Trong sản xuất chất bán dẫn, hệ thống phân phối khí lạnh không chỉ đơn thuần là vận chuyển nitơ lỏng hoặc argon từ điểm này sang điểm khác. Chất lỏng phải duy trì trạng thái ổn định, sạch và đồng nhất trong suốt quá trình vận chuyển đến điểm sử dụng. Ngay cả một lượng nhiệt nhỏ xâm nhập cũng có thể tạo ra khí bốc hơi, dao động áp suất hoặc nhiễm ẩm, ảnh hưởng đến sự ổn định của quy trình.

Đó là lý do tại saoỐng cách nhiệt chân khôngCác hệ thống này thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất chất bán dẫn thay vì hệ thống đường ống cách nhiệt bằng bọt xốp thông thường. Khi kết hợp với một hệ thống được quản lý đúng cách, chúng sẽ phát huy tác dụng.Hệ thống bơm chân không độngNhờ đó, tổng lượng nhiệt thất thoát có thể duy trì dưới 3 W/m trong khi vẫn đảm bảo độ ổn định chân không lâu dài trên toàn bộ đường ống dẫn.

Đối với các ứng dụng bán dẫn, cách nhiệt chân không không nên được xem như một lớp thụ động bao quanh đường ống. Nó là một hệ thống nhiệt chủ động đòi hỏi hiệu suất chân không có thể đo được và khả năng bảo trì lâu dài. Trong môi trường sản xuất chip có độ chính xác cao, ngay cả một sự tăng nhẹ nhiệt độ bão hòa của chất lỏng cũng có thể dẫn đến điều kiện dòng chảy hai pha gây cản trở các mạch làm mát, hệ thống lọc hoặc thiết bị điều khiển quy trình.

Tại sao rò rỉ nhiệt lại quan trọng trong các hệ thống bán dẫn đông lạnh

Mỗi dây chuyền vận chuyển đông lạnh đều chịu ảnh hưởng bởi ba hình thức truyền nhiệt chính:

• bức xạ xuyên qua không gian hình vành khuyên
• sự dẫn khí do các phân tử còn sót lại gây ra
• dẫn nhiệt rắn thông qua các giá đỡ và miếng đệm

Trong một thiết kế đúng cáchỐng cách nhiệt chân khôngThông thường, áp suất vòng sẽ giảm xuống dưới 1×10⁻⁴ Pa. Ở mức chân không đó, các phân tử khí còn lại có quãng đường tự do trung bình lớn hơn đáng kể so với khe hở vòng, điều này làm giảm đáng kể sự dẫn nhiệt của khí.

Quá trình truyền nhiệt bức xạ được kiểm soát bằng cách sử dụng vật liệu cách nhiệt nhiều lớp (MLI). Vật liệu cách nhiệt này bao gồm các lớp xen kẽ giữa lá kim loại phản quang và vật liệu đệm có độ dẫn nhiệt thấp. Với mật độ lớp và phương pháp lắp đặt phù hợp, lưu lượng nhiệt bức xạ có thể giảm xuống chỉ còn vài watt trên mỗi mét vuông.

Đường dẫn nhiệt còn lại chủ yếu đến từ các giá đỡ cơ khí. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp như sợi thủy tinh G-10 hoặc Torlon® thường được sử dụng. Các giá đỡ này vẫn cần đủ độ bền cơ học để chịu được sự co giãn nhiệt, rung động và tải trọng địa chấn trong quá trình hoạt động.

Trên những quãng đường vận chuyển dài, sự khác biệt giữa cách nhiệt chân không và cách nhiệt bằng bọt trở nên rất rõ rệt. Một hệ thống chân không được bảo trì tốt có thể duy trì hiệu suất cách nhiệt ổn định trong nhiều năm, trong khi cách nhiệt bằng bọt dần dần hấp thụ độ ẩm từ không khí. Một khi độ ẩm xâm nhập vào cấu trúc cách nhiệt và đóng băng, hiệu quả cách nhiệt thường giảm dần theo thời gian.

Trong các hệ thống phân phối LN₂ bán dẫn thực tế,đường ống cách nhiệt chân khôngcó thể giảm đáng kể hiện tượng bay hơi so với các đường ống cách nhiệt bằng bọt truyền thống, đặc biệt là trên các đường ống dài ngoài trời hoặc các đường ống chính hoạt động liên tục.

Hệ thống bơm chân không động

Một vấn đề với các lớp vỏ chân không tĩnh là chất lượng chân không có thể suy giảm dần theo thời gian do sự thoát khí, sự thẩm thấu heli hoặc rò rỉ vi mô.

Để giải quyết vấn đề này, đường kính lớnỐng cách nhiệt chân khôngcác hệ thống có thể được trang bị mộtHệ thống bơm chân không độngHệ thống này thường bao gồm một bộ bơm turbomolecular hoặc bơm xoắn ốc nhỏ gọn, định kỳ khôi phục chân không hình vòng về trạng thái thiết kế ban đầu.

Mức độ chân không được theo dõi liên tục bằng đồng hồ đo catốt lạnh. Bơm chỉ hoạt động khi áp suất tăng vượt quá điểm đặt mục tiêu, do đó mức tiêu thụ điện năng và yêu cầu bảo trì vẫn ở mức tương đối thấp.

Trong một dự án nâng cấp nhà máy sản xuất chất bán dẫn ở Tân Trúc, Đài Loan, hệ thống bơm chân không được quản lý chủ động đã cho phép đường ống dẫn khí nitơ lỏng (LN₂) đã cũ khôi phục hiệu suất cách nhiệt gần với điều kiện hoạt động ban đầu mà không cần dừng dây chuyền sản xuất. Đối với các dự án mới, việc bảo trì chân không chủ động cũng mang lại cho người vận hành sự tự tin hơn về độ ổn định cách điện lâu dài trong suốt vòng đời hoạt động của hệ thống.

Thiết kế vật liệu và hệ thống

Đối với các ứng dụng bán dẫn và siêu tinh khiết, ống dẫn bên trong thường được chế tạo từ thép không gỉ 304L hoặc 316L. Các bề mặt bên trong được làm sạch, thổi khí và thụ động hóa để đáp ứng các yêu cầu về môi trường sạch oxy và giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm.

Lớp vỏ ngoài có thể sử dụng thép carbon sơn hoặc thép không gỉ tùy thuộc vào môi trường lắp đặt. Trong các khu vực liền kề phòng sạch, lớp vỏ ngoài bằng thép không gỉ thường được ưu tiên để tránh ăn mòn hoặc nhiễm bẩn bề mặt.

Sự co ngót do nhiệt cũng cần được xem xét cẩn thận. Đường ống dẫn LN₂ có thể co lại khoảng 2,5–3 mm/mét giữa nhiệt độ môi trường và nhiệt độ hoạt động. Để hấp thụ sự dịch chuyển này, các bộ bù giãn nở kiểu ống xếp thường được lắp đặt tại các vị trí neo đã được tính toán dọc theo toàn bộ mạng lưới đường ống.

Trong trường hợp cần sự di chuyển hoặc tính linh hoạt,Ống mềm cách nhiệt chân khôngCác cụm lắp ráp này thường được sử dụng. Các vị trí lắp đặt điển hình bao gồm các điểm kết nối bồn chứa, các điểm nối thiết bị, các nhánh ống góp và các giàn xử lý di động.

Các ống mềm này sử dụng lõi bên trong dạng lượn sóng kết hợp với lớp vỏ chân không và cấu trúc MLI tương tự như ống chân không cứng. Các cụm lắp ráp được thiết kế đúng cách có thể duy trì tính toàn vẹn của chân không sau nhiều chu kỳ nhiệt độ cực thấp, đồng thời ngăn ngừa sự hình thành băng bên ngoài thường xảy ra ở các ống bện không cách nhiệt.

Van cách nhiệt chân khôngVàBộ tách pha

Việc kiểm soát thất thoát nhiệt không chỉ giới hạn ở các đoạn ống thẳng. Van vàbộ tách phaChúng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điều kiện dòng chảy đông lạnh ổn định.

A Van cách nhiệt chân khôngThông thường, van này sử dụng nắp van kéo dài và thân van có lớp vỏ chân không để giữ cho các khu vực làm kín quan trọng tránh xa nhiệt độ cực thấp. Điều này giúp ngăn ngừa hiện tượng đóng băng xung quanh vòng đệm trục van và giảm sự ngưng tụ không mong muốn bên trong cấu trúc van.

Nếu không có lớp cách nhiệt chân không, các van có thể trở thành điểm rò rỉ nhiệt tập trung trong hệ thống. Trong ứng dụng làm lạnh bằng chất lỏng, điều này có thể tạo ra các túi hơi cục bộ, điều kiện dòng chảy không ổn định hoặc hiện tượng búa nước.

Đối với các hệ thống xử lý bán dẫn, van cầu có nắp mở rộng và van bi kiểu vào từ trên xuống thường được sử dụng theo yêu cầu của tiêu chuẩn ASME B31.3 và EN 13480.

A Bộ tách pha cách nhiệt chân khôngNó được sử dụng để loại bỏ khí bốc hơi trước khi chất lỏng đi vào thiết bị nhạy cảm ở phía hạ lưu. Trong các ứng dụng bán dẫn, dòng chảy hai pha không ổn định có thể tạo ra sự dao động áp suất đủ lớn để kích hoạt báo động quy trình hoặc khóa liên động thiết bị.

Hầu hết các thiết kế bộ tách hơi-lỏng đều sử dụng cửa hút tiếp tuyến kết hợp với cấu trúc khử sương bên trong để cải thiện hiệu quả tách hơi-lỏng. Trong nhiều dự án, bộ tách được kết hợp với một bể chứa nhỏ (Mini Tank) được lắp đặt gần khu vực sản xuất. Bể chứa nhỏ này hoạt động như một thể tích đệm cục bộ giúp ổn định sự biến động nhu cầu ngắn hạn mà không tạo ra tải nhiệt bổ sung đáng kể.

Ví dụ về dự án bán dẫn

Một dự án mở rộng cơ sở sản xuất DRAM tại Hàn Quốc yêu cầu một mạng lưới phân phối LN₂ mới để phục vụ thiết bị kiểm tra làm mát bằng chất lỏng và các công cụ xử lý wafer.

Hệ thống bao gồm khoảng 180 mét ống cứng cách nhiệt chân không được kết nối với nhiều nhánh thiết bị thông qua các cụm ống mềm cách nhiệt chân không. Một thiết bị tách pha cách nhiệt chân không và một bồn chứa nhỏ 2 m³ được lắp đặt gần khu vực chứa hàng rời.

Hệ thống bơm chân không động duy trì áp suất vòng dưới 5×10⁻⁶ mbar trên các đường ống dẫn chính 6 inch.

Trong quá trình vận hành thử, lượng nhiệt thất thoát đo được trên ống góp chính trung bình khoảng 1,3 W/m trong điều kiện hoạt động ổn định. Sau một năm vận hành liên tục, các chu kỳ phục hồi chân không định kỳ giúp duy trì hiệu suất cách nhiệt gần với điều kiện ban đầu.

So với phương pháp cách nhiệt bằng bọt trước đây, cơ sở này ghi nhận lượng thất thoát nitơ lỏng thấp hơn đáng kể và độ ổn định hoạt động được cải thiện. Nhật ký quy trình cũng cho thấy không có sự cố ô nhiễm liên quan đến độ ẩm gây ra sự xuống cấp của vật liệu cách nhiệt.

Ứng dụng

Hệ thống truyền nhiệt lạnh cách nhiệt chân không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất bán dẫn, cơ sở hạ tầng LNG, phân phối khí công nghiệp và các ứng dụng hydro lỏng.

Mặc dù môi trường hoạt động khác nhau, mục tiêu kỹ thuật vẫn giữ nguyên:

• duy trì sự ổn định chân không
• giảm thiểu sự xâm nhập nhiệt
• duy trì tính ổn định pha trong suốt quá trình chuyển giao

Thiết kế hệ thống thường tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế như ASME B31.3, EN 13480 và ISO 21029 tùy thuộc vào phạm vi dự án và yêu cầu khu vực.

Đối với các nhà máy sản xuất chất bán dẫn, hiệu suất của hệ thống phân phối khí lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động, lượng tiêu thụ chất lỏng và độ tin cậy lâu dài của quy trình. Do đó, đường ống, van, bộ tách và hệ thống duy trì chân không cần được thiết kế như một hệ thống nhiệt tích hợp chứ không phải là các thành phần độc lập.

At HL CryogenicsChúng tôi hợp tác với các nhà thầu EPC, các công ty khí đốt và các nhà máy sản xuất chất bán dẫn để phát triển các giải pháp truyền tải nhiệt độ cực thấp dựa trên điều kiện vận hành thực tế, mục tiêu tải nhiệt và yêu cầu lắp đặt, thay vì các cấu hình tiêu chuẩn trong danh mục sản phẩm.

Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một dự án nhà máy sản xuất chất bán dẫn mới hoặc nâng cấp mạng lưới phân phối LN₂ hiện có, đội ngũ kỹ sư của chúng tôi có thể giúp đánh giá hiệu suất rò rỉ nhiệt, chiến lược chân không và cấu hình hệ thống để vận hành lâu dài.