正确安装软管如何降低半导体工厂成本
软管安装实践的微小调整可为半导体制造带来显著成本节约
在半导体制造过程中，维持精确的温度控制至关重要。原子层沉积 (ALD)、原子层蚀刻 (ALE) 以及其他用于生产合格晶圆的工艺中，发生的化学反应往往会产生极端温度。若缺乏精确的温度控制，薄膜厚度和工艺效率都会受到影响。暴露在高温环境中还意味着，晶圆和生产晶圆所用的设备必须得到充分冷却，以避免损坏。
半导体制造设备工艺腔室内的静电卡盘配有控温流体，用于冷却晶圆并防止出现问题。然而，这些设备能否经济高效地完成工作，取决于设备外部的情况，即放置温度控制单元（或称“冷却器”）的附属设施区，以及向生产车间持续运行的设备输送低温流体的软管。
通过软管系统将流体从设备输送至冷却器再回流形成的这些“热循环回路”，其效能可能对半导体工厂的盈利能力产生重大影响。因冷却器故障导致的停机，或因附属设施区内软管结露形成积液而进行的清理工作，都可能给工厂运营商带来严重的产能损失。即便避免了停机问题，软管绝缘不当、安装和布线不合理也可能导致能源成本显著上升，进而增加运营支出。
在本文中，我们将探讨如何规避最后一个问题 — 半导体工厂中软管安装和布线不当。若想了解更多关于通过确保软管良好隔热来解决半导体制造挑战的具体信息，可参考这篇相关文章。如需从宏观层面深入了解如何通过完善的热控制优化晶圆制造良率，可查阅这篇关于该主题的文章 。
半导体工厂中隔热软管安装和布线的优秀实践
有一种常见的误解认为，解决冷却器与设备之间流体温度大幅变化的理想方法是增加软管隔热层或更换软管。在某些情况下，隔热层缺失或软管选择不当确实是问题所在。当流体温度和操作环境温度差异日益极端时，使用低导热系数的气凝胶绝缘材料或真空绝缘金属软管有助于防止能量损失。但在其他情况下，无论隔热措施如何，软管性能不佳都可能源于其安装和布线方式。尽管在各类半导体制造应用中空间可能有限，但仍需尽可能遵循软管安装和布线的优秀实践，以确保产品达到理想性能。
软管安装和结构注意事项
软管的结构和安装方式可能会影响其输送流体的热稳定性。以端部连接为例，在某些情况下，即使软管的其他部分已做好隔热处理，也可能需要考虑对裸露的端部连接进行隔热包裹，以避免结露。此外，必须确保这些端部连接安装正确，以防止不必要的泄漏或热量传递。
隔热软管的端部连接类型各不相同，例如，对于世伟洛克®FV 真空夹套软管和部分世伟洛克® Y 型隔热软管，其端部连接为退火卡套管接头。这些卡套管接头可通过对焊、世伟洛克®快速接头、世伟洛克 VCR ®金属垫片面密封接头或世伟洛克®卡套管接头连接到其他部件或设备。若您使用世伟洛克卡套管接头进行连接，务必遵循正确的安装说明，以防止不必要的泄漏或热量传递。详情请参见图 1 中的安装说明。
把卡套管完全插入接头内并顶住肩部；用手指将螺母拧紧。
在 6 点钟的位置给螺母作标记。
牢牢固定接头本体，将螺母紧固一又四分之一圈使其停在 9点钟的位置。
图 1：世伟洛克卡套管接头安装
由于这是首次“卡套连接”操作，可使用世伟洛克间隙检测规来确保接头充分拧紧。参见下图 2。
可检测性
初步安装好后，使用间隙检测规能使安装人员或检查人员确保接头已充分紧固。
将世伟洛克间隙检测规放入螺母和接头本体之间的间隙。
警告：在调节卡套管接头连接部位的紧固状态之前，必须首先给系统减压。
图 2：世伟洛克间隙检测规的使用
通常，直径超过 1 英寸的软管会配备预装螺母和卡套。直径超过 1 英寸的预装螺母需要拧 1/2 圈。
软管布线注意事项
无论软管的结构如何，其在工厂内的布线都会对性能产生重大影响。当软管内介质温度达到极冷或极热状态时，情况尤其如此，仅仅因为布线问题，就容易出现结露和热点现象。以下是几项需遵循的优秀实践，以避免出现布线相关问题。
保持最小直管段长度：务必遵循软管产品目录中规定的最小直管段要求。在靠近端部连接的位置过度弯曲软管可能会撕裂软管，导致泄漏、破裂或缩短使用寿命。
错误
正确
错误
正确
图 3：最小直管段长度 - 错误和正确示例
保持最小弯曲半径：同样，需遵循公布的最小弯曲半径要求。将软管弯曲过度（曲率过大）可能会导致软管扭结，缩短使用寿命。此外，弯曲软管可能会拉伸或压缩软管隔热层，对其性能产生负面影响。
弯曲外侧的绝缘层会拉伸变薄
弯曲部内部的隔热层压紧
图 4：最小弯曲半径 - 对隔热层的影响
设计时避免软管受力： 由于重力会将软管主体向下拉扯，连接点附近的软管自然会产生受力。应使用弯头和转换接头来减少或缓解软管受力，尤其是在端部连接位置。安装弯头或转换接头后，可能需要更换不同长度的软管，但通过系统设计抵消软管受力，有助于延长软管的使用寿命。
错误
正确
注意平面内弯曲：避免扭转软管。仅在单一平面内弯曲软管，以防止软管承受不必要的应力。如需复合弯曲，应使用多段软管或其他隔离方式。
错误
正确
保持适当的间距：当输送冷流体或热流体的软管布线过于靠近时，由于软管之间缺乏足够的环境温度空气流通，可能会影响软管的表面温度。当冷流体软管间距过小时，软管表面温度可能降至露点以下，导致结露现象。如果高温软管的铺设距离过近，则可能会出现超出容许温度参数的过热点。
软管之间的距离 (d) 越小，软管间的空气温度（T 环境温度）就越接近软管内的介质温度 (Tm)。一般建议是，包裹隔热层的软管（例如采用世伟洛克 Y 型隔热层的软管）之间的间距至少应保持为软管外径的三倍，以避免结露。若在狭小空间中难以实现这一要求，可考虑使用软管间隔件强制分隔软管。即便是一两英寸的间距，对热管理也能产生显著影响！
图 7：软管间的正确间距
了解更多关于软管如何正确布线的知识
为什么正确安装半导体软管如此重要？
尽管与半导体工厂中其他高科技设备相比，软管看似是结构简单的部件，但软管的选择、安装、布线和维护质量所产生的影响却不容忽视。通过以下示例，可了解软管能带来多大的差异：
- 假设某设备的工艺腔室需要接收 - 20°C 的冷却流体，但由于连接冷却器的进出软管存在隔热不当、安装或布线不合理等问题，冷却器可能需要过度补偿，将设定温度调至 - 25°C，才能使 - 20°C 的流体到达工艺腔室。当流体循环回流至冷却器时，温度可能已升至 - 17°C，这意味着冷却器需要处理 Δ5°C 的温差。
- 假设每 1°C 的冷却需求每小时成本为 0.13 美元，且冷却器全年 52 周持续运行，那么一台冷却器每年的能源成本将增加 5,600 美元。
- 如果有 10 台冷却器为该设备提供支持，那么仅冷却这一台设备的年度能源成本就达 56,000 美元。如果工厂中有 100 台此类设备，那么每年的设备冷却能源成本将高达 570 万美元。
- 然而，若软管隔热良好、安装和布线合理，流体离开和进入冷却器时的温差实际可降至 Δ1°C
在这种情况下，按照上述参数计算，我们为 100 台设备制冷的成本可降至每年约 110 万美元，仅通过降低制冷成本这一项，每年就能节省 460 万美元！
除了能源节约外，在半导体软管的选型、安装和布线中遵循优秀实践，还能带来减少维护成本、延长部件使用寿命等好处，同时还有可能提高设备运行时间和良率。如果您需要优化软管相关操作的帮助，世伟洛克工程师可提供产品测试与选型支持、热循环回路能源审计以及各类软管咨询服务。与专家交流，探索通过优化软管管理方式降低成本并提高生产力。
