第四章 研究結果與討論
第五節 不同行業別之間供氣模式或系統的差異性
(9)配置輸送主管道是一次性花費成本，管路沿線廠商都可均霑分享，所以總的管 路成本相較於常期運輸成本仍將是較低的。
(10)配管供應常選擇埋設地下管方式鋪設，所以地面景觀較為美觀。
8.管線輸氣之缺點有：
(1)管線過程中如被意外破損，將影響附近供氣需求充足和供應壓力維持。
(2)管線長度造成壓力損失問題，對於末端用戶將有壓力不足的顧慮。
(3)氣體生產工廠仍須保持客戶最高純度品質輸出，可是管線輸氣區域內客戶用氣 品質不盡相同，可能會有被迫付出較高價格使用非必要高純度氮氣。
(4)若式生產設備發生停機問題，須要大量的液氮儲存備用及充足的蒸發器應付所 需氣量供應。
(5)因為是一體式供應客戶用氣，萬一發生氣體不合格將發生所有客戶集體污染的 嚴重問題以及系統管道吹淨不易的窘境。
將直接影響產品良率。我們可將高科技產業的產品加工精細程度需要來對氮氣純度需 求來進行區分有：1.半導體加工業、IC ( Integrated Circuit ) 製造業、面板業等高精密 加工產業；2.LED 製造業、太陽能產業；3.一般工業等三大類。這三大類的氮氣純度 需求條件，可由氣源純度、不同材質的設備和管路分別因應配合，仍能輕鬆滿足製程 要求。
其中因為半導體加工或 IC 製造製程中，氮氣直接參與了加工製程，在晶片生產 各站過程中，一般氮氣 GN2 (General Nitrogen) 除了做為設備驅動工具外還應用於晶 圓吹淨或產品氮封、保潔等功能，純化後氮氣 PN2 (Purified Nitrogen) 還直接參與了 蝕刻、披覆等加工，氮氣都直接接觸精細的加工中晶片，所以氮氣的純度顯得非常重 要。任何的不純物質都可能造成柵極電路短路而使晶片產品失效，以台灣目前最先進 的積體電路製造 20 奈米柵極精度要求，一般氮氣 (GN2) 的供應要求純度已達 99.9999% (6N) 等級，純化後氮氣純度要求已達 99.999999% (8N) 等級以上。唯有高 純度氮氣供應才能夠創造和維持高精密的製程良率，並贏得商業市場的競爭。
其次 LED 製造業將氮氣應用除了做為設備驅動、工具外主要是將純化後氮氣用 於磊晶之載氣，把有機金屬元素混入後帶往反應爐供反應或形成磊晶層。太陽能晶片 製作過程亦是由氮氣作為載氣，於擴散工序時將有機元素帶至高溫區進行晶片表面擴 散，僅需一般氮氣要求純度 99.999% (5N) 等級即可。
封裝及模組業屬於後段產品組裝階段，已非精密晶片內加工及一般工業對於氮 氣使用大多是僅於氮封功能，純度要求 99.99% (4N)以上等級即可，但若是封裝測試 仍須 99.999% (5N) 等級純度氮氣。
二、氮氣供應系統的差異
高科技產業中，製程供應和支援性質的管路多而複雜，而氣體管路是較為特殊 的一群，科技產業的氣體供應系統輸送的氣體都有高潔淨的要求，必須要能夠以安 定、連續的供輸給製程才能穩定產品良率。氣體供應的品質優劣與管路的材質、內部 光滑度、焊接技術等有重要的直接關係。相對的，對於不同產業對氮氣的純度需求差 異，或不同的供氣系統階段，使用的管道材質和閥組件等級亦有不同，其原因是要能 夠滿足並維持用氣需求規格為首要目的。
第一類行業群對氮氣純度要求較高，液氮必須搭配使用不銹鋼等級蒸發器4並使 用焊接方式接合管路，以減少使用期間污染物滲入的機會。供氣站內氮氣管路於過濾 器之前可使用 SUS304AP 有縫管，閥件使用球閥 (Ball valve)，於過濾器之後管路 3 英寸以上使用 SUS316LBA 有縫管，3 英寸以下使用無縫管。閥件使用波紋閥 (Bellow valve)，可在氮氣經由過濾器後，有效維持氮氣純度品質供應給生產線使用。
第二類行業群對氮氣純度要求並不會太高，一般製氮機冷塔蒸餾設備產出的氣 氮即可滿足純度要求。液氮可以使用鋁合金等級蒸發器並使用法蘭銜接，方便於施工 和維修。供氣站內管路可全部使用 SUS304AP 有縫管，閥件使用球閥 (Ball valve) 即 可，仍能滿足這類產業對氮氣純度的使用需要。
第三類行業群因為將氮氣視為工具使用而非製成加工材料，所以對氮氣純度要 求最低，使用吸附式製氮設備生產之氮氣就可滿足。若使用液氮可配合鋁合金等級蒸 發器並使用法蘭銜接即可，方便於施工和維修。供氣站內管路可全部使用 SUS304AP 有縫管，閥件使用球閥 (Ball valve) 即可，過濾器可用 Y 形過濾器進行初步過濾。
管材 304 及 316 分別代表管材料中含鉻、鎳的合金量多寡。一般而言 304 較少 而 316 較多，而 L 則代表低碳之意 (經濟部工業局，財團法人自強工業科學基金會，
人才培訓講義)。如表 7，為常用於氣體供應站之管材化學成分。
表 7
資料來源 : 機械設計便覽-眾文圖書公司，2013。
為了因應不同的製程階段或是不同氣體特性的需要，管材有不同的加工方法或 工序而有多種等級可供選用，以下就是簡略的管材類別說明：
一、有縫鋼管(Welded Pipe) -使用鋼帶(Coil)或鋼板(Plate)，利用模具滾輪將鋼帶捲曲 成鋼管形狀，再將捲成鋼管形狀之鋼帶接縫處加熱使它焊接一起，經過整形後裁 切成為鋼管，因為它是用鋼帶返曲製成，必定會有接縫處，所以用此工序製程之 鋼管統稱「有縫鋼管」 ，與其他種類鋼管相比，有縫鋼管顯得內表面較不平整 也較不光滑，容易讓不潔物質附著於其表面，是較低等級鋼管。
二、無縫鋼管 (Seamless Pipe) -是使用實心之鋼錠為原料，加熱高溫後軟化後，兩端 利用穿孔機製成中空厚壁的管胚，再經伸長和軋輥成所需外徑和厚度的母管，最 後再以整形機 (Sizing Mill)、矯直機 (Straightener)加以精整，使製品合乎要求，
這兩大類鋼管特性比較如表 8。
AISI 不銹鋼材料化學成分表
(Wt.%) C Si Mn P S Ni Cr Mo 304 0.030
max
1.00 max
2.00 max
0.040
max 0.005~0.012 12.0~16.0 16.0~18.0 2.0~3.0 316 0.030
max
1.00 max
1.20 max
0.040
max 0.005~0.012 12.0~16.0 16.0~18.0 2.0~3.0 304L 0.030
max
0.75 max
1.00 max
0.040
max 0.005~0.010 12.0~16.0 16.0~18.0 2.0~3.0 316L 0.030
max
1.00 max
1.20 max
0.040
max 0.005~0.012 12.0~16.0 16.0~18.0 2.0~3.0
表 8
有縫鋼管與無縫鋼管之特性比較表
類別 價格 生產性 用途 成本 尺寸範圍 強度 表面及尺寸 精度
無縫管 高 低 特殊 高
有限（不適 薄管及大口 徑管）
高 較優
有縫管 低 高 普及 低 （小口徑厚
管較難） 略低 差 資料來源：金屬研究發展中心 ITIS 計畫。
科技產業為避免特殊氣體輸送的鋼管發生腐蝕的風險，用氣廠商常常為了降低腐 蝕風險而提高管路等級要求，甚至指明使用二次熔煉的鎳鉻鉬合金鋼材質不銹鋼進行 配管，鋼材之不純物質成分百分比更低，部分管材內表面平滑如鏡高等級，稱之為電 子級配管。電子級配管使用的不銹鋼管料等級可分為 AP 級、CP 級、BA 級、MP 級、
EP 級：
一、拔引管(素管)AP (Anneal treatment & Passivation)–鋼管經加熱軟化後押出和冷加 工生成後，僅經退火程序及酸洗鈍化處理後即行販售之鋼管。
二、化學研磨處理 CP (Chemical Polish) -鋼管經加工生成退火消除應力後，經化學液 浸泡進行近似分子置換型式表面毛細腐蝕，鋼管表面尖銳凸點可獲得改善，但平 面度並未有效改善。
三、機械拋光 MP (Mechanic Polish) - 管件成型後經過了退火消除應力後進行內拋光 表面砂布輪拋光加工，但常有因為砂輪軸細長形成鋼性不足而造成鋼管真圓度不 足、管口、管中直徑差異或震動而產生波紋光差。
四、光輝燒鈍 BA (Bright Anneal) - 鋼管經加工生成退火消除應力後，在加工完成後
在進入退火爐是在密閉空間加熱退火後讓溫度在密閉空間緩慢降溫至少 500 度以 下再自然冷卻便會有光輝度以至不造成脫碳情形產生之鋼管。
五、電解研磨處理 EP (Electro Polish) - 鋼管經加工生成退火消除應力後，經含有微 細顆粒的介質液，及砂輪共同運作，鋼管與砂輪面分別導以不同電極，使得進行 研磨時砂輪與鋼管並未實際接觸，而在微細顆粒接觸砂輪面與管面凸點時形成接 觸放電而去除管面微小凸點，輔以砂輪與鋼管逆向慢速旋轉，平(曲)面度亦能有 效控制，成為最精細的拋光方式，有如鏡面一般。
AP 管常被使用於製程外圍的支援性質管路，如大宗氣體過濾前初階段管路、儀 錶管路、水管、廢氣排放管路等。CP 管常用於食品用管路、化工業輕腐性管路、水 管、廢氣排放管路等。100A 管徑 BA 級管路經光輝燒結退火處理管表面粗糙度約為 3~6μm，如 316LBA 管則常使用於和晶片接觸但不參與製程反應的氣體，如一般氣體 General Gases、Inert Gases 等。EP 級管路經電解拋光處理、管表面粗糙度低，約為 0.3~0.8μm 所以較耐腐蝕。316LEP 管因平整度高不容易形成微渦流而將污染粒子帶 出，常使用於製程用的反應氣體。(註：μm = 10-6 m)例如純化後大宗氣體和特殊氣體 等。管路材質必須和輸送氣體的特性相配合,閥件,管材等相關元件設計須有足夠強度 (Strength)，耐久性 (Durability) 及可靠性 (Reliability)。氣體供應系統管路選用則應 採用當地容易取得之規格為優先，以利安裝工程之順利進行或後續維修施工快速便 利。
註 4 - 所有蒸發器的主機件都是由鋁合金(6063 T5)鰭片組成，容易因為微量的水分子 或氧分子造成氧化鋁的氧化腐蝕，形成供應管路中微塵汙染。不銹鋼等級蒸發 器是將不銹鋼管套穿在鋁合金鰭片內，使通過的氮氣不接觸到鋁合金，稱之為 不銹鋼等級蒸發器。