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电子工程系统高纯气体管道的应用
- Jul 13, 2018 -


1 概述

909工程超大规模集成电路厂房是我国电子工业九五重大建设项目要生产线宽0.18微米,直径200毫米芯片。

电子工程系统高纯气体管

超大规模集成电路的制造技术不仅涉及到微细加工等高精技术,而且对气体纯度提出很高要求。

909工程的大宗气体供应,由美国普莱克斯实用气体有限公司与上海有关方面合资,共同组建气体生产厂,进行提供。气体生产厂紧邻909工程厂房,占地面积约为15000平方米,各种气体的纯度及产量要求


高纯氮气(PN2),氮气(N2), 高纯氧气(PO2)采用空分制取,高纯氢气(PH2)采用电解法制取,氩气(Ar),氦气(He)外购#各类气体经纯化,过滤后供909工程使用。特气由瓶装供应,气瓶柜设于集成电路生产厂房辅助厂房内。

其它气体还包括洁净干燥压缩空气CDA 系统,最大使用量4185m3/h,压力露点-70℃,使用点气体中微粒粒径不大于0.01um。呼吸压缩空气(BA)系统,最大使用量90m3/h,压力露点2℃,使用点气体中微粒粒径不大于0.3um,工艺真空(PV)系统,最大使用量582m3/h,使用点真空度-79993Pa。清扫真空(HV)系统,最大使用量1440m3/h,使用点真空度-59995 Pa 。空压机房和真空泵房均设于909工程厂区内。


2 管道材料和附件的选用

超大规模集成电路生产用气,其洁净度要求极高,高纯气体管道通常使用在洁净的生产环境中,其洁净度的控制应与使用空间的洁净度等级保持一致或更高!另外,高纯氢气(PH2),高纯氧气(PO2)及部分特气为易燃,易爆,助燃或有毒气体,如果气体管道系统设计不当或材料选用不当,不仅会使用气点的气体纯度下降,不能满足工艺要求,而且使用不安全,并且会给洁净厂房造成污染,影响洁净厂房的安全性和洁净度。

用气点高纯气体品质的保证不仅取决于制气、纯化设备及过滤器的精度,而且在很大程度上受到管路系统诸多因素的影响,如果依靠对气体生产设备,纯化设备及过滤器精度要求的无限拔高来弥补气体管道系统设计不当或材料选用不当,是完全不正确的。

在909工程项目的设计过程中,我们按照《洁净厂房设计规范》GBJ73-84( 现行标准为(GB50073-2001) , 《压缩空气站设计规范》GBJ29-90, 《氧气站设计规范》GB50030-91,《氢氧站设计规范》GB50177-93,及有关技术措施对管道材料及附件进行选用。《洁净厂房设计规范》对管道材料和阀门的选用作如下规定:

(1)气体纯度大于或等于99.999%,露点低于-76℃,应采用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L)或内壁电抛光的OCr18Ni9不锈钢管(304)。阀门宜采用隔膜阀或波纹管阀。

(2)气体纯度大于或等于99.99%,露点低于-60℃,应采用内壁电抛光的OCr18Ni9 不锈钢管(304)。除可燃气体管道宜采用波纹管阀外,其它气体管道宜采用球阀。

(3)干燥压缩空气露点低于-70℃,应采用内壁抛光的OCr18Ni9 不锈钢管(304)。露点低于-40℃,宜采用OCr18Ni9 不锈钢管(304)或热镀锌无缝钢管。阀门宜采用波纹管阀或球阀。

(4)阀门材质宜与相连接管道材质相适应。


电子工程系统高纯气体管


根据规范和有关技术措施的要求,我们在管道材料的选择时,主要考虑了以下几个方面:

(1)管道材料的透气性要小,不同材质的管道其透气性能不同,如果选用透气性较大的管材,则无法去除污染。不锈钢管和铜管对防止大气中氧的渗透和腐蚀效果均较好。但由于不锈钢管材活性比铜管差,铜管对于大气中水分渗透至其内表面的活性较大,所以在高纯气体管道管材选用时,不锈钢管应作为首选管材。

(2)管道材料内表面吸附,解析气体的作用要小。不锈钢管材加工完毕后,会在其金属晶格内吸留有一定量的气体,当高纯气体通过时,这部分气体会进入气流中,造成污染。同时,由于吸附,解析作用,使得管材内表面金属也会产生一定的粉末,对高纯气体造成污染。对于纯度在99.999%以上或ppb 级管路系统, 应采用00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L)。

(3)不锈钢管的耐磨性能优于铜管,在气流冲刷下产生的金属粉尘也相对较少,对洁净度要求较高的生产车间可用00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L)或OCr18Ni9不锈钢管(304),不得采用铜管材。

(4)对于气体纯度99.999%以上或ppb,ppt级的管路系统,或在《洁净厂房设计规范》规定的空气洁净度等级为N1-N6 的洁净室内时,应当采用超洁净管或EP超洁净“内表面超光滑洁净管”。

(5)在生产工艺所使用的特气管路系统中,有些是腐蚀性较强的气体,这些管路系统的管材必须选用耐腐蚀的不锈钢管作为配管,否则,管材将会由于腐蚀而在内表面产生腐蚀斑B不得选用普通无缝钢管或镀锌焊接钢管。

(6)气体管道的连接原则上应全部采用焊接,由于镀锌钢管的焊接会破坏镀锌层,因此,洁净室内的管道不采用镀锌钢管。

综合以上因素考虑,&7& 工程项目中气体管道管材和阀门选择如下:

高纯氮气(PN2)系统管道管材选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

氮气(N2)系统管道管材选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

高纯氢气(PH2)系统管道管材选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

高纯氧气(PO2)系统管道管材选用内壁电__抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

氩气(Ar)系统管道管材选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

氦气(He)系统管道管材选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

洁净干燥压缩空气(CDA)系统管道管材选用内壁抛光的OCr18Ni9不锈钢管(304),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。

呼吸压缩空气(BA)系统管道管材选用内壁抛光的OCr18Ni9不锈钢管(304),阀门选用相同材质的不锈钢球阀。

工艺真空(PV)系统管道管材选用UPVC管,阀门选用相同材质的真空蝶阀。

清扫真空(HV)系统管道管材选用UPVC管,阀门选用相同材质的真空蝶阀。

特气系统管道管材均选用内壁电抛光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不锈钢管(316L),阀门选用相同材质的不锈钢波纹管阀。


电子工程系统高纯气体管


3 管道的施工安装

3.1 《洁净厂房设计规范》8.3节对管道的连接作如下规定

(1)管道连接应采用焊接,但热镀锌钢管应采用螺纹连接。螺纹连接的密封材料应符合本规范第8.3.3条的要求

(2)不锈钢管应采用氩弧焊,以对接焊或承插焊连接,但高纯气体管道宜采用内壁无斑痕的对接焊

(3)管道与设备的连接应符合设备的连接要求。当采用软管连接时宜采用金属软管

(4)管道与阀门的连接,应符合下列的规定

①高纯气体管道与阀门连接的密封材料,按生产工艺和气体特性的要求宜采用金属垫或双卡套。

②螺纹或法兰连接处的密封材料应采用聚四氟乙烯。

3.2 根据规范和有关技术措施的要求,高纯气体管路的连接应尽量采用焊接,焊接时应防止直接对焊,应采用管套或成品接头,管套应选用与管材同等材料和内面光滑度等级,在焊接时,为了防止焊接部位氧化,应向施焊管内通入纯净的保护气,对于不锈钢管,应采用氩弧焊,同时管内通入同等纯度的氩气0在必须使用螺纹连接或法兰连接时,螺纹连接时应采用卡套0除氧气管道,氢气管道宜采用金属垫片外,其它管道应采用聚四氟乙烯垫片,在垫片处涂敷少量硅橡胶也会有效地增强密封效果。法兰连接时也应采取类似的措施。

在安装工作开始之前,必须对管材,管件,阀门等,详实地进行外观检查。普通不锈钢管安装前应当进行内壁酸洗。氧气管道的管材,管件,阀门等,应当严格禁油,并在安装前按有关要求进行严格脱脂。

在系统安装完毕投入使用前,应当用所输送的高纯气体对输配管路系统进行彻底地吹除。这样不仅可以吹除由于安装过程中不慎落入系统的粉尘粒子,而且也起着对管路系统的干燥作用,去除管壁甚至至管材所吸留的部分含湿气体。


4 管道的试压与验收

(1)在系统安装完毕后,对特气管道中输送剧毒流体的管道应进行100%射线照相检验,其质量不得低于II 级,其它管道应进行抽样射线照相检验,抽检比例不得低于5%,质量不得低于Ⅲ级。

(2)无损检验合格后,应进行压力试验,为保证管路系统的干燥度,洁净度,不得进行水压试验,而应当采用气压试验。气压试验应采用与洁净室的洁净等级匹配的氮气或压缩空气进行,管道的试验压力应为设计压力的1.15倍,真空管道的试验压力应为0.2MPa。试验时,应逐步缓慢增加压力,当压力升至试验压力的50%时,如未发现异状或泄漏,继续按试验压力的10%逐级升压,每级稳压3min,直至试验压力,稳压10min,再将压力降至设计压力,停压时间应根据查漏工作需要而定,以发泡剂检验不泄漏为合格。

(3)真空系统在压力试验合格后,还应按设计文件规定进行24h 的真空度试验,增压率不应大于5%。

(4)泄漏性试验,对于ppb,ppt 级管道系统,根据有关规范的规定,应当以不泄漏为合格,但设计时采用泄漏量试验,即在气密性试验之后进行泄漏量的试验,试验压力为工作压力,停压24 小时,以平均小时泄漏量小于或等于50ppm 为合格,泄漏量的计算见下式:

A=(1-P2T1/P1T2)*100/T

式中:

A-小时泄漏量(%)

P1-试验开始时的绝对压力(Pa)

P2-试验结束时的绝对压力(Pa)

T1-试验开始时的绝对温度(K)

T2-试验结束时的绝对温度(K)

t-试验时间(h)

公式来源:原《工业管道工程施工及验收规范》(金属管道篇)(EM;D=A5TD)第六章第四节。

(5)另据现行标准《工业金属管道工程施工及验收规范》(GBJ235-82)中的有关规定及条文说明,以泄漏性试验代替泄漏量试验,泄漏性试验压力应为工作压力,以发泡剂检验不泄漏为合格。


5 结语

以上是我们在909 工程高纯气体管道设计中结合有关规范和技术措施进行设计的一些体会,由于工程的特殊性及甲方的要求,很多技术数据不能进一步公开,恳请同仁见谅并指教。