晶圓潔凈廠房凈化空調(diào)設(shè)計準則

名詞解釋：

1、晶圓

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓；在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能的集成電路產(chǎn)品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%。

1、晶圓潔凈廠房

潔凈廠房也叫無塵車間、潔凈室(Clean Room），是指將一定空間范圍之內(nèi)空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除，并將室內(nèi)溫度、潔凈度、室內(nèi)壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求范圍內(nèi)，而所給予特別設(shè)計的房間。亦即是不論外在的空氣條件如何變化，其室內(nèi)均能具有維持原先所設(shè)定要求的潔凈度、溫濕度及壓力等性能的特性。

3、潔凈空調(diào)系統(tǒng)

為了使?jié)崈羰覂?nèi)保持所需要的溫度濕度、風(fēng)速、壓力和潔凈度等參數(shù)，最常用的方法是向室內(nèi)不斷送入一量經(jīng)過處理的空氣，以消除潔凈室內(nèi)外各種熱濕干擾及塵埃污染。為獲得送入潔凈室具有一定狀態(tài)的空氣，就需要一整套設(shè)備對空氣進行處理，并不斷送入室內(nèi)，又不斷從室內(nèi)排出一部分來，這一整套設(shè)備就構(gòu)成了潔凈空調(diào)系統(tǒng)。

摘要結(jié)合實例, 介紹了晶圓潔凈車間的凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計原則 、氣流組織形式、空氣處理過程, 并討論了其空調(diào)系統(tǒng)的自控問題。

該工程位于遼寧沈陽出口加工區(qū)內(nèi), 是集科研開發(fā) 、生產(chǎn)制造為一體的專業(yè) SOI 晶圓生產(chǎn)廠房。其工藝流程為:原材料 SOI 晶圓片經(jīng)氧化、離子注入、鍵合、切割 、退火 、拋光等工序后成品出廠 。該項目主要生產(chǎn)廠房面積為 6 100 m 2 , 生產(chǎn)配套輔助建筑(含廢水處理站、特種氣體站 、柴油發(fā)電機房等)面積為 800 m 2 。其中潔凈室面積約為 1 600m2(一期), 2014 年 10 月試投產(chǎn), 用于工業(yè)化生產(chǎn)10 .16 ～ 20 .32 cm(4 ～ 8 in)SO I 晶圓。廠房區(qū)劃圖見圖 1 。該潔凈室潔凈級別主要為 ISO 4 .5 級和 ISO 5 .5 級, 局部為 ISO 2 .5 級。室內(nèi)主要設(shè)計參數(shù)見表 1 。

圖 1 廠房平面區(qū)劃示意

根據(jù)建設(shè)方的要求, 除了滿足生產(chǎn)廠房工藝的凈化空調(diào)參數(shù)要求以外, 設(shè)計時還必須考慮到工藝設(shè)備不是一次安裝就位, 而是陸續(xù)投入運行;且平時生產(chǎn)中, 排風(fēng)設(shè)備根據(jù)需要運行, 房間內(nèi)排風(fēng)量是變化的 ;工藝設(shè)備的開啟與關(guān)閉會帶來房間內(nèi)散熱量的變化。設(shè)計中應(yīng)采取相應(yīng)的控制措施確保各凈化空調(diào)參數(shù)滿足要求該工程除凈化空調(diào)系統(tǒng)外, 還涉及酸堿排風(fēng)處理系統(tǒng), 氫氣 、硅烷事故通風(fēng)系統(tǒng)以及潔凈走廊排煙系統(tǒng)。在此僅介紹凈化空調(diào)的設(shè)計。
凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計
該工程凈化空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組 +干表冷盤管+風(fēng)機過濾單元(FF U)的組合形式。空調(diào)區(qū)域分為三部分, 即送風(fēng)上夾層靜壓箱、生產(chǎn)區(qū)、回風(fēng)下夾層。潔凈室內(nèi)的氣流流型為垂直單向流, 空氣由吊頂上的風(fēng)機過濾單元(FF U)中的高效過濾器過濾后送入生產(chǎn)區(qū),再經(jīng)地面帶孔板高架地板進入回風(fēng)下 夾層, 通過兩側(cè)回風(fēng)夾道, 經(jīng)干表冷盤管冷卻后回至送風(fēng)上夾層,與送入上夾層的新風(fēng)混合后再送入生產(chǎn)區(qū)(見圖 2 , 因角度問題, 左側(cè)回風(fēng)夾墻和干表冷器未出現(xiàn)在圖中)。新風(fēng)機組的送風(fēng)補充工藝排風(fēng)(酸、堿排風(fēng)等)及維持房間正壓所需風(fēng)量, 同時滿足生產(chǎn)區(qū)內(nèi)人員對新風(fēng)量的要求。由于室內(nèi)散濕量小, 熱濕比※+∞, 所以新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點的機器露點, 主要承擔(dān)新風(fēng)熱濕負荷和潔凈室內(nèi)的全部濕負荷 ;干盤管主要承擔(dān)潔凈室內(nèi)顯熱負荷。潔凈室內(nèi)的潔凈度由風(fēng)機過濾單元(FFU)保證。

圖2 潔凈室送風(fēng)流程示意

3空調(diào)負荷計算

夏季空調(diào)冷負荷按照GB 50019 —2003 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》要求, 根據(jù)工程的實際情況計算得到。該工程工藝潔凈房間(除外延區(qū)) 均位于建筑內(nèi)區(qū), 外區(qū)為動力站房與走廊, 所有外區(qū)冬季均設(shè)有散熱器供暖系統(tǒng), 所以圍護結(jié)構(gòu)負荷很小, 工藝設(shè)備及其他得熱負荷冬夏季變化不大, 因此潔凈室全年處于供冷工況。潔凈室內(nèi)散濕量較少, 室內(nèi)負荷以顯熱負荷(工藝設(shè)備負荷、照明負荷、人員負荷)為主。
該工程潔凈室潔凈級別高, 所需FFU 數(shù)量較多, 某些房間吊頂基本處于滿布狀態(tài), 在計算房間顯熱負荷時要計入FFU 的風(fēng)機溫升發(fā)熱量。
經(jīng)計算, 一期工程夏季空調(diào)系統(tǒng)耗冷量為1 120 kW 。選用 2 臺 814 kW 螺桿式水冷冷水機組(含工藝設(shè)備用冷量), 空調(diào)冷水為一次泵系統(tǒng)。
4 凈化送風(fēng)量及FFU 選型、布置根據(jù)GB 50073 —2001 《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》對潔凈室送風(fēng)量的要求, 分別計算各房間FFU 的吊頂布置率。該工程室內(nèi)吊頂高度為 3～ 4 m 。潔凈級別為 2 .5 , 4 .5 級的潔凈室送風(fēng)斷面風(fēng)速為0 .3 m/ s 。潔凈級別為 5 .5 級的潔凈室換氣次數(shù)為 80 h-1 , 潔凈級別為 6 級的潔凈室換氣次數(shù)為 60 h-1 。設(shè)計采用1 200 mm ×600 mm 的FFU , 單個FFU 的風(fēng)量為900 m /h 。經(jīng)計算, FFU 吊頂布置率見表 2 。

在FFU 選型時需注意機外余壓應(yīng)能克服回風(fēng)格柵 、回風(fēng)夾墻和干表冷器的阻力 ;同時考慮噪聲疊加效應(yīng), 單臺FFU A 聲級噪聲不應(yīng)大于 53 dB 。
5空氣處理

5.1M AU 新風(fēng)處理系統(tǒng)

一期工程共配 2 臺新風(fēng)機組, 單臺新風(fēng)機組的風(fēng)量為 25 000 m3 / h , 新風(fēng)處理到房間空氣狀態(tài)點的機器露點后送至潔凈室吊頂上方的靜壓箱, 與潔凈室回風(fēng)混合后再送入室內(nèi)。新風(fēng)機組的送風(fēng)狀態(tài)點為圖 3 中 L 點(未考慮風(fēng)機溫升)。新風(fēng)機組組成段如圖 4 所示。
由于機組風(fēng)量較大, 新風(fēng)處理焓差很大, 因此將表冷段分為兩部分以提高效率, 兩段的制冷量相同。圖 3 中 A 點為一級表冷器后的溫控點。L 點為夏季二級表冷器處理后的溫控點。
沈陽地區(qū)4 , 10月份為不供暖月份, 此時期開發(fā)區(qū)不能提供加熱用熱水, 因此在機組中設(shè)立電預(yù)熱段及電加熱段。在計算電加熱量時以4 , 10 月份平均氣溫(10 ℃)為基準計算。考慮到在嚴寒季節(jié)沈陽地區(qū)室外溫度最低可到 -22 ℃, 用熱水直接加熱室外新風(fēng)時, 新風(fēng)溫度過低會導(dǎo)致?lián)Q熱不充分, 從而引起熱水盤管凍裂, 因此將電預(yù)熱段放置在熱水預(yù)熱段前, 新風(fēng)經(jīng)電預(yù)熱加熱至 5 ℃后再經(jīng)熱水盤管加熱至所需溫度, 在計算電預(yù)熱段耗電量時考慮了以上兩種情況下的要求。
由于開發(fā)區(qū)無蒸汽源, 不能采用干蒸汽加濕的方式加濕空氣, 采用電加濕耗電量又很大, 因此冬季采用水噴淋加濕。水噴淋可以除掉空氣中的灰塵、SO 2 等有害物質(zhì), 對保證室內(nèi)空氣潔凈度和空氣質(zhì)量也有益處當(dāng)房間內(nèi)工藝設(shè)備不全部使用時, 可能會導(dǎo)致房間內(nèi)發(fā)熱量不足, 所以在新風(fēng)機組中設(shè)置了二次加熱段(冬季用熱水加熱, 夏季及過渡季用電加熱), 通過提高送風(fēng)溫度來保證房間內(nèi)的溫度滿足設(shè)計要求。

圖 3 新風(fēng)處理焓濕圖

圖 4 新風(fēng)處理機組示意

5.2冷熱源及參數(shù)
新風(fēng)機組夏季冷源為 6 ℃/ 11 ℃冷水 , 由該建筑內(nèi)制冷機房提供, 二次加熱采用電加熱。冬季熱源為開發(fā)區(qū)提供的 60 ℃/ 50 ℃熱水。當(dāng)室外溫度低于 5 ℃時, 聯(lián)鎖開啟電預(yù)熱器以保證熱水預(yù)熱盤管前的空氣溫度高于 5 ℃。干表冷盤管供回水溫度為 12 ℃/17 ℃。夏季制冷機開啟時, 由 6 ℃/ 11 ℃冷水通過板式換熱器換熱得到, 冬季制冷機停止運行時, 由設(shè)在屋頂?shù)睦鋮s塔作為冷源, 由冷卻水通過 板式換熱器換熱得到。
5.3空氣處理過程及 h-d 圖
新風(fēng)處理焓濕圖如圖 3 所示。W 1 , W 2 分別為夏季、冬季室外空氣狀態(tài)點。O 點為潔凈室內(nèi)空氣狀態(tài)點。S 為冬季水噴淋前的空氣 狀態(tài)點。L 為機器露點, 也是新風(fēng)機組的送風(fēng)狀態(tài)點(未考慮風(fēng)機溫升)。夏季, 室外點 W 1 經(jīng)過兩級表冷器處理到 L點。冬季室外溫 度較低, 通過電加熱與熱水加熱至S 點, 再進入水噴淋段等焓加濕至 L 點。

6自動控制
6.1 溫度控制
潔凈室內(nèi)的溫度是由干表冷盤管調(diào)節(jié)控制的, 比較實測室內(nèi)溫度與設(shè)定值, 通過 DDC 控制設(shè)在干表冷盤管回水管上的電動兩通閥的開度, 改變水流量, 使?jié)崈羰业臏囟缺３衷诳刂品秶鷥?nèi)。新風(fēng)溫度處理到潔凈室內(nèi)空氣狀態(tài)點的機器露點溫度后送入送風(fēng)上夾層中, 可以負擔(dān)部分房間冷負荷, 若房間內(nèi)工藝設(shè)備開啟數(shù)量較少, 在其發(fā)熱量減小到即使完全關(guān)閉干表冷盤管依 然使室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度的情況下, 可開啟新風(fēng)機組再熱盤管(或電加熱器), 提高送風(fēng)溫度來達到房間內(nèi)的溫度要求。
6.2濕度控制
該工程潔凈室內(nèi)散濕量很小, 濕負荷基本可以忽略不計。通過控制新風(fēng)的送風(fēng)狀態(tài)點來調(diào)節(jié)房間內(nèi)相對濕度以達到設(shè)定要求, 新風(fēng)的控制送風(fēng)點為房間的機器露點。夏季, 露點傳感器測得新風(fēng)狀態(tài)參數(shù), 并與設(shè)定值比較, 通過自控程序調(diào)節(jié)二級表冷器回水管上的電動兩通閥的開 度以調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)參數(shù), 使房間內(nèi)濕度滿足要求。冬季, 根據(jù)濕度傳感器反饋的信號, DDC 控制一次加熱器回水管上電動兩通閥的開度, 改變水流量, 調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)參數(shù)。過渡季節(jié)通過控制一級表冷器回水管上的電動兩通閥或電預(yù)熱器, 滿足房間的濕度要求。
6.3 壓差控制

GB 50073 —2001 《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中要求潔凈室與周圍的空間必須維持一定的靜壓差, 目的是為了防止低潔凈級別潔凈室內(nèi)的空氣進 入高潔凈級別潔凈室內(nèi), 避免對高級別潔凈室的潔凈度產(chǎn)生影響。維持壓差風(fēng)量的確定一般采用換氣次數(shù)估算, 該工程潔凈房間全部為無外窗房間, 氣密性較好, 各房間維持壓差所需的換氣次數(shù)如表 3 所示。

為保證各潔凈房間的壓差, 在每個房間內(nèi)均安裝壓差傳感器。需排風(fēng)的工藝設(shè)備的投入運 行狀態(tài)不同時, 也就是排風(fēng)機所負擔(dān)排風(fēng)量發(fā)生變化時, 會直接影響其他需排風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)量, 造成房間正壓值變化。為適應(yīng)這種變化, 在排風(fēng)支管上設(shè)定風(fēng)量閥和變頻排風(fēng)機,同時在每個房間的新風(fēng)管路上安裝變風(fēng)量控制器(V AV Bo x)。將壓差傳感器測量值與設(shè)定值的偏差值作為輸入信號傳至自控程序, 自控程序再輸出信號調(diào)整VAV Box 的開度。這樣, 在關(guān)閉或打開排風(fēng)設(shè)備導(dǎo)致排風(fēng)量發(fā)生變化時, VAV Box 可自動改變送風(fēng)量維持房間內(nèi)所需正壓(V AV Box 的最小開度新風(fēng)量遠遠大于房間內(nèi)人員對新風(fēng)量的要求)。同時, 在新風(fēng)總管上設(shè)置靜壓傳感器, 在新風(fēng)機組風(fēng)機上配變頻器, 當(dāng) VAV Box 改變房間送風(fēng)量時, 新風(fēng)總管上靜壓發(fā)生改變, 靜壓傳感器反饋信號至變頻器使風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變, 從而改變新風(fēng)機組的送風(fēng)量。

7 結(jié)語
經(jīng)過一年的建設(shè), 該工程竣工。雖然其規(guī)模較小, 卻代表著現(xiàn)今半導(dǎo)體工業(yè)潔凈室設(shè)計的主流思想。溫度 、濕度 、壓差均可以通過自控裝置自動調(diào)節(jié), 降低了因為工藝條件改變破壞潔凈室環(huán)境的概率。但大量的 FFU 集中布置在吊頂上, 其噪聲控制等問題需要繼續(xù)探討。