隨著電子工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)TFT-LCD(液晶面板)半導(dǎo)體行業(yè)也出現(xiàn)與日俱增的局面。投資大，風(fēng)險(xiǎn)高是建設(shè)半導(dǎo)體廠房的一大特點(diǎn)，作為支持生產(chǎn)工藝穩(wěn)定運(yùn)行的工藝(制程)冷卻水系統(tǒng)，如何做到最優(yōu)化，最合理可靠的設(shè)計(jì)，以最小的投資，最好的回報(bào)，最大的節(jié)能，無疑是半導(dǎo)體工程行業(yè)設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意的問題，本文簡要介紹本工程設(shè)計(jì)實(shí)例，并就此系統(tǒng)設(shè)計(jì)，列出此系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)問題，淺述自己的看法，以期與同行共同提高。
1、系統(tǒng)概況及特點(diǎn)
1．1 系統(tǒng)概況
在半導(dǎo)體廠房中工藝?yán)鋮s水(或稱制程冷卻水、工藝設(shè)備冷卻水、簡寫：PCW)系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)工藝設(shè)備的冷卻，①且管網(wǎng)多采用密閉循環(huán)形式。本TFT廠房工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)主要用于TFT生產(chǎn)工藝設(shè)備的冷卻，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由三個(gè)環(huán)路組成，一個(gè)環(huán)路負(fù)責(zé)冷卻水的“制備”，即高溫水箱中的水由循環(huán)水泵提壓，經(jīng)熱交換器冷卻后進(jìn)入低溫水箱，此部分管路稱為一次側(cè)環(huán)路。二次側(cè)環(huán)路負(fù)責(zé)冷卻水的輸配，既低溫水箱中的水經(jīng)循環(huán)水泵提壓，過濾，由輸水管線送到生產(chǎn)工藝車間與工藝介質(zhì)熱交換，交換后的高溫水沿回水管線流回高溫水箱。另一環(huán)路即為冷媒側(cè)冷凍水供回水環(huán)路，經(jīng)冷機(jī)制備的冷凍水經(jīng)輸水管路至交換器冷量交換后回到冷機(jī)側(cè)。
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可簡單表述為系統(tǒng)流程簡圖圖1。
�、儆兴涞难h(huán)水系統(tǒng)均為開式系統(tǒng)，無水箱采用定壓罐定壓的為閉式循環(huán)系統(tǒng)
系統(tǒng)供水水質(zhì)要求：
冷卻水溫度Cooling-water supply temperature：20℃
酸堿度Acidity(PH)：6.5~8.0;
最大粒徑顆粒Maximum particale size：≤0.03mm2;
硬度Hardness:＜100ppm;
電阻率Resistivity:＞1KΩ•cm;
總?cè)芙夤腆w(濁度)Solids(Turbidity)：＜100ppm;
系統(tǒng)供回水管路布置形式：同程式管路布置設(shè)計(jì)。
冷媒系統(tǒng)：13~18℃冷凍水系統(tǒng)。
管道材質(zhì)：冷凍水系統(tǒng)(冷媒)采用普通鋼管，工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)采用不銹鋼管。
連接方式：焊接連接。
1．2系統(tǒng)特點(diǎn)
工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同要求，設(shè)計(jì)上會(huì)有或多或少的差別，本TFT廠房工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)和一般工業(yè)廠房循環(huán)冷卻水系統(tǒng)比較，有類似的地方，但亦存在不少差別，
本工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)特點(diǎn)如下：
(1)系統(tǒng)較一般工業(yè)系統(tǒng)循環(huán)水水質(zhì)要求較高，且系統(tǒng)補(bǔ)水一般使用RO水或超純水，系統(tǒng)在輸水管網(wǎng)前端經(jīng)過5um，99%的過濾器微過濾，在輸水管網(wǎng)末端某些設(shè)備使用點(diǎn)，對水質(zhì)要求更高，比如爆光機(jī)，CVD等設(shè)備，要單獨(dú)設(shè)置精密過濾器，為保證系統(tǒng)可靠性，末端過濾器采用一用一備。
(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為閉式循環(huán)系統(tǒng)(②你這個(gè)屬于開式循環(huán)系統(tǒng))，管網(wǎng)布置形式采用同程管路布置設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是：
1)水在管路內(nèi)密閉循環(huán)，不與大氣接觸，可以有效防止二次污染(水質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生二次污染)；
2)水泵安裝位置選擇簡易，可以安裝在系統(tǒng)任何位置(③開篇說本系統(tǒng)包括3個(gè)環(huán)路，這里具體指哪個(gè)環(huán)路？)，運(yùn)行過程中整個(gè)系統(tǒng)充滿水，水泵揚(yáng)程只需克服循環(huán)阻力，不需克服水柱的靜壓力，動(dòng)力節(jié)省，通常情況下，考慮維護(hù)檢修方便，水泵及系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備均會(huì)設(shè)置在單獨(dú)的設(shè)備機(jī)械室，本系統(tǒng)在主廠房輔房設(shè)有單獨(dú)的設(shè)備冷卻機(jī)械室；
3)采用同程式布置，每一環(huán)路管路的長度大致相等，各機(jī)組(④機(jī)組還是工藝設(shè)備？)的水阻力大致相等，因此各機(jī)組的流量大致等于設(shè)計(jì)流量，系統(tǒng)水力平衡性較好。
(3)系統(tǒng)管道材質(zhì)要求相對較高，這一點(diǎn)同系統(tǒng)對水質(zhì)要求相關(guān)，采用不銹鋼材質(zhì)的管道，即能有效避免在管網(wǎng)輸水工程中管道對水質(zhì)產(chǎn)生的影響，又能滿足系統(tǒng)長期運(yùn)行的需要，若采用一般空調(diào)水所使用的碳鋼鋼管，長時(shí)間運(yùn)行，管道很容易銹蝕，造成水質(zhì)污染，根據(jù)其他類似電子廠房設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用普通不銹鋼管是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。據(jù)工藝用超純水設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在水的電阻率高于1MΩ•cm時(shí)，就不宜采用普通不銹鋼管，(⑤我記得醫(yī)藥項(xiàng)目5MΩ•cm的純水系統(tǒng)也有用304不銹鋼管的？)此時(shí)不銹鋼管與純水之間的過氧化作用會(huì)產(chǎn)生銹蝕的針孔腐蝕效應(yīng)，除污染水質(zhì)外，也可造成管道的泄露，本冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)要求不及工藝用超純水的嚴(yán)格，故無須考慮此影響。
(4)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，對控制要求較高，主要包括對供水水溫、供水壓力以及水泵的運(yùn)行控制。對水溫的控制，要保證系統(tǒng)提供可靠的20℃的冷卻水；對供水壓力的控制，要保證系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定可靠的動(dòng)力源；在水泵運(yùn)行的控制方式上，除要求整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，還要力求運(yùn)行過程中的節(jié)能。
2、工藝?yán)鋮s水系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)問題
2．1 二次泵系統(tǒng)中水箱(緩沖水槽)平衡問題
二次泵系統(tǒng)中水箱平衡問題即高溫水箱和低溫水箱之間的水平衡問題，本系統(tǒng)水箱平衡除考慮兩水箱的容積和連通管的設(shè)置，還要考慮一次側(cè)環(huán)路和二次側(cè)環(huán)路水泵的選型，兩水箱的容積對于循環(huán)水泵的吸水段起到系統(tǒng)緩沖作用，兩水箱連通管的設(shè)置既要能保證兩水箱間在用水差異時(shí)的平衡，又要能保證高溫水箱中的水不會(huì)過多流入低溫水箱，否則低溫水箱冷卻水水溫將很難得到保證，在水泵選型上，除要考慮一次側(cè)環(huán)路和二次側(cè)環(huán)路水泵的流量一致性，還要考慮兩環(huán)路循環(huán)水泵的不同控制方式，在運(yùn)行方式上，一次側(cè)環(huán)路可以采用定流量控制，而二次側(cè)環(huán)路可采用變流量控制。這樣的控制方式既能有助于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，又有助于系統(tǒng)的節(jié)能。
2．2 一次和二次泵選型問題
在水泵的選型上，要做到選泵合理，就要綜合考慮水泵機(jī)組和運(yùn)行費(fèi)用等綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使之符合經(jīng)濟(jì)、安全、適用的原則。具體來說，所選水泵機(jī)組必須滿足使用流量和揚(yáng)程的要求，即要求泵的運(yùn)行工況點(diǎn)(裝置特性曲線與泵的性能曲線的交點(diǎn))經(jīng)常保持在高效區(qū)間運(yùn)行，這樣既節(jié)省動(dòng)力又不易損壞機(jī)件；所選水泵機(jī)組既要體積小、重量輕、造價(jià)低，又要具有良好的特性和較高的效率；另外 所選水泵具有良好的抗汽蝕性能，這樣既能保證水泵運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長，又能降低運(yùn)行費(fèi)用，工程投資少。
本系統(tǒng)在一次和二次泵選型上，水泵流量以生產(chǎn)工藝設(shè)備給出的最大循環(huán)流量考慮，同時(shí)考慮到未來工藝的改造擴(kuò)產(chǎn)，考慮一定的余量。當(dāng)生產(chǎn)工藝設(shè)備不能給出最大流量，或只能給出正常流量時(shí)，水泵流量的選取要有一定的富余系數(shù)。水泵揚(yáng)程只考慮克服水循環(huán)的阻力，而不需克服水柱的靜壓力，一次泵和二次泵揚(yáng)程均通過系統(tǒng)阻力計(jì)算可得。
在水泵材質(zhì)的選擇上，水泵的本體采用不銹鋼材質(zhì)，這樣可以很好避免對水質(zhì)可能造成的污染，缺點(diǎn)只是造價(jià)稍高，本系統(tǒng)一次側(cè)選用三臺(tái)立式循環(huán)泵，二次側(cè)選用三臺(tái)臥式循環(huán)泵，均按兩用一備考慮設(shè)置。
2．3 過濾器選型與設(shè)計(jì)要求問題
水過濾器或過濾裝置的選擇，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的又一關(guān)鍵問題，半導(dǎo)體設(shè)備對水質(zhì)的要求較高，因此前端過濾器選擇，除要考慮后續(xù)管路可能對水質(zhì)的影響，還要兼顧考慮不同工藝設(shè)備水質(zhì)要求的差異，本系統(tǒng)前端過濾器選用5um，99%過濾要求的不銹鋼過濾器，末端過濾器選擇根據(jù)末端工藝設(shè)備的水質(zhì)要求確定，另外選擇過濾器時(shí)還要考慮其工作壓力，密封圈密封嚴(yán)密性問題以及是否便于反洗或更換濾芯，切忌在低于水泵最大揚(yáng)程下工作，或過濾器工作壓力正常情況下能滿足要求(⑥語句不通)，水泵運(yùn)行不平穩(wěn)時(shí)(比如工頻運(yùn)行時(shí))出現(xiàn)泄露，本問題在同類工程上出現(xiàn)過，應(yīng)引起相關(guān)工程人員注意。
2．4 熱交換器的選型問題
目前市場上，熱交換器種類繁多，按其形式可分管殼式，板式，板翅式，熱管式等。本系統(tǒng)綜合考慮下，選用板式熱交換器，相比較而言，板式熱交換器具有占地面積小，傳熱面積大的優(yōu)點(diǎn)，考慮到半導(dǎo)體廠房空間面積造價(jià)特點(diǎn)，優(yōu)選占地面積小的設(shè)備，節(jié)約用地面積，節(jié)省了工程造價(jià)。選型要滿足設(shè)計(jì)流量下的熱交換量，并且在最大流量及壓力時(shí)不能產(chǎn)生變形或振動(dòng)，并符合一側(cè)無壓力時(shí)仍可承受最大操作壓力。
2．5 冷媒選擇及防結(jié)露保溫問題
本系統(tǒng)冷媒來自于冷凍站13~18℃冷機(jī)冷凍水系統(tǒng)，不同于目前一般工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)通常采用冷卻塔冷卻后水作為熱質(zhì)交換的冷源形式。主要考慮系統(tǒng)對水溫的要求較低，同時(shí)綜合考慮了整個(gè)廠房系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(冷凍水使用點(diǎn)除作為空調(diào)水使用外，還有諸如超純水制備等系統(tǒng)冷源)，整個(gè)系統(tǒng)除凈房空間外都需要防結(jié)露保溫措施，保溫材料采用當(dāng)前普遍采用的橡塑保溫棉，保溫材料的厚度要根據(jù)計(jì)算確定，切不可憑經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致出現(xiàn)偏薄不滿足要求而結(jié)露或過厚浪費(fèi)的情況。
2．6 自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
本系統(tǒng)PLC模塊自控系統(tǒng)的設(shè)置，既保證了系統(tǒng)能在正常情況下自動(dòng)運(yùn)行，對系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能，起到了關(guān)鍵性的作用。
(1) 供水水溫的控制
根據(jù)工藝設(shè)備對供水溫度的需求，本系統(tǒng)對供水溫度要求控制在20℃，供水溫度通過安裝在輸水管道上溫度傳感器采集，傳輸?shù)絇LC運(yùn)算控制模塊，控制冷凍水側(cè)電動(dòng)閥開啟度調(diào)節(jié)冷凍水側(cè)流量，從而控制板換冷量交換，使冷卻水達(dá)到20℃的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。(⑦工藝水的水溫依賴的是低溫水箱內(nèi)的水溫，低溫水箱水溫的影響因素包括一次側(cè)跟冷凍水換熱后的進(jìn)水，也包括高溫水箱流入低溫水箱的水溫影響，也包括環(huán)境溫度，水箱容積也對水溫調(diào)節(jié)的靈敏產(chǎn)生影響,二次側(cè)水泵的變流量運(yùn)行也對水溫有影響)
(2)供水電導(dǎo)率的控制
控制供水電導(dǎo)率其實(shí)是間接反映對供水水質(zhì)的控制，系統(tǒng)高溫水箱補(bǔ)水采用RO水及超純水，電阻率高于1.0KΩ•CM。當(dāng)安裝在高溫水箱中的電導(dǎo)率測試儀檢測到電導(dǎo)率不滿足設(shè)定要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將此信號傳到PLC控制模塊，PLC經(jīng)運(yùn)算控制超純水補(bǔ)水管路上電動(dòng)閥開啟度確定補(bǔ)水量。另外為防止水箱中水與大氣直接接觸，影響水的電導(dǎo)率，采用氮封保護(hù)水質(zhì)。(⑧高低溫水池里面設(shè)置氮封了？壓力多大？)
(3)供水壓力控制
對系統(tǒng)供水進(jìn)行控制，使其維持在一定壓力下，體現(xiàn)在對二次水泵控制方式上。本系統(tǒng)二次泵采用變頻調(diào)速控制，即通過系統(tǒng)供水壓力來調(diào)節(jié)變頻器頻率。本系統(tǒng)設(shè)定供水壓力值為0.5MPa。壓力傳感器0~10V信號對應(yīng)變頻器的30~40Hz。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.5MPa時(shí),變頻器頻率升高，以使系統(tǒng)維持0.5MPa的供水壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于0.5MPa時(shí)，變頻器頻率降低。同時(shí)壓力傳感器控制水泵出口端回水電動(dòng)閥的啟閉，當(dāng)壓力大于設(shè)定值(0.5MPa)時(shí)，電動(dòng)閥打開，以防止系統(tǒng)壓力過高，對后續(xù)管路尤其是工藝設(shè)備產(chǎn)生影響。
結(jié)語：國內(nèi)大型半導(dǎo)體廠房建設(shè)，多由國外或臺(tái)資公司總包，工藝設(shè)計(jì)也多由日本公司或臺(tái)資公司完成，工藝?yán)鋮s水作為支持半導(dǎo)體關(guān)鍵性一環(huán)，其設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)廠房系統(tǒng)工藝設(shè)備能否正常運(yùn)行，本文也只是粗淺地談?wù)勱P(guān)乎系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，當(dāng)然還有一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)需要在今后的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中不斷完善。