塑料管材在電子廠房中的應(yīng)用及分析

曹燦

（1.中國電子工程設(shè)計(jì)院，北京 100031；2.世源科技工程有限公司工藝管線及空間管理設(shè)計(jì)所，北京 100031）

隨著我國電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，尤其是半導(dǎo)體材料及芯片制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)業(yè)園的設(shè)計(jì)，尤其是集成式電子工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)及施工，提出了更加嚴(yán)格的要求和標(biāo)準(zhǔn)。而在電子工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)和建造過程中，根據(jù)不同的需求如電照、通信、給排水、供暖、動(dòng)力等，需要鋪設(shè)大量的各種管材。在進(jìn)行管路的布置和安裝設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)保證安全、正常生產(chǎn)及便利操作、檢修；其次應(yīng)節(jié)約材料及投資，同時(shí)應(yīng)盡可能的整齊、美觀，以創(chuàng)造良好的生產(chǎn)環(huán)境。然而，目前市面上的管材不僅門類眾多，而且性能和價(jià)格也偏差較大。目前市面上的管材根據(jù)其材料的屬性可分為水泥管、金屬管、陶土管、玻璃鋼夾砂管、塑料管等。其中塑料管材以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能和較低的價(jià)格成本，如輕量化、耐腐蝕、耐磨損、密封性好、易焊接、易施工、管壁流體阻力小、價(jià)格低等，迅速地占領(lǐng)了電子工業(yè)廠房應(yīng)用的主要領(lǐng)域。然而塑料管材又可以根據(jù)其材料的不同分為：硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC）、聚乙烯管（PE）、交聯(lián)聚乙烯管（PE-X）、聚丙烯（PP）管、聚丁烯管（PB）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管（ABS）、鋁塑復(fù)合管（PAP）、鋼塑復(fù)合管（SP）等。這些種類繁多且不斷更新?lián)Q代的管道管材不僅促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展，同時(shí)也對(duì)現(xiàn)代化電子工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)和安裝提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。因此，在電子工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)中，如何對(duì)管道管材進(jìn)行選擇和使用，對(duì)于我們經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定至關(guān)重要。

1 國內(nèi)外工業(yè)設(shè)計(jì)中管材的發(fā)展歷程

1933年，美國和法國率先實(shí)現(xiàn)了塑料管材的工業(yè)化生產(chǎn)。3年后的1936年，德國研發(fā)出了用于自來水、酸、污廢水等介質(zhì)輸送的塑料管道。緊接著，英國也開始鋪設(shè)了塑料輸水管道。自此之后，塑料管道迎來了快速的發(fā)展和生產(chǎn)，管道的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，從最初的自來水、污廢水等生活領(lǐng)域的液體媒介的輸送，擴(kuò)大到了電子、機(jī)械、材料、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，并逐步取代傳統(tǒng)材料管道。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，塑料管材的種類和市場需求量正不斷地增大。據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)，2017年全球塑料管道需求規(guī)模超過了2300萬t。我國的塑料管材發(fā)展較晚，上世紀(jì)70年代開始進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，到80年代才開始在各類工程建設(shè)中推廣應(yīng)用，然而20世紀(jì)以后，我國在塑料管道的生產(chǎn)和使用正逐步超越其他國家，目前已經(jīng)成為全球塑料管材生產(chǎn)和使用的最大國家。

圖1 我國塑料管材產(chǎn)量預(yù)測圖

2 塑料管材的分類及其在電子廠房中的應(yīng)用

2.1 聚氯乙烯（PVC）管

聚氯乙烯管又分為硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC），其主要原材料均為聚氯乙烯（PVC）。UPVC管可分為直壁管、加筋管、螺旋纏繞管、波紋管等，主要應(yīng)用于電子廠房的供水及排水工程中。其中加筋管和波紋管的載荷能力和剛度較大，綜合性能較佳，適用于廠房的主排水管、主污水管等。直壁管由于其內(nèi)外管壁光滑、均一，易于加工、焊接，且可以通過加入不同的添加劑實(shí)現(xiàn)阻燃、低煙、高抗沖等特性，因此可適用于廠房的各種通訊、電照、動(dòng)力等管道的設(shè)計(jì)，此外也可用于室內(nèi)普通污水的排放。

2.2 聚丙烯（PPR）管

聚丙烯（PPR）管又稱三丙聚丙烯管或無規(guī)共聚丙烯管，其原材為無規(guī)共聚丙烯樹脂。PPR管不僅具有質(zhì)量輕、衛(wèi)生無毒、管壁阻力小、導(dǎo)熱低、耐腐蝕強(qiáng)、耐熱穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且易于加工、焊接。通過簡單熱熔的方式即可實(shí)現(xiàn)，且焊頭牢靠。由于PPR管具有其他管材所不具備的優(yōu)勢，因此不僅可用于廠房設(shè)計(jì)中的各種冷水管道，也可用于各種設(shè)備儀器的供排熱水管道，還可用于潔凈室及超純水的管道鋪設(shè)。但是PPR管也存在一些缺點(diǎn)，比如成本偏高、剛性差、低溫易脆、易紫外老化等，因此在施工過程中不僅要避免機(jī)械損傷，而且對(duì)于室外的管路應(yīng)予以保溫、避光等保護(hù)措施。

2.3 聚乙烯（PE）管

采用聚乙烯（PE）原料通過擠塑等工藝生產(chǎn)的管材，稱為PE管。PE管在加工時(shí)不添加重金屬鹽、材質(zhì)無毒，且管材具有不易結(jié)垢、耐腐蝕強(qiáng)、沖擊性好、易焊接、絕緣強(qiáng)度高、不滋生細(xì)菌等優(yōu)點(diǎn)，因而其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，其中供水管和燃?xì)夤苁瞧渲饕膽?yīng)用市場。然而PE樹脂有高密度、中密度和低密度之分，所以在選用PE管材時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況的需要，選用不同原料的PE管材。在電子廠房的設(shè)計(jì)和施工中，較高密度的PE管材不僅可以作為循環(huán)冷卻水、有機(jī)溶劑、超純水、酸廢水等液體的輸送管道使用，同時(shí)也可以將其作為各種氣體，如氧氣、氮?dú)狻⑻烊粴獾葰怏w的輸送管道使用，還可以將其作為郵電通訊、電力電線的保護(hù)套管使用。

2.4 聚丁烯（PB）管

以聚丁烯（PB）為主要原料，并輔以適量的助劑，通過擠出成型的方式生產(chǎn)的熱塑性管材稱為PB管。由于PB是一種高分子惰性聚合物，且具有“塑料黃金”的美譽(yù)，因此PB管材不僅具有良好的柔韌性、抗蠕變性、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn)，而且其抗紫外性強(qiáng)、易加工、生態(tài)環(huán)保，被廣泛用于各領(lǐng)域。其中PB管尤以耐高溫高壓特性突出，其最高使用溫度為110℃，可長期在95℃下使用。因此PB管材不僅可用于電子廠房中冷熱水的管道輸送，也可用于中央空調(diào)、超純水的管道設(shè)計(jì)，還可用于各種有機(jī)液體、高溫液體的管道輸送，但是其價(jià)格較貴且PB原料大多來自進(jìn)口。

2.5 塑料復(fù)合管

塑料復(fù)合管是指以高分子樹脂及非塑料材料為原料，通過化學(xué)或物理的手段進(jìn)行加工，生產(chǎn)的新型管材。當(dāng)前國內(nèi)外普遍使用的復(fù)合管材主要可以分為塑—鋼、塑—銅、塑—鋁、塑—纖維等塑料復(fù)合管。其中技術(shù)相對(duì)較為成熟的是鋁塑復(fù)合管，其經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的研發(fā)和使用，目前在市場上較為普遍。其結(jié)構(gòu)從里到外分為五層，依次為：聚乙烯層、熱熔膠層、鋁管層、熱熔膠層和聚乙烯層。這種復(fù)合管不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性，而且耐低溫、強(qiáng)度高、壽命長，適合于各種氣體及液體的輸送。

圖2 鋁塑復(fù)合管材

3 塑料管材在設(shè)計(jì)和施工過程中的研究

3.1 電子工業(yè)廠房管道布置的空間管理原則

在電子工業(yè)廠房中，受行業(yè)先進(jìn)性要求的限制，管道布置需充分保證設(shè)備的靈活性，各系統(tǒng)管線需保證足夠的裕度，并且電子工藝廠房的制程系統(tǒng)管道種類繁多，廠房內(nèi)通常會(huì)設(shè)立出單獨(dú)的管道樓層，稱作下夾層，下夾層內(nèi)的管道通常采用共同管架的形式進(jìn)行架設(shè)，共同管架一般根據(jù)管道的尺寸、數(shù)量、間距要求，采用多層或多立柱的方式。

下圖為某電子工業(yè)廠房的下夾層支管方向的空間管理方案圖，對(duì)于水、氣類尺寸不大的工藝管線，采用豎向排列的方式布置，對(duì)于工藝排風(fēng)、母線、橋架的大尺寸或者不便于豎向排列的管道，采用多層橫向支架。

每列管架之間除了管道自身空間和安裝空間外，需預(yù)留足夠的二次配管空間。同時(shí)在TF（物理/化學(xué)氣相沉積）、Etch（干法/濕法刻蝕）、Litho（光刻區(qū)）等工藝制程區(qū)域需根據(jù)廠房柱距跨度預(yù)留2到3處單獨(dú)的機(jī)臺(tái)真空管路空間，此空間同時(shí)可作為設(shè)備二次配管施工空間。

圖3 廠房中管道設(shè)計(jì)BIM三維圖

圖4 廠房中管道設(shè)計(jì)剖面示意圖

在規(guī)劃下夾層空間管理時(shí)，管道優(yōu)先需布置在工藝設(shè)備區(qū)的永久搬運(yùn)通道（Moving通道）和機(jī)臺(tái)維護(hù)通道（Bay line通道）上，如管道因?qū)嶋H情況，需超過通道區(qū)域布置，極限情況不能超過最外側(cè)設(shè)備的搬運(yùn)管道，在轉(zhuǎn)兩次斜45°彎頭的情況下，可以到達(dá)支管共架的最下層管架的寬度；所有區(qū)域最下層管道的管底標(biāo)高需滿足人員通行、貨物搬運(yùn)、維護(hù)及安全的最低凈空距離。

管路安裝的排列分為垂直面排列和水平面排列。在垂直面排列上需要遵循：熱管在上、冷管在下；無腐蝕介質(zhì)管在上、有腐蝕介質(zhì)管在下；氣體管在上、液體管在下；壓管在上、無壓管在下；保溫管在上、非保溫管在下；金屬管在上、非金屬管在下等基本原則。在水平面排列需遵循：大管路靠內(nèi)，小管路在外；常溫管路靠內(nèi)，熱管路在外；支管少的靠內(nèi)，支管多的管路在外；不經(jīng)常檢修的管路靠內(nèi)，經(jīng)常檢修的在外；有壓管路靠內(nèi)，無壓管路在外等原則。

3.2 常見工藝管道系統(tǒng)管材的選用

電子工業(yè)廠房中，塑料管道的應(yīng)用系統(tǒng)一般有：工藝真空（PV）、超純水（UPW）、去離子水（DIW）和工藝廢水、廢液等系統(tǒng)。

3.2.1 真空工藝管道

所謂真空管路是指管內(nèi)壓力為負(fù)壓的管路，因此對(duì)于真空工藝管道必須要擁有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受較強(qiáng)的負(fù)壓，保證玻璃基板或硅片不掉落，且具有一定的耐高溫性能。在大部分電子工藝廠房中主要采用不銹鋼SUS304L管道鋪設(shè)真空管路，但是其費(fèi)用頗高。對(duì)于追求建廠成本的部分電子廠房，會(huì)選用C-PVC管道。這是由于C-PVC管道不僅沖擊強(qiáng)度高，而且抗壓性能顯著（環(huán)剛度可達(dá)10kPa）。

3.2.2 超純水管道

電子工業(yè)純水的含義是很廣泛的，根據(jù)等級(jí)的不同，純水的各項(xiàng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也有所差異，包括含鹽量、非電解質(zhì)（微粒、細(xì)菌、TOC、溶解氧）和弱電解質(zhì)（二氧化硅）等。

隨著電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)，對(duì)純水的水質(zhì)要求還會(huì)不斷提高，因此為了使水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到要求（如25℃情況下，電阻率不能小于18MΩ·cm），因而對(duì)管道材質(zhì)的要求非常高，必須選擇化學(xué)穩(wěn)定性極好的管材。

工藝廢水、廢液管道管材參考表

同時(shí)，管道內(nèi)壁的光潔度、管道及管件的接頭處的平整度也會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不可忽視的影響。假如管道內(nèi)有微小的凹凸，會(huì)造成微粒的沉積和微生物的繁殖，導(dǎo)致微粒和細(xì)菌兩項(xiàng)指標(biāo)的不合格。當(dāng)前PVDF管道粗糙度＜1μm，而不銹鋼管約為幾十微米。由此可見采用塑料管道更為合適。目前電子工業(yè)中大多采用高分子合成塑料管材，如聚氯乙烯（UP?VC）、聚丙烯（PP）、丙烯晴—丁二烯—苯乙烯（ABS）、潔凈聚氯乙烯（CL-PVC）和聚偏氟乙烯（PVDF）等材料制成的管道、管件及閥門。

3.2.3 工藝廢水/廢液管道

工藝廢水、廢液的管材選取一般按污染物性質(zhì)和種類進(jìn)行分類。常見廢水有：酸堿廢水、含氟廢水、含鉻廢水、含磷廢水、含氨廢水、有機(jī)廢水、含銅廢水、含砷廢水等；常見廢液有：含氟廢液、刻蝕液廢液、稀釋劑廢液、剝離液廢液、NMP廢液、TMAH廢液、含丙酮廢液、異丙醇廢液等。

4 結(jié)語

塑料管材由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能，在半導(dǎo)體制造業(yè)中的應(yīng)用比例越來越高。盡管我國目前塑料管材的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)都得到了明顯的進(jìn)步，但是與西方發(fā)達(dá)國家相比依然有不小的差距，主要表現(xiàn)為原材料品質(zhì)的不達(dá)標(biāo)以及不穩(wěn)定性等，同時(shí)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)偏于落后。相信隨著我國科技的發(fā)展，塑料管材的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)也將會(huì)得到進(jìn)一步的提升，更多高性能的塑料管材將會(huì)服務(wù)于半導(dǎo)體材料及芯片制造產(chǎn)業(yè)中。