiconduttori, l'isolamento sottovuoto non deve essere considerato un semplice strato passivo attorno al tubo. Si tratta di un sistema termico attivo che richiede prestazioni di vuoto misurabili e manutenibilità a lungo termine. Negli ambienti di produzione di chip ad alta precisione, anche un lieve aumento della temperatura di saturazione del fluido può generare condizioni di flusso bifase che interferiscono con i circuiti di raffreddamento, i sistemi di purificazione o le apparecchiature di controllo del processo.

Perché la dispersione di calore è importante nei sistemi criogenici a semiconduttore

Ogni linea di trasferimento criogenico è influenzata da tre forme principali di trasferimento di calore:

• radiazione attraverso lo spazio anulare
• conduzione gassosa causata da molecole residue
• conduzione solida attraverso supporti e distanziatori

In un sistema progettato correttamenteTubo isolato sottovuotoIn genere, la pressione anulare si riduce al di sotto di 1×10⁻⁴ Pa. A tale livello di vuoto, le molecole di gas rimanenti hanno un cammino libero medio significativamente maggiore dell'intercapedine anulare, il che riduce notevolmente la conduzione termica gassosa.

Il trasferimento di calore per irraggiamento viene controllato mediante isolamento multistrato (MLI). L'isolamento è costituito da strati alternati di lamina riflettente e materiale distanziatore a bassa conduttività. Con la corretta densità degli strati e il metodo di installazione appropriato, il flusso di calore per irraggiamento può essere ridotto a pochi watt per metro quadrato.

La restante parte del percorso termico è costituita principalmente dai supporti meccanici. Per minimizzare questo effetto, si utilizzano in genere materiali a bassa conduttività come la fibra di vetro G-10 o il Torlon®. Questi supporti devono comunque avere una resistenza meccanica sufficiente a sopportare la contrazione termica, le vibrazioni e i carichi sismici durante il funzionamento.

Su lunghe distanze di trasporto, la differenza tra isolamento sottovuoto e isolamento in schiuma diventa molto evidente. Un sistema sottovuoto ben manutenuto può mantenere prestazioni termiche stabili per molti anni, mentre l'isolamento in schiuma assorbe gradualmente umidità dall'atmosfera. Una volta che l'umidità penetra nella struttura isolante e congela, l'efficienza termica di solito diminuisce nel tempo.

Nei sistemi pratici di distribuzione di LN₂ a semiconduttore,tubazioni isolate sottovuotoPuò ridurre significativamente l'evaporazione rispetto alle tradizionali tubazioni con isolamento in schiuma, soprattutto su lunghi tratti esterni o collettori principali in funzione continua.

Sistema di pompa a vuoto dinamico

Uno dei problemi delle camicie a vuoto statiche è che la qualità del vuoto può deteriorarsi lentamente nel corso degli anni a causa del degassamento, della permeazione dell'elio o di perdite microscopiche.

Per affrontare questo problema, il grande diametroTubo isolato sottovuotoi sistemi possono essere dotati di unSistema di pompa a vuoto dinamicoIl sistema include normalmente un gruppo compatto di pompe turbomolecolari o a spirale che ripristinano periodicamente il vuoto anulare alle sue condizioni di progetto originali.

I livelli di vuoto vengono monitorati continuamente tramite manometri a catodo freddo. La pompa si attiva solo quando la pressione supera il valore impostato, pertanto il consumo energetico e le esigenze di manutenzione rimangono relativamente bassi.

In un progetto di ammodernamento di un impianto di semiconduttori a Hsinchu, Taiwan, un sistema di pompaggio del vuoto a gestione attiva ha permesso a un collettore di trasferimento di azoto liquido (LN₂) ormai datato di recuperare prestazioni termiche prossime alle condizioni operative originali, senza interrompere la linea di produzione. Per i nuovi progetti, la manutenzione attiva del vuoto offre inoltre agli operatori una maggiore sicurezza in termini di stabilità dell'isolamento a lungo termine per tutta la durata di vita del sistema.

Materiali e progettazione del sistema

Per le applicazioni nel settore dei semiconduttori e per quelle che richiedono un'elevatissima purezza, il tubo di processo interno è generalmente realizzato in acciaio inossidabile 304L o 316L. Le superfici interne vengono pulite, spurgate e passivate per soddisfare i requisiti di servizio in assenza di ossigeno e ridurre al minimo il rischio di contaminazione.

Il rivestimento esterno può essere realizzato in acciaio al carbonio verniciato o in acciaio inossidabile, a seconda dell'ambiente di installazione. Nelle aree adiacenti alle camere bianche, si preferiscono spesso rivestimenti esterni in acciaio inossidabile per evitare corrosione o contaminazione superficiale.

Occorre inoltre considerare attentamente la contrazione termica. Una linea di trasferimento di azoto liquido può contrarsi di circa 2,5-3 mm per metro tra la temperatura ambiente e la temperatura di esercizio. Per assorbire questo movimento, vengono solitamente installati compensatori di dilatazione a soffietto in punti di ancoraggio calcolati lungo la rete di tubazioni.

Laddove sia richiesto movimento o flessibilità,Tubo flessibile isolato sottovuotoI raccordi sono comunemente utilizzati. Le posizioni tipiche includono connessioni di serbatoi, collegamenti di apparecchiature, derivazioni di collettori e skid di processo mobili.

Questi tubi flessibili utilizzano un nucleo interno corrugato insieme a una guaina sottovuoto e una struttura MLI simile ai tubi rigidi per vuoto. Assemblaggi progettati correttamente possono mantenere l'integrità del vuoto dopo ripetuti cicli termici criogenici, prevenendo al contempo la formazione di ghiaccio esterno, comune nei tubi intrecciati non isolati.

Valvole isolate sottovuotoESeparatori di fase

La gestione delle perdite di calore non si limita alle sezioni di tubo rettilinee. Valvole eseparatori di fasesvolgono inoltre un ruolo fondamentale nel mantenimento di condizioni di flusso criogenico stabili.

A Valvola isolata sottovuotoNormalmente utilizza un cappuccio esteso e un corpo con camicia sottovuoto per mantenere le aree di tenuta critiche lontane da temperature estremamente basse. Ciò contribuisce a prevenire il congelamento intorno alla guarnizione dello stelo e riduce la formazione di condensa indesiderata all'interno della struttura della valvola.

Senza isolamento sottovuoto, le valvole possono diventare punti di dispersione termica concentrata all'interno del sistema. Nel caso di applicazioni criogeniche con liquidi, ciò può generare sacche di vapore localizzate, condizioni di flusso instabili o fenomeni di colpo d'ariete.

Nei sistemi di processo per semiconduttori, le valvole a globo con coperchio esteso e le valvole a sfera con ingresso superiore sono comunemente utilizzate in conformità ai requisiti ASME B31.3 e EN 13480.

A Separatore di fase isolato sottovuotoViene utilizzato per rimuovere il gas di flash prima che il liquido entri in apparecchiature sensibili a valle. Nelle applicazioni dei semiconduttori, il flusso bifase instabile può creare oscillazioni di pressione sufficientemente ampie da attivare allarmi di processo o interblocchi delle apparecchiature.

La maggior parte dei separatori utilizza un ingresso tangenziale insieme a una struttura demister interna per migliorare l'efficienza della separazione vapore-liquido. In molti progetti, il separatore è combinato con un mini serbatoio installato vicino al piano di processo. Il mini serbatoio funge da volume tampone locale che aiuta a stabilizzare le fluttuazioni della domanda a breve termine senza introdurre un carico termico aggiuntivo significativo.

Esempio di progetto sui semiconduttori

Un progetto di ampliamento di uno stabilimento per la produzione di memorie DRAM in Corea del Sud ha richiesto una nuova rete di distribuzione di azoto liquido (LN₂) per alimentare apparecchiature di test raffreddate ad immersione e strumenti per la lavorazione dei wafer.

L'installazione comprendeva circa 180 metri di tubi rigidi isolati sottovuoto, collegati a diverse derivazioni tramite tubi flessibili isolati sottovuoto. Un separatore di fase isolato sottovuoto e un mini serbatoio da 2 m³ sono stati installati vicino all'area di stoccaggio alla rinfusa.

Il sistema di pompaggio a vuoto dinamico ha mantenuto la pressione anulare al di sotto di 5×10⁻⁶ mbar sulle principali linee di trasferimento da 6 pollici.

Durante la fase di messa in servizio, la dispersione termica misurata sul collettore primario è risultata in media di circa 1,3 W/m in condizioni operative stabili. Dopo un anno di servizio continuo, i cicli periodici di recupero del vuoto hanno mantenuto le prestazioni di isolamento vicine alle condizioni di riferimento originali.

Rispetto al precedente sistema di isolamento in schiuma, l'impianto ha registrato perdite di azoto liquido notevolmente inferiori e una maggiore stabilità operativa. I registri di processo non hanno inoltre evidenziato eventi di contaminazione dovuti all'umidità associati al degrado dell'isolamento.

Applicazioni

I sistemi di trasferimento criogenico con isolamento sottovuoto sono ampiamente utilizzati nella produzione di semiconduttori, nelle infrastrutture per il GNL, nella distribuzione di gas industriali e nelle applicazioni con idrogeno liquido.

Sebbene gli ambienti operativi siano diversi, l'obiettivo ingegneristico rimane lo stesso:

• mantenere la stabilità del vuoto
• ridurre al minimo l'ingresso di calore
• preservare la stabilità di fase durante l'intero processo di trasferimento

La progettazione del sistema di solito segue standard internazionali come ASME B31.3, EN 13480 e ISO 21029, a seconda della portata del progetto e dei requisiti regionali.

Negli impianti di semiconduttori, le prestazioni del sistema di distribuzione criogenica influiscono direttamente sull'efficienza operativa, sul consumo di liquido e sull'affidabilità del processo a lungo termine. Per questo motivo, tubazioni, valvole, separatori e sistemi di mantenimento del vuoto dovrebbero essere progettati come un unico sistema termico integrato, anziché come componenti indipendenti.

At HL CryogenicsCollaboriamo con appaltatori EPC, aziende del settore del gas e impianti di semiconduttori per sviluppare soluzioni di trasferimento criogenico basate sulle effettive condizioni operative, sugli obiettivi di carico termico e sui requisiti di installazione, anziché su configurazioni standard di catalogo.

Se state pianificando un nuovo progetto per una fabbrica di semiconduttori o l'ammodernamento di una rete di distribuzione di azoto liquido esistente, il nostro team di ingegneri può aiutarvi a valutare le prestazioni di dissipazione del calore, la strategia del vuoto e la configurazione del sistema per un funzionamento a lungo termine.