Как выбрать полупроводниковые клапаны?

Полупроводниковые клапаны являются критически важными компонентами системы регулирования потока жидкости, используемыми в системах подачи газов высокой и сверхвысокой чистоты, системах распределения жидкостей для влажных химических процессов, системах сверхчистой воды, вакуумном оборудовании и оборудовании для производства полупроводников. В отличие от обычных промышленных клапанов, полупроводниковый клапан должен не только надежно регулировать поток, но и сводить к минимуму риск попадания частиц, металлических примесей, влаги, органических веществ и остатков технологической жидкости.

В связи с этим выбор полупроводниковых клапанов принципиально отличается от выбора обычных промышленных клапанов. Давление и номинальный размер по-прежнему играют важную роль, однако инженеры должны также учитывать материалы, контактирующие с рабочей средой, состояние внутренних поверхностей, мертвый объём, технологию уплотнения, вклад твердых частиц, показатели герметичности, соединения, механизм привода и требования к чистоте.

Выбор подходящего клапана в значительной степени зависит от рабочей среды. Клапан, предназначенный для трубопровода с газом сверхвысокой чистоты, может быть изготовлен из совершенно иного материала и иметь иную внутреннюю конструкцию, чем клапан, предназначенный для работы с концентрированными химическими веществами или сверхчистой водой.

Продукция на основе полупроводниковых клапанов

Что такое полупроводниковые клапаны?

Полупроводниковые клапаны — это компоненты для регулирования потоков жидкостей, разработанные или сертифицированные с учетом строгих требований к чистоте, предъявляемых в сфере производства полупроводников. Их можно устанавливать в газовых шкафах, коллекторных коробках клапанов, системах подачи химических веществ, системах подачи специальных газов в больших объемах, системах сверхчистой воды, технологическом оборудовании и вакуумном оборудовании.

Термин полупроводниковые клапаны не ограничивается описанием только одной конструкции клапана. В зависимости от технологического процесса в полупроводниковых системах могут использоваться мембранные клапаны, сильфонные клапаны, клапаны из высокочистых полимеров, шаровые клапаны высокой чистоты, дозирующие клапаны, обратные клапаны и специализированные вакуумные клапаны.

Ключевым отличием от традиционных промышленных клапанов является контроль загрязнения. Материалы и внутренние поверхности, вступающие в контакт с технологическим процессом, должны быть тщательно подобраны таким образом, чтобы клапан не стал значительным источником частиц, ионов, металлов или других нежелательных загрязнений.

Важную роль играет также внутренняя геометрия. Небольшой мёртвый объём, гладкие траектории потока и эффективные характеристики продувки помогают сократить количество технологического газа или жидкости, остающегося в системе во время переходных процессов.

Начните с рабочей среды

Первым шагом при выборе полупроводниковых клапанов является точное определение того, для каких целей будет использоваться клапан. На полупроводниковых предприятиях имеется несколько систем циркуляции жидкостей, к которым предъявляются совершенно разные требования в отношении материала, степени чистоты и условий эксплуатации.

Поэтому не следует выбирать клапан только потому, что он позиционируется как предназначенный для применения в полупроводниковой промышленности. Окончательные технические характеристики клапана должны определяться фактической технологической средой, требованиями к чистоте и условиями эксплуатации.

Выберите подходящий тип полупроводникового клапана

Мембранные клапаны

Мембранный клапан является одной из наиболее распространённых конструкций, применяемых в системах подачи полупроводниковых газов высокой и сверхвысокой чистоты. Металлическая мембрана отделяет технологический газ от большей части рабочего механизма, что позволяет сократить количество динамических уплотнительных элементов, непосредственно подвергающихся воздействию технологического процесса.

Полупроводниковые мембранные клапаны также могут иметь компактную внутреннюю конструкцию и относительно небольшой внутренний объём. Благодаря этим характеристикам они подходят для газовых систем, в которых важны чистота, эффективность продувки и контроль утечек.

Они обычно устанавливаются в газовых шкафах, газовых панелях, коробках с клапанными коллекторами и на оборудовании для производства полупроводников. Пневматический привод широко применяется в тех случаях, когда клапан должен срабатывать автоматически в рамках последовательностей подачи газа, продувки или отключения.

Клапаны с сильфоном

В клапанах с сильфоном для отделения технологической среды от механизма уплотнения штока используется металлический сильфон. Такая конструкция обеспечивает надёжную герметичность при работе с газами высокой чистоты, в вакуумных системах и других областях применения, где особенно важно предотвращение внешних утечек.

При выборе клапана следует учитывать срок службы сильфона, поскольку он подвергается многократным изгибам во время работы клапана. Поэтому в техническое задание необходимо включить требуемые значения давления, температуры и частоты работы.

Полимерные клапаны высокой чистоты

В системах распределения химических веществ в жидком состоянии и системах сверхчистой воды часто используются клапаны из ПФА и других высокочистых полимеров благодаря их устойчивости к агрессивным химическим веществам и пригодности для работы с жидкостями, чувствительными к загрязнению.

Одной только химической совместимости недостаточно. Инженеры должны также учитывать экстрагируемые вещества, вклад твердых частиц, температурные и давлениевые характеристики, а также степень чистоты каждого компонента, контактирующего с жидкостью.

Поэтому корпус клапана, мембрана, седла, уплотнения и соединительные элементы следует рассматривать как единый контур, контактирующий с рабочей средой.

Шаровые краны высокой чистоты

Шаровые краны высокой чистоты могут применяться в определённых областях, связанных с жидкостями для производства полупроводников, в системах инженерного снабжения и для изоляции, где преимуществами являются поворот на четверть оборота и относительно неограниченный расход.

Не следует автоматически считать, что обычный промышленный шаровой кран подходит для использования в полупроводниковой промышленности. Необходимо провести оценку поверхности шара, седел, внутренней полости, системы уплотнения штока, технологического процесса изготовления и конечной степени чистоты.

В газовых системах сверхвысокого давления (UHP), чрезвычайно чувствительных к загрязнению, часто отдают предпочтение мембранным клапанам благодаря их компактной геометрии смачиваемых поверхностей и уменьшенному количеству внутренних полостей.

Игольчатые и дозирующие клапаны

Игольчатые и дозирующие клапаны полезны в тех случаях, когда требуется точная ручная регулировка относительно небольших расходов. Их конический регулирующий элемент позволяет плавно изменять эффективное сечение проходного канала.

При применении в полупроводниковой отрасли разрешение по расходу следует оценивать с учётом материалов, контактирующих с рабочей средой, качества поверхности, мёртвого объёма и показателей загрязнённости.

Обратные клапаны

Полупроводниковые обратные клапаны предотвращают нежелательный обратный поток в газовых и жидкостных системах. Их давление открытия, материалы внутренних деталей, пропускная способность и скорость закрытия должны соответствовать условиям эксплуатации.

Неправильно подобранный обратный клапан может привести к ненужной потере давления или к нестабильному закрытию при низких расходах.

Характеристики материала, контактирующего с жидкостью, являются решающим фактором при выборе

Характеристики материала, контактирующего с жидкостью, являются одними из важнейших при выборе полупроводниковые клапаны. Сам по себе корпус клапана не определяет совместимость или степень чистоты.

Внутренние компоненты, такие как диафрагмы, седла, пружины, наконечники штоков, уплотнения и прокладки, также могут вступать в контакт с технологической средой. Поэтому перед покупкой следует ознакомиться с полным перечнем материалов, контактирующих с рабочей средой.

Нержавеющая сталь 316L

Нержавеющая сталь марки 316L широко используется для изготовления компонентов, предназначенных для работы с газами высокой и сверхвысокой чистоты в полупроводниковой промышленности, поскольку она сочетает в себе хорошую коррозионную стойкость, свариваемость и возможность получения внутренних поверхностей с высокой степенью контроля качества.

В сфере обслуживания полупроводникового оборудования указание только “316L” может оказаться недостаточным. Химический состав материала, технология изготовления, металлургическое качество и состояние внутренних поверхностей также могут регулироваться требованиями проекта или техническими условиями на оборудование.

PFA и другие полимеры высокой чистоты

PFA широко используется в системах влажной химической обработки полупроводников и системах с ультрачистой водой благодаря своей химической стойкости и пригодности для работы с жидкостями высокой чистоты.

Рабочее давление и температура должны оставаться в пределах допустимого диапазона для выбранного материала. Также следует проверить концентрацию химических веществ, поскольку совместимость может значительно варьироваться в зависимости от рабочих сред и условий технологического процесса.

Оценка качества смачиваемой поверхности

Состояние смачиваемых поверхностей имеет особое значение в газовых системах высокой чистоты и сверхвысокой чистоты (UHP). Неровные или плохо контролируемые внутренние поверхности создают дополнительные места, где могут задерживаться влага и загрязнения.

В полупроводниковых компонентах из нержавеющей стали могут использоваться механически отполированные, подвергнутые ярковому отжигу или электрополированные поверхности в зависимости от требуемого уровня чистоты и технических требований к применению.

Электрополировка позволяет повысить гладкость поверхности и устранить микроскопические неровности, однако шероховатость поверхности не следует оценивать в отрыве от качества материала, контроля производственного процесса и очистки.

Покупателям следует ознакомиться с полной спецификацией смачиваемых поверхностей и понять, каким образом клапан обрабатывается перед окончательной сборкой.

Свести к минимуму мёртвый объём

Мертвый объём — это внутреннее пространство, в котором может оставаться технологический газ или жидкость после промывки, вакуумирования или смены основного потока.

Чрезмерный мёртвый объём может увеличить время продувки и повысить риск перекрёстного загрязнения при переходе в процессе производства полупроводников между режимами использования технологического газа, продувочного газа и вакуума.

Таким образом, компактная конструкция полупроводниковых клапанов может повысить эффективность технологического процесса, особенно в газовых панелях и системах, устанавливаемых в местах потребления, где требуются частые циклы продувки.

Инженерам следует учитывать расположение седла, внутренние полости и геометрию соединений, а не оценивать мёртвый объём исключительно по внешним размерам клапана.

Характеристики по частицам и загрязнениям

Процессы производства полупроводников чрезвычайно чувствительны к попаданию частиц и другим видам загрязнений. Клапан содержит подвижные и уплотняющие элементы, поэтому использование неподходящих материалов или некачественная внутренняя обработка поверхности могут потенциально привести к загрязнению в процессе эксплуатации.

В зависимости от системы циркуляции жидкости оценка компонентов может включать анализ вклада твердых частиц, металлических примесей, экстрагируемых веществ, влаги или органических загрязнений.

Поэтому перед выбором клапана необходимо определить требуемый уровень чистоты в соответствии с техническими условиями технологического процесса или оборудования.

Укажите показатели герметичности

Утечку в полупроводниковом клапане следует рассматривать с двух точек зрения: утечку через закрытое седло и утечку из зоны под давлением в окружающую среду.

Негерметичность седла определяет, насколько эффективно клапан разделяет верхний и нижний участки гидравлической системы.

Внешние утечки связаны с соединениями корпуса, диафрагмами, сильфонными узлами и другими пределами, удерживающими давление.

Компоненты для сверхвысокодавления (UHP) и вакуумные компоненты могут потребовать проведения высокочувствительного контроля герметичности. Необходимый предел допуска следует определять исходя из фактических требований системы, а не исходить из общих характеристик данной категории продукции.

Давление, температура и пропускная способность

Полупроводниковые клапаны по-прежнему должны соответствовать стандартным требованиям гидравлической техники. Клапан должен надежно выдерживать максимальное давление и температуру, которые могут возникнуть в ходе нормальной эксплуатации, запуска, остановки и технического обслуживания.

Требуемую пропускную способность также следует определять исходя из фактических условий технологического процесса. Клапан недостаточной пропускной способности может привести к чрезмерным потерям давления, тогда как излишне большой клапан может увеличить внутренний объем и стоимость.

В случаях, когда требуются определённые характеристики расхода, коэффициент Cv клапана следует оценивать с учётом минимальных, нормальных и максимальных технологических условий.

Выберите правильное соединение

Соединения полупроводниковых клапанов влияют на степень чистоты, монтаж, внутренний объём и техническое обслуживание.

В газовых системах из нержавеющей стали высокой чистоты обычно используются сварные соединения, соединения с торцевым уплотнением с металлической прокладкой или конструкции с поверхностным монтажом.

Сварные соединения позволяют свести к минимуму количество механических соединений, однако требуют соблюдения определённых правил монтажа. Соединения с торцевым уплотнением обеспечивают возможность разъединения и упрощают замену компонентов или техническое обслуживание оборудования.

Клапаны для поверхностного монтажа особенно удобны при использовании в компактных газовых панелях и коллекторах, поскольку позволяют сократить длину трубопроводов и общий внутренний объём.

Химические системы на основе полимеров высокой чистоты требуют использования совместимых трубопроводов и соединительных технологий, подходящих для выбранной технологической среды.

Ручное или пневматическое управление?

Полупроводниковые клапаны с ручным управлением подходят для изоляции в целях технического обслуживания и для применений, в которых они эксплуатируются относительно редко.

Клапаны с пневматическим приводом широко применяются в автоматизированном оборудовании для подачи газа и химических веществ. Они обеспечивают дистанционное управление и могут включаться в схемы продувки, технологические процессы и процедуры аварийного отключения.

При выборе привода следует учитывать доступное давление воздуха, рабочую частоту, требуемую скорость открытия и закрытия, а также положение в случае отказа.

Срок службы имеет особое значение в тех случаях, когда клапан многократно срабатывает на каждом этапе процесса производства полупроводников.

Сборка и упаковка в чистых помещениях

Чистота полупроводниковых клапанов может ухудшиться после механической обработки, если процессы очистки, сборки и упаковки не контролируются должным образом.

Покупатели должны понимать, каким образом производитель очищает и сушит детали, контактирующие с жидкостью, где происходит окончательная сборка и как готовые клапаны защищаются перед отправкой.

Упаковка должна защищать соединения высокой чистоты и внутренние поверхности от попадания частиц, влаги и загрязнений, возникающих при манипуляциях во время транспортировки и хранения.

Таблица выбора полупроводниковых клапанов

Какую информацию следует предоставить поставщику?

Предложение на поставку полупроводникового клапана должно основываться на полной информации о технологическом процессе, а не только на размерах и материалах.

В запросе предложений должны быть указаны: рабочая среда, требования к чистоте, функция клапана, расход или коэффициент пропускной способности (Cv), давление, температура, материалы, контактирующие с рабочей средой, тип соединения, привод, требования к герметичности и требования к чистоте.

В случае коррозионных химических веществ необходимо указать их точное химическое название и концентрацию, чтобы можно было правильно оценить совместимость материалов.

Требования к тестированию, документации и упаковке, специфичные для данного проекта, также должны быть указаны до того, как поставщик подготовит коммерческое предложение.

Распространенные ошибки при выборе полупроводниковых клапанов

Одной из распространенных ошибок является выбор полупроводниковых клапанов исключительно по номинальному размеру и давлению. Клапан может соответствовать механическим требованиям, но при этом оказаться непригодным для обеспечения требуемого уровня чистоты.

Еще одной ошибкой является предположение, что все детали из нержавеющей стали марки 316L обладают одинаковыми характеристиками высокой чистоты. Качество материала, состояние внутренней поверхности, очистка и контроль производственного процесса могут значительно различаться.

Следует также избегать выбора клапанов слишком большого размера. Клапан большего размера может привести к увеличению внутреннего объёма и стоимости, не улучшая при этом производительность технологического процесса.

Наконец, выбор клапанов и соединительных элементов следует рассматривать в комплексе, поскольку именно весь путь прохождения жидкости определяет степень чистоты системы и эффективность продувки.

Как сравнить поставщиков полупроводниковых клапанов

Поставщиков полупроводниковых клапанов следует сравнивать по техническим характеристикам, а не только по цене закупки.

В коммерческом предложении должны быть четко указаны конструкция клапана, материалы, контактирующие с рабочей средой, состояние внутренних поверхностей, типы соединений, номинальное давление, привод, а также требования к степени чистоты.

Покупатели также должны понимать, как поставщик осуществляет очистку, сборку, испытания и упаковку продукции.

В случае производственного оборудования и повторных заказов стабильность качества и отслеживаемость производства имеют особое значение, поскольку клапаны одной и той же спецификации могут закупаться на протяжении многих производственных циклов.

Часто задаваемые вопросы о полупроводниковых клапанах