Cómo la Instalación Correcta de las Mangueras Puede Reducir los Costes de las Plantas de Semiconductores

Pequeños Cambios en la Instalación de las Mangueras Pueden Significar Grandes Ahorros en la Fabricación de Semiconductores

Mantener un control preciso de la temperatura en los procesos de fabricación de semiconductores es clave. Las reacciones químicas que tienen lugar durante la deposición de capas atómicas (ALD por sus siglas en inglés), el grabado de capas atómicas (ALE por sus siglas en inglés) y otros procesos utilizados para crear obleas viables, suelen generar temperaturas extremas y, sin un control preciso de la temperatura, el espesor de la película y la eficiencia del proceso pueden verse afectados. La exposición a altas temperaturas también implica que las obleas y los equipos utilizados para producirlas deben enfriarse adecuadamente para evitar que sufran daños.

Las ventosas electrostáticas dentro de las cámaras de proceso de las herramientas de fabricación de semiconductores se suministran con fluido regulador de temperatura para enfriar la oblea y evitar problemas. Sin embargo, la rentabilidad de su trabajo depende de lo que ocurre fuera de la herramienta—en las plantas que albergan las unidades de control de temperatura (o “enfriadores”) y en las mangueras que alimentan con fluidos fríos las herramientas que funcionan constantemente en la planta de producción.

La eficacia de estos “lazos térmicos”, que implican la circulación de fluidos desde las herramientas hasta los enfriadores a través de un sistema de mangueras y viceversa, puede tener repercusiones significativas en la rentabilidad de las plantas de semiconductores. Las paradas relacionadas con fallos en los enfriadores o la limpieza de charcos causados por la condensación de las mangueras en la planta pueden producir importantes pérdidas de productividad para los operadores de las plantas. Incluso cuando se evita la parada, un aislamiento inadecuado de las mangueras o unas técnicas incorrectas de instalación y trazado pueden producir un aumento significativo de los costes energéticos, lo que incrementa los gastos de funcionamiento.

En este artículo, comentaremos cómo evitar este último problema—la instalación y el trazado incorrectos de las mangueras en las plantas de semiconductores. En este artículo relacionado encontrará más información específica sobre cómo solucionar los retos que plantea la fabricación de semiconductores asegurándose de que dispone de mangueras con aislamiento adecuado. Para comprender mejor cómo optimizar el rendimiento de la fabricación de obleas con controles térmicos adecuados a alto nivel, consulte este artículo  sobre el tema.

Mejores Prácticas para la Instalación y Trazado de Mangueras con Aislamiento en Plantas de Semiconductores

Es un error común pensar que la mejor manera de tratar las fluctuaciones significativas de temperatura del fluido entre los enfriadores y las herramientas es añadir más aislamiento a las mangueras o cambiarlas. En algunos casos, el problema es la falta de aislamiento o la manguera seleccionada. Utilizar un aislamiento de aerogel de baja conductividad térmica o una manguera metálica con aislamiento por vacío, puede ayudarle a evitar la pérdida de energía a medida que las temperaturas del fluido y del entorno operativo se vuelven cada vez más extremas. Pero en otros casos, el rendimiento deficiente de las mangueras puede atribuirse a la forma en que se instalan y al trazado, independientemente de cómo estén aisladas. Aunque el espacio puede ser limitado en muchas aplicaciones de fabricación de semiconductores, es necesario seguir las mejores prácticas para la instalación y el trazado de las mangueras en la medida de lo posible, a fin de asegurar el mejor rendimiento del producto.

Consideraciones sobre la Instalación y la Construcción de Mangueras

La construcción y la instalación de una manguera pueden afectar la estabilidad térmica del fluido que transfiere. Piense, por ejemplo, en las conexiones finales. En algunos casos, es posible que deba considerar aislar con aislamiento las conexiones finales expuestas, para evitar la condensación, incluso si el resto de la manguera ya está aislado. Además, debe asegurarse de que las conexiones finales estén instaladas correctamente para evitar fugas indeseadas o la transferencia de calor.

Las conexiones finales que incluyen las mangueras con aislamiento pueden variar, pero en el caso de las mangueras con camisa de vacío FV Swagelok^® y algunas mangueras con aislamiento en Y Swagelok^®, por ejemplo, las conexiones finales son extensiones de tubo recocido. Estas extensiones de tubo se pueden conectar a otros componentes o equipos mediante soldadura a tope, enchufes rápidos Swagelok^®, accesorios de cierre frontal con junta plana metalica VCR Swagelok^® o Racores para tubo Swagelok^®. Si utiliza una conexión con racor para tubo Swagelok, es importante asegurarse de que sigue las instrucciones de instalación adecuadas para evitar fugas no deseadas o la transferencia de calor. Consulte las instrucciones de instalación de la Figura 1 para ampliar la información.

 
Introduzca completamente el tubo hasta el fondo del racor; apriete la tuerca a mano.

 
Marque la tuerca en la posición de las 6 en punto.

Mientras sujeta firmemente el cuerpo del racor, apriete la tuerca una vuelta y cuarto hasta la posición de las 9 en punto.

 

Figura 1: Instalación del Racor Swagelok

Dado que se trata de una “deformación” inicial, se puede utilizar una galga de inspección de montaje Swagelok para asegurar que el racor está suficientemente apretado. Vea la Figura 2 abajo.

Normalmente, las mangueras de más de 1" se suministran con las tuercas y férulas preensambladas. Las tuercas preensambladas de más de 1" requieren 1/2 vuelta.

Consideraciones sobre el Trazado de las Mangueras

Independientemente de lo bien que esté fabricada una manguera, el trazado de la misma a lo largo de una instalación puede tener un impacto significativo en su rendimiento. Esto es especialmente importante en casos en los que los fluidos dentro de las mangueras alcanzan temperaturas extremadamente frías o calientes, ya que la condensación y los puntos calientes son más probables simplemente como consecuencia del trazado. A continuación se indican algunas de las mejores prácticas que se deben seguir para evitar problemas relacionados con el trazado.

Mantenga una Longitud Recta Mínima: Siga siempre los requisitos mínimos de longitud recta publicados en los catálogos de productos de mangueras. Doblar las mangueras demasiado cerca de las conexiones finales puede rasgar la manguera y provocar fugas, roturas o una reducción de la vida útil de la manguera.

Incorrecto 

Correcto  

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Correcto 

Figura 3: Longitud Recta Mínima - Ejemplos Incorrectos y Correctos

Mantenga el Radio de Curvatura Mínimo: Del mismo modo, siga los requisitos de radio de curvatura mínimo publicados. La instalación de mangueras con curvas más cerradas puede provocar retorcimientos y reducir la vida útil de la manguera. Además, doblar la manguera puede estirar o comprimir el aislamiento de la manguera, lo que afecta negativamente a su rendimiento.

El aislamiento se estira y se adelgaza en el exterior de la curva 

 

El aislamiento se comprime en el interior de la curva.

Figura 4: Radio de Curvatura Mínimo - Efecto en el Aislamiento

Diseño para Evitar Tensiones en la Manguera: La tensión de la manguera puede darse de forma natural, ya que la gravedad tira del cuerpo de la manguera hacia abajo, tensando la manguera cerca del punto de conexión. Se deben utilizar racores en codo y adaptadores para minimizar o aliviar la tensión de la manguera, especialmente en las conexiones finales. Es posible que se necesite una manguera de diferente longitud una vez instalado el codo o el adaptador, pero diseñar los sistemas de manera que se contrarreste la tensión de la manguera debería aumentar su longevidad.

 

 
Incorrecto

 
Correcto

Figura 5: Tensión en la Manguera - Ejemplos Incorrectos y Correctos

Tenga Precaución al Doblar en Planos: Evite retorcer la manguera. Doble las mangueras en un solo plano para evitar tensiones indebidas en la manguera. Para una curva compuesta, utilice varias piezas de manguera u otros métodos de aislamiento.

 

 
Incorrecto

 
Correcto

Figura 6: Doblado en Planos: Ejemplos Incorrectos y Correctos

Mantenga una Separación Adecuada: Cuando las mangueras que transportan fluidos fríos o calientes se instalan demasiado cerca unas de otras, la temperatura superficial de las mangueras puede verse afectada debido a la falta de un caudal adecuado de aire a temperatura ambiente entre ellas. Cuando las mangueras frías se instalan demasiado cerca unas de otras, la temperatura de la superficie de la manguera puede descender por debajo del punto de rocío, provocando la formación de condensación. Cuando las mangueras calientes se instalan demasiado cerca unas de otras, pueden formarse puntos calientes que superen los parámetros de temperatura permitidos.

Cuanto menor sea la distancia (d) entre las mangueras, más cerca estará la temperatura del aire (T_ambient) entre éstas de la temperatura del fluido (Tm) dentro de la manguera. Como recomendación general, mantenga las mangueras revestidas con aislamiento (como las que utilizan aislamiento en Y de Swagelok) separadas al menos el triple del diámetro exterior de la manguera para evitar la condensación. Si esto resulta difícil en espacios reducidos, piense en utilizar separadores de mangueras para mantener la distancia entre éstas. Incluso unos pocos centímetros de espacio pueden ser de gran importancia para la gestión térmica.

Más Información sobre el Trazado Correcto de Mangueras

¿Por Qué es Importante Instalar Correctamente las Mangueras para Semiconductores?

Aunque las mangueras pueden parecer componentes sencillos en comparación con otros equipos de alta tecnología que se encuentran en las plantas de semiconductores, la elección, instalación, trazado y mantenimiento adecuados de las mangueras pueden tener un impacto significativo. Piense en este ejemplo para comprender hasta qué punto las mangueras pueden influir:

• Supongamos que la cámara de proceso de una herramienta necesita recibir fluido refrigerante a -20 °C, pero debido a que las mangueras que van y vienen del enfriador están mal aisladas, instaladas o dispuestas, es posible que el enfriador tenga que compensar en exceso y tener un punto de consigna de -25 °C para que a la cámara de proceso llegue el fluido a -20 °C. Una vez que el fluido vuelve al enfriador, puede haberse calentado hasta -17 °C, lo que provoca un aumento de Δ5 °C que el enfriador debe compensar.
• Si el coste por cada 1 °C de refrigeración necesario es de 0,13 $/hora y suponiendo que el enfriador funciona constantemente 52 semanas al año, el coste energético de un enfriador al año es de 5.600 dólares.
• Si la herramienta necesita 10 enfriadores para su funcionamiento, el coste energético anual para enfriar una herramienta es de 56.000 dólares. Y si hay 100 herramientas de este tipo en la planta, el coste energético anual para refrigerarlas asciende a 5,7 millones de dólares.
• Sin embargo, si las mangueras están correctamente aisladas, instaladas y dispuestas, la diferencia entre la temperatura del fluido que sale y entra en un enfriador podría reducirse de forma realista a Δ1°C.
  

En este caso, nuestro coste para refrigerar 100 herramientas utilizando los parámetros anteriores se reduce a aproximadamente 1,1 millones de dólares al año, lo que supone un ahorro de 4,6 millones de dólares al año solo en costes de refrigeración.

Además del ahorro energético, existen ventajas relacionadas con la reducción del mantenimiento y el aumento de la vida útil de los componentes, así como el potencial de aumento del tiempo de actividad y el rendimiento de las herramientas cuando se siguen las mejores prácticas para la selección, la instalación y el trazado de las mangueras para semiconductores. Si necesita ayuda para optimizar sus prácticas relacionadas con las mangueras, los ingenieros de Swagelok pueden ofrecerle pruebas de productos y apoyo en la selección, auditorías energéticas de sus lazos térmicos y diversos servicios de asesoramiento sobre mangueras. Hable con un experto para descubrir cómo puede reducir los costes y aumentar la productividad adoptando un enfoque diferente para la gestión de mangueras.

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