半導體廠房工藝循環冷卻水系統設計

盧抒懌

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

關鍵詞：工藝循環冷卻水;半導體;冷卻塔;冷卻水補水量;加藥裝置

引言：現代半導體工業發展迅猛，隨著產品良率要求的不斷增高，對半導體工藝流程的正常運轉的保障系統要求也愈高。因半導體工藝設備多有發熱，過熱會影響系統運轉及設備壽命，因此工藝循環冷卻水系統成為保證半導體工藝設備機臺安全穩定運行的重要基礎。循環冷卻水系統是冷卻水經過換熱降溫，供給到工藝設備，再循環使用的給水系統，主要由冷卻設備、儲水設施、水泵和管路系統組成。

一、工藝循環冷卻水系統設置

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

以江蘇某半導體項目為例，項目產品涉及硅麥、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。整體需用工藝循環冷卻水水量為400m3/h，考慮造價及系統穩定運行等因素，本設計PCW系統為閉式系統。為防止工藝設備結垢，循環水采用RO岀水[1]，出水水質見表1

自來水CW作為應急補水，以減少水中Cl—、Na+、Ca2+、Mg2+對系統的腐蝕與結垢[2]。系統選用閉式系統，系統包括冷卻水箱、循環水泵（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、生產區一次配循環管路，以及相關的全套儀表及自控裝置。循環水系統流程原理圖如下：

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℃，系統回水溫度為24℃，冷卻循環水量為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。經查項目當地的濕球溫度為28.6℃，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及前置水泵造成的的系統水壓波動，系統另設有高位安全水箱兼作膨脹水箱用。

系統設專用補水泵，循環水泵3臺（2用1備），單泵流量Q=160 m3/h，H=100 m H2O，N=75kW/380V;循環泵的過流斷面與熱側的管路閥門均為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，取0.0006℃-1，Vs系統內的水容量，即系統中管道和設備內存水量的總和，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、系統補水量計算

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

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

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

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

故得出循環冷卻水系統補水量為6.3m3/h.

四、管路布置

工藝循環冷卻水系統的管路布置以工藝布局為依據，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順暢。下圖為江蘇某半導體項目工藝冷卻循環水系統圖。

五、加藥裝置

為抑制微生物的水中生長，穩定循環水質，同時，考慮運行中管道腐蝕情況和補水水質情況，需在工藝循環水中定期投入緩蝕阻垢劑、殺菌滅藻劑。所以，在工藝循環水系統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、連續加藥和自動控制加藥等方式向系統中投入殺菌劑、緩蝕阻垢劑，以保證系統水質的穩定，進而控制水質在規定的指標內。

本項目設計時，循環冷卻水系統采用化學加藥處理，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，不能直接外排，需統一處理，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，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水水質有限制條件，只有根據水質條件、工藝需求，選擇恰當的水處理劑，才能提升效果，進而提高循環水的濃縮倍數。提高濃縮倍數，可以降低水處理劑的使用量，最終減少循環水處理的造價，降低成本[6]。

通過測算，可以得出濃縮倍數和補充水量、排污量的關系曲線，見圖4。

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

結語：隨著半導體行業的蓬勃發展，工藝冷卻循環水系統將越來越多的被應用在半導體工藝生產中，針對不同的項目情況，需綜合考慮場地限制、用水需求、節能設計等方面，得到最優設計方案，最大限度的提高生產的經濟效益。

參考文獻

[1]梅歡，陶賢文，連廣宇，韓宗譚.大型天然氣處理廠循環冷卻水系統設計探討[J].工業用水與廢水，2020（12） ：36-39.

[2]姜旭升，循環冷卻水系統設計要點[J]. 山西建筑，2020， 46（21）： 86-87.

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

[4] GB 50120-2014，工業循環冷卻水處理設計規范[S].

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

[6] 杜輝，淺析循環水濃縮倍數的管理辦法[J]. 中國設備工程，2021， 01（上）： 241-242.