淺談液晶顯示工廠化學品集中供應系統

吉 川，陳曉芳，伍光明，江志堅，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)

各種化學品作為重要的消耗品，在液晶、半導體等廠中廣泛應用，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，這樣就對化學品系統的安全性及穩定性提出了極高的要求，任何一個環節出現問題都有可能導致人員傷亡、工廠停產、品質不達標等事故[2-3]。液晶面板行業對化學品的潔凈度要求很高，任何一點污染都有可能造成產品發生不良，因此，對化學品管道要求使用PFA或SUS316L材料，以保證化學品潔凈度。同時，化學品供應系統的設計、施工、運維等方面均對供應連續、安全、穩定至關重要[4]，因此在此行業中，如何有效的優化化學品集中供應系統有很大的應用價值[5]，尤其在自動化控制角度仍有很大的改善提升空間[6]。

1 化學品供應系統的設計

1.1 站房設計

化學品根據危險性分級，分為甲乙丙等類別，其中甲乙類為易燃易爆化學品，不允許建在地下室中，廠區化學品站房必須遠離居民建筑，與其他廠房間距大于12米，與主要道路距離10米以上，避免建在上風口。站房必須按照《建筑防火設計規范》要求，分塊布置，酸、堿、有機分開存放。甲乙類化學品儲存間及廢液回收間單獨設計，置于地面上，耐火等級為一級，站房內的防火分區之間使用防火墻分隔。

1.1.1 基本要求

站房內設計化學品泄漏收集溝，酸堿有機互不連接，溝內做好FRP等防腐蝕處理，在溝內安裝廢水提升泵，接至廢水系統。站房內部通道、地面等使用環氧涂層，甲乙類站房使用不發火地面，且照明燈均使用耐酸堿、防爆設計等。經常進行IBC/DRUM充裝作業區域應進行耐磨處理。

1.1.2 通風要求

空調系統包含一般排風、事故排風、新風系統等，根據GB 50781-2012《電子工廠化學品系統工程技術規范》，最小通風換氣次數不低于每小時6 次的要求。

1.1.3 溫度控制

房間溫度無特殊要求管控在(23±3)℃，不同類型藥品對溫度要求見表1。對于溫度有嚴格要求的化學品，需要精確控制站房溫度，如CH3COOH冰點為17 ℃，這就要求站房溫度必須嚴格控制在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，液體流動性差，供應流量降低，因此在設計時考慮須將CU ETCHANT 和AL ETCHANT分開存放。

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

1.2 管道材質

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

1.2.1 不銹鋼管道

甲乙類化學品的運輸使用SUS316L EP管道，在管道彎頭處需要增加固定支架，對于DN50以上的管道須使用自動焊接，作業環境必須為無塵車間。

1.2.2 PFA+PVC雙套管

其他腐蝕類化學品使用PFA材質管道進行運輸，PFA又名可熔性聚四氟乙烯，具有強耐腐蝕、可塑性強，摩擦系數小等諸多有點，在高溫下仍有穩定的化學性能，在潔凈廠房中廣泛應用；PFA管道在化學品應用方面有嚴格的施工規范，對于輸送距離小于200米的情況，管道必須是整根使用，中間無接頭；對于必須使用接頭的情況或輸送距離大于單根PFA管道長度的情況，須使用TB或UB進行連接(詳見4.3)，并設置漏液傳感器及排液口；由于PFA強度高、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，在按照順序上，應該先完成PVC安裝，再進行PFA穿管操作，操作過程須在潔凈環境中進行。

2 充裝及存儲方式

化學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)。一般根據化學品用量進行選擇。

2.1 槽車ACQC(AUTOMATIC CLEAN QUICK COUPLER)

對于日用量大于5 t的化學品，一般使用槽車充裝方式，槽車由車體及罐體兩部分組成，見圖1。槽車載重較大，充裝方便安全，槽車罐體一般為內襯形式，材質與存儲罐一致(詳見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，為了防止錯誤充裝，不同化學品的ACQC接頭均有獨立編碼，編碼不同的接頭物理結構不同，無法匹配；ACQC具有自動連接，自動沖洗等功能，并設有漏液傳感器，在很大程度上杜絕了化學品泄漏造成的安全風險。槽車充裝方式具有單次運輸量大(15～20 t)，傳輸速度快(10～15立方/時)等優點，充裝過程使用N2加壓作為動力源，一般壓力不超過3 kg，充裝之后自動清洗吹干，綜上ACQC具有安全穩定清潔等特點。另外，槽車充裝方式還會設計一套IBC充裝系統作為備用。

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)

對于用量較小、運輸距離較遠(包括進口藥液)，一般采用獨立包裝方式充裝，對于用量大于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，均以充裝泵作為動力源，抽取化學品到儲存罐中，見圖2，連接IBC/Drum與輸送管道需要專門的配套接頭，在充裝過程中，為防止桶內真空度上升，需要一直補充N2維持桶內的壓力平衡。IBC/Drum充裝方式的優點是可以長距離運輸，保存方便，可以在庫房大量存放；缺點是操作負責，須制定標準操作流程，需要大量人力充裝，增加人力成本，在充裝過程中，容易發生噴濺，存在安全風險。特別要注意的是充裝接頭須與包裝桶配套，目前質量較好的接頭均需要從韓國日本采購，造價較高，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 儲存罐及二次轉移

化學品通過ACQC等方式充裝到儲存罐中，再由磁力泵將化學品二次傳輸到供應罐中，完成化學品由充裝單元到供應單元的轉移。一般來說，儲存罐集中在化學品主站房，供應罐一般選擇距離使用點較近的化學品站房存放。而使用IBC/Drum充裝方式的化學品通常只需要供應罐即可，無需二次轉移。罐體材質通常須要與管道材質匹配，不同的是，一般腐蝕性的化學品使用PTFE內襯的SUS304不銹鋼儲罐，內襯須要定期檢查探傷。甲乙類化學品在SUS316L EP罐中儲存，與輸送管道材質一直。

二次轉移即化學品從儲存罐轉移到供應罐的過程，一般針對用量大的化學品，通常使用大功率磁力泵作為動力源，要求轉移流量大于供應流量，且一般轉移速度大于最大供應流量的1.2倍。轉移泵須設計為一用一備，滿足系統穩定性要求。

2.4 混合系統

混合系統又稱為混配(酸)系統，是CCSS中比較復雜的部分，其作用是將濃度較高的原液，通過加入純水(UPW/DI)水進行稀釋，達到使用端的濃度要求。混合原理主要分為兩類：第一類是質量配比型，通過對化學品原液進行稱重，再將稱量后的原液與純水混配。此種方式的混合系統誤差較大，容易受溫濕度等環境條件的影響，精度較差。另外一種混合方式為體積配比，原理與上述質量配比類似，是通過控制原液的體積來控制濃度，精度相對穩定?；旌舷到y的核心是濃度計的選擇，目前常見的濃度計根據測量原理的不同大體可分為兩種：電導率式濃度計及超聲波式濃度計，兩種濃度計均須采用PFA材質，耐酸堿腐蝕。相對而言，電導率濃度計精度較高，可以達到±0.1%(±0.0009 ω/%)以內，并且可以防止氣泡干擾，同時使用溫度對電導率濃度計影響較小，使用壓力可達10 kg，免維保等優點。對于半導體顯示行業，一般要求混合后的化學品濃度精度范圍為±0.05ω/%，以上兩種濃度計均可以滿足需求。

3 供應系統

3.1 供應方式的選擇

化學品供應一般來說有三種方式分別為隔膜泵、磁力泵、N2供應方式，不同方式的選擇應根據工藝設備需求的流量、使用成本等進行判斷選擇，供應方式的特點見表2。

表2 不同供應方式的優缺點對比Table 2 The advantage/disadvantage of different kind of charge

圖3 磁力泵/隔膜泵/氮氣加壓供應方式及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及自動切斷系統

3.2.1 輸送管道構成

TB(Tee Box)三通箱、UB(Union Box)連接箱、EB(End Box)末端閥門箱用在化學品供應系統的連接處。為保證化學品供應的安全，酸、堿及大部分有機化學品使用PFA管道(詳見1.2.2)，一般該管道一體成型，長度有100米、150米、200米等固定長度。

3.2.2 安全措施

一般來說，在化學品車間供應單元(unit)到使用點，使用內外雙套管的輸送方式或者不銹鋼SUS316L材質。其中雙套管內管使用PFA材質，除了TB、UB、VMB等連接位置，PFA軟管均為整根連接，沒有連接點，在外部選擇PVC材質外套管，防止化學品噴濺。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。為保證泄漏能及時發現，在箱體處、管道低點安裝漏液傳感器(LEAK SENSOR)，當發生泄漏時，液體流向低點與漏液傳感器接觸，觸發報警。在管道連接處使用熱熔方式對PFA軟管進行擴孔連接，并用螺母鎖住，不適用膠水粘接，防止化學品收到污染，此種連接方式具有連接緊密，維修容易，不容易泄漏等優點，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，不允許出現氣泡，粘壓時間不應低于30 s。對于不銹鋼管道，一般使用自動焊機焊接，接口處使用毛刷擦除污物，不允許打磨。在管道安裝完成后，需要進行保壓測試，一般在使用最大壓力的1.5倍，保壓24 h，保壓儀顯示壓力無下降認定保壓合格。化學品控制系統設有聯動控制，啟動顯示記錄功能，一旦化學品泄漏后，自動切斷供應，并開啟排風裝置等。

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，包裝開啟后，要盡量減少管道暴露在空氣中的時間，管口要及時封住。在加工過程中，須將管道置于小型潔凈間中，室內應由小型高效過濾器進風設施，頂部按照排氣扇。不銹鋼管道在焊接過程中，應用99.999%高純氬氣作為保護氣，材料應在潔凈室內保管預制等。管道安裝后，應使用N2進行吹掃，在使用顆粒測試儀測量合格后，應使用無塵布清理接口處，并用潔凈膠帶將關口密封。

4 結 語

化學品在液晶面板的濕刻工序中有不可替代的作用，由于化學品具有腐蝕性、強氧化性、易燃易爆等危險屬性，且管道閥門等部件帶壓運行，具有較大的運行風險。安全、穩定、高效的化學品供應是保障工藝生產的必要條件，設計、安裝、調試等每個環節都會極大的影響化學品供應的品質，只有把控好每個環節，才能保證化學品集中供應系統的高效穩定運行，確保工藝端正常使用。