Na fabricação de semicondutores, espera-se que os sistemas de distribuição criogênica façam mais do que simplesmente transferir nitrogênio ou argônio líquido de um ponto a outro. O fluido precisa permanecer estável, limpo e monofásico durante todo o percurso até o ponto de uso. Mesmo pequenas quantidades de calor podem gerar vaporização instantânea, flutuações de pressão ou contaminação por umidade, o que afeta a estabilidade do processo.

Por issoTubo com isolamento a vácuoOs sistemas são comumente usados ​​em fábricas de semicondutores em vez de tubulações convencionais com isolamento de espuma. Quando combinados com um gerenciamento adequado, esses sistemas são frequentemente utilizados em substituição às tubulações convencionais com isolamento de espuma.Sistema de bomba de vácuo dinâmica, o vazamento de calor total pode permanecer abaixo de 3 W/m, mantendo a estabilidade do vácuo a longo prazo em toda a linha de transferência.

Para aplicações em semicondutores, o isolamento a vácuo não deve ser visto como uma camada passiva ao redor da tubulação. Trata-se de um sistema térmico ativo que exige desempenho de vácuo mensurável e manutenção a longo prazo. Em ambientes de fabricação de chips de alta precisão, mesmo um ligeiro aumento na temperatura de saturação do fluido pode levar a condições de fluxo bifásico que interferem nos circuitos de refrigeração, sistemas de purificação ou equipamentos de controle de processo.

Por que o vazamento de calor é importante em sistemas semicondutores criogênicos

Todas as linhas de transferência criogênica são afetadas por três formas principais de transferência de calor:

• radiação através do espaço anular
• condução gasosa causada por moléculas residuais
• condução sólida através de suportes e espaçadores

Em um projeto adequadoTubo com isolamento a vácuo, a pressão anular é tipicamente reduzida abaixo de 1×10⁻⁴ Pa. Nesse nível de vácuo, as moléculas de gás restantes têm um livre percurso médio significativamente maior que o espaço anular, o que reduz bastante a condução de calor gasoso.

A transferência de calor por radiação é controlada utilizando isolamento multicamadas (MLI). O isolamento consiste em camadas alternadas de folha refletora e material espaçador de baixa condutividade. Com a densidade de camadas e o método de instalação corretos, o fluxo de calor por radiação pode ser reduzido a apenas alguns watts por metro quadrado.

O caminho térmico restante provém principalmente dos suportes mecânicos. Para minimizar esse efeito, materiais de baixa condutividade, como fibra de vidro G-10 ou Torlon®, são normalmente utilizados. Esses suportes ainda precisam de resistência mecânica suficiente para suportar a contração térmica, a vibração e as cargas sísmicas durante a operação.

Em longas distâncias de transferência, a diferença entre o isolamento a vácuo e o isolamento de espuma torna-se muito perceptível. Um sistema de vácuo bem conservado pode manter um desempenho térmico estável por muitos anos, enquanto o isolamento de espuma absorve gradualmente a umidade da atmosfera. Uma vez que a umidade penetra na estrutura do isolamento e congela, a eficiência térmica geralmente diminui com o tempo.

Em sistemas práticos de distribuição de LN₂ para semicondutores,tubulação com isolamento a vácuoPode reduzir significativamente a evaporação em comparação com as linhas tradicionais com isolamento de espuma, especialmente em longos trechos externos ou em coletores principais de operação contínua.

Sistema de bomba de vácuo dinâmica

Um problema com as jaquetas de vácuo estáticas é que a qualidade do vácuo pode se deteriorar lentamente ao longo dos anos devido à liberação de gases, permeação de hélio ou vazamento microscópico.

Para resolver isso, grande diâmetroTubo com isolamento a vácuoOs sistemas podem ser equipados com umSistema de bomba de vácuo dinâmicaO sistema normalmente inclui um conjunto compacto de bomba turbomolecular ou de espiral que restaura periodicamente o vácuo anular à sua condição original de projeto.

Os níveis de vácuo são monitorados continuamente por meio de manômetros de cátodo frio. A bomba só é acionada quando a pressão sobe acima do ponto de ajuste desejado, de modo que o consumo de energia e os requisitos de manutenção permanecem relativamente baixos.

Em um projeto de modernização de uma fábrica de semicondutores em Hsinchu, Taiwan, um sistema de bombeamento a vácuo com gerenciamento ativo permitiu que um coletor de transferência de nitrogênio líquido (LN₂) envelhecido recuperasse o desempenho térmico próximo ao seu estado operacional original, sem a necessidade de interromper a linha de produção. Para novos projetos, a manutenção ativa do vácuo também proporciona aos operadores maior segurança quanto à estabilidade do isolamento a longo prazo, durante toda a vida útil do sistema.

Projeto de Materiais e Sistemas

Para aplicações em semicondutores e de altíssima pureza, o tubo de processo interno é normalmente fabricado em aço inoxidável 304L ou 316L. As superfícies internas são limpas, purgadas e passivadas para atender aos requisitos de serviço em ambiente livre de oxigênio e minimizar o risco de contaminação.

O revestimento externo pode ser feito de aço carbono pintado ou aço inoxidável, dependendo do ambiente de instalação. Em áreas adjacentes a salas limpas, os revestimentos externos de aço inoxidável são frequentemente preferidos para evitar corrosão ou contaminação da superfície.

A contração térmica também precisa ser considerada cuidadosamente. Uma linha de transferência de LN₂ pode contrair-se aproximadamente 2,5 a 3 mm por metro entre a temperatura ambiente e a temperatura de operação. Para absorver esse movimento, compensadores de expansão do tipo fole são geralmente instalados em pontos de ancoragem calculados ao longo da rede de tubulação.

Onde houver necessidade de movimento ou flexibilidade,Mangueira flexível com isolamento a vácuoOs conjuntos são comumente utilizados. Os locais típicos incluem conexões de tanques, conexões de equipamentos, ramificações de manifolds e skids de processo móveis.

Essas mangueiras flexíveis utilizam um núcleo interno corrugado juntamente com uma jaqueta de vácuo e uma estrutura MLI semelhante à de tubos de vácuo rígidos. Conjuntos projetados adequadamente podem manter a integridade do vácuo após repetidos ciclos térmicos criogênicos, além de prevenir a formação de gelo externo, comum em mangueiras trançadas não isoladas.

Válvulas com isolamento a vácuoeSeparadores de Fase

O controle de vazamentos de calor não se limita a trechos retos de tubulação. Válvulas eseparadores de fasetambém desempenham um papel importante na manutenção de condições estáveis ​​de fluxo criogênico.

A Válvula com isolamento a vácuoNormalmente, utiliza-se uma tampa estendida e um corpo com revestimento a vácuo para manter as áreas de vedação críticas longe de temperaturas extremamente baixas. Isso ajuda a evitar o congelamento ao redor da gaxeta da haste e reduz a condensação indesejada dentro da estrutura da válvula.

Sem isolamento a vácuo, as válvulas podem se tornar pontos de fuga de calor concentrados dentro do sistema. Em aplicações criogênicas com líquidos, isso pode gerar bolsas de vapor localizadas, condições de fluxo instáveis ​​ou eventos de golpe de aríete.

Para sistemas de processamento de semicondutores, válvulas globo com tampa estendida e válvulas de esfera com entrada superior são comumente utilizadas em conformidade com os requisitos das normas ASME B31.3 e EN 13480.

A Separador de fases isolado a vácuoÉ utilizado para remover o gás de flash antes que o líquido entre em equipamentos sensíveis a jusante. Em aplicações de semicondutores, o fluxo bifásico instável pode criar oscilações de pressão suficientemente grandes para acionar alarmes de processo ou intertravamentos de equipamentos.

A maioria dos projetos de separadores utiliza uma entrada tangencial juntamente com uma estrutura desembaçadora interna para melhorar a eficiência da separação vapor-líquido. Em muitos projetos, o separador é combinado com um mini tanque instalado próximo ao piso do processo. O mini tanque atua como um volume de reserva local que ajuda a estabilizar flutuações de demanda de curto prazo sem introduzir uma carga térmica adicional significativa.

Exemplo de projeto de semicondutores

Um projeto de expansão de uma fábrica de DRAM na Coreia do Sul exigiu uma nova rede de distribuição de nitrogênio líquido (LN₂) para abastecer equipamentos de teste resfriados por imersão e ferramentas de processamento de wafers.

A instalação incluiu aproximadamente 180 metros de tubulação rígida com isolamento a vácuo, conectada a diversas ramificações para ferramentas por meio de mangueiras flexíveis com isolamento a vácuo. Um separador de fases com isolamento a vácuo e um mini tanque de 2 m³ foram instalados próximos à área de armazenamento a granel.

O sistema de bomba de vácuo dinâmica manteve a pressão anular abaixo de 5×10⁻⁶ mbar nas linhas de transferência principais de 6 polegadas.

Durante o comissionamento, a perda de calor medida no coletor primário apresentou uma média de aproximadamente 1,3 W/m² em condições operacionais estáveis. Após um ano de serviço contínuo, ciclos periódicos de recuperação a vácuo mantiveram o desempenho do isolamento próximo à condição inicial de referência.

Em comparação com o conceito anterior de isolamento com espuma, a instalação apresentou perdas de nitrogênio líquido notavelmente menores e maior estabilidade operacional. Os registros do processo também não mostraram eventos de contaminação relacionados à umidade associados à degradação do isolamento.

Aplicações

Sistemas de transferência criogênica com isolamento a vácuo são amplamente utilizados na fabricação de semicondutores, infraestrutura de GNL, distribuição de gases industriais e aplicações de hidrogênio líquido.

Embora os ambientes operacionais sejam diferentes, o objetivo da engenharia permanece o mesmo:

• manter a estabilidade do vácuo
• minimizar a entrada de calor
• preservar a estabilidade de fase durante todo o processo de transferência

O projeto de sistemas normalmente segue normas internacionais como ASME B31.3, EN 13480 e ISO 21029, dependendo do escopo do projeto e dos requisitos regionais.

Em instalações de semicondutores, o desempenho do sistema de distribuição criogênica afeta diretamente a eficiência operacional, o consumo de líquido e a confiabilidade do processo a longo prazo. Por isso, tubulações, válvulas, separadores e sistemas de manutenção de vácuo devem ser projetados como um sistema térmico integrado, em vez de componentes independentes.

At HL CriogeniaTrabalhamos com empreiteiras de EPC (Engenharia, Aquisição e Construção), empresas de gás e instalações de semicondutores para desenvolver soluções de transferência criogênica com base em condições operacionais reais, metas de carga térmica e requisitos de instalação, em vez de configurações padrão de catálogo.

Se você está planejando um novo projeto de fabricação de semicondutores ou atualizando uma rede de distribuição de LN₂ existente, nossa equipe de engenharia pode ajudar a avaliar o desempenho de vazamento de calor, a estratégia de vácuo e a configuração do sistema para operação a longo prazo.