塑料管材在电子厂房中的应用及分析

曹灿

（1.中国电子工程设计院，北京 100031；2.世源科技工程有限公司工艺管线及空间管理设计所，北京 100031）

随着我国电子工业的迅猛发展，尤其是半导体材料及芯片制造业的发展，对电子工业产业园的设计，尤其是集成式电子工业厂房的设计及施工，提出了更加严格的要求和标准。而在电子工业厂房的设计和建造过程中，根据不同的需求如电照、通信、给排水、供暖、动力等，需要铺设大量的各种管材。在进行管路的布置和安装设计时，首先应保证安全、正常生产及便利操作、检修；其次应节约材料及投资，同时应尽可能的整齐、美观，以创造良好的生产环境。然而，目前市面上的管材不仅门类众多，而且性能和价格也偏差较大。目前市面上的管材根据其材料的属性可分为水泥管、金属管、陶土管、玻璃钢夹砂管、塑料管等。其中塑料管材以其优异的物理化学性能和较低的价格成本，如轻量化、耐腐蚀、耐磨损、密封性好、易焊接、易施工、管壁流体阻力小、价格低等，迅速地占领了电子工业厂房应用的主要领域。然而塑料管材又可以根据其材料的不同分为：硬质聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC）、聚乙烯管（PE）、交联聚乙烯管（PE-X）、聚丙烯（PP）管、聚丁烯管（PB）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯管（ABS）、铝塑复合管（PAP）、钢塑复合管（SP）等。这些种类繁多且不断更新换代的管道管材不仅促进了经济和科学的发展，同时也对现代化电子工业厂房的设计和安装提出了更高的要求和挑战。因此，在电子工业厂房的设计中，如何对管道管材进行选择和使用，对于我们经济的发展和社会的稳定至关重要。

1 国内外工业设计中管材的发展历程

1933年，美国和法国率先实现了塑料管材的工业化生产。3年后的1936年，德国研发出了用于自来水、酸、污废水等介质输送的塑料管道。紧接着，英国也开始铺设了塑料输水管道。自此之后，塑料管道迎来了快速的发展和生产，管道的应用范围也在不断扩大，从最初的自来水、污废水等生活领域的液体媒介的输送，扩大到了电子、机械、材料、航空航天等各个领域，并逐步取代传统材料管道。

经过几十年的发展，塑料管材的种类和市场需求量正不断地增大。据不完全的统计，2017年全球塑料管道需求规模超过了2300万t。我国的塑料管材发展较晚，上世纪70年代开始进行工业化生产，到80年代才开始在各类工程建设中推广应用，然而20世纪以后，我国在塑料管道的生产和使用正逐步超越其他国家，目前已经成为全球塑料管材生产和使用的最大国家。

图1 我国塑料管材产量预测图

2 塑料管材的分类及其在电子厂房中的应用

2.1 聚氯乙烯（PVC）管

聚氯乙烯管又分为硬质聚氯乙烯（UPVC）管、氯化聚氯乙烯管（CPVC），其主要原材料均为聚氯乙烯（PVC）。UPVC管可分为直壁管、加筋管、螺旋缠绕管、波纹管等，主要应用于电子厂房的供水及排水工程中。其中加筋管和波纹管的载荷能力和刚度较大，综合性能较佳，适用于厂房的主排水管、主污水管等。直壁管由于其内外管壁光滑、均一，易于加工、焊接，且可以通过加入不同的添加剂实现阻燃、低烟、高抗冲等特性，因此可适用于厂房的各种通讯、电照、动力等管道的设计，此外也可用于室内普通污水的排放。

2.2 聚丙烯（PPR）管

聚丙烯（PPR）管又称三丙聚丙烯管或无规共聚丙烯管，其原材为无规共聚丙烯树脂。PPR管不仅具有质量轻、卫生无毒、管壁阻力小、导热低、耐腐蚀强、耐热稳定等优点，而且易于加工、焊接。通过简单热熔的方式即可实现，且焊头牢靠。由于PPR管具有其他管材所不具备的优势，因此不仅可用于厂房设计中的各种冷水管道，也可用于各种设备仪器的供排热水管道，还可用于洁净室及超纯水的管道铺设。但是PPR管也存在一些缺点，比如成本偏高、刚性差、低温易脆、易紫外老化等，因此在施工过程中不仅要避免机械损伤，而且对于室外的管路应予以保温、避光等保护措施。

2.3 聚乙烯（PE）管

采用聚乙烯（PE）原料通过挤塑等工艺生产的管材，称为PE管。PE管在加工时不添加重金属盐、材质无毒，且管材具有不易结垢、耐腐蚀强、冲击性好、易焊接、绝缘强度高、不滋生细菌等优点，因而其应用领域十分广泛，其中供水管和燃气管是其主要的应用市场。然而PE树脂有高密度、中密度和低密度之分，所以在选用PE管材时，应根据实际情况的需要，选用不同原料的PE管材。在电子厂房的设计和施工中，较高密度的PE管材不仅可以作为循环冷却水、有机溶剂、超纯水、酸废水等液体的输送管道使用，同时也可以将其作为各种气体，如氧气、氮气、天然气等气体的输送管道使用，还可以将其作为邮电通讯、电力电线的保护套管使用。

2.4 聚丁烯（PB）管

以聚丁烯（PB）为主要原料，并辅以适量的助剂，通过挤出成型的方式生产的热塑性管材称为PB管。由于PB是一种高分子惰性聚合物，且具有“塑料黄金”的美誉，因此PB管材不仅具有良好的柔韧性、抗蠕变性、耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点，而且其抗紫外性强、易加工、生态环保，被广泛用于各领域。其中PB管尤以耐高温高压特性突出，其最高使用温度为110℃，可长期在95℃下使用。因此PB管材不仅可用于电子厂房中冷热水的管道输送，也可用于中央空调、超纯水的管道设计，还可用于各种有机液体、高温液体的管道输送，但是其价格较贵且PB原料大多来自进口。

2.5 塑料复合管

塑料复合管是指以高分子树脂及非塑料材料为原料，通过化学或物理的手段进行加工，生产的新型管材。当前国内外普遍使用的复合管材主要可以分为塑—钢、塑—铜、塑—铝、塑—纤维等塑料复合管。其中技术相对较为成熟的是铝塑复合管，其经历了近半个世纪的研发和使用，目前在市场上较为普遍。其结构从里到外分为五层，依次为：聚乙烯层、热熔胶层、铝管层、热熔胶层和聚乙烯层。这种复合管不仅具有优异的耐腐蚀性，而且耐低温、强度高、寿命长，适合于各种气体及液体的输送。

图2 铝塑复合管材

3 塑料管材在设计和施工过程中的研究

3.1 电子工业厂房管道布置的空间管理原则

在电子工业厂房中，受行业先进性要求的限制，管道布置需充分保证设备的灵活性，各系统管线需保证足够的裕度，并且电子工艺厂房的制程系统管道种类繁多，厂房内通常会设立出单独的管道楼层，称作下夹层，下夹层内的管道通常采用共同管架的形式进行架设，共同管架一般根据管道的尺寸、数量、间距要求，采用多层或多立柱的方式。

下图为某电子工业厂房的下夹层支管方向的空间管理方案图，对于水、气类尺寸不大的工艺管线，采用竖向排列的方式布置，对于工艺排风、母线、桥架的大尺寸或者不便于竖向排列的管道，采用多层横向支架。

每列管架之间除了管道自身空间和安装空间外，需预留足够的二次配管空间。同时在TF（物理/化学气相沉积）、Etch（干法/湿法刻蚀）、Litho（光刻区）等工艺制程区域需根据厂房柱距跨度预留2到3处单独的机台真空管路空间，此空间同时可作为设备二次配管施工空间。

图3 厂房中管道设计BIM三维图

图4 厂房中管道设计剖面示意图

在规划下夹层空间管理时，管道优先需布置在工艺设备区的永久搬运通道（Moving通道）和机台维护通道（Bay line通道）上，如管道因实际情况，需超过通道区域布置，极限情况不能超过最外侧设备的搬运管道，在转两次斜45°弯头的情况下，可以到达支管共架的最下层管架的宽度；所有区域最下层管道的管底标高需满足人员通行、货物搬运、维护及安全的最低净空距离。

管路安装的排列分为垂直面排列和水平面排列。在垂直面排列上需要遵循：热管在上、冷管在下；无腐蚀介质管在上、有腐蚀介质管在下；气体管在上、液体管在下；压管在上、无压管在下；保温管在上、非保温管在下；金属管在上、非金属管在下等基本原则。在水平面排列需遵循：大管路靠内，小管路在外；常温管路靠内，热管路在外；支管少的靠内，支管多的管路在外；不经常检修的管路靠内，经常检修的在外；有压管路靠内，无压管路在外等原则。

3.2 常见工艺管道系统管材的选用

电子工业厂房中，塑料管道的应用系统一般有：工艺真空（PV）、超纯水（UPW）、去离子水（DIW）和工艺废水、废液等系统。

3.2.1 真空工艺管道

所谓真空管路是指管内压力为负压的管路，因此对于真空工艺管道必须要拥有足够的机械强度，能够承受较强的负压，保证玻璃基板或硅片不掉落，且具有一定的耐高温性能。在大部分电子工艺厂房中主要采用不锈钢SUS304L管道铺设真空管路，但是其费用颇高。对于追求建厂成本的部分电子厂房，会选用C-PVC管道。这是由于C-PVC管道不仅冲击强度高，而且抗压性能显著（环刚度可达10kPa）。

3.2.2 超纯水管道

电子工业纯水的含义是很广泛的，根据等级的不同，纯水的各项水质标准也有所差异，包括含盐量、非电解质（微粒、细菌、TOC、溶解氧）和弱电解质（二氧化硅）等。

随着电子产品的不断升级，对纯水的水质要求还会不断提高，因此为了使水质指标达到要求（如25℃情况下，电阻率不能小于18MΩ·cm），因而对管道材质的要求非常高，必须选择化学稳定性极好的管材。

工艺废水、废液管道管材参考表

同时，管道内壁的光洁度、管道及管件的接头处的平整度也会对水质产生不可忽视的影响。假如管道内有微小的凹凸，会造成微粒的沉积和微生物的繁殖，导致微粒和细菌两项指标的不合格。当前PVDF管道粗糙度＜1μm，而不锈钢管约为几十微米。由此可见采用塑料管道更为合适。目前电子工业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）、洁净聚氯乙烯（CL-PVC）和聚偏氟乙烯（PVDF）等材料制成的管道、管件及阀门。

3.2.3 工艺废水/废液管道

工艺废水、废液的管材选取一般按污染物性质和种类进行分类。常见废水有：酸碱废水、含氟废水、含铬废水、含磷废水、含氨废水、有机废水、含铜废水、含砷废水等；常见废液有：含氟废液、刻蚀液废液、稀释剂废液、剥离液废液、NMP废液、TMAH废液、含丙酮废液、异丙醇废液等。

4 结语

塑料管材由于其优异的结构和性能，在半导体制造业中的应用比例越来越高。尽管我国目前塑料管材的研发和生产技术都得到了明显的进步，但是与西方发达国家相比依然有不小的差距，主要表现为原材料品质的不达标以及不稳定性等，同时企业的生产设备和技术偏于落后。相信随着我国科技的发展，塑料管材的研发和生产技术也将会得到进一步的提升，更多高性能的塑料管材将会服务于半导体材料及芯片制造产业中。