淺談液晶顯示工廠化學(xué)品集中供應(yīng)系統(tǒng)

吉 川，陳曉芳，伍光明，江志堅(jiān)，何 瑩，葉曉明，宋明理

(福州京東方光電科技有限公司，福建 福州 350300)

各種化學(xué)品作為重要的消耗品，在液晶、半導(dǎo)體等廠中廣泛應(yīng)用，一般用在清洗、腐蝕、剝離、顯影等工序中大量使用[1]，尤其是蝕刻液、剝離液、顯影液，消耗量巨大，每月可消耗近千噸，這樣就對(duì)化學(xué)品系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性提出了極高的要求，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都有可能導(dǎo)致人員傷亡、工廠停產(chǎn)、品質(zhì)不達(dá)標(biāo)等事故[2-3]。液晶面板行業(yè)對(duì)化學(xué)品的潔凈度要求很高，任何一點(diǎn)污染都有可能造成產(chǎn)品發(fā)生不良，因此，對(duì)化學(xué)品管道要求使用PFA或SUS316L材料，以保證化學(xué)品潔凈度。同時(shí)，化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等方面均對(duì)供應(yīng)連續(xù)、安全、穩(wěn)定至關(guān)重要[4]，因此在此行業(yè)中，如何有效的優(yōu)化化學(xué)品集中供應(yīng)系統(tǒng)有很大的應(yīng)用價(jià)值[5]，尤其在自動(dòng)化控制角度仍有很大的改善提升空間[6]。

1 化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 站房設(shè)計(jì)

化學(xué)品根據(jù)危險(xiǎn)性分級(jí)，分為甲乙丙等類別，其中甲乙類為易燃易爆化學(xué)品，不允許建在地下室中，廠區(qū)化學(xué)品站房必須遠(yuǎn)離居民建筑，與其他廠房間距大于12米，與主要道路距離10米以上，避免建在上風(fēng)口。站房必須按照《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，分塊布置，酸、堿、有機(jī)分開(kāi)存放。甲乙類化學(xué)品儲(chǔ)存間及廢液回收間單獨(dú)設(shè)計(jì)，置于地面上，耐火等級(jí)為一級(jí)，站房?jī)?nèi)的防火分區(qū)之間使用防火墻分隔。

1.1.1 基本要求

站房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)化學(xué)品泄漏收集溝，酸堿有機(jī)互不連接，溝內(nèi)做好FRP等防腐蝕處理，在溝內(nèi)安裝廢水提升泵，接至廢水系統(tǒng)。站房?jī)?nèi)部通道、地面等使用環(huán)氧涂層，甲乙類站房使用不發(fā)火地面，且照明燈均使用耐酸堿、防爆設(shè)計(jì)等。經(jīng)常進(jìn)行IBC/DRUM充裝作業(yè)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行耐磨處理。

1.1.2 通風(fēng)要求

空調(diào)系統(tǒng)包含一般排風(fēng)、事故排風(fēng)、新風(fēng)系統(tǒng)等，根據(jù)GB 50781-2012《電子工廠化學(xué)品系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，最小通風(fēng)換氣次數(shù)不低于每小時(shí)6 次的要求。

1.1.3 溫度控制

房間溫度無(wú)特殊要求管控在(23±3)℃，不同類型藥品對(duì)溫度要求見(jiàn)表1。對(duì)于溫度有嚴(yán)格要求的化學(xué)品，需要精確控制站房溫度，如CH3COOH冰點(diǎn)為17 ℃，這就要求站房溫度必須嚴(yán)格控制在18 ℃以上；而CU ETCHANT(主要成分為20% H2O2)要求的存放溫度為13～21 ℃，甚至有些要求嚴(yán)格的工廠將其存放溫度管控在18 ℃以下。AL ETCHANT粘度33.65，在溫度低于23 ℃時(shí)，液體流動(dòng)性差，供應(yīng)流量降低，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮須將CU ETCHANT 和AL ETCHANT分開(kāi)存放。

表1 不同類型化學(xué)品站房溫度要求Table 1 The temperature requirement of different chemicals

1.2 管道材質(zhì)

半導(dǎo)體廠房使用的化學(xué)品絕大多數(shù)均有腐蝕性，因此，作為化學(xué)品主要載體的管道有較多特殊要求。

1.2.1 不銹鋼管道

甲乙類化學(xué)品的運(yùn)輸使用SUS316L EP管道，在管道彎頭處需要增加固定支架，對(duì)于DN50以上的管道須使用自動(dòng)焊接，作業(yè)環(huán)境必須為無(wú)塵車間。

1.2.2 PFA+PVC雙套管

其他腐蝕類化學(xué)品使用PFA材質(zhì)管道進(jìn)行運(yùn)輸，PFA又名可熔性聚四氟乙烯，具有強(qiáng)耐腐蝕、可塑性強(qiáng)，摩擦系數(shù)小等諸多有點(diǎn)，在高溫下仍有穩(wěn)定的化學(xué)性能，在潔凈廠房中廣泛應(yīng)用；PFA管道在化學(xué)品應(yīng)用方面有嚴(yán)格的施工規(guī)范，對(duì)于輸送距離小于200米的情況，管道必須是整根使用，中間無(wú)接頭；對(duì)于必須使用接頭的情況或輸送距離大于單根PFA管道長(zhǎng)度的情況，須使用TB或UB進(jìn)行連接(詳見(jiàn)4.3)，并設(shè)置漏液傳感器及排液口；由于PFA強(qiáng)度高、硬度低，不耐硬物割傷，此外為防止管道漏液，須在PFA外增加外套管，外套管一般使用透明PVC材質(zhì)，在按照順序上，應(yīng)該先完成PVC安裝，再進(jìn)行PFA穿管操作，操作過(guò)程須在潔凈環(huán)境中進(jìn)行。

2 充裝及存儲(chǔ)方式

化學(xué)品充裝一般分為三種方式，槽車充裝、噸桶(IBC)充裝及200 L桶充裝(Drum)。一般根據(jù)化學(xué)品用量進(jìn)行選擇。

2.1 槽車ACQC(AUTOMATIC CLEAN QUICK COUPLER)

對(duì)于日用量大于5 t的化學(xué)品，一般使用槽車充裝方式，槽車由車體及罐體兩部分組成，見(jiàn)圖1。槽車載重較大，充裝方便安全，槽車罐體一般為內(nèi)襯形式，材質(zhì)與存儲(chǔ)罐一致(詳見(jiàn)2.3)，槽車接頭成為ACQC即快速充裝接頭，公頭安裝在槽車上，與槽罐相連；母頭安裝在UNIT上，為了防止錯(cuò)誤充裝，不同化學(xué)品的ACQC接頭均有獨(dú)立編碼，編碼不同的接頭物理結(jié)構(gòu)不同，無(wú)法匹配；ACQC具有自動(dòng)連接，自動(dòng)沖洗等功能，并設(shè)有漏液傳感器，在很大程度上杜絕了化學(xué)品泄漏造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。槽車充裝方式具有單次運(yùn)輸量大(15～20 t)，傳輸速度快(10～15立方/時(shí))等優(yōu)點(diǎn)，充裝過(guò)程使用N2加壓作為動(dòng)力源，一般壓力不超過(guò)3 kg，充裝之后自動(dòng)清洗吹干，綜上ACQC具有安全穩(wěn)定清潔等特點(diǎn)。另外，槽車充裝方式還會(huì)設(shè)計(jì)一套IBC充裝系統(tǒng)作為備用。

圖1 槽車ACQC充裝方式示意圖Fig.1 Tank lorry ACQC Charge

2.2 噸桶(IBC)充裝及200 L桶充裝(Drum)

對(duì)于用量較小、運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)(包括進(jìn)口藥液)，一般采用獨(dú)立包裝方式充裝，對(duì)于用量大于1立方/天的藥液，采用IBC包裝，否則使用Drum包裝；IBC/Drum充裝方式比較類似，均以充裝泵作為動(dòng)力源，抽取化學(xué)品到儲(chǔ)存罐中，見(jiàn)圖2，連接IBC/Drum與輸送管道需要專門(mén)的配套接頭，在充裝過(guò)程中，為防止桶內(nèi)真空度上升，需要一直補(bǔ)充N2維持桶內(nèi)的壓力平衡。IBC/Drum充裝方式的優(yōu)點(diǎn)是可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸，保存方便，可以在庫(kù)房大量存放；缺點(diǎn)是操作負(fù)責(zé)，須制定標(biāo)準(zhǔn)操作流程，需要大量人力充裝，增加人力成本，在充裝過(guò)程中，容易發(fā)生噴濺，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。特別要注意的是充裝接頭須與包裝桶配套，目前質(zhì)量較好的接頭均需要從韓國(guó)日本采購(gòu)，造價(jià)較高，且每次使用均需要插拔，容易損壞。

圖2 200L桶(Drum)充裝(a)；噸桶(IBC)充裝(b)Fig.2 200 L Drum charge(a); IBC charge(b)

2.3 儲(chǔ)存罐及二次轉(zhuǎn)移

化學(xué)品通過(guò)ACQC等方式充裝到儲(chǔ)存罐中，再由磁力泵將化學(xué)品二次傳輸?shù)焦?yīng)罐中，完成化學(xué)品由充裝單元到供應(yīng)單元的轉(zhuǎn)移。一般來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)存罐集中在化學(xué)品主站房，供應(yīng)罐一般選擇距離使用點(diǎn)較近的化學(xué)品站房存放。而使用IBC/Drum充裝方式的化學(xué)品通常只需要供應(yīng)罐即可，無(wú)需二次轉(zhuǎn)移。罐體材質(zhì)通常須要與管道材質(zhì)匹配，不同的是，一般腐蝕性的化學(xué)品使用PTFE內(nèi)襯的SUS304不銹鋼儲(chǔ)罐，內(nèi)襯須要定期檢查探傷。甲乙類化學(xué)品在SUS316L EP罐中儲(chǔ)存，與輸送管道材質(zhì)一直。

二次轉(zhuǎn)移即化學(xué)品從儲(chǔ)存罐轉(zhuǎn)移到供應(yīng)罐的過(guò)程，一般針對(duì)用量大的化學(xué)品，通常使用大功率磁力泵作為動(dòng)力源，要求轉(zhuǎn)移流量大于供應(yīng)流量，且一般轉(zhuǎn)移速度大于最大供應(yīng)流量的1.2倍。轉(zhuǎn)移泵須設(shè)計(jì)為一用一備，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。

2.4 混合系統(tǒng)

混合系統(tǒng)又稱為混配(酸)系統(tǒng)，是CCSS中比較復(fù)雜的部分，其作用是將濃度較高的原液，通過(guò)加入純水(UPW/DI)水進(jìn)行稀釋，達(dá)到使用端的濃度要求。混合原理主要分為兩類：第一類是質(zhì)量配比型，通過(guò)對(duì)化學(xué)品原液進(jìn)行稱重，再將稱量后的原液與純水混配。此種方式的混合系統(tǒng)誤差較大，容易受溫濕度等環(huán)境條件的影響，精度較差。另外一種混合方式為體積配比，原理與上述質(zhì)量配比類似，是通過(guò)控制原液的體積來(lái)控制濃度，精度相對(duì)穩(wěn)定?；旌舷到y(tǒng)的核心是濃度計(jì)的選擇，目前常見(jiàn)的濃度計(jì)根據(jù)測(cè)量原理的不同大體可分為兩種：電導(dǎo)率式濃度計(jì)及超聲波式濃度計(jì)，兩種濃度計(jì)均須采用PFA材質(zhì)，耐酸堿腐蝕。相對(duì)而言，電導(dǎo)率濃度計(jì)精度較高，可以達(dá)到±0.1%(±0.0009 ω/%)以內(nèi)，并且可以防止氣泡干擾，同時(shí)使用溫度對(duì)電導(dǎo)率濃度計(jì)影響較小，使用壓力可達(dá)10 kg，免維保等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于半導(dǎo)體顯示行業(yè)，一般要求混合后的化學(xué)品濃度精度范圍為±0.05ω/%，以上兩種濃度計(jì)均可以滿足需求。

3 供應(yīng)系統(tǒng)

3.1 供應(yīng)方式的選擇

化學(xué)品供應(yīng)一般來(lái)說(shuō)有三種方式分別為隔膜泵、磁力泵、N2供應(yīng)方式，不同方式的選擇應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)備需求的流量、使用成本等進(jìn)行判斷選擇，供應(yīng)方式的特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同供應(yīng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 The advantage/disadvantage of different kind of charge

圖3 磁力泵/隔膜泵/氮?dú)饧訅汗?yīng)方式及TB/UB/EB/VMB示意圖Fig.3 Magnetic/diagram pump/N2 supply and sketch of TB/UB/EB/VMB

3.2 TB、UB、EB、VMB及自動(dòng)切斷系統(tǒng)

3.2.1 輸送管道構(gòu)成

TB(Tee Box)三通箱、UB(Union Box)連接箱、EB(End Box)末端閥門(mén)箱用在化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)的連接處。為保證化學(xué)品供應(yīng)的安全，酸、堿及大部分有機(jī)化學(xué)品使用PFA管道(詳見(jiàn)1.2.2)，一般該管道一體成型，長(zhǎng)度有100米、150米、200米等固定長(zhǎng)度。

3.2.2 安全措施

一般來(lái)說(shuō)，在化學(xué)品車間供應(yīng)單元(unit)到使用點(diǎn)，使用內(nèi)外雙套管的輸送方式或者不銹鋼SUS316L材質(zhì)。其中雙套管內(nèi)管使用PFA材質(zhì)，除了TB、UB、VMB等連接位置，PFA軟管均為整根連接，沒(méi)有連接點(diǎn)，在外部選擇PVC材質(zhì)外套管，防止化學(xué)品噴濺。在TB、UB等位置，使用PVC板粘接制成透明箱體，下部有排液閥，箱體可拆卸。為保證泄漏能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在箱體處、管道低點(diǎn)安裝漏液傳感器(LEAK SENSOR)，當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，液體流向低點(diǎn)與漏液傳感器接觸，觸發(fā)報(bào)警。在管道連接處使用熱熔方式對(duì)PFA軟管進(jìn)行擴(kuò)孔連接，并用螺母鎖住，不適用膠水粘接，防止化學(xué)品收到污染，此種連接方式具有連接緊密，維修容易，不容易泄漏等優(yōu)點(diǎn)，大量使用在PFA軟管連接中。PVC外套管使用粘接形式連接，膠水使用速干性透明膠水，不允許出現(xiàn)氣泡，粘壓時(shí)間不應(yīng)低于30 s。對(duì)于不銹鋼管道，一般使用自動(dòng)焊機(jī)焊接，接口處使用毛刷擦除污物，不允許打磨。在管道安裝完成后，需要進(jìn)行保壓測(cè)試，一般在使用最大壓力的1.5倍，保壓24 h，保壓儀顯示壓力無(wú)下降認(rèn)定保壓合格。化學(xué)品控制系統(tǒng)設(shè)有聯(lián)動(dòng)控制，啟動(dòng)顯示記錄功能，一旦化學(xué)品泄漏后，自動(dòng)切斷供應(yīng)，并開(kāi)啟排風(fēng)裝置等。

3.2.3 潔凈度要求

PFA管道包裝不允許破損，管道不能有擦傷，包裝開(kāi)啟后，要盡量減少管道暴露在空氣中的時(shí)間，管口要及時(shí)封住。在加工過(guò)程中，須將管道置于小型潔凈間中，室內(nèi)應(yīng)由小型高效過(guò)濾器進(jìn)風(fēng)設(shè)施，頂部按照排氣扇。不銹鋼管道在焊接過(guò)程中，應(yīng)用99.999%高純氬氣作為保護(hù)氣，材料應(yīng)在潔凈室內(nèi)保管預(yù)制等。管道安裝后，應(yīng)使用N2進(jìn)行吹掃，在使用顆粒測(cè)試儀測(cè)量合格后，應(yīng)使用無(wú)塵布清理接口處，并用潔凈膠帶將關(guān)口密封。

4 結(jié) 語(yǔ)

化學(xué)品在液晶面板的濕刻工序中有不可替代的作用，由于化學(xué)品具有腐蝕性、強(qiáng)氧化性、易燃易爆等危險(xiǎn)屬性，且管道閥門(mén)等部件帶壓運(yùn)行，具有較大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。安全、穩(wěn)定、高效的化學(xué)品供應(yīng)是保障工藝生產(chǎn)的必要條件，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)極大的影響化學(xué)品供應(yīng)的品質(zhì)，只有把控好每個(gè)環(huán)節(jié)，才能保證化學(xué)品集中供應(yīng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，確保工藝端正常使用。