ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ระบบการกระจายความเย็นจัดนั้นคาดว่าจะทำหน้าที่มากกว่าแค่การลำเลียงไนโตรเจนเหลวหรืออาร์กอนเหลวจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ของเหลวจะต้องคงสภาพเสถียร สะอาด และเป็นเฟสเดียวตลอดทางจนถึงจุดใช้งาน แม้แต่ความร้อนเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดก๊าซวาบไฟ ความผันผวนของความดัน หรือการปนเปื้อนของความชื้น ซึ่งส่งผลต่อเสถียรภาพของกระบวนการ

นั่นคือเหตุผลท่อหุ้มฉนวนสุญญากาศระบบเหล่านี้มักใช้ในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์แทนท่อหุ้มฉนวนโฟมแบบดั้งเดิม เมื่อรวมกับการจัดการที่เหมาะสมระบบปั๊มสุญญากาศแบบไดนามิกโดยรวมแล้ว การรั่วไหลของความร้อนสามารถคงอยู่ต่ำกว่า 3 วัตต์/เมตร ในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพของสุญญากาศในระยะยาวตลอดทั้งสายส่ง

สำหรับงานด้านเซมิคอนดักเตอร์ ฉนวนสุญญากาศไม่ควรถูกมองว่าเป็นเพียงชั้นที่อยู่รอบท่อโดยไม่ทำอะไรเลย แต่เป็นระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟที่ต้องการประสิทธิภาพสุญญากาศที่วัดได้และการบำรุงรักษาในระยะยาว ในสภาพแวดล้อมการผลิตชิปที่มีความแม่นยำสูง แม้แต่การเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของอุณหภูมิความอิ่มตัวของของเหลวก็อาจนำไปสู่สภาวะการไหลแบบสองเฟส ซึ่งจะรบกวนวงจรระบายความร้อน ระบบการทำให้บริสุทธิ์ หรืออุปกรณ์ควบคุมกระบวนการ

เหตุใดการรั่วไหลของความร้อนจึงมีความสำคัญในระบบเซมิคอนดักเตอร์อุณหภูมิต่ำมาก

ท่อส่งของเหลวแช่แข็งทุกท่อได้รับผลกระทบจากการถ่ายเทความร้อนหลัก 3 รูปแบบ ได้แก่:

• การแผ่รังสีผ่านช่องว่างวงแหวน
• การนำความร้อนในสถานะก๊าซที่เกิดจากโมเลกุลตกค้าง
• การนำไฟฟ้าแบบแข็งผ่านตัวรองรับและตัวเว้นระยะ

ในการออกแบบที่เหมาะสมท่อหุ้มฉนวนสุญญากาศโดยทั่วไปแล้ว ความดันในช่องว่างวงแหวนจะลดลงต่ำกว่า 1×10⁻⁴ Pa ที่ระดับสุญญากาศนั้น โมเลกุลของก๊าซที่เหลืออยู่จะมีระยะทางอิสระเฉลี่ยมากกว่าช่องว่างวงแหวนอย่างมาก ซึ่งช่วยลดการนำความร้อนของก๊าซได้อย่างมาก

การถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสีจะถูกควบคุมโดยใช้ฉนวนหลายชั้น (MLI) ฉนวนนี้ประกอบด้วยชั้นฟอยล์สะท้อนแสงสลับกับวัสดุคั่นกลางที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ ด้วยความหนาแน่นของชั้นและวิธีการติดตั้งที่เหมาะสม ฟลักซ์ความร้อนแบบแผ่รังสีสามารถลดลงเหลือเพียงไม่กี่วัตต์ต่อตารางเมตรได้

เส้นทางการถ่ายเทความร้อนที่เหลืออยู่ส่วนใหญ่มาจากโครงสร้างรองรับทางกล เพื่อลดผลกระทบนี้ วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ เช่น ใยแก้ว G-10 หรือ Torlon® จึงมักถูกนำมาใช้ โครงสร้างรองรับเหล่านี้ยังคงต้องมีความแข็งแรงทางกลเพียงพอที่จะทนต่อการหดตัวจากความร้อน การสั่นสะเทือน และแรงแผ่นดินไหวในระหว่างการใช้งาน

เมื่อระยะทางการถ่ายเทความร้อนไกลลง ความแตกต่างระหว่างฉนวนสุญญากาศและฉนวนโฟมจะเห็นได้ชัดเจนมาก ระบบสุญญากาศที่ได้รับการดูแลรักษาอย่างดีสามารถรักษาประสิทธิภาพทางความร้อนที่คงที่ได้นานหลายปี ในขณะที่ฉนวนโฟมจะค่อยๆ ดูดซับความชื้นจากบรรยากาศ เมื่อความชื้นเข้าไปในโครงสร้างฉนวนและแข็งตัว ประสิทธิภาพทางความร้อนมักจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป

ในระบบจ่ายไนโตรเจนเหลว (LN₂) สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในทางปฏิบัติท่อหุ้มฉนวนสุญญากาศสามารถลดการระเหยของน้ำได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับท่อหุ้มฉนวนโฟมแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในท่อกลางแจ้งระยะยาวหรือท่อหลักที่ใช้งานอย่างต่อเนื่อง

ระบบปั๊มสุญญากาศแบบไดนามิก

ปัญหาอย่างหนึ่งของเสื้อหุ้มสุญญากาศแบบคงที่คือ คุณภาพของสุญญากาศอาจค่อยๆ เสื่อมลงเมื่อเวลาผ่านไปหลายปี เนื่องจากการปล่อยก๊าซ การซึมผ่านของฮีเลียม หรือการรั่วไหลในระดับจุลภาค

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงต้องใช้เส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ท่อหุ้มฉนวนสุญญากาศระบบต่างๆ สามารถติดตั้งอุปกรณ์ได้ระบบปั๊มสุญญากาศแบบไดนามิกโดยปกติแล้ว ระบบจะประกอบด้วยชุดปั๊มเทอร์โบโมเลคูลาร์หรือปั๊มสกรอลล์ขนาดกะทัดรัด ซึ่งจะทำการคืนค่าสุญญากาศในวงแหวนให้กลับสู่สภาวะเดิมตามที่ออกแบบไว้เป็นระยะๆ

ระดับสุญญากาศจะถูกตรวจสอบอย่างต่อเนื่องโดยใช้เกจวัดแบบแคโทดเย็น ปั๊มจะทำงานก็ต่อเมื่อความดันสูงขึ้นเกินกว่าจุดตั้งค่าเป้าหมายเท่านั้น ดังนั้นการใช้พลังงานและความต้องการในการบำรุงรักษาจึงค่อนข้างต่ำ

ในโครงการปรับปรุงโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์แห่งหนึ่งในเมืองซินจู ประเทศไต้หวัน ระบบปั๊มสุญญากาศที่ได้รับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพช่วยให้ท่อส่ง LN₂ ที่ใช้งานมานานสามารถฟื้นฟูประสิทธิภาพทางความร้อนได้ใกล้เคียงกับสภาพการทำงานเดิมโดยไม่ต้องหยุดสายการผลิต สำหรับโครงการใหม่ๆ การบำรุงรักษาสุญญากาศเชิงรุกยังช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมีความมั่นใจมากขึ้นในเสถียรภาพของฉนวนในระยะยาวตลอดอายุการใช้งานของระบบ

วัสดุและการออกแบบระบบ

สำหรับงานด้านเซมิคอนดักเตอร์และงานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมาก ท่อภายในมักผลิตจากสแตนเลส 304L หรือ 316L พื้นผิวภายในจะถูกทำความสะอาด ไล่ก๊าซ และเคลือบผิวเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดการใช้งานที่ปราศจากออกซิเจนและลดความเสี่ยงต่อการปนเปื้อน

ปลอกหุ้มชั้นนอกอาจทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนเคลือบสีหรือเหล็กกล้าไร้สนิม ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการติดตั้ง ในพื้นที่ใกล้เคียงกับห้องปลอดเชื้อ มักนิยมใช้ปลอกหุ้มชั้นนอกที่เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนหรือการปนเปื้อนบนพื้นผิว

การหดตัวเนื่องจากความร้อนก็เป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเช่นกัน ท่อส่ง LN₂ สามารถหดตัวได้ประมาณ 2.5–3 มิลลิเมตรต่อเมตร ระหว่างอุณหภูมิแวดล้อมและอุณหภูมิใช้งาน เพื่อรองรับการเคลื่อนตัวนี้ โดยทั่วไปจะติดตั้งอุปกรณ์ชดเชยการขยายตัวแบบเบลโลว์ไว้ที่ตำแหน่งยึดที่คำนวณไว้ตลอดทั้งเครือข่ายท่อ

ในกรณีที่ต้องการการเคลื่อนไหวหรือความยืดหยุ่นท่ออ่อนหุ้มฉนวนสุญญากาศชุดประกอบเหล่านี้มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลาย สถานที่ติดตั้งทั่วไป ได้แก่ จุดเชื่อมต่อถัง จุดเชื่อมต่ออุปกรณ์ ท่อแยก และแท่นวางอุปกรณ์เคลื่อนที่สำหรับกระบวนการผลิต

ท่ออ่อนเหล่านี้ใช้แกนกลางแบบลูกคลื่นร่วมกับปลอกหุ้มสุญญากาศและโครงสร้าง MLI คล้ายกับท่อสุญญากาศแบบแข็ง ชุดประกอบที่ออกแบบอย่างเหมาะสมสามารถรักษาความสมบูรณ์ของสุญญากาศได้หลังจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไครโอเจนิกซ้ำๆ ในขณะเดียวกันก็ป้องกันการก่อตัวของน้ำแข็งภายนอกซึ่งมักเกิดขึ้นกับท่อถักที่ไม่หุ้มฉนวน

วาล์วฉนวนสุญญากาศและตัวแยกเฟส

การจัดการการรั่วไหลของความร้อนไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะท่อตรงเท่านั้น วาล์วและตัวแยกเฟสนอกจากนี้ยังมีบทบาทสำคัญในการรักษาเสถียรภาพของสภาวะการไหลของของเหลวแช่แข็งอีกด้วย

A วาล์วฉนวนสุญญากาศโดยปกติจะใช้ฝาครอบที่ยื่นออกมาและตัววาล์วหุ้มด้วยระบบสุญญากาศเพื่อป้องกันบริเวณซีลที่สำคัญจากอุณหภูมิที่ต่ำมาก ซึ่งจะช่วยป้องกันการแข็งตัวรอบๆ ซีลแกนวาล์วและลดการเกิดหย condensation ที่ไม่พึงประสงค์ภายในโครงสร้างวาล์ว

หากไม่มีฉนวนสุญญากาศ วาล์วอาจกลายเป็นจุดรั่วไหลของความร้อนที่เข้มข้นภายในระบบ ในการใช้งานกับของเหลวแช่แข็ง อาจทำให้เกิดฟองไอน้ำเฉพาะจุด สภาวะการไหลที่ไม่เสถียร หรือปรากฏการณ์ค้อนน้ำได้

สำหรับระบบกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ วาล์วแบบลูกโลกที่มีฝาครอบขยายและวาล์วบอลแบบเข้าด้านบนเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไปตามข้อกำหนดของ ASME B31.3 และ EN 13480

A ตัวแยกเฟสฉนวนสุญญากาศใช้เพื่อกำจัดก๊าซที่เกิดจากการระเหยก่อนที่ของเหลวจะเข้าสู่อุปกรณ์ปลายทางที่มีความไวสูง ในการใช้งานด้านเซมิคอนดักเตอร์ การไหลแบบสองเฟสที่ไม่เสถียรอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันที่มากพอที่จะทำให้สัญญาณเตือนกระบวนการหรือระบบล็อกอุปกรณ์ทำงาน

โดยทั่วไปแล้ว ตัวแยกสารจะใช้ทางเข้าแบบสัมผัสร่วมกับโครงสร้างดักละอองน้ำภายในเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแยกไอและของเหลว ในหลายโครงการ ตัวแยกสารจะถูกรวมเข้ากับถังขนาดเล็กที่ติดตั้งไว้ใกล้กับพื้นที่กระบวนการผลิต ถังขนาดเล็กนี้ทำหน้าที่เป็นปริมาตรบัฟเฟอร์เฉพาะที่ ซึ่งช่วยรักษาเสถียรภาพของความผันผวนของความต้องการในระยะสั้นโดยไม่ก่อให้เกิดภาระความร้อนเพิ่มเติมอย่างมีนัยสำคัญ

ตัวอย่างโครงการเซมิคอนดักเตอร์

โครงการขยายโรงงานผลิต DRAM ในเกาหลีใต้ต้องการเครือข่ายการกระจาย LN₂ ใหม่ เพื่อรองรับอุปกรณ์ทดสอบแบบระบายความร้อนด้วยการจุ่ม และเครื่องมือแปรรูปเวเฟอร์

การติดตั้งประกอบด้วยท่อแข็งหุ้มฉนวนสุญญากาศยาวประมาณ 180 เมตร เชื่อมต่อกับท่อส่งเครื่องมือหลายเส้นผ่านชุดท่ออ่อนหุ้มฉนวนสุญญากาศ นอกจากนี้ยังมีการติดตั้งเครื่องแยกเฟสหุ้มฉนวนสุญญากาศและถังขนาดเล็ก 2 ลูกบาศก์เมตรไว้ใกล้กับพื้นที่จัดเก็บวัสดุจำนวนมาก

ระบบปั๊มสุญญากาศแบบไดนามิกช่วยรักษาระดับความดันในช่องว่างระหว่างท่อให้ต่ำกว่า 5×10⁻⁶ มิลลิบาร์ ในท่อส่งหลักขนาด 6 นิ้ว

ในระหว่างการทดสอบระบบ พบว่าการรั่วไหลของความร้อนที่วัดได้บนท่อหลักมีค่าเฉลี่ยประมาณ 1.3 วัตต์/ตารางเมตร ภายใต้สภาวะการทำงานที่คงที่ หลังจากใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลาหนึ่งปี วงจรการฟื้นฟูสุญญากาศเป็นระยะช่วยรักษาประสิทธิภาพของฉนวนให้ใกล้เคียงกับสภาพพื้นฐานดั้งเดิม

เมื่อเปรียบเทียบกับแนวคิดการใช้ฉนวนโฟมแบบเดิม โรงงานแห่งนี้รายงานว่ามีการสูญเสียไนโตรเจนเหลวน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด และมีเสถียรภาพในการทำงานที่ดีขึ้น นอกจากนี้ บันทึกกระบวนการยังแสดงให้เห็นว่าไม่มีเหตุการณ์การปนเปื้อนที่เกี่ยวข้องกับความชื้นซึ่งเชื่อมโยงกับการเสื่อมสภาพของฉนวน

แอปพลิเคชัน

ระบบถ่ายโอนความเย็นจัดแบบหุ้มฉนวนสุญญากาศถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โครงสร้างพื้นฐาน LNG การกระจายก๊าซอุตสาหกรรม และการใช้งานไฮโดรเจนเหลว

แม้ว่าสภาพแวดล้อมการทำงานจะแตกต่างกัน แต่เป้าหมายทางวิศวกรรมยังคงเหมือนเดิม:

• รักษาเสถียรภาพสุญญากาศ
• ลดการรั่วไหลของความร้อนให้น้อยที่สุด
• รักษาเสถียรภาพของเฟสตลอดกระบวนการถ่ายโอน

โดยปกติแล้ว การออกแบบระบบจะปฏิบัติตามมาตรฐานสากล เช่น ASME B31.3, EN 13480 และ ISO 21029 ขึ้นอยู่กับขอบเขตของโครงการและข้อกำหนดของแต่ละภูมิภาค

สำหรับโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ประสิทธิภาพของระบบกระจายความเย็นจัดส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการทำงาน การใช้ของเหลว และความน่าเชื่อถือของกระบวนการในระยะยาว ด้วยเหตุนี้ ท่อ วาล์ว ตัวแยก และระบบบำรุงรักษาสุญญากาศจึงควรได้รับการออกแบบให้เป็นระบบความร้อนแบบบูรณาการเดียวกัน แทนที่จะเป็นส่วนประกอบแยกต่างหาก

At เอชแอล ไครโอเจนิกส์เราทำงานร่วมกับผู้รับเหมา EPC บริษัทก๊าซ และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อพัฒนาโซลูชันการถ่ายโอนความเย็นยิ่งยวดโดยอิงจากสภาวะการทำงานจริง เป้าหมายภาระความร้อน และข้อกำหนดในการติดตั้ง แทนที่จะใช้การกำหนดค่ามาตรฐานจากแคตตาล็อก

หากคุณกำลังวางแผนโครงการสร้างโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์แห่งใหม่ หรือต้องการอัปเกรดเครือข่ายการจ่าย LN₂ ที่มีอยู่เดิม ทีมวิศวกรของเราสามารถช่วยประเมินประสิทธิภาพการรั่วไหลของความร้อน กลยุทธ์ด้านสุญญากาศ และการกำหนดค่าระบบสำหรับการใช้งานในระยะยาวได้