Temperatura podejścia, która określa rozmiar
Mokra ława półprzewodnikowa obsługująca mieszaninę kwasu siarkowego-nadtlenku wodoru w temperaturze 140 stopni wymaga wymiennika ciepła do utrzymania temperatury. Czynnikiem roboczym jest para o temperaturze 160 stopni, która zapewnia temperaturę zbliżoną do 20 stopni.
Temperatura podejścia to różnica między temperaturą płynu roboczego a temperaturą płynu procesowego w punkcie, w którym oba płyny są najbliżej. W przeciwprądowym wymienniku ciepła-najbliższe podejście znajduje się na wylocie procesowym i wylocie serwisowym. W wymienniku ciepła-z przepływem równoległym najbliższe podejście znajduje się na wylocie procesowym i na wlocie serwisowym.
Dla danego obciążenia cieplnego wymagana powierzchnia jest odwrotnie proporcjonalna do logarytmicznej średniej różnicy temperatur (LMTD), która jest funkcją temperatury podejścia. Niższa temperatura podejścia powoduje mniejsze LMTD i wymaga większej powierzchni.
Związek LMTD i powierzchni
Logarytmiczną średnią różnicę temperatur oblicza się na podstawie różnic temperatur na dwóch końcach wymiennika ciepła. W przypadku układu z przepływem przeciwprądowym z wlotem procesowym pod kątem 140 stopni, wylotem procesowym pod kątem 140 stopni (proces izotermiczny), wlotem serwisowym pod kątem 160 stopni i wylotem serwisowym pod kątem 150 stopni, LMTD wynosi około 15 stopni.
Dla wymiennika ciepła o mocy 20 kW i całkowitym współczynniku przenikania ciepła 200 W/m²·K i LMTD 15 stopni wymagana powierzchnia wynosi 6,7 m². Jeśli temperatura podejścia zostanie obniżona do 10 stopni, LMTD spadnie do około 7,5 stopnia, a wymagana powierzchnia wzrośnie do 13,3 m².
Pole powierzchni podwaja się, gdy temperatura podejścia zmniejsza się o połowę. Koszt kapitału wzrasta proporcjonalnie, zwiększa się także powierzchnia zajmowana miejsca. W przypadku mokrych stanowisk półprzewodnikowych, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona, zastosowanie większej powierzchni może nie być możliwe.
Ograniczenie tolerancji temperatury procesu
Temperatura podejścia jest ograniczona tolerancją temperatury procesu. W przypadku obróbki na mokro półprzewodników temperatura procesu musi być utrzymywana w granicach tolerancji, która zazwyczaj wynosi ± 1 stopień lub mniej. Temperatura płynu roboczego musi być wystarczająco wysoka, aby zapewnić wymianę ciepła, ale nie na tyle wysoka, aby przekroczyła temperaturę procesu.
Jeśli temperatura płynu roboczego jest zbyt zbliżona do temperatury procesu, szybkość wymiany ciepła jest niska, a wymiennik ciepła musi być duży. Jeśli temperatura płynu roboczego jest zbyt wysoka, temperatura procesu może przekroczyć w stanach przejściowych, a system sterowania musi być bardziej wyrafinowany.
Optymalna temperatura podejścia to taka, która równoważy wielkość wymiennika ciepła w stosunku do złożoności sterowania. Wyższa temperatura podejścia zmniejsza rozmiar wymiennika ciepła, ale zwiększa złożoność sterowania i ryzyko przeregulowania. Niższa temperatura podejścia zwiększa rozmiar wymiennika ciepła, ale zapewnia większy margines kontroli.
Ograniczenie dostępności płynu serwisowego
Temperatura podejścia jest również ograniczona dostępnością płynu roboczego. Para jest dostępna pod ograniczoną liczbą ciśnień, a temperatura nasycenia odpowiadająca każdemu ciśnieniu jest stała. Dla procesu prowadzonego w temperaturze 140 stopni, para pod ciśnieniem 4 barów zapewnia temperaturę nasycenia wynoszącą 152 stopnie, co daje temperaturę zbliżoną wynoszącą 12 stopni. Para o ciśnieniu 6 barów zapewnia temperaturę nasycenia 165 stopni, co daje temperaturę podejścia 25 stopni.
Wybór ciśnienia pary determinuje temperaturę podejścia i wielkość wymiennika ciepła. Wyższe ciśnienie pary zapewnia wyższą temperaturę podejścia i mniejszy wymiennik ciepła, ale wyższa temperatura zwiększa temperaturę ścianki rury i szybkość degradacji PTFE.
Ograniczenie czystości w usługach półprzewodników
W obróbce półprzewodników na mokro wymiennik ciepła nie może wprowadzać zanieczyszczeń do płynu procesowego. Temperatura ścianki rury wpływa na szybkość ługowania PTFE, a wyższa temperatura ścianki zwiększa szybkość ługowania. Temperatura podejścia określa temperaturę ścianki dla danego strumienia ciepła.
Niższa temperatura podejścia wymaga większej powierzchni i mniejszego strumienia ciepła, co zmniejsza temperaturę ścianki rury i szybkość ługowania. Wyższa temperatura podejścia pozwala na mniejszą powierzchnię i większy strumień ciepła, co zwiększa temperaturę ścianki i szybkość ługowania.
Wymóg czystości faworyzuje zatem niższą temperaturę podejścia i większy wymiennik ciepła. Kompromis-jest pomiędzy kosztem inwestycyjnym większego wymiennika ciepła a korzyścią w zakresie czystości wynikającą z niższego współczynnika wymywania.
Porównanie temperatur podejścia do obróbki półprzewodników na mokro
Poniższa tabela podsumowuje wielkość i wydajność wymiennika ciepła dla różnych temperatur podejścia w mokrej ławce półprzewodnikowej pracującej w temperaturze 140 stopni przy obciążeniu cieplnym 20 kW.
| Temperatura podejścia | LMTD | Wymagana powierzchnia | Strumień ciepła | Temperatura ścianki rurki | Szybkość wypłukiwania | Koszt kapitału |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 stopni | 4 stopnie | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 stopni | Bardzo niski | $52,000 |
| 10 stopni | 8 stopni | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 stopni | Niski | $32,000 |
| 15 stopni | 12 stopni | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 stopni | Umiarkowany | $24,000 |
| 20 stopni | 16 stopni | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 stopni | Wysoki | $19,000 |
| 25 stopni | 20 stopni | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 stopni | Bardzo wysoki | $16,000 |
| 30 stopni | 24 stopnie | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 stopni | Skrajny | $14,000 |
Temperaturę ścianki rury oblicza się na podstawie strumienia ciepła i oporu cieplnego ścianki rury dla ścianki z PTFE o grubości 0,8 mm. Szybkość wymywania to ocena jakościowa oparta na temperaturze ścianki i znanym zachowaniu PTFE podczas wymywania w środowisku kwasu-o wysokiej czystości.
Praktyczne granice temperatury podejścia
Praktyczne granice temperatury podejścia w obróbce półprzewodników na mokro są wyznaczane na podstawie kompromisu- pomiędzy rozmiarem wymiennika ciepła a temperaturą ścianki. Bardzo mała temperatura podejścia wymaga bardzo dużego wymiennika ciepła, który może nie zmieścić się w dostępnej przestrzeni. Bardzo duża temperatura podejścia wymaga bardzo wysokiej temperatury ścianki, która może przekroczyć próg degradacji PTFE.
W przypadku większości zastosowań w obróbce półprzewodników na mokro praktyczny zakres temperatur podejścia wynosi 10–20 stopni. Poniżej 10 stopni wymiennik ciepła staje się niepraktycznie duży. Powyżej 20 stopni temperatura ścianki staje się wystarczająco wysoka, aby przyspieszyć degradację PTFE i szybkość ługowania.
Cechy konstrukcyjne umożliwiające zastosowanie niższych temperatur podejścia
Kilka cech konstrukcyjnych pozwala na niższą temperaturę podejścia bez nadmiernego zwiększania rozmiaru wymiennika ciepła.
Materiał rury o wyższej przewodności.Wypełniony związek PTFE o przewodności cieplnej 0,5 W/m·K ma o połowę mniejszy opór cieplny ścianek niż pierwotny PTFE. Niższy opór pozwala na większy strumień ciepła przy tej samej temperaturze ściany, co zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Cieńsza ścianka rury.Cieńsza ściana zmniejsza opór cieplny i pozwala na większy strumień ciepła przy tej samej temperaturze ściany. Ściana o grubości 0,5 mm ma o połowę mniejszy opór cieplny niż ściana o grubości 1,0 mm.
Większa prędkość przepływu.Wyższa prędkość przepływu zwiększa współczynniki folii po obu stronach ścianki rury, co zwiększa ogólny współczynnik przenikania ciepła i zmniejsza wymaganą powierzchnię.
Zwiększona powierzchnia rury.Powierzchnia rury z żebrami lub rowkami zwiększa pole powierzchni na jednostkę długości i współczynnik folii. Ulepszona powierzchnia umożliwia niższą temperaturę podejścia bez nadmiernego zwiększania rozmiaru wymiennika ciepła.
Konfiguracja rozdzielonego wymiennika ciepła.Podział obciążenia cieplnego pomiędzy dwa mniejsze wymienniki ciepła pozwala każdemu urządzeniu pracować przy niższej temperaturze zbliżeniowej bez zajmowania miejsca w przypadku pojedynczego dużego urządzenia.
Parametry specyfikacji dla obróbki półprzewodników na mokro
Inżynierowie sprzętu wybierający wymiennik ciepła PTFE do obróbki półprzewodników na mokro powinni potwierdzić z dostawcą następujące parametry.
Temperatura procesu.Określ temperaturę procesu i tolerancję.
Temperatura płynu serwisowego.Określ temperaturę płynu roboczego i dostępne ciśnienie.
Temperatura zbliżona.Określ temperaturę podejścia w oparciu o tolerancję procesu i dostępność płynu roboczego.
Obciążenie cieplne i powierzchnia.Określ obciążenie cieplne i wymaganą powierzchnię.
Strumień ciepła.Określ maksymalny dopuszczalny strumień ciepła w oparciu o limit temperatury ściany.
Grubość ścianki rury.Określ grubość ścianki rury w oparciu o strumień ciepła i dopuszczalną temperaturę ścianki.
Materiał tuby.Określ materiał rury na podstawie temperatury ścianki i szybkości wymywania.
Wymóg czystości.Określ maksymalne dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń jonami metali, cząsteczkami i związkami organicznymi.
Ograniczenia przestrzenne.Określ dostępną przestrzeń i maksymalną dopuszczalną powierzchnię.
Dopasowanie temperatury podejścia do wymagań procesu
Temperatura podejścia określa LMTD, wymaganą powierzchnię i temperaturę ścianki rury w wymienniku ciepła PTFE do obróbki półprzewodników na mokro. Niższa temperatura podejścia wymaga większego wymiennika ciepła, ale zapewnia niższą temperaturę ścianek i mniejszą szybkość ługowania. Wyższa temperatura podejścia umożliwia zastosowanie mniejszego wymiennika ciepła, ale zwiększa temperaturę ścianki i szybkość ługowania.
Temperaturę podejścia należy wybrać w oparciu o tolerancję procesu, dostępność płynu roboczego, wymagania dotyczące czystości i ograniczenia przestrzenne. Prosty model arkusza kalkulacyjnego z obliczeniami przenikania ciepła i danymi o kosztach dostarcza informacji potrzebnych do wyboru optymalnej temperatury podejścia.
W przypadku zakładów zajmujących się mokrą obróbką półprzewodników oceniających opcje wymienników ciepła z PTFE, temperaturę podejścia należy określić w dokumentach zamówienia i zweryfikować podczas odbioru technicznego. Domyślna konfiguracja dostarczona przez producenta może zostać zoptymalizowana pod kątem zwartości, a nie czystości, a uzyskana temperatura ścianki może przekroczyć próg degradacji.
Inżynierowie sprzętu i specjaliści ds. zaopatrzenia oceniający specyfikacje wymienników ciepła PTFE do obróbki na mokro półprzewodników lub innych usług o wysokiej-czystości mogą poprosić o przegląd projektu obejmujący temperaturę procesu, temperaturę płynu roboczego, temperaturę podejścia, strumień ciepła, grubość ścianki rury i materiał rury, aby potwierdzić, że urządzenie jest dopasowane do rzeczywistych wymagań procesowych i ograniczeń czystości obiektu.
