半導體廠房工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計

盧抒懌

摘要：鑒于半導體工藝生產(chǎn)對工藝設備機臺的溫控有著較高的要求，工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)因其可控性高、可循環(huán)利用等特性，被越來越多的運用在半導體工業(yè)生產(chǎn)中。本文通過結(jié)合設計規(guī)范及實際工程案例，就半導體廠房的工藝循環(huán)水系統(tǒng)設計方案進行剖析，并對冷卻水量的計算，管線路由的設置，設備選型等關(guān)鍵參數(shù)的設定進行分析，可作為常規(guī)設計的參考。

關(guān)鍵詞：工藝循環(huán)冷卻水;半導體;冷卻塔;冷卻水補水量;加藥裝置

引言：現(xiàn)代半導體工業(yè)發(fā)展迅猛，隨著產(chǎn)品良率要求的不斷增高，對半導體工藝流程的正常運轉(zhuǎn)的保障系統(tǒng)要求也愈高。因半導體工藝設備多有發(fā)熱，過熱會影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)及設備壽命，因此工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)成為保證半導體工藝設備機臺安全穩(wěn)定運行的重要基礎。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是冷卻水經(jīng)過換熱降溫，供給到工藝設備，再循環(huán)使用的給水系統(tǒng)，主要由冷卻設備、儲水設施、水泵和管路系統(tǒng)組成。

一、工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設置

工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)分開式系統(tǒng)及閉水系統(tǒng)，開式系統(tǒng)相對穩(wěn)定，相應水泵功率小、電纜、儀表等部分造價低，但同時因蒸發(fā)、風吹等因素造成系統(tǒng)水量流失較多，補水量相應增加。而閉式系統(tǒng)多采用軟水為冷卻介質(zhì)，水質(zhì)良好，能夠有效的減少系統(tǒng)水量的流失并有效減少工藝設備腐蝕及結(jié)垢，延遲工藝設備使用壽命，保證整體工藝的穩(wěn)定運行。

以江蘇某半導體項目為例，項目產(chǎn)品涉及硅麥、加速度計/陀螺、射頻濾波器、光學器件、壓力傳感器等，需用工藝循環(huán)冷卻水的工藝設備包含薄膜-CVD1、薄膜-PVD1、刻蝕機、烘箱、LPCVD、快速退火爐、激光切割等。整體需用工藝循環(huán)冷卻水水量為400m3/h，考慮造價及系統(tǒng)穩(wěn)定運行等因素，本設計PCW系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)。為防止工藝設備結(jié)垢，循環(huán)水采用RO岀水[1]，出水水質(zhì)見表1

自來水CW作為應急補水，以減少水中Cl—、Na+、Ca2+、Mg2+對系統(tǒng)的腐蝕與結(jié)垢[2]。系統(tǒng)選用閉式系統(tǒng)，系統(tǒng)包括冷卻水箱、循環(huán)水泵（變頻控制）、過濾器、冷卻設備、加藥設備、水錘消除器、水泵及管路、儀器儀表、生產(chǎn)區(qū)一次配循環(huán)管路，以及相關(guān)的全套儀表及自控裝置。循環(huán)水系統(tǒng)流程原理圖如下：

二、冷卻塔選型

江蘇某半導體項目為例，該項目供給工藝設備水溫為18±3℃，系統(tǒng)回水溫度為24℃，冷卻循環(huán)水量為400m3/h，用水點最大0.5Mpa。設計時冷卻方案考慮采用閉式冷卻塔。經(jīng)查項目當?shù)氐臐袂驕囟葹?8.6℃，干球溫度為30℃，冷卻塔進出水溫為43℃/33℃。冷卻塔效率η== =69.4%.可選用3臺冷卻水水量為200m3/h的冷卻塔，選用配套電機7.5kW，配套風機2200mm，塔體尺寸2450×4750×3870×3160，采用干管制布置。揚程4mH2O。因本項目冷卻塔至于室外地面，故選用前置水泵式，不會限制冷卻塔位置，同時為消除閉式系統(tǒng)及前置水泵造成的的系統(tǒng)水壓波動，系統(tǒng)另設有高位安全水箱兼作膨脹水箱用。

系統(tǒng)設專用補水泵，循環(huán)水泵3臺（2用1備），單泵流量Q=160 m3/h，H=100 m H2O，N=75kW/380V;循環(huán)泵的過流斷面與熱側(cè)的管路閥門均為SS304;變頻控制。補水泵與水箱液位連鎖控制，高液位關(guān)泵，低液位開泵。

膨脹水箱有效容積可采用公式V=α×Δt×Vs[3]，其中α為水的體積膨脹系數(shù)，取0.0006℃-1，Vs系統(tǒng)內(nèi)的水容量，即系統(tǒng)中管道和設備內(nèi)存水量的總和，設計中增加15%的安全余量，約為50m3，本項目膨脹水箱有效容積設為0.3m3。

三、系統(tǒng)補水量計算

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補充水量由蒸發(fā)損失水量、冷卻塔風吹損失水量及系統(tǒng)排水損失水量組成，即Qm=Qe+Qw+Qb[4]。

（1）蒸發(fā)損失水量Qe=KZF×Δt×Q，KZF按下表取0.0015，同時因系統(tǒng)為閉式，蒸發(fā)量減小30%，得出量Qe為4.2m3/h;

（2）風吹損失水量Qw根據(jù)下表按循環(huán)冷卻水量的0.1%考慮，得出Qw為0.4 m3/h;

（3）排水水量Qb根據(jù)公式Qb= ，本項目濃縮倍數(shù)取3，得出Qb為1.7m3/h。

故得出循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補水量為6.3m3/h.

四、管路布置

工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管路布置以工藝布局為依據(jù)，需合理的滿足工藝設備的用水需求。為保證每個設備用水點的有效用水，整個回路應盡可能遵循等路徑原則，即同程布置，這樣能夠平衡各工藝設備的冷卻水流量，避免管路“短路”。管路可考慮通過環(huán)形布置的方式平衡水流量。布局在滿足工藝要求的基礎上應保證管路的垂直度和水平度[5]，布置盡可能緊湊，多走直線。盡量避免交叉、拐彎、路由折返，更大限度的保證管路平穩(wěn)順暢。下圖為江蘇某半導體項目工藝冷卻循環(huán)水系統(tǒng)圖。

五、加藥裝置

為抑制微生物的水中生長，穩(wěn)定循環(huán)水質(zhì)，同時，考慮運行中管道腐蝕情況和補水水質(zhì)情況，需在工藝循環(huán)水中定期投入緩蝕阻垢劑、殺菌滅藻劑。所以，在工藝循環(huán)水系統(tǒng)中設置緩蝕阻垢加藥裝置和殺菌滅藻加藥裝置。通過間斷性加藥、連續(xù)加藥和自動控制加藥等方式向系統(tǒng)中投入殺菌劑、緩蝕阻垢劑，以保證系統(tǒng)水質(zhì)的穩(wěn)定，進而控制水質(zhì)在規(guī)定的指標內(nèi)。

本項目設計時，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用化學加藥處理，故設加藥間，具有藥劑貯存、配制及投加的功能。貯存量按10d～20d藥劑消耗考慮。加藥間的地坪排水含酸、堿等物質(zhì)，不能直接外排，需統(tǒng)一處理，故在配藥設備處及靠墻周圍布置排水地溝，地坪坡向地溝，利用集水坑收集排水。貯存酸液、堿液及次氯酸鈉液體的儲罐周圍設安全圍堰，圍堰內(nèi)壁做防腐處理，容積為1.15倍最大儲罐容積。利用計量泵投藥，按以往設計慣例，計量泵在工作流量為其額定最大流量一半時處于最佳工作狀態(tài)，故計量泵設計的最佳開度為50%，實際流量相對其額定流量過小或過大都會影響投加藥量的精度。

循環(huán)水中不管是投加殺菌劑還是緩蝕阻垢劑，都有一定的局限性，因為這些藥劑對循環(huán)水水質(zhì)有限制條件，只有根據(jù)水質(zhì)條件、工藝需求，選擇恰當?shù)乃幚韯?，才能提升效果，進而提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。提高濃縮倍數(shù)，可以降低水處理劑的使用量，最終減少循環(huán)水處理的造價，降低成本[6]。

通過測算，可以得出濃縮倍數(shù)和補充水量、排污量的關(guān)系曲線，見圖4。

從圖3中可以看出：（1）工藝循環(huán)冷卻水的補水量和排污量隨著濃縮倍數(shù)的增加而減少，所以，提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，可以達到節(jié)水的效果。（2）在濃縮倍數(shù)較低時，補水量和排污量隨濃縮倍數(shù)的變化較大，節(jié)水效果明顯，同時，濃縮倍數(shù)超過4以后，排污量及補水量的變化趨于平緩，節(jié)水效果也愈發(fā)不明顯。綜上，本項目的工藝冷卻循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)設計取N=3.5。

結(jié)語：隨著半導體行業(yè)的蓬勃發(fā)展，工藝冷卻循環(huán)水系統(tǒng)將越來越多的被應用在半導體工藝生產(chǎn)中，針對不同的項目情況，需綜合考慮場地限制、用水需求、節(jié)能設計等方面，得到最優(yōu)設計方案，最大限度的提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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[3] 吳志云，工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計[J]. 工業(yè)用水與廢水，2013， 44（5）： 60-62.

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[5]袁斌，淺談焊裝車間循環(huán)水系統(tǒng)設計[J]..中國設備工程，2017（09）：92-93

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