高 翔

（中科艾爾（北京）科技有限公司， 北京 101100）

0 引言

半導(dǎo)體集成氣柜的氣路需從常溫區(qū)走向高溫區(qū)，高溫區(qū)溫度可達(dá)200 ℃，常溫區(qū)溫度為20～40 ℃，但是由于現(xiàn)有常溫到高溫的氣路轉(zhuǎn)路通常采用卡套接頭形式連接，由于卡套連接過(guò)短無(wú)法滿足高溫轉(zhuǎn)向常溫通過(guò)多層隔熱層的距離限制，且半導(dǎo)體氣路要求高純氣體，接頭本體要求耐腐蝕、耐毒性、耐久及高純無(wú)金屬雜質(zhì)的本體，普通的卡套接頭304 材質(zhì)無(wú)法滿足使用要求。為了解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭故解決常溫與高溫氣路轉(zhuǎn)接及密封問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體集成氣柜的高純氣體需從常溫區(qū)走向高溫區(qū)的氣路輸送。

1 結(jié)構(gòu)組成與功能

常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括轉(zhuǎn)接頭本體、耐高溫接頭、常溫氣管接頭、固定螺母、密封墊。轉(zhuǎn)接頭本體為通氣不銹鋼圓管，轉(zhuǎn)接頭本體兩端分別加工有內(nèi)外螺紋，耐高溫接頭，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)接頭本體的第一端，與所述轉(zhuǎn)接接頭本體第一端內(nèi)螺紋連接，常溫氣管接頭，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)接頭本體的第二端，與所述轉(zhuǎn)接接頭本體第二端內(nèi)螺紋連接。固定螺母用于固定轉(zhuǎn)接頭本體，固定安裝在氣柜的穿板孔中，兩側(cè)由密封墊進(jìn)行密封，本設(shè)計(jì)能滿足高純氣體的輸送，同時(shí)滿足高溫向常溫的氣路轉(zhuǎn)換，可以在半導(dǎo)體集成氣柜接線領(lǐng)域中應(yīng)用。

圖1 常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

轉(zhuǎn)接頭本體，位于半導(dǎo)體集成氣柜內(nèi)，穿過(guò)半導(dǎo)體集成氣柜的隔熱層和多層鈑金，所述轉(zhuǎn)接頭本體的兩端分別設(shè)置有連接螺紋；耐高溫接頭，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)接頭本體的第一端，與所述第一端內(nèi)螺紋連接，通過(guò)所述耐高溫接頭與半導(dǎo)體集成氣柜中的高溫區(qū)內(nèi)氣管連接；常溫氣管接頭，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)接頭本體的第二端，與所述第二端內(nèi)螺紋連接，通過(guò)所述常溫氣管接頭與半導(dǎo)體集成氣柜中的常溫區(qū)內(nèi)氣管連接。

固定螺母通過(guò)轉(zhuǎn)接頭本體的外螺紋安裝在所述耐高溫接頭與所述轉(zhuǎn)接頭本體的第一端之間，以及所述常溫氣管接頭與所述轉(zhuǎn)接頭本體的第二端之間。

固定螺母與轉(zhuǎn)接頭本體之間設(shè)置有密封墊，用于將轉(zhuǎn)接頭本體兩端與轉(zhuǎn)接接頭密封固定。以實(shí)現(xiàn)高純氣體的輸送，同時(shí)滿足高溫向常溫的氣路轉(zhuǎn)換。

3 各構(gòu)件的特點(diǎn)及作用

1）轉(zhuǎn)接頭本體的可根據(jù)穿板的距離和兩端留有的長(zhǎng)度而設(shè)計(jì)，一般而言轉(zhuǎn)接頭本體的外螺紋為普通粗牙螺紋，配合固定螺母安裝使用。轉(zhuǎn)接頭本體的內(nèi)螺紋為密封螺紋，用于與耐高溫接頭和常溫接頭的連接安裝。因?yàn)槊芊饴菁y的精度要求高，螺紋精度直接影響密封的效果，因此在加工螺紋時(shí)要符合精度的要求。

普通不銹鋼棒料加工完畢，不僅其表面黏有各種污染物，而且在其金屬晶格內(nèi)也吸留有一定量的氣體。當(dāng)管路中有氣流通過(guò)時(shí)，金屬所吸留的這部分氣體會(huì)重新進(jìn)入氣流中，污染純凈氣體。當(dāng)轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)氣流為不連續(xù)流動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)接頭本體的管壁對(duì)所通過(guò)的氣體形成壓力下吸附，氣流停止通過(guò)時(shí)，管壁內(nèi)所吸附的氣體又形成降壓解析，而解析的氣體同樣作為雜質(zhì)進(jìn)入管內(nèi)純凈氣體中[1]。同時(shí)，吸附、解析周而復(fù)始，使得轉(zhuǎn)接頭本體管壁內(nèi)表面金屬也會(huì)產(chǎn)生一定的粉末，這種金屬粉塵粒子同樣污染管內(nèi)純凈的氣體。為了確保輸送的氣體的純凈度，不僅要求轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)表面有一個(gè)極高的光滑度，而且應(yīng)當(dāng)具有很高的耐磨特性。腐蝕性能較強(qiáng)的氣體時(shí)，必須選用耐腐蝕的不銹鋼棒料作為轉(zhuǎn)接頭本體，否則轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)壁將會(huì)由于腐蝕而在內(nèi)表面產(chǎn)生腐蝕斑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)大片金屬剝離甚至穿孔，從而污染輸配的純凈氣體[2]。綜上所述，在半導(dǎo)體集成氣路中對(duì)于高純氣體及特種氣體輸送管道，必需采用一種特種處理的高純不銹鋼棒料，至使高純管道系統(tǒng)（包含管道、管件、閥門(mén)、VMB、VMP）在高純氣體配送中占有至關(guān)重要的使命。所以轉(zhuǎn)接頭本體材質(zhì)采用316L（VAR）高純不銹鋼制成，通過(guò)真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），對(duì)材料進(jìn)行最大程度提純，進(jìn)一步減少了材料中的非金屬夾雜物和氣體成分，并對(duì)產(chǎn)品內(nèi)表面經(jīng)過(guò)電解拋光處理，以提高產(chǎn)品內(nèi)部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性和內(nèi)壁表面的潔凈度。轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)部采用研磨加電解拋光工藝處理方式，研磨拋光后其管壁內(nèi)的粗糙度Ra＜0.2，用于滿足半導(dǎo)體氣路高純氣體的要求[3]。

2）耐高溫接頭采用耐高溫316L 材質(zhì)卡套接頭。316L 材質(zhì)卡套接頭優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能可靠、使用方便、制造精良、外形輕巧美觀，具有耐高溫耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。316L 可耐600 ℃的高溫氣體，適用于高溫的氣路連接。

3）常溫氣管接頭采用直通式氣管接頭，這種接頭裝卸方便，把氣管直接插入夾頭即可接通，拆卸時(shí)一手把夾緊件的環(huán)部往前推，使夾頭離開(kāi)內(nèi)錐面，另一手即可把氣管拔出。目前這種接頭有適用于直徑為4mm、6 mm、8 mm 的氣管用于連接氣路。

4）密封墊的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品涉及高溫，所以密封墊采用耐高溫密封墊。在集成半導(dǎo)體氣路中，由于各零件安裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭安裝位置又位于半導(dǎo)體集成氣柜柜體最里側(cè)，因此對(duì)于密封墊的耐久性有著提高的要求，耐高溫密封墊材質(zhì)選用至關(guān)重要。綜合各密封墊的材質(zhì)考慮，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品密封圈材質(zhì)選用為全氟橡膠（FFKM），全氟橡膠材料行業(yè)具有一系列優(yōu)勢(shì)性能，如低硬度、耐腐蝕、耐化學(xué)腐蝕、極低的沖擊應(yīng)變、耐風(fēng)化強(qiáng)度、耐熱性能等。使用全氟橡膠材料，能夠達(dá)到最佳的張力，壓力分布，抗張強(qiáng)度和耐磨性，以及抗拉和彎曲能力等。主要全氟橡膠材料具有極低的硬度、極高的柔韌性、抗沖擊性、耐磨擦性以及抗老化能力，使用過(guò)程中可以保持必要的柔韌性和張力、壓力分布[4]。這種材料可以把張力和壓力消散，從而起到中斷疲勞動(dòng)作，減輕應(yīng)力變形等作用，提高耐久性。全氟橡膠材料具有極佳的耐腐蝕性，可以有效地抵御強(qiáng)烈的酸堿性和強(qiáng)烈的毒腐氣體的腐蝕作用，有效地防止由于沉積物導(dǎo)致的密封件變形或破壞，極大地提升了使用壽命。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

特氣供應(yīng)系統(tǒng)是指特氣的儲(chǔ)存、輸送、分配與控制的設(shè)備、管道和部件的總稱，其中“儲(chǔ)存”指氣源部分（特氣柜GC/GR），“輸送”指配管部分（一般用SUS316L EP 級(jí)不銹鋼管）[5]，本設(shè)計(jì)的常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭應(yīng)用于特氣柜內(nèi)部，從高溫轉(zhuǎn)換常溫氣路輸送，穿板及隔熱層的距離為220 mm，通氣壓力為0.2 MPa，氣路流速v 為28.3 m/s，流量要求＞8 m3/h。

管路截面積計(jì)算公式為：

式中：A 為管路截面積；Q 為流量，取8 m3/h；v=28.3 m/s=101 880 m/h。

將數(shù)值帶入式（1）得出：A=78.5 mm2。

轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)徑計(jì)算公式為：

式中：R 為轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)徑。

將數(shù)值帶入式（2）得出：R=5 mm，內(nèi)徑D=10 mm。

轉(zhuǎn)接頭本體內(nèi)孔兩側(cè)可加工G1/8 內(nèi)螺紋用于連接耐高溫接頭和常溫氣管接頭，轉(zhuǎn)接頭本體壁厚選3 mm，轉(zhuǎn)接頭外徑為16 mm，轉(zhuǎn)接頭本體可加工M16外螺紋配固定螺母。轉(zhuǎn)接頭本體加工完成后，需經(jīng)過(guò)專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行五項(xiàng)測(cè)試，分別為保壓、氦檢、顆粒度測(cè)試、水分測(cè)試、氧份測(cè)試，全部測(cè)試合格后才能投入生產(chǎn)使用[6]，對(duì)于輸送腐蝕性氣體的轉(zhuǎn)接頭本體還要進(jìn)行鈍化操作，安裝應(yīng)用示意圖如圖2 所示。

圖2 常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭安裝示意圖

5 應(yīng)用情況

常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭穿板及隔熱層的距離為220 mm，高溫區(qū)的溫度為180 ℃高溫環(huán)境，常溫區(qū)溫度為28 ℃，氣體為氟化氫HF，氣體壓力為0.2 MPa，使用時(shí)間25 000 h 以上氣體無(wú)污染，本體接頭數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 轉(zhuǎn)接頭本體力學(xué)性能及耐久應(yīng)用結(jié)果

密封墊材料選為全氟橡膠（FFKM），密封墊尺寸16 mm×8 mm×2 mm，高溫區(qū)的溫度為180 ℃高溫環(huán)境，常溫區(qū)溫度為28 ℃，使用時(shí)間25 000 h 以上氣體無(wú)泄漏，密封墊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 密封墊耐久數(shù)據(jù)應(yīng)用結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

新型常溫轉(zhuǎn)高溫氣路穿板轉(zhuǎn)接接頭可以穿過(guò)半導(dǎo)體集成氣柜內(nèi)的隔熱層和多層鈑金將氣體長(zhǎng)距離輸送轉(zhuǎn)換，兩端分別經(jīng)耐高溫接頭、常溫氣管接頭進(jìn)行密封固定，不僅滿足了高純氣體的輸送，同時(shí)滿足高溫向常溫的氣路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)接接頭本體經(jīng)過(guò)特殊工藝處理保證了氣體的在轉(zhuǎn)換工程中的高純度，密封墊采用全氟橡膠材質(zhì)大大提高了使用的耐久性，為半導(dǎo)體氣路轉(zhuǎn)換提供設(shè)計(jì)提供參考意義。