Tilnærmingstemperaturen som bestemmer størrelsen
En våt halvlederbenk som driver en svovelsyre-hydrogenperoksidblanding ved 140 grader krever en varmeveksler for å opprettholde temperaturen. Servicevæsken er damp ved 160 grader, noe som gir en tilnærmingstemperatur på 20 grader.
Tilnærmingstemperaturen er forskjellen mellom servicefluidtemperaturen og prosessfluidtemperaturen på punktet der de to fluidene er nærmest. I en motstrømsvarmeveksler er den nærmeste tilnærmingen ved prosessuttaket og serviceuttaket. I en parallell-varmeveksler er den nærmeste tilnærmingen ved prosessutløpet og serviceinntaket.
For en gitt varmebelastning er det nødvendige overflatearealet omvendt proporsjonalt med log middeltemperaturdifferansen (LMTD), som er en funksjon av tilnærmingstemperaturen. En mindre tilnærmingstemperatur gir en mindre LMTD og krever et større overflateareal.
LMTD og overflatearealforhold
Loggmiddeltemperaturforskjellen beregnes fra temperaturforskjellene i de to endene av varmeveksleren. For et -motstrømsarrangement med et prosessinnløp på 140 grader, et prosessutløp på 140 grader (isoterm prosess), et serviceinntak på 160 grader og et serviceutløp på 150 grader, er LMTD omtrent 15 grader.
For en varmeveksler som leverer 20 kW med en samlet varmeoverføringskoeffisient på 200 W/m²·K og en LMTD på 15 grader, er det nødvendige overflatearealet 6,7 m². Hvis tilnærmingstemperaturen reduseres til 10 grader, synker LMTD til ca. 7,5 grader, og det nødvendige overflatearealet øker til 13,3 m².
Overflatearealet dobles når innflygingstemperaturen halveres. Kapitalkostnaden øker proporsjonalt, og fotavtrykket øker også. I halvlederbenker, hvor den tilgjengelige plassen er begrenset, kan det hende at det større overflatearealet ikke er mulig.
Prosesstemperaturtoleransebegrensningen
Tilnærmingstemperaturen er begrenset av prosesstemperaturtoleransen. Ved våtbehandling av halvledere må prosesstemperaturen holdes innenfor en toleranse som typisk er ±1 grad eller strammere. Tjenestevæsketemperaturen må være høy nok til å drive varmeoverføringen, men ikke så høy at den overskrider prosesstemperaturen.
Hvis servicevæsketemperaturen er for nær prosesstemperaturen, er varmeoverføringshastigheten lav, og varmeveksleren må være stor. Hvis servicevæsketemperaturen er for høy, kan prosesstemperaturen overskride under transienter, og kontrollsystemet må være mer sofistikert.
Den optimale tilnærmingstemperaturen er den som balanserer varmevekslerstørrelsen mot kontrollkompleksiteten. En høyere tilnærmingstemperatur reduserer størrelsen på varmeveksleren, men øker kontrollkompleksiteten og risikoen for overskridelse. En lavere tilnærmingstemperatur øker varmevekslerstørrelsen, men gir mer kontrollmargin.
Tjenestevæsketilgjengelighetsbegrensningen
Tilnærmingstemperaturen er også begrenset av tilgjengeligheten av servicefluid. Damp er tilgjengelig ved et begrenset antall trykk, og den mettede temperaturen som tilsvarer hvert trykk er fast. For en prosess ved 140 grader gir damp ved 4 bar en mettet temperatur på 152 grader, noe som gir en tilnærmingstemperatur på 12 grader. Damp ved 6 bar gir en mettet temperatur på 165 grader, noe som gir en tilnærmingstemperatur på 25 grader.
Valget av damptrykk bestemmer tilnærmingstemperaturen og varmevekslerens størrelse. Et høyere damptrykk gir en større tilnærmingstemperatur og en mindre varmeveksler, men den høyere temperaturen øker rørveggtemperaturen og nedbrytningshastigheten til PTFE.
Renhetsbegrensningen i halvledertjenesten
Ved halvledervåt prosessering må varmeveksleren ikke tilføre forurensning i prosessvæsken. Rørveggtemperaturen påvirker utlutningshastigheten til PTFE, og en høyere veggtemperatur øker utlutningshastigheten. Tilnærmingstemperaturen bestemmer veggtemperaturen for en gitt varmefluks.
En mindre tilnærmingstemperatur krever et større overflateareal og en lavere varmefluks, noe som reduserer rørveggstemperaturen og utlutningshastigheten. En større tilnærmingstemperatur tillater et mindre overflateareal og en høyere varmefluks, noe som øker veggtemperaturen og utvaskingshastigheten.
Renhetskravet favoriserer derfor en mindre innløpstemperatur og en større varmeveksler. Avveiningen- er mellom kapitalkostnaden til den større varmeveksleren og renhetsfordelen ved lavere utvaskingshastighet.
Sammenligning av tilnærmingstemperaturer for våtbehandling av halvledere
Følgende tabell oppsummerer varmevekslerens størrelse og ytelse for forskjellige tilnærmingstemperaturer i en halvleder-våtbenk som opererer ved 140 grader med en varmebelastning på 20 kW.
| Tilnærmingstemperatur | LMTD | Nødvendig overflate | Varmefluks | Rørveggtemperatur | Utvaskingshastighet | Kapitalkostnad |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 grader | 4 grader | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 grader | Veldig lavt | $52,000 |
| 10 grader | 8 grader | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 grader | Lav | $32,000 |
| 15 grader | 12 grader | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 grader | Moderat | $24,000 |
| 20 grader | 16 grader | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 grader | Høy | $19,000 |
| 25 grader | 20 grader | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 grader | Veldig høy | $16,000 |
| 30 grader | 24 grader | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 grader | Ekstrem | $14,000 |
Rørveggtemperaturen beregnes fra varmefluksen og rørveggens termiske motstand for en 0,8 mm PTFE-vegg. Utvaskingshastigheten er en kvalitativ vurdering basert på veggtemperaturen og den kjente utlutingsatferden til PTFE i høy-syretjeneste.
De praktiske grensene for tilnærmingstemperatur
De praktiske grensene for tilnærmingstemperatur i våtbehandling av halvledere bestemmes av avveiningen- mellom størrelsen på varmeveksleren og veggtemperaturen. En veldig liten tilnærmingstemperatur krever en veldig stor varmeveksler, som kanskje ikke får plass i den tilgjengelige plassen. En veldig høy tilnærmingstemperatur krever en veldig høy veggtemperatur, som kan overstige nedbrytningsterskelen til PTFE.
For de fleste våtbehandlingsapplikasjoner for halvledere er det praktiske temperaturområdet 10–20 grader. Under 10 grader blir varmeveksleren upraktisk stor. Over 20 grader blir veggtemperaturen høy nok til å akselerere PTFE-nedbrytningen og utvaskingshastigheten.
Designfunksjoner som tillater mindre tilnærmingstemperaturer
Flere designfunksjoner tillater en lavere tilnærmingstemperatur uten en for stor økning i varmevekslerstørrelsen.
Rørmateriale med høyere ledningsevne.En fylt PTFE-forbindelse med en termisk ledningsevne på 0,5 W/m·K har halvparten av veggens varmemotstand til virgin PTFE. Den lavere motstanden tillater en høyere varmefluks for samme veggtemperatur, noe som reduserer det nødvendige overflatearealet.
Tynnere rørvegg.En tynnere vegg reduserer den termiske motstanden og tillater en høyere varmefluks for samme veggtemperatur. En 0,5 mm vegg har halvparten av termisk motstand av en 1,0 mm vegg.
Høyere strømningshastighet.En høyere strømningshastighet øker filmkoeffisientene på begge sider av rørveggen, noe som øker den totale varmeoverføringskoeffisienten og reduserer det nødvendige overflatearealet.
Forbedret røroverflate.En røroverflate med finner eller spor øker overflatearealet per lengdeenhet og filmkoeffisienten. Den forbedrede overflaten tillater en lavere tilnærmingstemperatur uten en for stor økning i varmevekslerstørrelsen.
Delt varmevekslerkonfigurasjon.Ved å dele varmebelastningen mellom to mindre varmevekslere kan hver enhet operere ved en lavere tilnærmingstemperatur uten plassstraff for en enkelt stor enhet.
Spesifikasjonsparametre for halvleder våt prosessering
Utstyrsingeniører som spesifiserer en PTFE-varmeveksler for våtbehandling av halvledere, bør bekrefte følgende parametere med leverandøren.
Prosesstemperatur.Spesifiser prosesstemperaturen og toleransen.
Servicevæsketemperatur.Spesifiser servicevæsketemperaturen og tilgjengelig trykk.
Nærmer seg temperatur.Spesifiser tilnærmingstemperaturen basert på prosesstoleransen og tilgjengeligheten av servicevæske.
Varmebelastning og overflateareal.Spesifiser varmebelastningen og nødvendig overflate.
Varmefluks.Angi maksimalt tillatt varmefluks basert på veggtemperaturgrensen.
Rørveggtykkelse.Spesifiser rørets veggtykkelse basert på varmefluksen og tillatt veggtemperatur.
Rørmateriale.Spesifiser rørmaterialet basert på veggtemperaturen og utvaskingshastigheten.
Renhetskrav.Spesifiser maksimalt tillatte forurensningsnivåer for metallioner, partikler og organiske forbindelser.
Plassbegrensninger.Spesifiser tilgjengelig plass og maksimalt tillatt fotavtrykk.
Matchende tilnærmingstemperatur til prosesskrav
Tilnærmingstemperaturen bestemmer LMTD, det nødvendige overflatearealet og rørveggtemperaturen i en PTFE varmeveksler for halvleder våt prosessering. En mindre tilnærmingstemperatur krever en større varmeveksler, men gir lavere veggtemperatur og lavere utvaskingshastighet. En større tilnærmingstemperatur tillater en mindre varmeveksler, men øker veggtemperaturen og utvaskingshastigheten.
Tilnærmingstemperaturen bør velges basert på prosesstoleransen, tilgjengeligheten av servicevæske, renhetskravet og plassbegrensningene. En enkel regnearkmodell med varmeoverføringsberegningen og kostnadsdataene gir informasjonen som trengs for å velge den optimale tilnærmingstemperaturen.
For våtbehandlingsanlegg for halvledere som evaluerer alternativer for PTFE-varmeveksler, bør tilnærmingstemperaturen spesifiseres i anskaffelsesdokumentene og verifiseres ved igangkjøring. Standardkonfigurasjonen gitt av produsenten kan være optimalisert for kompakthet i stedet for renhet, og den resulterende veggtemperaturen kan overstige nedbrytningsterskelen.
Utstyrsingeniører og anskaffelsesspesialister som evaluerer PTFE-varmevekslerspesifikasjoner for halvledervåtbehandling eller annen høy-renhetstjeneste kan be om en designgjennomgang som dekker prosesstemperatur, servicevæsketemperatur, tilnærmingstemperatur, varmefluks, rørveggtykkelse og rørmateriale for å bekrefte at enheten er tilpasset de faktiske prosesskravene og renhetsbegrensningene til anlegget.
