塑料管材在電子廠房中的應用及分析

曹燦

（1.中國電子工程設計院，北京 100031；2.世源科技工程有限公司工藝管線及空間管理設計所，北京 100031）

隨著我國電子工業的迅猛發展，尤其是半導體材料及芯片制造業的發展，對電子工業產業園的設計，尤其是集成式電子工業廠房的設計及施工，提出了更加嚴格的要求和標準。而在電子工業廠房的設計和建造過程中，根據不同的需求如電照、通信、給排水、供暖、動力等，需要鋪設大量的各種管材。在進行管路的布置和安裝設計時，首先應保證安全、正常生產及便利操作、檢修；其次應節約材料及投資，同時應盡可能的整齊、美觀，以創造良好的生產環境。然而，目前市面上的管材不僅門類眾多，而且性能和價格也偏差較大。目前市面上的管材根據其材料的屬性可分為水泥管、金屬管、陶土管、玻璃鋼夾砂管、塑料管等。其中塑料管材以其優異的物理化學性能和較低的價格成本，如輕量化、耐腐蝕、耐磨損、密封性好、易焊接、易施工、管壁流體阻力小、價格低等，迅速地占領了電子工業廠房應用的主要領域。然而塑料管材又可以根據其材料的不同分為：硬質聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC）、聚乙烯管（PE）、交聯聚乙烯管（PE-X）、聚丙烯（PP）管、聚丁烯管（PB）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管（ABS）、鋁塑復合管（PAP）、鋼塑復合管（SP）等。這些種類繁多且不斷更新換代的管道管材不僅促進了經濟和科學的發展，同時也對現代化電子工業廠房的設計和安裝提出了更高的要求和挑戰。因此，在電子工業廠房的設計中，如何對管道管材進行選擇和使用，對于我們經濟的發展和社會的穩定至關重要。

1 國內外工業設計中管材的發展歷程

1933年，美國和法國率先實現了塑料管材的工業化生產。3年后的1936年，德國研發出了用于自來水、酸、污廢水等介質輸送的塑料管道。緊接著，英國也開始鋪設了塑料輸水管道。自此之后，塑料管道迎來了快速的發展和生產，管道的應用范圍也在不斷擴大，從最初的自來水、污廢水等生活領域的液體媒介的輸送，擴大到了電子、機械、材料、航空航天等各個領域，并逐步取代傳統材料管道。

經過幾十年的發展，塑料管材的種類和市場需求量正不斷地增大。據不完全的統計，2017年全球塑料管道需求規模超過了2300萬t。我國的塑料管材發展較晚，上世紀70年代開始進行工業化生產，到80年代才開始在各類工程建設中推廣應用，然而20世紀以后，我國在塑料管道的生產和使用正逐步超越其他國家，目前已經成為全球塑料管材生產和使用的最大國家。

圖1 我國塑料管材產量預測圖

2 塑料管材的分類及其在電子廠房中的應用

2.1 聚氯乙烯（PVC）管

聚氯乙烯管又分為硬質聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC），其主要原材料均為聚氯乙烯（PVC）。UPVC管可分為直壁管、加筋管、螺旋纏繞管、波紋管等，主要應用于電子廠房的供水及排水工程中。其中加筋管和波紋管的載荷能力和剛度較大，綜合性能較佳，適用于廠房的主排水管、主污水管等。直壁管由于其內外管壁光滑、均一，易于加工、焊接，且可以通過加入不同的添加劑實現阻燃、低煙、高抗沖等特性，因此可適用于廠房的各種通訊、電照、動力等管道的設計，此外也可用于室內普通污水的排放。

2.2 聚丙烯（PPR）管

聚丙烯（PPR）管又稱三丙聚丙烯管或無規共聚丙烯管，其原材為無規共聚丙烯樹脂。PPR管不僅具有質量輕、衛生無毒、管壁阻力小、導熱低、耐腐蝕強、耐熱穩定等優點，而且易于加工、焊接。通過簡單熱熔的方式即可實現，且焊頭牢靠。由于PPR管具有其他管材所不具備的優勢，因此不僅可用于廠房設計中的各種冷水管道，也可用于各種設備儀器的供排熱水管道，還可用于潔凈室及超純水的管道鋪設。但是PPR管也存在一些缺點，比如成本偏高、剛性差、低溫易脆、易紫外老化等，因此在施工過程中不僅要避免機械損傷，而且對于室外的管路應予以保溫、避光等保護措施。

2.3 聚乙烯（PE）管

采用聚乙烯（PE）原料通過擠塑等工藝生產的管材，稱為PE管。PE管在加工時不添加重金屬鹽、材質無毒，且管材具有不易結垢、耐腐蝕強、沖擊性好、易焊接、絕緣強度高、不滋生細菌等優點，因而其應用領域十分廣泛，其中供水管和燃氣管是其主要的應用市場。然而PE樹脂有高密度、中密度和低密度之分，所以在選用PE管材時，應根據實際情況的需要，選用不同原料的PE管材。在電子廠房的設計和施工中，較高密度的PE管材不僅可以作為循環冷卻水、有機溶劑、超純水、酸廢水等液體的輸送管道使用，同時也可以將其作為各種氣體，如氧氣、氮氣、天然氣等氣體的輸送管道使用，還可以將其作為郵電通訊、電力電線的保護套管使用。

2.4 聚丁烯（PB）管

以聚丁烯（PB）為主要原料，并輔以適量的助劑，通過擠出成型的方式生產的熱塑性管材稱為PB管。由于PB是一種高分子惰性聚合物，且具有“塑料黃金”的美譽，因此PB管材不僅具有良好的柔韌性、抗蠕變性、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點，而且其抗紫外性強、易加工、生態環保，被廣泛用于各領域。其中PB管尤以耐高溫高壓特性突出，其最高使用溫度為110℃，可長期在95℃下使用。因此PB管材不僅可用于電子廠房中冷熱水的管道輸送，也可用于中央空調、超純水的管道設計，還可用于各種有機液體、高溫液體的管道輸送，但是其價格較貴且PB原料大多來自進口。

2.5 塑料復合管

塑料復合管是指以高分子樹脂及非塑料材料為原料，通過化學或物理的手段進行加工，生產的新型管材。當前國內外普遍使用的復合管材主要可以分為塑—鋼、塑—銅、塑—鋁、塑—纖維等塑料復合管。其中技術相對較為成熟的是鋁塑復合管，其經歷了近半個世紀的研發和使用，目前在市場上較為普遍。其結構從里到外分為五層，依次為：聚乙烯層、熱熔膠層、鋁管層、熱熔膠層和聚乙烯層。這種復合管不僅具有優異的耐腐蝕性，而且耐低溫、強度高、壽命長，適合于各種氣體及液體的輸送。

圖2 鋁塑復合管材

3 塑料管材在設計和施工過程中的研究

3.1 電子工業廠房管道布置的空間管理原則

在電子工業廠房中，受行業先進性要求的限制，管道布置需充分保證設備的靈活性，各系統管線需保證足夠的裕度，并且電子工藝廠房的制程系統管道種類繁多，廠房內通常會設立出單獨的管道樓層，稱作下夾層，下夾層內的管道通常采用共同管架的形式進行架設，共同管架一般根據管道的尺寸、數量、間距要求，采用多層或多立柱的方式。

下圖為某電子工業廠房的下夾層支管方向的空間管理方案圖，對于水、氣類尺寸不大的工藝管線，采用豎向排列的方式布置，對于工藝排風、母線、橋架的大尺寸或者不便于豎向排列的管道，采用多層橫向支架。

每列管架之間除了管道自身空間和安裝空間外，需預留足夠的二次配管空間。同時在TF（物理/化學氣相沉積）、Etch（干法/濕法刻蝕）、Litho（光刻區）等工藝制程區域需根據廠房柱距跨度預留2到3處單獨的機臺真空管路空間，此空間同時可作為設備二次配管施工空間。

圖3 廠房中管道設計BIM三維圖

圖4 廠房中管道設計剖面示意圖

在規劃下夾層空間管理時，管道優先需布置在工藝設備區的永久搬運通道（Moving通道）和機臺維護通道（Bay line通道）上，如管道因實際情況，需超過通道區域布置，極限情況不能超過最外側設備的搬運管道，在轉兩次斜45°彎頭的情況下，可以到達支管共架的最下層管架的寬度；所有區域最下層管道的管底標高需滿足人員通行、貨物搬運、維護及安全的最低凈空距離。

管路安裝的排列分為垂直面排列和水平面排列。在垂直面排列上需要遵循：熱管在上、冷管在下；無腐蝕介質管在上、有腐蝕介質管在下；氣體管在上、液體管在下；壓管在上、無壓管在下；保溫管在上、非保溫管在下；金屬管在上、非金屬管在下等基本原則。在水平面排列需遵循：大管路靠內，小管路在外；常溫管路靠內，熱管路在外；支管少的靠內，支管多的管路在外；不經常檢修的管路靠內，經常檢修的在外；有壓管路靠內，無壓管路在外等原則。

3.2 常見工藝管道系統管材的選用

電子工業廠房中，塑料管道的應用系統一般有：工藝真空（PV）、超純水（UPW）、去離子水（DIW）和工藝廢水、廢液等系統。

3.2.1 真空工藝管道

所謂真空管路是指管內壓力為負壓的管路，因此對于真空工藝管道必須要擁有足夠的機械強度，能夠承受較強的負壓，保證玻璃基板或硅片不掉落，且具有一定的耐高溫性能。在大部分電子工藝廠房中主要采用不銹鋼SUS304L管道鋪設真空管路，但是其費用頗高。對于追求建廠成本的部分電子廠房，會選用C-PVC管道。這是由于C-PVC管道不僅沖擊強度高，而且抗壓性能顯著（環剛度可達10kPa）。

3.2.2 超純水管道

電子工業純水的含義是很廣泛的，根據等級的不同，純水的各項水質標準也有所差異，包括含鹽量、非電解質（微粒、細菌、TOC、溶解氧）和弱電解質（二氧化硅）等。

隨著電子產品的不斷升級，對純水的水質要求還會不斷提高，因此為了使水質指標達到要求（如25℃情況下，電阻率不能小于18MΩ·cm），因而對管道材質的要求非常高，必須選擇化學穩定性極好的管材。

工藝廢水、廢液管道管材參考表

同時，管道內壁的光潔度、管道及管件的接頭處的平整度也會對水質產生不可忽視的影響。假如管道內有微小的凹凸，會造成微粒的沉積和微生物的繁殖，導致微粒和細菌兩項指標的不合格。當前PVDF管道粗糙度＜1μm，而不銹鋼管約為幾十微米。由此可見采用塑料管道更為合適。目前電子工業中大多采用高分子合成塑料管材，如聚氯乙烯（UP?VC）、聚丙烯（PP）、丙烯晴—丁二烯—苯乙烯（ABS）、潔凈聚氯乙烯（CL-PVC）和聚偏氟乙烯（PVDF）等材料制成的管道、管件及閥門。

3.2.3 工藝廢水/廢液管道

工藝廢水、廢液的管材選取一般按污染物性質和種類進行分類。常見廢水有：酸堿廢水、含氟廢水、含鉻廢水、含磷廢水、含氨廢水、有機廢水、含銅廢水、含砷廢水等；常見廢液有：含氟廢液、刻蝕液廢液、稀釋劑廢液、剝離液廢液、NMP廢液、TMAH廢液、含丙酮廢液、異丙醇廢液等。

4 結語

塑料管材由于其優異的結構和性能，在半導體制造業中的應用比例越來越高。盡管我國目前塑料管材的研發和生產技術都得到了明顯的進步，但是與西方發達國家相比依然有不小的差距，主要表現為原材料品質的不達標以及不穩定性等，同時企業的生產設備和技術偏于落后。相信隨著我國科技的發展，塑料管材的研發和生產技術也將會得到進一步的提升，更多高性能的塑料管材將會服務于半導體材料及芯片制造產業中。