Pristopna temperatura, ki določa velikost
Polprevodniška mokra miza, ki deluje z mešanico žveplove kisline-vodikovega peroksida pri 140 stopinjah, potrebuje toplotni izmenjevalnik za vzdrževanje temperature. Servisna tekočina je para pri 160 stopinjah, kar zagotavlja pristopno temperaturo 20 stopinj.
Pristopna temperatura je razlika med temperaturo delovne tekočine in temperaturo procesne tekočine na točki, kjer sta si tekočini najbližje. Pri proti{1}}toplotnem izmenjevalniku je najbližji pristop na izhodu procesa in izhodu servisa. V izmenjevalniku toplote z vzporednim{3}}tokom je najbližji pristop na izhodu iz procesa in vhodu v servis.
Za določeno toplotno obremenitev je zahtevana površina obratno sorazmerna z logaritemsko srednjo temperaturno razliko (LMTD), ki je funkcija pristopne temperature. Nižja pristopna temperatura povzroči manjši LMTD in zahteva večjo površino.
Razmerje med LMTD in površino
Log povprečne temperaturne razlike se izračuna iz temperaturnih razlik na obeh koncih izmenjevalnika toplote. Za ureditev proti{1}}toka s procesnim vstopom pri 140 stopinjah, procesnim izstopom pri 140 stopinjah (izotermični proces), servisnim dovodom pri 160 stopinjah in servisnim izhodom pri 150 stopinjah je LMTD približno 15 stopinj.
Za izmenjevalnik toplote, ki oddaja 20 kW s skupnim koeficientom toplotnega prehoda 200 W/m²·K in LMTD 15 stopinj, je zahtevana površina 6,7 m². Če se temperatura pristopa zmanjša na 10 stopinj, LMTD pade na približno 7,5 stopinj, zahtevana površina pa se poveča na 13,3 m².
Površina se podvoji, ko se približna temperatura prepolovi. Stroški kapitala se sorazmerno povečujejo, povečuje pa se tudi odtis. Pri polprevodniških mokrih mizah, kjer je razpoložljivi prostor omejen, večja površina morda ne bo izvedljiva.
Omejitev tolerance temperature procesa
Pristopna temperatura je omejena s toleranco temperature procesa. Pri mokri obdelavi polprevodnikov je treba temperaturo postopka vzdrževati znotraj tolerance, ki je običajno ±1 stopinja ali manj. Temperatura servisne tekočine mora biti dovolj visoka, da spodbuja prenos toplote, vendar ne tako visoka, da bi presegla temperaturo procesa.
Če je temperatura servisne tekočine preblizu temperaturi procesa, je stopnja prenosa toplote nizka in toplotni izmenjevalnik mora biti velik. Če je temperatura servisne tekočine previsoka, se lahko temperatura procesa med prehodnimi pojavi preseže, zato mora biti krmilni sistem bolj izpopolnjen.
Optimalna pristopna temperatura je tista, ki uravnoteži velikost izmenjevalnika toplote s kompleksnostjo krmiljenja. Višja pristopna temperatura zmanjša velikost izmenjevalnika toplote, vendar poveča kompleksnost krmiljenja in tveganje prekoračitve. Nižja pristopna temperatura poveča velikost izmenjevalnika toplote, vendar zagotavlja večjo rezervo nadzora.
Omejitev razpoložljivosti servisne tekočine
Pristopna temperatura je omejena tudi z razpoložljivostjo servisne tekočine. Para je na voljo pri omejenem številu tlakov in nasičena temperatura, ki ustreza vsakemu tlaku, je fiksna. Za proces pri 140 stopinjah para pri 4 barih zagotavlja nasičeno temperaturo 152 stopinj, kar daje pristopno temperaturo 12 stopinj. Para pri 6 barih zagotavlja nasičeno temperaturo 165 stopinj, kar daje pristopno temperaturo 25 stopinj.
Izbira tlaka pare določa temperaturo pristopa in velikost izmenjevalnika toplote. Višji tlak pare zagotavlja večjo pristopno temperaturo in manjši izmenjevalnik toplote, vendar višja temperatura poveča temperaturo stene cevi in stopnjo razgradnje PTFE.
Omejitev čistosti v polprevodniških storitvah
Pri mokri obdelavi polprevodnikov toplotni izmenjevalnik ne sme vnašati kontaminacije v procesno tekočino. Temperatura stene cevi vpliva na hitrost izpiranja PTFE, višja temperatura stene pa poveča stopnjo izpiranja. Pristopna temperatura določa temperaturo stene za dani toplotni tok.
Nižja pristopna temperatura zahteva večjo površino in nižji toplotni tok, kar zmanjša temperaturo stene cevi in hitrost izpiranja. Višja pristopna temperatura omogoča manjšo površino in večji toplotni tok, kar poveča temperaturo stene in hitrost izpiranja.
Zahteva glede čistosti je torej naklonjena nižji pristopni temperaturi in večjemu izmenjevalniku toplote. Kompromis-je med kapitalskimi stroški večjega toplotnega izmenjevalnika in prednostjo čistosti zaradi nižje stopnje izpiranja.
Primerjava pristopnih temperatur za mokro obdelavo polprevodnikov
Naslednja tabela povzema velikost in zmogljivost izmenjevalnika toplote za različne pristopne temperature v polprevodniški mokri napravi, ki deluje pri 140 stopinjah s toplotno obremenitvijo 20 kW.
| Temperatura pristopa | LMTD | Zahtevana površina | Toplotni tok | Temperatura stene cevi | Stopnja izpiranja | Stroški kapitala |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 stopinj | 4 stopinja | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 stopinj | Zelo nizko | $52,000 |
| 10 stopinj | 8 stopinj | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 stopinj | Nizka | $32,000 |
| 15 stopinj | 12 stopinj | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 stopinj | Zmerno | $24,000 |
| 20 stopinj | 16 stopinj | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 stopinj | visoko | $19,000 |
| 25 stopinj | 20 stopinj | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 stopinj | Zelo visoko | $16,000 |
| 30 stopinj | 24 stopinj | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 stopinj | Ekstremno | $14,000 |
Temperatura stene cevi se izračuna iz toplotnega toka in toplotnega upora stene cevi za steno PTFE debeline 0,8 mm. Hitrost izpiranja je kvalitativna ocena, ki temelji na temperaturi stene in znanem obnašanju PTFE pri izpiranju v-kislini visoke čistosti.
Praktične meje približne temperature
Praktične meje pristopne temperature pri mokri obdelavi polprevodnikov so določene s kompromisom-med velikostjo izmenjevalnika toplote in temperaturo stene. Zelo nizka pristopna temperatura zahteva zelo velik izmenjevalnik toplote, ki morda ne ustreza razpoložljivemu prostoru. Zelo visoka pristopna temperatura zahteva zelo visoko temperaturo stene, ki lahko preseže prag razgradnje PTFE.
Za večino aplikacij za mokro obdelavo polprevodnikov je praktično temperaturno območje pristopa 10–20 stopinj. Pod 10 stopinj postane izmenjevalnik toplote nepraktično velik. Nad 20 stopinj postane temperatura stene dovolj visoka, da pospeši razgradnjo PTFE in hitrost izpiranja.
Oblikovne značilnosti, ki omogočajo nižje približne temperature
Več konstrukcijskih značilnosti omogoča nižjo pristopno temperaturo brez pretiranega povečanja velikosti izmenjevalnika toplote.
Material cevi z večjo prevodnostjo.Polnjena PTFE zmes s toplotno prevodnostjo 0,5 W/m·K ima polovico manjšo toplotno odpornost stene kot prvi PTFE. Manjši upor omogoča večji toplotni tok pri enaki temperaturi stene, kar zmanjša zahtevano površino.
Tanjša stena cevi.Tanjša stena zmanjša toplotni upor in omogoča večji toplotni tok pri enaki temperaturi stene. Stena debeline 0,5 mm ima polovico manjšo toplotno odpornost kot stena debeline 1,0 mm.
Večja hitrost pretoka.Večja hitrost pretoka poveča koeficient filma na obeh straneh stene cevi, kar poveča skupni koeficient prenosa toplote in zmanjša zahtevano površino.
Izboljšana površina cevi.Površina cevi z rebri ali utori poveča površino na enoto dolžine in koeficient filma. Izboljšana površina omogoča nižjo pristopno temperaturo brez pretiranega povečanja velikosti izmenjevalnika toplote.
Konfiguracija razdeljenega izmenjevalnika toplote.Razdelitev toplotne obremenitve med dva manjša izmenjevalnika toplote omogoča, da vsaka enota deluje pri nižji pristopni temperaturi brez porabe prostora ene same velike enote.
Parametri specifikacije za mokro obdelavo polprevodnikov
Inženirji opreme, ki določajo toplotni izmenjevalnik PTFE za mokro obdelavo polprevodnikov, morajo pri dobavitelju potrditi naslednje parametre.
Temperatura procesa.Določite temperaturo postopka in toleranco.
Temperatura servisne tekočine.Določite temperaturo servisne tekočine in razpoložljivi tlak.
Temperatura pristopa.Določite temperaturo pristopa glede na toleranco procesa in razpoložljivost servisne tekočine.
Toplotna obremenitev in površina.Določite toplotno obremenitev in zahtevano površino.
Toplotni tok.Določite največji dovoljeni toplotni tok na podlagi omejitve temperature stene.
Debelina stene cevi.Določite debelino stene cevi glede na toplotni tok in dovoljeno temperaturo stene.
Material cevi.Določite material cevi glede na temperaturo stene in stopnjo izpiranja.
Zahteva glede čistosti.Določite najvišje dovoljene ravni onesnaženja za kovinske ione, delce in organske spojine.
Prostorske omejitve.Določite razpoložljivi prostor in največji dovoljeni odtis.
Ujemanje pristopne temperature z zahtevami procesa
Pristopna temperatura določa LMTD, zahtevano površino in temperaturo stene cevi v toplotnem izmenjevalniku PTFE za mokro obdelavo polprevodnikov. Nižja pristopna temperatura zahteva večji izmenjevalnik toplote, vendar zagotavlja nižjo temperaturo stene in nižjo stopnjo izpiranja. Višja pristopna temperatura omogoča manjši izmenjevalnik toplote, vendar poveča temperaturo stene in stopnjo izpiranja.
Pristopno temperaturo je treba izbrati na podlagi tolerance postopka, razpoložljivosti servisne tekočine, zahteve glede čistosti in prostorskih omejitev. Preprost model preglednice z izračunom prenosa toplote in podatki o stroških nudi informacije, potrebne za izbiro optimalne pristopne temperature.
Za naprave za mokro obdelavo polprevodnikov, ki ocenjujejo možnosti toplotnega izmenjevalnika PTFE, je treba temperaturo pristopa določiti v dokumentaciji javnega naročila in preveriti ob zagonu. Privzeta konfiguracija, ki jo zagotovi proizvajalec, je lahko optimizirana za kompaktnost in ne za čistost, posledična temperatura stene pa lahko preseže prag degradacije.
Inženirji opreme in strokovnjaki za nabavo, ki ocenjujejo specifikacije toplotnega izmenjevalnika PTFE za mokro obdelavo polprevodnikov ali druge storitve visoke-čistosti, lahko zahtevajo pregled načrta, ki zajema temperaturo procesa, temperaturo servisne tekočine, temperaturo pristopa, toplotni tok, debelino stene cevi in material cevi, da potrdijo, da se enota ujema z dejanskimi zahtevami procesa in omejitvami glede čistosti v obratu.
