一種常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭

高 翔

（中科艾爾（北京）科技有限公司， 北京 101100）

0 引言

半導體集成氣柜的氣路需從常溫區走向高溫區，高溫區溫度可達200 ℃，常溫區溫度為20～40 ℃，但是由于現有常溫到高溫的氣路轉路通常采用卡套接頭形式連接，由于卡套連接過短無法滿足高溫轉向常溫通過多層隔熱層的距離限制，且半導體氣路要求高純氣體，接頭本體要求耐腐蝕、耐毒性、耐久及高純無金屬雜質的本體，普通的卡套接頭304 材質無法滿足使用要求。為了解決以上問題，設計一種常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭故解決常溫與高溫氣路轉接及密封問題，從而實現半導體集成氣柜的高純氣體需從常溫區走向高溫區的氣路輸送。

1 結構組成與功能

常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭結構如圖1 所示，包括轉接頭本體、耐高溫接頭、常溫氣管接頭、固定螺母、密封墊。轉接頭本體為通氣不銹鋼圓管，轉接頭本體兩端分別加工有內外螺紋，耐高溫接頭，設置在所述轉接頭本體的第一端，與所述轉接接頭本體第一端內螺紋連接，常溫氣管接頭，設置在所述轉接頭本體的第二端，與所述轉接接頭本體第二端內螺紋連接。固定螺母用于固定轉接頭本體，固定安裝在氣柜的穿板孔中，兩側由密封墊進行密封，本設計能滿足高純氣體的輸送，同時滿足高溫向常溫的氣路轉換，可以在半導體集成氣柜接線領域中應用。

圖1 常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭結構示意圖

2 工作原理

轉接頭本體，位于半導體集成氣柜內，穿過半導體集成氣柜的隔熱層和多層鈑金，所述轉接頭本體的兩端分別設置有連接螺紋；耐高溫接頭，設置在所述轉接頭本體的第一端，與所述第一端內螺紋連接，通過所述耐高溫接頭與半導體集成氣柜中的高溫區內氣管連接；常溫氣管接頭，設置在所述轉接頭本體的第二端，與所述第二端內螺紋連接，通過所述常溫氣管接頭與半導體集成氣柜中的常溫區內氣管連接。

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

固定螺母與轉接頭本體之間設置有密封墊，用于將轉接頭本體兩端與轉接接頭密封固定。以實現高純氣體的輸送，同時滿足高溫向常溫的氣路轉換。

3 各構件的特點及作用

1）轉接頭本體的可根據穿板的距離和兩端留有的長度而設計，一般而言轉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。轉接頭本體的內螺紋為密封螺紋，用于與耐高溫接頭和常溫接頭的連接安裝。因為密封螺紋的精度要求高，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也吸留有一定量的氣體。當管路中有氣流通過時，金屬所吸留的這部分氣體會重新進入氣流中，污染純凈氣體。當轉接頭本體內氣流為不連續流動時，轉接頭本體的管壁對所通過的氣體形成壓力下吸附，氣流停止通過時，管壁內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進入管內純凈氣體中[1]。同時，吸附、解析周而復始，使得轉接頭本體管壁內表面金屬也會產生一定的粉末，這種金屬粉塵粒子同樣污染管內純凈的氣體。為了確保輸送的氣體的純凈度，不僅要求轉接頭本體內表面有一個極高的光滑度，而且應當具有很高的耐磨特性。腐蝕性能較強的氣體時，必須選用耐腐蝕的不銹鋼棒料作為轉接頭本體，否則轉接頭本體內壁將會由于腐蝕而在內表面產生腐蝕斑，嚴重時會出現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，在半導體集成氣路中對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（包含管道、管件、閥門、VMB、VMP）在高純氣體配送中占有至關重要的使命。所以轉接頭本體材質采用316L（VAR）高純不銹鋼制成，通過真空感應熔煉+真空自耗重熔（VIM+VAR），對材料進行最大程度提純，進一步減少了材料中的非金屬夾雜物和氣體成分，并對產品內表面經過電解拋光處理，以提高產品內部的平滑性，并在金屬表面形成富鉻層以提高耐腐蝕性和內壁表面的潔凈度。轉接頭本體內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的粗糙度Ra＜0.2，用于滿足半導體氣路高純氣體的要求[3]。

2）耐高溫接頭采用耐高溫316L 材質卡套接頭。316L 材質卡套接頭優點為結構簡單、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點。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，拆卸時一手把夾緊件的環部往前推，使夾頭離開內錐面，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）密封墊的應用，本設計產品涉及高溫，所以密封墊采用耐高溫密封墊。在集成半導體氣路中，由于各零件安裝內部結構緊湊，常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭安裝位置又位于半導體集成氣柜柜體最里側，因此對于密封墊的耐久性有著提高的要求，耐高溫密封墊材質選用至關重要。綜合各密封墊的材質考慮，本設計產品密封圈材質選用為全氟橡膠（FFKM），全氟橡膠材料行業具有一系列優勢性能，如低硬度、耐腐蝕、耐化學腐蝕、極低的沖擊應變、耐風化強度、耐熱性能等。使用全氟橡膠材料，能夠達到最佳的張力，壓力分布，抗張強度和耐磨性，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作，減輕應力變形等作用，提高耐久性。全氟橡膠材料具有極佳的耐腐蝕性，可以有效地抵御強烈的酸堿性和強烈的毒腐氣體的腐蝕作用，有效地防止由于沉積物導致的密封件變形或破壞，極大地提升了使用壽命。

4 應用場景

特氣供應系統是指特氣的儲存、輸送、分配與控制的設備、管道和部件的總稱，其中“儲存”指氣源部分（特氣柜GC/GR），“輸送”指配管部分（一般用SUS316L EP 級不銹鋼管）[5]，本設計的常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭應用于特氣柜內部，從高溫轉換常溫氣路輸送，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。

將數值帶入式（1）得出：A=78.5 mm2。

轉接頭本體內徑計算公式為：

式中：R 為轉接頭本體內徑。

將數值帶入式（2）得出：R=5 mm，內徑D=10 mm。

轉接頭本體內孔兩側可加工G1/8 內螺紋用于連接耐高溫接頭和常溫氣管接頭，轉接頭本體壁厚選3 mm，轉接頭外徑為16 mm，轉接頭本體可加工M16外螺紋配固定螺母。轉接頭本體加工完成后，需經過專業的技術人員進行五項測試，分別為保壓、氦檢、顆粒度測試、水分測試、氧份測試，全部測試合格后才能投入生產使用[6]，對于輸送腐蝕性氣體的轉接頭本體還要進行鈍化操作，安裝應用示意圖如圖2 所示。

圖2 常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭安裝示意圖

5 應用情況

常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭穿板及隔熱層的距離為220 mm，高溫區的溫度為180 ℃高溫環境，常溫區溫度為28 ℃，氣體為氟化氫HF，氣體壓力為0.2 MPa，使用時間25 000 h 以上氣體無污染，本體接頭數據統計如表1 所示。

表1 轉接頭本體力學性能及耐久應用結果

密封墊材料選為全氟橡膠（FFKM），密封墊尺寸16 mm×8 mm×2 mm，高溫區的溫度為180 ℃高溫環境，常溫區溫度為28 ℃，使用時間25 000 h 以上氣體無泄漏，密封墊數據統計如表2 所示。

表2 密封墊耐久數據應用結果

6 結語

新型常溫轉高溫氣路穿板轉接接頭可以穿過半導體集成氣柜內的隔熱層和多層鈑金將氣體長距離輸送轉換，兩端分別經耐高溫接頭、常溫氣管接頭進行密封固定，不僅滿足了高純氣體的輸送，同時滿足高溫向常溫的氣路轉換，轉接接頭本體經過特殊工藝處理保證了氣體的在轉換工程中的高純度，密封墊采用全氟橡膠材質大大提高了使用的耐久性，為半導體氣路轉換提供設計提供參考意義。