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电子洁净厂房工艺冷却水和纯水管材的选择

浏览次数: 日期:2017-10-23

电子洁净厂房工艺给水主要有工艺冷却水及纯水。

    工艺冷却水主要应用于各种工艺设备的冷却。由于工艺设备内的冷却管道有很多为管径很细的毛细管道,为避免毛细管道的结垢,对工艺冷却水的水质也提出了相应的要求。

    纯水主要应用于各种电子产品的清洗,纯水的使用可以避免水中杂质对电子产品的污染。应用于电子厂房的纯水的主要特点不只是水的电阻率高,还对颗粒度、总有机碳(TOC)、总硅、溶解氧(DO)、以及各种离子的含量有不同的要求。

1    工艺冷却水管道的选择

    半导体、TFT-LCD等行业的工艺冷却水系统为避免工艺设备冷却盘管的结垢及堵塞,对工艺冷却水水质提出了要求。

    以某半导体厂工艺冷却水设计水质为例:电阻率>30 kΩ· cm硬度<0.5德国度因此工艺冷却水管道的选择主要考虑两个方面的要求,一方面是对水质的要求;另一方面是对管道腐蚀的要求。

    工艺冷却水管道主要有不锈钢管道及塑料管道两种。

(1)不锈钢管道

    根据工艺冷却水的水质要求,SS304不锈钢管即可满足要求,但是半导体、TFT行业通常采用纯水制备过程中产生的反渗透(RO)出水作为工艺冷却水的补充水源,而RO出水根据纯水制备工艺流程的不同其酸碱度也有所不同。当水的pH值呈中性或弱碱性时,可采用SS304不锈钢,当水的pH值呈酸时(RO出水在不加碱的情况下通常呈酸性),需采用抗酸性好的SS304L不锈钢。

    根据不同工程的调研发现,不锈钢管道的腐蚀均发生在接口处及管道的底部。分析其主要原因,接口腐蚀主要在于焊接过程中未采用氩弧焊接而造成的氧化层破坏,使氧化层下的不锈钢金属铬合物造成腐蚀。管道底部腐蚀主要是由于管道冲洗时采用自来水,而自来水中含有较多的余氯,冲洗后管道内的水未及时排空,造成了在局部管段的集水,当管道施工验收完毕后较长时间系统未投入运行,则容易造成不锈钢的氯腐蚀,不锈钢中的氯离子腐蚀是应力腐蚀,在“奥氏体不锈钢-CL”中,溶液中氧的存在是促进金属的钝化,而氯离子则破坏金属的钝化,同时进入裂缝的尖端,构成盐酸,使腐蚀加剧。

    所以不锈钢管道选择时需考虑一定的腐蚀余量,应至少选用壁厚等级为Sch-10S级的产品,并采用正确的焊接方式,且在管道冲洗后应将管道内的水放空、吹干。

(2)塑料管道

    根据工艺冷却水的水质要求,PVC管道即可满足要求。常用的PVC有两种,硬质聚氯乙烯(PVC-U)由聚乙烯单体聚合而成的一种热塑性高分子化合物;氯化聚氯乙烯(PVC-C)由聚氯乙烯树脂氯化得到的一种独特的聚合物。由于PVC管道有较强的耐腐蚀性,故而即使水质呈弱酸、弱碱性,也不会造成管道的腐蚀。

    但塑料管道需注意工作压力的问题,由于工艺设备内的冷却管道管径小而造成了较大的水头损失,故而,工艺冷却循环水系统的工作压力较高,在管道的选择时应根据应力计算确定管道的压力等级。特别需注意的一点是管道的压力等级并不等于设计管道的允许工作压力。管道应力公式:

式中:P为管道允许的工作压力(MPa);

            d为管道外径(mm);

            e为管道壁厚(mm);

            C为设计系数;

            σ为管道应力(MPa)。

    以PN16 PVC-U管道为例,管径110 mm×8.1 mm,管道应力15.5 MPa,设计系数2.5,液体温度40℃。

    由此可见虽然管道的压力等级为PN16,但该管道的允许工作压力为9.86 MPa。

    因此,通常选择Sch80-PVC管应用于工艺冷却水系统。Sch-80为ASME(美国机械工程师协会)的壁厚标准,Sch就是“schedule”,管道的壁厚等级。Sch是设计压力与设计温度下材料的许用应力的比值乘以1000,并经圆整的数值。即:

Sch.=P/〔ó〕t ×1000

式中:P为设计压力(MPa);〔ó〕

    t为设计温度下材料的许用应力(Mpa)。

    管道表号(Sch)并不是壁厚,是一壁厚系列。

    同一管径,不同的管道表号,其壁厚不同。Sch愈大者管壁愈厚。

    PVC管道存在大口径管道难以采购,且施工困难的缺点,故而PVC管道通常可应用于小于DN100的支管,干管仍采用不锈钢管,两种管道采用法兰连接。由于小管径的Sch80-PVC管的价格较不锈钢管低,故而可节省投资。

    随着新型管材的大量推广和应用,在应用时应特别 注意管道的腐蚀性问题及管道接口问题。由于工艺冷却水通常采用RO出水或软化水作为补充水源,其存在一定的腐蚀性,管道内壁必须有足够的抗腐蚀性。很多管道本身抗腐蚀性没有问题,但管道接口处理不好容易造成接口处的腐蚀。比如,钢衬不锈钢管道,接口不能保证水不与非不锈钢部分的完全隔离;钢衬塑管道、钢涂塑管道,无论是丝扣连接、卡环连接、沟槽连接还是法兰连接均不能保证外层金属与水的完全隔离。

2    纯水管道的选择

    电子超纯水通常为电阻率>15 MΩ·cm(25℃)的纯水,而此时电阻率已经不是重要的因素,需根据其他指标的要求进行具体分析。

(1)管材性能比较

    选择管材的依据主要是管道的溶出物(见表1)及内表面光洁度。主要应用的管道有Clean-PVC管、洁净PP管、PVDF管几种。Clean-PVC管采用耐冲击硬质聚氯乙烯制造,其比普通PVC管含有较少的添加剂。从而减小了管道内壁的粗糙度(Clean-PVC管的表面粗糙度小于0.37 µm,而普通PVC管的表面粗糙度在1.0 µm)以及污染物的析出。制造商主要有“积水国际贸易有限公司(SEKISUI)”、“日本旭有机材株式会社(ASAHI AV)”。洁净PP管材质为(β)-PP-H均聚型聚丙烯,具有非常均一、致密的结构和出众的抗冲击强度。其高结晶度确保了极好的耐化学品性能,二氧化钛色素的使用进一步提高了此特性。其内壁粗糙度及污染物的析出性能与Clean-PVC接近。制造商主要有乔治.费歇尔管路系统有限公司(+GF+)。PVDF管材质为聚偏二氟乙烯,是一种高结晶度,高性能热塑性塑料,可用温度/压力范围广。其主要特性是力学强度高、韧性好、具有优异的耐磨性、热稳定性和介电性,其纯度高,能熔融成型,对于大多数化学品和溶剂都具有很好的耐腐蚀性、抗紫外线和核辐射性能好、耐候性好、耐生物菌类的作用、气体和液体阻隔性好、阻燃性好、发烟量少等优点。聚偏二氟乙烯是一种纯净的材料,它不含任何添加剂,且其表面光滑,粗糙度小于0.2µm。制造商主要有乔治·费歇尔管路系统有限公司(+GF+)、奥地利AGRU公司。

(2)管材选择    以几种典型电子洁净厂房用纯水进行比较

类似于6英寸半导体前工序、TFT-LCD的水质可选择Clean-PVC管或洁净PP管。

    Clean-PVC管从80年代即应用于半导体行业,现在在纯水中得到了广泛的应用。其优点在于由于得到了广泛的应用,故而供应商都有一定量的库存,所以交货周期较短,安装技术也比较简单,通常进行半天的教室和现场培训即可。其缺点在于,管道的粘结和安装的质量。这也是众多的半导体厂中有大量的PVC管道系统失效和漏水问题的原因。PVC管路系统失效主要是粘结质量不好所造成的,PVC的连接方法主要是胶水粘接,这要求胶水能使粘接部位的表面软化,软化部位然后被压紧,它的粘接质量同操作人员的技术的相关性非常大,而且不同的人及不同部位的粘接质量一致性很差。粘接要求有足够的胶水被涂上并且均匀性要求非常好,管路和管件的粘接部位要非常干净且光滑,并且管路要求完全地插入管件。但是由于插入粘接的特性,实际粘接部位是看不见的,缺陷可能存在,并将对整个系统造成极大的风险。

    由于PP是热熔焊接的,所以没有PVC那样担心的沾污,如粘接溶剂和其他有机溶剂等在PVC管道中经常使用的稳定剂。而这些粘接剂及有机溶剂会产生有机物沾污(TOC)。另外,PP管道的红外热熔焊接采用计算机控制避免了人工操作的质量参差不齐,并能对焊点进行100%的检查。这使得PP管道相对于Clean-PVC在安装质量上更有保证。但是PP管道在管路/管件的价格及安装费用上要高于Clean-PVC。

    根据英特尔遍布全球的封装测试厂的报告,每年都有大量的PVC管路系统失效和漏水问题,失效是由多种原因引起的,其中就包括不适当的粘接,缺少支撑,安装过程中没有对准所引起的冲击等。因此在英特尔新建的封装测试厂已开始广泛采用洁净PP管取代Clean-PVC作为首选管材。

    类似于8英寸半导体前工序或更高水质要求的以PVDF管道为主。

    如表2所示,8英寸半导体对纯水水质指标的要求相当严格,Clean-PVC及洁净PP已不能满足其要求,而PVDF管道的溶出物及管道内壁光洁度都远强于Clean-PVC及洁净PP,故而只能选择PVDF管道。在国内的半导体生产中也有8英寸采用Clean-PVC管道的成功案例,但经过实测分析后发现,这类生产厂的产品都是从6英寸升级至8英寸的,也就是在6英寸纯水管道系统运行若干年后升级为8英寸的,而Clean-PVC管路系统经过长时间运行后,其溶出的离子呈逐步减少的趋势。以某电子厂为例,一期厂房纯水系统未设置专门的除TOC紫外线灯,仅依靠制备过程中对TOC的去除,在运行了若干年后,其回水管道TOC可以达到15ppm,而二期新建的纯水系统,设置了专用的除TOC紫外线灯,在系统开始运行阶段的站房出口TOC,也只有50 ppm。正是由于这种特性,所以纯水系统在投产前需经过相当长时间的冲洗运行。所以在从6英寸升级到8英寸的生产中,经过若干年冲洗的Clean-PVC管道也是有可能达到使用要求的。而PVDF管道可以在短时间内冲洗到较低的指标,如表3所示。为了节省初投资,纯水回水管道可以采用Clean-PVC或者洁净PP管代替PVDF,由于纯水回水需经过抛光系统的再次处理,所以即使回水中有较多的溶出物也不影响供水的水质,只是会影响抛光系统的维护费用,但长时间运行后维护费用的差别会逐步减小。

3    结论

    综上所述,笔者认为,对水质有较高要求的电子洁净厂房的工艺冷却水,管道应首选Sch-10S级不锈钢管及Sch80-PVC管。

    类似6英寸半导体前工序及TFT-LCD厂房的水质,可使用Clean-PVC与洁净PP管道,但洁净PP在连接方式及施工质量上有明显的优势,故而,洁净PP管可以代替Clean-PVC在纯水系统管道中得到更广泛的应用。

 

    类似8英寸及12英寸半导体厂房的水质,需采用PVDF管道作为首选。由6英寸升级到8英寸半导体水质的管道系统,可采用已运行多年的Clean-PVC管路系统而不必更换成PVDF管路系统。

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