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發(fā)布者：磊建凈化
發(fā)布時間：2022-11-16
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半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)環(huán)境的要求由于電子產(chǎn)品在制造、生產(chǎn)過程中對室內(nèi)空氣環(huán)境和品質(zhì)的要求極為嚴(yán)格，主要以控制微粒和浮塵為主要對象，同時還對其環(huán)境的溫濕度、新鮮空氣量、噪聲等作出了嚴(yán)格的規(guī)定?？照{(diào)系統(tǒng)在半導(dǎo)體芯片廠房潔凈室中起到重要作用。本文以半導(dǎo)體電子工業(yè)生產(chǎn)廠房為例，淺談半導(dǎo)體芯片廠房潔凈室裝修建設(shè)要求及環(huán)境技術(shù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。
一、半導(dǎo)體芯片廠房潔凈室要求
1、室內(nèi)的噪聲級(空態(tài))：不應(yīng)大于65dB(A)
2、垂直流潔凈室滿布比不應(yīng)小于60%，水平單向流潔凈室不應(yīng)小于40%，否則就是局部單向流了。
3、與室外的靜壓差不應(yīng)小于10Pa，不同空氣潔凈度的潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間的靜壓差不應(yīng)小于5Pa。
4、潔凈室內(nèi)的新鮮空氣量應(yīng)取下列二項中的最大值：
5、補償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓值所需的新鮮空氣量之和。
6、保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時的新鮮空氣量不小于40m3。
7、凈化空調(diào)系統(tǒng)加熱器，應(yīng)設(shè)置新風(fēng)，超溫斷電保護，若采用點加濕時應(yīng)設(shè)置無水保護，寒冷地區(qū)，新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置防凍保護措施。無塵室的送風(fēng)量。
8、半導(dǎo)體芯片溫濕度控制
半導(dǎo)體(FAB)潔凈室中相對濕度的目標(biāo)值大約控制在30至50%的范圍內(nèi)，允許誤差在±1%的狹窄的范圍內(nèi)，例如光刻區(qū)──或者在遠(yuǎn)紫外線處理(DUV)區(qū)甚至更小──而在其他地方則可以放松到±5%的范圍內(nèi)。
因為相對濕度有一系列可能使?jié)崈羰铱傮w表現(xiàn)下降的因素，其中包括：
8.1.細(xì)菌生長;
8.2.工作人員感到室溫舒適的范圍;
8.3.出現(xiàn)靜電荷;
8.4.金屬腐蝕;
8.5.水汽冷凝;
8.6.光刻的退化;
8.7.吸水性。
細(xì)菌和其他生物污染(霉菌，病毒，真菌，螨蟲)在相對濕度超過60%的環(huán)境中可以活躍地繁殖。一些菌群在相對濕度超過30%時就可以增長。合景凈化工程公司認(rèn)為，應(yīng)將濕度控制在處于40%至60%的范圍之間時，可以使細(xì)菌的影響以及呼吸道感染降至最低。
相對濕度在40%至60%的范圍同樣也是人類感覺舒適的適度范圍。濕度過高會使人覺得氣悶，而濕度低于30%則會讓人感覺干燥，皮膚皸裂，呼吸道不適以及情感上的不快。
高濕度實際上減小了潔凈室表面的靜電荷積累──這是人們希望的結(jié)果。較低的濕度比較適合電荷的積累并成為潛在的具有破壞性的靜電釋放源。當(dāng)相對濕度超過50%時，靜電荷開始迅速消散，但是當(dāng)相對濕度小于30%時，它們可以在絕緣體或者未接地的表面上持續(xù)存在很長一段時間。
相對濕度在35%到40%之間可以作為一個令人滿意的折中，半導(dǎo)體潔凈室一般都使用額外的控制裝置以限制靜電荷的積累。
很多化學(xué)反應(yīng)的速度，包括腐蝕過程，將隨著相對濕度的增高而加快。所有暴露在潔凈室周圍空氣中的表面都很快地被覆蓋上至少一層單分子層的水。當(dāng)這些表面是由可以與水反應(yīng)的薄金屬涂層組成時，高濕度可以使反應(yīng)加速。幸運的是，一些金屬，例如鋁，可以與水形成一層保護型的氧化物，并阻止進一步的氧化反應(yīng);但另一種情況是，例如氧化銅，是不具有保護能力的，因此，在高濕度的環(huán)境中，銅制表面更容易受到腐蝕。
此外，在高的相對濕度環(huán)境下，由于水分的吸收，使烘烤循環(huán)后光刻膠膨脹加重。光刻膠附著力同樣也可以受到較高的相對濕度的負(fù)面影響;較低的相對濕度(約30%)使光刻膠附著更加容易，甚至不需要聚合改性劑。
在半導(dǎo)體潔凈室中控制相對濕度不是隨意的。但是，隨著時間的變化，最好回顧一下常見的被普遍接受的實踐的原因和基礎(chǔ)。
二、半導(dǎo)體潔凈室裝修建造造價
復(fù)雜設(shè)計施工與高建造費用電子芯片潔凈車間有著嚴(yán)格的潔凈度要求，可想而知，其設(shè)計施工也是相當(dāng)復(fù)雜的。此外，潔凈度越高，建造費用也越高。例如100級(FS 209)單向流潔凈室，僅室內(nèi)裝修與空調(diào)潔凈系統(tǒng)的建造費用為10000元/㎡。再加上消防、三廢、供配電和自控系統(tǒng)，建造費用更是高達25000元-30000元/㎡。
當(dāng)完成電子芯片潔凈車間的建造后，還要經(jīng)過三方面的驗收，即：空態(tài)驗收、靜態(tài)驗收、動態(tài)驗收，只有完成驗收才能投入日常使用。因此，面臨巨大的技術(shù)風(fēng)險，以及后續(xù)運行、維護和調(diào)試、檢測的壓力。
三、半導(dǎo)體芯片廠房潔凈室環(huán)境技術(shù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
以位于上海半導(dǎo)體生產(chǎn)廠房為例，談?wù)劙雽?dǎo)體芯片廠房潔凈室環(huán)境技術(shù)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。3層丙類多層廠房，建筑高度18.80米，功能布局為丙類生產(chǎn)車間及生產(chǎn)輔房。
1、潔凈室空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
本工程空調(diào)設(shè)計主要包括區(qū)域一般空調(diào)通風(fēng)、凈化空調(diào)系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、工藝排氣系統(tǒng)等。潔凈室主要位于生產(chǎn)廠房的二層部分區(qū)域及三層實驗室區(qū)域。潔凈室空調(diào)系統(tǒng)的室外設(shè)計參數(shù)如下表所示：
本工程潔凈室的空調(diào)系統(tǒng)形式采用FFU(FanFilter Unit 風(fēng)機過濾單元)+DCC(DryCooling Coil 干冷卻盤管)+MAU(MakeupAir Unit集中新風(fēng)機組)的系統(tǒng)形式;氣流組織形式為頂送下回，干盤管位于吊頂上方。潔凈空調(diào)原理圖如圖1所示。
MAU機組設(shè)置在三層空調(diào)機房。MAU規(guī)格為95000CMH，4臺(三用一備)。新風(fēng)空調(diào)機組由進風(fēng)段、G4板式初效過濾段、F8袋式中效過濾段、預(yù)熱盤管段(38/32℃)、預(yù)冷段(6/13℃)、RO水噴淋水洗加濕段、低溫冷凍水表冷段(6/13℃)、再熱盤管段(38/32℃)、風(fēng)機段、化學(xué)過濾器段、化學(xué)過濾段、F9中效過濾段、H14高效過濾段、出風(fēng)段以及相關(guān)的檢修功能段組成?？照{(diào)機組段位圖如圖1所示：
FFU滿布率：ISO3級區(qū)域為100%;其余區(qū)域根據(jù)凈化級別為25～75%。潔凈區(qū)所用的新風(fēng)(MAU)系統(tǒng)，通過初、中效過濾、冷卻除濕、過濾或加熱、水洗加濕過濾以潔凈之新風(fēng)補充潔凈室內(nèi)工藝排風(fēng)和維持正壓為目的，以恒定的溫度和濕度參數(shù)送風(fēng)，從而保證室內(nèi)個參數(shù)在設(shè)定值。
2、空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計
在各系統(tǒng)運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的收集與分析上，自動控制系統(tǒng)可以取代大量人力，還可以提供系統(tǒng)偏離設(shè)計值的早期預(yù)警，并將分析整理過的信息傳送到工程師與主管作為系統(tǒng)管理的依據(jù)。FFU(FanFilter Unit 風(fēng)機過濾單元)+DCC(DryCooling Coil 干冷卻盤管)+MAU(MakeupAir Unit集中新風(fēng)機組)空調(diào)組成形式主要通過MAU(MakeupAir Unit集中新風(fēng)機組)來控制潔凈室的濕度，通過DCC(DryCooling Coil 干冷卻盤管)來控制潔凈室的溫度。P&ID-新風(fēng)機組控制原理圖如圖2所示，P&ID-潔凈室控制原理圖如圖3所示，潔凈室空調(diào)自動控制原理如下：
(1)MAU機組進出口處均安裝電動密閉閥，電動密閉閥與MAU送風(fēng)機聯(lián)動，開啟時先開閥門再開風(fēng)機，關(guān)閉時順序相反。本項目業(yè)主要求在MAU機組入口和出口處均安裝電動密閉閥，筆者認(rèn)為入口電動密閉閥的主要目的是關(guān)機后防止新風(fēng)侵入損壞冷盤，出口處安裝電動密閉閥的主要目的是防止某臺機組不運行而其他機組運行時新風(fēng)通過集管倒灌，故在設(shè)計中可只在MAU機組入口處安裝電動密閉閥，出口處可用逆止閥取代電動密閉閥。
(2)MAU機組各級過濾器設(shè)壓差開關(guān)，報警值初中效：350Pa，中效：250Pa，高效：500Pa，化學(xué)過濾器段：200Pa，當(dāng)壓力超過設(shè)定值時報警，提示清洗或更換。筆者設(shè)計時，在MAU風(fēng)機段也曾設(shè)置壓差開關(guān)，主要目的是實現(xiàn)風(fēng)機無風(fēng)斷電保護，業(yè)主要求取消該壓差開關(guān)，原因是：在工程一期的使用過程中，類似功能的壓差開關(guān)在風(fēng)機關(guān)閉時曾出現(xiàn)過誤報警，且誤報警在不同區(qū)域均有發(fā)生。在常規(guī)的設(shè)計中，無風(fēng)斷電保護均會配置，且有部分業(yè)主會指定配置無風(fēng)斷電保護，筆者認(rèn)為該工程一期經(jīng)常出現(xiàn)誤報警是因為程序設(shè)計不合理，專業(yè)自控廠家在程序設(shè)計過程中，不能孤立的判斷壓差開關(guān)的報警信號，應(yīng)結(jié)合送風(fēng)機的運行狀態(tài)，判定有效報警信號，當(dāng)風(fēng)機運行過程中出現(xiàn)報警信號時，報警視為有效，當(dāng)風(fēng)機關(guān)閉時報警信號視為無效信號。
(3)溫濕度控制：冬季：根據(jù)預(yù)熱盤管后安裝溫濕度變送器控制預(yù)熱盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證預(yù)熱后焓值在設(shè)定值;再經(jīng)過水洗噴淋段(水洗噴淋段自帶控制)進行水洗加濕，保證送風(fēng)含濕量在設(shè)定值，再根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)再熱盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證送風(fēng)溫度在設(shè)定值。夏季：根據(jù)預(yù)冷盤管后安裝溫濕度變送器控制預(yù)冷盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證預(yù)冷后焓值在設(shè)定值;再經(jīng)過水洗噴淋段(水洗噴淋段自帶控制)進行水洗;據(jù)送風(fēng)濕度控制再冷盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證送風(fēng)含濕量在設(shè)定值;再根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)再熱盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證送風(fēng)溫度在設(shè)定值。過渡季節(jié)：根據(jù)預(yù)冷盤管后安裝溫濕度變送器控制預(yù)冷盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證預(yù)冷后焓值在設(shè)定值;再經(jīng)過水洗噴淋段(水洗噴淋段自帶控制)進行水洗加濕，保證送風(fēng)含濕量在設(shè)定值;再根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)再熱盤管電動調(diào)節(jié)閥開度，保證送風(fēng)溫度在設(shè)定值。潔凈室設(shè)置溫濕度變送器，監(jiān)測室內(nèi)溫濕度，在各個季節(jié)根據(jù)潔凈室度調(diào)節(jié)DCC盤管閥門開度，保證房間溫度在設(shè)定值。
(4)水洗噴淋控制(噴淋室自帶就地控制盤)：噴淋用水箱設(shè)置電導(dǎo)率探頭，當(dāng)電導(dǎo)率超標(biāo)時，報警，排水。水箱設(shè)液位報警，當(dāng)?shù)陀谙孪迺r，報警，關(guān)閉排水閥。水箱超低液位聯(lián)鎖關(guān)閉噴淋循環(huán)泵。
(5)送風(fēng)集管設(shè)置壓力傳感器，監(jiān)測送風(fēng)壓力，根據(jù)送風(fēng)壓力調(diào)節(jié)送風(fēng)機變頻運行。
(6)潔凈室設(shè)置壓力變送器，至各潔凈區(qū)送風(fēng)支管安裝電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)房間壓力，調(diào)節(jié)各個送風(fēng)支管電動調(diào)節(jié)閥開度保證房間壓力在設(shè)定值。
(7)FFU設(shè)置壓差開關(guān)設(shè)置壓差開關(guān)，壓力高于設(shè)定值報警。
3、結(jié)語
本文結(jié)合某半導(dǎo)體廠房潔凈室空調(diào)設(shè)計從設(shè)計的角度扼要介紹了FFU(FanFilter Unit 風(fēng)機過濾單元)+DCC(DryCooling Coil 干冷卻盤管)+MAU(MakeupAir Unit集中新風(fēng)機組)的空調(diào)組成形式，闡述了該組成形式的主要控制原理，并分析比較了設(shè)計過程中出現(xiàn)的部分問題，具體控制功能的實現(xiàn)還需通過專業(yè)的自控廠家深化實現(xiàn)。
