La température d'approche qui définit la taille
Un banc humide de semi-conducteurs fonctionnant avec un mélange d'acide sulfurique-peroxyde d'hydrogène à 140 degrés nécessite un échangeur de chaleur pour maintenir la température. Le fluide de service est de la vapeur à 160 degrés, ce qui fournit une température d'approche de 20 degrés.
La température d'approche est la différence entre la température du fluide de service et la température du fluide de traitement au point où les deux fluides sont les plus proches. Dans un échangeur de chaleur à contre-courant-, l'approche la plus proche se situe à la sortie du processus et à la sortie de service. Dans un échangeur de chaleur à flux parallèle-, l'approche la plus proche se situe à la sortie du processus et à l'entrée du service.
Pour une charge thermique donnée, la surface requise est inversement proportionnelle à la différence logarithmique moyenne de température (LMTD), qui est fonction de la température d'approche. Une température d'approche plus petite produit un LMTD plus petit et nécessite une plus grande surface.
La relation LMTD et superficie
La différence de température moyenne logarithmique est calculée à partir des différences de température aux deux extrémités de l’échangeur de chaleur. Pour un arrangement à contre-courant avec une entrée de processus à 140 degrés, une sortie de processus à 140 degrés (processus isotherme), une entrée de service à 160 degrés et une sortie de service à 150 degrés, le LMTD est d'environ 15 degrés.
Pour un échangeur thermique délivrant 20 kW avec un coefficient de transfert thermique global de 200 W/m²·K et un LMTD de 15 degrés, la surface requise est de 6,7 m². Si la température d'approche est réduite à 10 degrés, le LMTD chute à environ 7,5 degrés et la surface requise augmente à 13,3 m².
La surface double lorsque la température d'approche est réduite de moitié. Le coût du capital augmente proportionnellement, tout comme l’empreinte au sol. Dans les bancs humides de semi-conducteurs, où l’espace disponible est limité, une surface plus grande peut ne pas être réalisable.
La contrainte de tolérance de température du procédé
La température d'approche est limitée par la tolérance de température du procédé. Lors du traitement humide des semi-conducteurs, la température du processus doit être maintenue dans une tolérance généralement de ± 1 degré ou moins. La température du fluide de service doit être suffisamment élevée pour favoriser le transfert de chaleur, mais pas au point de dépasser la température du processus.
Si la température du fluide de service est trop proche de la température du processus, le taux de transfert de chaleur est faible et l'échangeur de chaleur doit être grand. Si la température du fluide de service est trop élevée, la température du processus peut dépasser pendant les transitoires et le système de contrôle doit être plus sophistiqué.
La température d'approche optimale est celle qui équilibre la taille de l'échangeur thermique par rapport à la complexité du contrôle. Une température d'approche plus élevée réduit la taille de l'échangeur thermique mais augmente la complexité du contrôle et le risque de dépassement. Une température d'approche plus petite augmente la taille de l'échangeur thermique mais offre une plus grande marge de contrôle.
La contrainte de disponibilité des fluides de service
La température d'approche est également limitée par la disponibilité du fluide de service. La vapeur est disponible à un nombre limité de pressions, et la température de saturation correspondant à chaque pression est fixe. Pour un process à 140 degrés, la vapeur à 4 bars fournit une température saturée de 152 degrés, ce qui donne une température d'approche de 12 degrés. La vapeur à 6 bars fournit une température saturée de 165 degrés, ce qui donne une température d'approche de 25 degrés.
Le choix de la pression de vapeur détermine la température d'approche et la taille de l'échangeur thermique. Une pression de vapeur plus élevée fournit une température d'approche plus élevée et un échangeur de chaleur plus petit, mais une température plus élevée augmente la température de la paroi du tube et le taux de dégradation du PTFE.
La contrainte de pureté dans le service des semi-conducteurs
Dans le traitement humide des semi-conducteurs, l'échangeur de chaleur ne doit pas introduire de contamination dans le fluide de traitement. La température de la paroi du tube affecte le taux de lixiviation du PTFE, et une température de paroi plus élevée augmente le taux de lixiviation. La température d'approche détermine la température de la paroi pour un flux thermique donné.
Une température d'approche plus faible nécessite une plus grande surface et un flux thermique plus faible, ce qui réduit la température de la paroi du tube et le taux de lixiviation. Une température d'approche plus élevée permet une surface plus petite et un flux de chaleur plus élevé, ce qui augmente la température des parois et le taux de lixiviation.
L'exigence de pureté privilégie donc une température d'approche plus faible et un échangeur thermique plus grand. Le compromis-se situe entre le coût en capital d'un échangeur de chaleur plus grand et l'avantage en matière de pureté d'un taux de lixiviation plus faible.
Comparaison des températures d'approche pour le traitement humide des semi-conducteurs
Le tableau suivant résume la taille et les performances de l'échangeur de chaleur pour différentes températures d'approche dans un banc humide à semi-conducteurs fonctionnant à 140 degrés avec une charge thermique de 20 kW.
| Température d'approche | DMTD | Surface requise | Flux de chaleur | Température de la paroi du tube | Taux de lessivage | Coût en capital |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 degrés | 4 degrés | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 degrés | Très faible | $52,000 |
| 10 degrés | 8 degrés | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 degrés | Faible | $32,000 |
| 15 degrés | 12 degrés | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 degrés | Modéré | $24,000 |
| 20 degrés | 16 degrés | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 degrés | Haut | $19,000 |
| 25 degrés | 20 degrés | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 degrés | Très élevé | $16,000 |
| 30 degrés | 24 degrés | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 degrés | Extrême | $14,000 |
La température de la paroi du tube est calculée à partir du flux thermique et de la résistance thermique de la paroi du tube pour une paroi en PTFE de 0,8 mm. Le taux de lixiviation est une évaluation qualitative basée sur la température de la paroi et le comportement de lixiviation connu du PTFE en service acide de haute-pureté.
Les limites pratiques de la température d’approche
Les limites pratiques de la température d'approche dans le traitement humide des semi-conducteurs sont déterminées par le compromis entre la taille de l'échangeur de chaleur et la température de la paroi. Une température d'approche très faible nécessite un échangeur de chaleur très grand, qui peut ne pas tenir dans l'espace disponible. Une température d'approche très élevée nécessite une température de paroi très élevée, pouvant dépasser le seuil de dégradation du PTFE.
Pour la plupart des applications de traitement humide des semi-conducteurs, la plage de température d'approche pratique est de 10 à 20 degrés. En dessous de 10 degrés, l’échangeur de chaleur devient peu pratique. Au-dessus de 20 degrés, la température des parois devient suffisamment élevée pour accélérer la dégradation du PTFE et le taux de lixiviation.
Caractéristiques de conception permettant des températures d'approche plus faibles
Plusieurs caractéristiques de conception permettent une température d'approche plus faible sans augmentation excessive de la taille de l'échangeur thermique.
Matériau du tube à conductivité plus élevée.Un composé de PTFE chargé avec une conductivité thermique de 0,5 W/m·K a la moitié de la résistance thermique de paroi du PTFE vierge. La résistance inférieure permet un flux thermique plus élevé pour la même température de paroi, ce qui réduit la surface requise.
Paroi de tube plus fine.Une paroi plus fine réduit la résistance thermique et permet un flux thermique plus élevé pour la même température de paroi. Un mur de 0,5 mm a la moitié de la résistance thermique d'un mur de 1,0 mm.
Vitesse d'écoulement plus élevée.Une vitesse d'écoulement plus élevée augmente les coefficients de film des deux côtés de la paroi du tube, ce qui augmente le coefficient de transfert thermique global et réduit la surface requise.
Surface du tube améliorée.Une surface de tube avec des ailettes ou des rainures augmente la surface par unité de longueur et le coefficient du film. La surface améliorée permet une température d'approche plus petite sans augmentation excessive de la taille de l'échangeur thermique.
Configuration d'échangeur de chaleur divisé.La division de la charge thermique entre deux échangeurs de chaleur plus petits permet à chaque unité de fonctionner à une température d'approche plus faible sans la pénalité d'espace d'une seule grande unité.
Paramètres de spécification pour le traitement humide des semi-conducteurs
Les ingénieurs d'équipement spécifiant un échangeur de chaleur en PTFE pour le traitement humide des semi-conducteurs doivent confirmer les paramètres suivants avec le fournisseur.
Température du processus.Spécifiez la température du processus et la tolérance.
Température du fluide de service.Spécifiez la température du fluide de service et la pression disponible.
Approche de la température.Spécifiez la température d'approche en fonction de la tolérance du processus et de la disponibilité du fluide de service.
Charge thermique et superficie.Précisez la charge thermique et la surface requise.
Flux de chaleur.Spécifiez le flux de chaleur maximum autorisé en fonction de la limite de température du mur.
Épaisseur de la paroi du tube.Spécifiez l'épaisseur de la paroi du tube en fonction du flux thermique et de la température de paroi admissible.
Matériau des tubes.Spécifiez le matériau du tube en fonction de la température de la paroi et du taux de lixiviation.
Exigence de pureté.Spécifiez les niveaux de contamination maximaux autorisés pour les ions métalliques, les particules et les composés organiques.
Contraintes d'espace.Spécifiez l'espace disponible et l'encombrement maximum autorisé.
Faire correspondre la température d’approche aux exigences du processus
La température d'approche détermine le LMTD, la surface requise et la température de la paroi du tube dans un échangeur de chaleur en PTFE pour le traitement humide des semi-conducteurs. Une température d'approche plus faible nécessite un échangeur de chaleur plus grand mais fournit une température de paroi plus faible et un taux de lixiviation plus faible. Une température d'approche plus élevée permet un échangeur de chaleur plus petit mais augmente la température des parois et le taux de lixiviation.
La température d'approche doit être sélectionnée en fonction de la tolérance du processus, de la disponibilité du fluide de service, des exigences de pureté et des contraintes d'espace. Un simple modèle de feuille de calcul avec le calcul du transfert de chaleur et les données de coût fournit les informations nécessaires pour sélectionner la température d'approche optimale.
Pour les installations de traitement humide des semi-conducteurs évaluant les options d'échangeur de chaleur en PTFE, la température d'approche doit être spécifiée dans les documents d'approvisionnement et vérifiée lors de la mise en service. La configuration par défaut fournie par le fabricant peut être optimisée pour la compacité plutôt que pour la pureté, et la température de paroi résultante peut dépasser le seuil de dégradation.
Les ingénieurs d'équipement et les spécialistes des achats évaluant les spécifications des échangeurs de chaleur en PTFE pour le traitement par voie humide des semi-conducteurs ou tout autre service de haute-pureté peuvent demander une révision de la conception couvrant la température du processus, la température du fluide de service, la température d'approche, le flux thermique, l'épaisseur de la paroi du tube et le matériau du tube afin de confirmer que l'unité est adaptée aux exigences réelles du processus et aux contraintes de pureté de l'installation.
