隨著電子工業的發展，國內TFT-LCD(液晶面板)半導體行業也出現與日俱增的局面。投資大，風險高是建設半導體廠房的一大特點，作為支持生產工藝穩定運行的工藝(制程)冷卻水系統，如何做到最優化，最合理可靠的設計，以最小的投資，最好的回報，最大的節能，無疑是半導體工程行業設計者應該注意的問題，本文簡要介紹本工程設計實例，并就此系統設計，列出此系統相關設計問題，淺述自己的看法，以期與同行共同提高。

1、系統概況及特點

1．1 系統概況

　　在半導體廠房中工藝冷卻水(或稱制程冷卻水、工藝設備冷卻水、簡寫：PCW)系統主要用于生產工藝設備的冷卻，①且管網多采用密閉循環形式。本TFT廠房工藝冷卻水系統主要用于TFT生產工藝設備的冷卻，該系統設計主要由三個環路組成，一個環路負責冷卻水的“制備”，即高溫水箱中的水由循環水泵提壓，經熱交換器冷卻后進入低溫水箱，此部分管路稱為一次側環路。二次側環路負責冷卻水的輸配，既低溫水箱中的水經循環水泵提壓，過濾，由輸水管線送到生產工藝車間與工藝介質熱交換，交換后的高溫水沿回水管線流回高溫水箱。另一環路即為冷媒側冷凍水供回水環路，經冷機制備的冷凍水經輸水管路至交換器冷量交換后回到冷機側。

　　該系統設計可簡單表述為系統流程簡圖圖1。

　�、儆兴�箱的循環水系統均為開式系統，無水箱采用定壓罐定壓的為閉式循環系統

 

　　系統供水水質要求：

　　冷卻水溫度Cooling-water supply temperature：20℃

　　酸堿度Acidity(PH)：6.5~8.0;

　　最大粒徑顆粒Maximum particale size：≤0.03mm2;

　　硬度Hardness:＜100ppm;

　　電阻率Resistivity:＞1KΩ•cm;

　　總溶解固體(濁度)Solids(Turbidity)：＜100ppm;

　　系統供回水管路布置形式：同程式管路布置設計。

　　冷媒系統：13~18℃冷凍水系統。

　　管道材質：冷凍水系統(冷媒)采用普通鋼管，工藝冷卻水系統采用不銹鋼管。

　　連接方式：焊接連接。

1．2系統特點

　　工藝冷卻水系統，根據生產工藝的不同要求，設計上會有或多或少的差別，本TFT廠房工藝冷卻水系統和一般工業廠房循環冷卻水系統比較，有類似的地方，但亦存在不少差別，

本工藝冷卻水系統特點如下：

　　(1)系統較一般工業系統循環水水質要求較高，且系統補水一般使用RO水或超純水，系統在輸水管網前端經過5um，99%的過濾器微過濾，在輸水管網末端某些設備使用點，對水質要求更高，比如爆光機，CVD等設備，要單獨設置精密過濾器，為保證系統可靠性，末端過濾器采用一用一備。

　　(2)系統設計為閉式循環系統(②你這個屬于開式循環系統)，管網布置形式采用同程管路布置設計，其優點是：

　　1)水在管路內密閉循環，不與大氣接觸，可以有效防止二次污染(水質不會產生二次污染)；

　　2)水泵安裝位置選擇簡易，可以安裝在系統任何位置(③開篇說本系統包括3個環路，這里具體指哪個環路？)，運行過程中整個系統充滿水，水泵揚程只需克服循環阻力，不需克服水柱的靜壓力，動力節省，通常情況下，考慮維護檢修方便，水泵及系統相關設備均會設置在單獨的設備機械室，本系統在主廠房輔房設有單獨的設備冷卻機械室；

　　3)采用同程式布置，每一環路管路的長度大致相等，各機組(④機組還是工藝設備？)的水阻力大致相等，因此各機組的流量大致等于設計流量，系統水力平衡性較好。

　　(3)系統管道材質要求相對較高，這一點同系統對水質要求相關，采用不銹鋼材質的管道，即能有效避免在管網輸水工程中管道對水質產生的影響，又能滿足系統長期運行的需要，若采用一般空調水所使用的碳鋼鋼管，長時間運行，管道很容易銹蝕，造成水質污染，根據其他類似電子廠房設計經驗，采用普通不銹鋼管是比較經濟的選擇。據工藝用超純水設計經驗，在水的電阻率高于1MΩ•cm時，就不宜采用普通不銹鋼管，(⑤我記得醫藥項目5MΩ•cm的純水系統也有用304不銹鋼管的？)此時不銹鋼管與純水之間的過氧化作用會產生銹蝕的針孔腐蝕效應，除污染水質外，也可造成管道的泄露，本冷卻水系統水質要求不及工藝用超純水的嚴格，故無須考慮此影響。

　　(4)系統自動化程度高，對控制要求較高，主要包括對供水水溫、供水壓力以及水泵的運行控制。對水溫的控制，要保證系統提供可靠的20℃的冷卻水；對供水壓力的控制，要保證系統能夠提供穩定可靠的動力源；在水泵運行的控制方式上，除要求整個系統的運行穩定，還要力求運行過程中的節能。

2、工藝冷卻水系統設計相關問題

2．1 二次泵系統中水箱(緩沖水槽)平衡問題

　　二次泵系統中水箱平衡問題即高溫水箱和低溫水箱之間的水平衡問題，本系統水箱平衡除考慮兩水箱的容積和連通管的設置，還要考慮一次側環路和二次側環路水泵的選型，兩水箱的容積對于循環水泵的吸水段起到系統緩沖作用，兩水箱連通管的設置既要能保證兩水箱間在用水差異時的平衡，又要能保證高溫水箱中的水不會過多流入低溫水箱，否則低溫水箱冷卻水水溫將很難得到保證，在水泵選型上，除要考慮一次側環路和二次側環路水泵的流量一致性，還要考慮兩環路循環水泵的不同控制方式，在運行方式上，一次側環路可以采用定流量控制，而二次側環路可采用變流量控制。這樣的控制方式既能有助于系統運行的穩定性，又有助于系統的節能。

2．2 一次和二次泵選型問題

　　在水泵的選型上，要做到選泵合理，就要綜合考慮水泵機組和運行費用等綜合性的技術經濟指標，使之符合經濟、安全、適用的原則。具體來說，所選水泵機組必須滿足使用流量和揚程的要求，即要求泵的運行工況點(裝置特性曲線與泵的性能曲線的交點)經常保持在高效區間運行，這樣既節省動力又不易損壞機件；所選水泵機組既要體積小、重量輕、造價低，又要具有良好的特性和較高的效率；另外 所選水泵具有良好的抗汽蝕性能，這樣既能保證水泵運行平穩、壽命長，又能降低運行費用，工程投資少。

　　本系統在一次和二次泵選型上，水泵流量以生產工藝設備給出的最大循環流量考慮，同時考慮到未來工藝的改造擴產，考慮一定的余量。當生產工藝設備不能給出最大流量，或只能給出正常流量時，水泵流量的選取要有一定的富余系數。水泵揚程只考慮克服水循環的阻力，而不需克服水柱的靜壓力，一次泵和二次泵揚程均通過系統阻力計算可得。

　　在水泵材質的選擇上，水泵的本體采用不銹鋼材質，這樣可以很好避免對水質可能造成的污染，缺點只是造價稍高，本系統一次側選用三臺立式循環泵，二次側選用三臺臥式循環泵，均按兩用一備考慮設置。

2．3 過濾器選型與設計要求問題

　　水過濾器或過濾裝置的選擇，是本系統設計的又一關鍵問題，半導體設備對水質的要求較高，因此前端過濾器選擇，除要考慮后續管路可能對水質的影響，還要兼顧考慮不同工藝設備水質要求的差異，本系統前端過濾器選用5um，99%過濾要求的不銹鋼過濾器，末端過濾器選擇根據末端工藝設備的水質要求確定，另外選擇過濾器時還要考慮其工作壓力，密封圈密封嚴密性問題以及是否便于反洗或更換濾芯，切忌在低于水泵最大揚程下工作，或過濾器工作壓力正常情況下能滿足要求(⑥語句不通)，水泵運行不平穩時(比如工頻運行時)出現泄露，本問題在同類工程上出現過，應引起相關工程人員注意。

2．4 熱交換器的選型問題

　　目前市場上，熱交換器種類繁多，按其形式可分管殼式，板式，板翅式，熱管式等。本系統綜合考慮下，選用板式熱交換器，相比較而言，板式熱交換器具有占地面積小，傳熱面積大的優點，考慮到半導體廠房空間面積造價特點，優選占地面積小的設備，節約用地面積，節省了工程造價。選型要滿足設計流量下的熱交換量，并且在最大流量及壓力時不能產生變形或振動，并符合一側無壓力時仍可承受最大操作壓力。

2．5 冷媒選擇及防結露保溫問題

　　本系統冷媒來自于冷凍站13~18℃冷機冷凍水系統，不同于目前一般工業循環水系統通常采用冷卻塔冷卻后水作為熱質交換的冷源形式。主要考慮系統對水溫的要求較低，同時綜合考慮了整個廠房系統的設計(冷凍水使用點除作為空調水使用外，還有諸如超純水制備等系統冷源)，整個系統除凈房空間外都需要防結露保溫措施，保溫材料采用當前普遍采用的橡塑保溫棉，保溫材料的厚度要根據計算確定，切不可憑經驗，導致出現偏薄不滿足要求而結露或過厚浪費的情況。

2．6 自控系統的設計要求

　　本系統PLC模塊自控系統的設置，既保證了系統能在正常情況下自動運行，對系統的運行穩定性，整個系統的節能，起到了關鍵性的作用。

　　(1) 供水水溫的控制

　　根據工藝設備對供水溫度的需求，本系統對供水溫度要求控制在20℃，供水溫度通過安裝在輸水管道上溫度傳感器采集，傳輸到PLC運算控制模塊，控制冷凍水側電動閥開啟度調節冷凍水側流量，從而控制板換冷量交換，使冷卻水達到20℃的設計目標要求。(⑦工藝水的水溫依賴的是低溫水箱內的水溫，低溫水箱水溫的影響因素包括一次側跟冷凍水換熱后的進水，也包括高溫水箱流入低溫水箱的水溫影響，也包括環境溫度，水箱容積也對水溫調節的靈敏產生影響,二次側水泵的變流量運行也對水溫有影響)

　　(2)供水電導率的控制

　　控制供水電導率其實是間接反映對供水水質的控制，系統高溫水箱補水采用RO水及超純水，電阻率高于1.0KΩ•CM。當安裝在高溫水箱中的電導率測試儀檢測到電導率不滿足設定要求時，系統會將此信號傳到PLC控制模塊，PLC經運算控制超純水補水管路上電動閥開啟度確定補水量。另外為防止水箱中水與大氣直接接觸，影響水的電導率，采用氮封保護水質。(⑧高低溫水池里面設置氮封了？壓力多大？)

　　(3)供水壓力控制

　　對系統供水進行控制，使其維持在一定壓力下，體現在對二次水泵控制方式上。本系統二次泵采用變頻調速控制，即通過系統供水壓力來調節變頻器頻率。本系統設定供水壓力值為0.5MPa。壓力傳感器0~10V信號對應變頻器的30~40Hz。當系統壓力低于0.5MPa時,變頻器頻率升高，以使系統維持0.5MPa的供水壓力。當系統壓力高于0.5MPa時，變頻器頻率降低。同時壓力傳感器控制水泵出口端回水電動閥的啟閉，當壓力大于設定值(0.5MPa)時，電動閥打開，以防止系統壓力過高，對后續管路尤其是工藝設備產生影響。

　　結語：國內大型半導體廠房建設，多由國外或臺資公司總包，工藝設計也多由日本公司或臺資公司完成，工藝冷卻水作為支持半導體關鍵性一環，其設計關乎整個廠房系統工藝設備能否正常運行，本文也只是粗淺地談談關乎系統設計的相關問題，當然還有一些設計細節需要在今后的設計項目中不斷完善。