一种常温转高温气路穿板转接接头

高 翔

（中科艾尔（北京）科技有限公司， 北京 101100）

0 引言

半导体集成气柜的气路需从常温区走向高温区，高温区温度可达200 ℃，常温区温度为20～40 ℃，但是由于现有常温到高温的气路转路通常采用卡套接头形式连接，由于卡套连接过短无法满足高温转向常温通过多层隔热层的距离限制，且半导体气路要求高纯气体，接头本体要求耐腐蚀、耐毒性、耐久及高纯无金属杂质的本体，普通的卡套接头304 材质无法满足使用要求。为了解决以上问题，设计一种常温转高温气路穿板转接接头故解决常温与高温气路转接及密封问题，从而实现半导体集成气柜的高纯气体需从常温区走向高温区的气路输送。

1 结构组成与功能

常温转高温气路穿板转接接头结构如图1 所示，包括转接头本体、耐高温接头、常温气管接头、固定螺母、密封垫。转接头本体为通气不锈钢圆管，转接头本体两端分别加工有内外螺纹，耐高温接头，设置在所述转接头本体的第一端，与所述转接接头本体第一端内螺纹连接，常温气管接头，设置在所述转接头本体的第二端，与所述转接接头本体第二端内螺纹连接。固定螺母用于固定转接头本体，固定安装在气柜的穿板孔中，两侧由密封垫进行密封，本设计能满足高纯气体的输送，同时满足高温向常温的气路转换，可以在半导体集成气柜接线领域中应用。

图1 常温转高温气路穿板转接接头结构示意图

2 工作原理

转接头本体，位于半导体集成气柜内，穿过半导体集成气柜的隔热层和多层钣金，所述转接头本体的两端分别设置有连接螺纹；耐高温接头，设置在所述转接头本体的第一端，与所述第一端内螺纹连接，通过所述耐高温接头与半导体集成气柜中的高温区内气管连接；常温气管接头，设置在所述转接头本体的第二端，与所述第二端内螺纹连接，通过所述常温气管接头与半导体集成气柜中的常温区内气管连接。

固定螺母通过转接头本体的外螺纹安装在所述耐高温接头与所述转接头本体的第一端之间，以及所述常温气管接头与所述转接头本体的第二端之间。

固定螺母与转接头本体之间设置有密封垫，用于将转接头本体两端与转接接头密封固定。以实现高纯气体的输送，同时满足高温向常温的气路转换。

3 各构件的特点及作用

1）转接头本体的可根据穿板的距离和两端留有的长度而设计，一般而言转接头本体的外螺纹为普通粗牙螺纹，配合固定螺母安装使用。转接头本体的内螺纹为密封螺纹，用于与耐高温接头和常温接头的连接安装。因为密封螺纹的精度要求高，螺纹精度直接影响密封的效果，因此在加工螺纹时要符合精度的要求。

普通不锈钢棒料加工完毕，不仅其表面黏有各种污染物，而且在其金属晶格内也吸留有一定量的气体。当管路中有气流通过时，金属所吸留的这部分气体会重新进入气流中，污染纯净气体。当转接头本体内气流为不连续流动时，转接头本体的管壁对所通过的气体形成压力下吸附，气流停止通过时，管壁内所吸附的气体又形成降压解析，而解析的气体同样作为杂质进入管内纯净气体中[1]。同时，吸附、解析周而复始，使得转接头本体管壁内表面金属也会产生一定的粉末，这种金属粉尘粒子同样污染管内纯净的气体。为了确保输送的气体的纯净度，不仅要求转接头本体内表面有一个极高的光滑度，而且应当具有很高的耐磨特性。腐蚀性能较强的气体时，必须选用耐腐蚀的不锈钢棒料作为转接头本体，否则转接头本体内壁将会由于腐蚀而在内表面产生腐蚀斑，严重时会出现大片金属剥离甚至穿孔，从而污染输配的纯净气体[2]。综上所述，在半导体集成气路中对于高纯气体及特种气体输送管道，必需采用一种特种处理的高纯不锈钢棒料，至使高纯管道系统（包含管道、管件、阀门、VMB、VMP）在高纯气体配送中占有至关重要的使命。所以转接头本体材质采用316L（VAR）高纯不锈钢制成，通过真空感应熔炼+真空自耗重熔（VIM+VAR），对材料进行最大程度提纯，进一步减少了材料中的非金属夹杂物和气体成分，并对产品内表面经过电解抛光处理，以提高产品内部的平滑性，并在金属表面形成富铬层以提高耐腐蚀性和内壁表面的洁净度。转接头本体内部采用研磨加电解抛光工艺处理方式，研磨抛光后其管壁内的粗糙度Ra＜0.2，用于满足半导体气路高纯气体的要求[3]。

2）耐高温接头采用耐高温316L 材质卡套接头。316L 材质卡套接头优点为结构简单、密封性能可靠、使用方便、制造精良、外形轻巧美观，具有耐高温耐腐蚀等优点。316L 可耐600 ℃的高温气体，适用于高温的气路连接。

3）常温气管接头采用直通式气管接头，这种接头装卸方便，把气管直接插入夹头即可接通，拆卸时一手把夹紧件的环部往前推，使夹头离开内锥面，另一手即可把气管拔出。目前这种接头有适用于直径为4mm、6 mm、8 mm 的气管用于连接气路。

4）密封垫的应用，本设计产品涉及高温，所以密封垫采用耐高温密封垫。在集成半导体气路中，由于各零件安装内部结构紧凑，常温转高温气路穿板转接接头安装位置又位于半导体集成气柜柜体最里侧，因此对于密封垫的耐久性有着提高的要求，耐高温密封垫材质选用至关重要。综合各密封垫的材质考虑，本设计产品密封圈材质选用为全氟橡胶（FFKM），全氟橡胶材料行业具有一系列优势性能，如低硬度、耐腐蚀、耐化学腐蚀、极低的冲击应变、耐风化强度、耐热性能等。使用全氟橡胶材料，能够达到最佳的张力，压力分布，抗张强度和耐磨性，以及抗拉和弯曲能力等。主要全氟橡胶材料具有极低的硬度、极高的柔韧性、抗冲击性、耐磨擦性以及抗老化能力，使用过程中可以保持必要的柔韧性和张力、压力分布[4]。这种材料可以把张力和压力消散，从而起到中断疲劳动作，减轻应力变形等作用，提高耐久性。全氟橡胶材料具有极佳的耐腐蚀性，可以有效地抵御强烈的酸碱性和强烈的毒腐气体的腐蚀作用，有效地防止由于沉积物导致的密封件变形或破坏，极大地提升了使用寿命。

4 应用场景

特气供应系统是指特气的储存、输送、分配与控制的设备、管道和部件的总称，其中“储存”指气源部分（特气柜GC/GR），“输送”指配管部分（一般用SUS316L EP 级不锈钢管）[5]，本设计的常温转高温气路穿板转接接头应用于特气柜内部，从高温转换常温气路输送，穿板及隔热层的距离为220 mm，通气压力为0.2 MPa，气路流速v 为28.3 m/s，流量要求＞8 m3/h。

管路截面积计算公式为：

式中：A 为管路截面积；Q 为流量，取8 m3/h；v=28.3 m/s=101 880 m/h。

将数值带入式（1）得出：A=78.5 mm2。

转接头本体内径计算公式为：

式中：R 为转接头本体内径。

将数值带入式（2）得出：R=5 mm，内径D=10 mm。

转接头本体内孔两侧可加工G1/8 内螺纹用于连接耐高温接头和常温气管接头，转接头本体壁厚选3 mm，转接头外径为16 mm，转接头本体可加工M16外螺纹配固定螺母。转接头本体加工完成后，需经过专业的技术人员进行五项测试，分别为保压、氦检、颗粒度测试、水分测试、氧份测试，全部测试合格后才能投入生产使用[6]，对于输送腐蚀性气体的转接头本体还要进行钝化操作，安装应用示意图如图2 所示。

图2 常温转高温气路穿板转接接头安装示意图

5 应用情况

常温转高温气路穿板转接接头穿板及隔热层的距离为220 mm，高温区的温度为180 ℃高温环境，常温区温度为28 ℃，气体为氟化氢HF，气体压力为0.2 MPa，使用时间25 000 h 以上气体无污染，本体接头数据统计如表1 所示。

表1 转接头本体力学性能及耐久应用结果

密封垫材料选为全氟橡胶（FFKM），密封垫尺寸16 mm×8 mm×2 mm，高温区的温度为180 ℃高温环境，常温区温度为28 ℃，使用时间25 000 h 以上气体无泄漏，密封垫数据统计如表2 所示。

表2 密封垫耐久数据应用结果

6 结语

新型常温转高温气路穿板转接接头可以穿过半导体集成气柜内的隔热层和多层钣金将气体长距离输送转换，两端分别经耐高温接头、常温气管接头进行密封固定，不仅满足了高纯气体的输送，同时满足高温向常温的气路转换，转接接头本体经过特殊工艺处理保证了气体的在转换工程中的高纯度，密封垫采用全氟橡胶材质大大提高了使用的耐久性，为半导体气路转换提供设计提供参考意义。