晶圓潔淨廠房淨化空調設計準則
晶圓潔淨廠房淨化空調設計準則
名詞解釋：
1、晶圓
晶圓是指矽半導體(ti) 集成電路製作所用的矽晶片，由於(yu) 其形狀為(wei) 圓形，故稱為(wei) 晶圓；在矽晶片上可加工製作成各種電路元件結構，而成為(wei) 有特定電性功能的集成電路產(chan) 品。晶圓的原始材料是矽，而地殼表麵有用之不竭的二氧化矽。二氧化矽礦石經由電弧爐提煉，鹽酸氯化，並經蒸餾後，製成了高純度的多晶矽，其純度高達99.999999999%。
1、晶圓潔淨廠房
潔淨廠房也叫無塵車間、潔淨室(Clean Room），是指將一定空間範圍之內(nei) 空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等汙染物排除，並將室內(nei) 溫度、潔淨度、室內(nei) 壓力、氣流速度與(yu) 氣流分布、噪音振動及照明、靜電控製在某一需求範圍內(nei) ，而所給予特別設計的房間。亦即是不論外在的空氣條件如何變化，其室內(nei) 均能具有維持原先所設定要求的潔淨度、溫濕度及壓力等性能的特性。
3、潔淨空調係統
為(wei) 了使潔淨室內(nei) 保持所需要的溫度濕度、風速、壓力和潔淨度等參數，最常用的方法是向室內(nei) 不斷送入一量經過處理的空氣，以消除潔淨室內(nei) 外各種熱濕幹擾及塵埃汙染。為(wei) 獲得送入潔淨室具有一定狀態的空氣，就需要一整套設備對空氣進行處理，並不斷送入室內(nei) ，又不斷從(cong) 室內(nei) 排出一部分來，這一整套設備就構成了潔淨空調係統。
摘要結合實例, 介紹了晶圓潔淨車間的淨化空調係統設計原則 、氣流組織形式、空氣處理過程, 並討論了其空調係統的自控問題。
該工程位於(yu) 遼寧沈陽出口加工區內(nei) , 是集科研開發 、生產(chan) 製造為(wei) 一體(ti) 的專(zhuan) 業(ye) SOI 晶圓生產(chan) 廠房。其工藝流程為(wei) :原材料 SOI 晶圓片經氧化、離子注入、鍵合、切割 、退火 、拋光等工序後成品出廠 。該項目主要生產(chan) 廠房麵積為(wei) 6 100 m 2 , 生產(chan) 配套輔助建築(含廢水處理站、特種氣體(ti) 站 、柴油發電機房等)麵積為(wei) 800 m 2 。其中潔淨室麵積約為(wei) 1 600m2(一期), 2014 年 10 月試投產(chan) , 用於(yu) 工業(ye) 化生產(chan) 10 .16 ～ 20 .32 cm(4 ～ 8 in)SO I 晶圓。廠房區劃圖見圖 1 。該潔淨室潔淨級別主要為(wei) ISO 4 .5 級和 ISO 5 .5 級, 局部為(wei) ISO 2 .5 級。室內(nei) 主要設計參數見表 1 。
圖 1 廠房平麵區劃示意
根據建設方的要求, 除了滿足生產(chan) 廠房工藝的淨化空調參數要求以外, 設計時還必須考慮到工藝設備不是一次安裝就位, 而是陸續投入運行;且平時生產(chan) 中, 排風設備根據需要運行, 房間內(nei) 排風量是變化的 ;工藝設備的開啟與(yu) 關(guan) 閉會(hui) 帶來房間內(nei) 散熱量的變化。設計中應采取相應的控製措施確保各淨化空調參數滿足要求該工程除淨化空調係統外, 還涉及酸堿排風處理係統, 氫氣 、矽烷事故通風係統以及潔淨走廊排煙係統。在此僅(jin) 介紹淨化空調的設計。
淨化空調係統設計
該工程淨化空調係統采用新風機組 +幹表冷盤管+風機過濾單元(FF U)的組合形式。空調區域分為(wei) 三部分, 即送風上夾層靜壓箱、生產(chan) 區、回風下夾層。潔淨室內(nei) 的氣流流型為(wei) 垂直單向流, 空氣由吊頂上的風機過濾單元(FF U)中的高效過濾器過濾後送入生產(chan) 區,再經地麵帶孔板高架地板進入回風下 夾層, 通過兩(liang) 側(ce) 回風夾道, 經幹表冷盤管冷卻後回至送風上夾層,與(yu) 送入上夾層的新風混合後再送入生產(chan) 區(見圖 2 , 因角度問題, 左側(ce) 回風夾牆和幹表冷器未出現在圖中)。新風機組的送風補充工藝排風(酸、堿排風等)及維持房間正壓所需風量, 同時滿足生產(chan) 區內(nei) 人員對新風量的要求。由於(yu) 室內(nei) 散濕量小, 熱濕比※+∞, 所以新風處理到室內(nei) 空氣狀態點的機器露點, 主要承擔新風熱濕負荷和潔淨室內(nei) 的全部濕負荷 ;幹盤管主要承擔潔淨室內(nei) 顯熱負荷。潔淨室內(nei) 的潔淨度由風機過濾單元(FFU)保證。
圖2 潔淨室送風流程示意
3空調負荷計算
夏季空調冷負荷按照GB 50019 —2003 《采暖通風與(yu) 空氣調節設計規範》要求, 根據工程的實際情況計算得到。該工程工藝潔淨房間(除外延區) 均位於(yu) 建築內(nei) 區, 外區為(wei) 動力站房與(yu) 走廊, 所有外區冬季均設有散熱器供暖係統, 所以圍護結構負荷很小, 工藝設備及其他得熱負荷冬夏季變化不大, 因此潔淨室全年處於(yu) 供冷工況。潔淨室內(nei) 散濕量較少, 室內(nei) 負荷以顯熱負荷(工藝設備負荷、照明負荷、人員負荷)為(wei) 主。
該工程潔淨室潔淨級別高, 所需FFU 數量較多, 某些房間吊頂基本處於(yu) 滿布狀態, 在計算房間顯熱負荷時要計入FFU 的風機溫升發熱量。
經計算, 一期工程夏季空調係統耗冷量為(wei) 1 120 kW 。選用 2 台 814 kW 螺杆式水冷冷水機組(含工藝設備用冷量), 空調冷水為(wei) 一次泵係統。
4 淨化送風量及FFU 選型、布置根據GB 50073 —2001 《潔淨廠房設計規範》對潔淨室送風量的要求, 分別計算各房間FFU 的吊頂布置率。該工程室內(nei) 吊頂高度為(wei) 3～ 4 m 。潔淨級別為(wei) 2 .5 , 4 .5 級的潔淨室送風斷麵風速為(wei) 0 .3 m/ s 。潔淨級別為(wei) 5 .5 級的潔淨室換氣次數為(wei) 80 h-1 , 潔淨級別為(wei) 6 級的潔淨室換氣次數為(wei) 60 h-1 。設計采用1 200 mm ×600 mm 的FFU , 單個(ge) FFU 的風量為(wei) 900 m /h 。經計算, FFU 吊頂布置率見表 2 。
在FFU 選型時需注意機外餘(yu) 壓應能克服回風格柵 、回風夾牆和幹表冷器的阻力 ;同時考慮噪聲疊加效應, 單台FFU A 聲級噪聲不應大於(yu) 53 dB 。
5空氣處理
5.1M AU 新風處理係統
一期工程共配 2 台新風機組, 單台新風機組的風量為(wei) 25 000 m3 / h , 新風處理到房間空氣狀態點的機器露點後送至潔淨室吊頂上方的靜壓箱, 與(yu) 潔淨室回風混合後再送入室內(nei) 。新風機組的送風狀態點為(wei) 圖 3 中 L 點(未考慮風機溫升)。新風機組組成段如圖 4 所示。
由於(yu) 機組風量較大, 新風處理焓差很大, 因此將表冷段分為(wei) 兩(liang) 部分以提高效率, 兩(liang) 段的製冷量相同。圖 3 中 A 點為(wei) 一級表冷器後的溫控點。L 點為(wei) 夏季二級表冷器處理後的溫控點。
沈陽地區4 , 10月份為(wei) 不供暖月份, 此時期開發區不能提供加熱用熱水, 因此在機組中設立電預熱段及電加熱段。在計算電加熱量時以4 , 10 月份平均氣溫(10 ℃)為(wei) 基準計算。考慮到在嚴(yan) 寒季節沈陽地區室外溫度最低可到 -22 ℃, 用熱水直接加熱室外新風時, 新風溫度過低會(hui) 導致換熱不充分, 從(cong) 而引起熱水盤管凍裂, 因此將電預熱段放置在熱水預熱段前, 新風經電預熱加熱至 5 ℃後再經熱水盤管加熱至所需溫度, 在計算電預熱段耗電量時考慮了以上兩(liang) 種情況下的要求。
由於(yu) 開發區無蒸汽源, 不能采用幹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, 對保證室內(nei) 空氣潔淨度和空氣質量也有益處當房間內(nei) 工藝設備不全部使用時, 可能會(hui) 導致房間內(nei) 發熱量不足, 所以在新風機組中設置了二次加熱段(冬季用熱水加熱, 夏季及過渡季用電加熱), 通過提高送風溫度來保證房間內(nei) 的溫度滿足設計要求。
圖 3 新風處理焓濕圖
圖 4 新風處理機組示意
5.2冷熱源及參數
新風機組夏季冷源為(wei) 6 ℃/ 11 ℃冷水 , 由該建築內(nei) 製冷機房提供, 二次加熱采用電加熱。冬季熱源為(wei) 開發區提供的 60 ℃/ 50 ℃熱水。當室外溫度低於(yu) 5 ℃時, 聯鎖開啟電預熱器以保證熱水預熱盤管前的空氣溫度高於(yu) 5 ℃。幹表冷盤管供回水溫度為(wei) 12 ℃/17 ℃。夏季製冷機開啟時, 由 6 ℃/ 11 ℃冷水通過板式換熱器換熱得到, 冬季製冷機停止運行時, 由設在屋頂的冷卻塔作為(wei) 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
新風處理焓濕圖如圖 3 所示。W 1 , W 2 分別為(wei) 夏季、冬季室外空氣狀態點。O 點為(wei) 潔淨室內(nei) 空氣狀態點。S 為(wei) 冬季水噴淋前的空氣 狀態點。L 為(wei) 機器露點, 也是新風機組的送風狀態點(未考慮風機溫升)。夏季, 室外點 W 1 經過兩(liang) 級表冷器處理到 L點。冬季室外溫 度較低, 通過電加熱與(yu) 熱水加熱至S 點, 再進入水噴淋段等焓加濕至 L 點。
6自動控製
6.1 溫度控製
潔淨室內(nei) 的溫度是由幹表冷盤管調節控製的, 比較實測室內(nei) 溫度與(yu) 設定值, 通過 DDC 控製設在幹表冷盤管回水管上的電動兩(liang) 通閥的開度, 改變水流量, 使潔淨室的溫度保持在控製範圍內(nei) 。新風溫度處理到潔淨室內(nei) 空氣狀態點的機器露點溫度後送入送風上夾層中, 可以負擔部分房間冷負荷, 若房間內(nei) 工藝設備開啟數量較少, 在其發熱量減小到即使完全關(guan) 閉幹表冷盤管依 然使室內(nei) 溫度低於(yu) 設定溫度的情況下, 可開啟新風機組再熱盤管(或電加熱器), 提高送風溫度來達到房間內(nei) 的溫度要求。
6.2濕度控製
該工程潔淨室內(nei) 散濕量很小, 濕負荷基本可以忽略不計。通過控製新風的送風狀態點來調節房間內(nei) 相對濕度以達到設定要求, 新風的控製送風點為(wei) 房間的機器露點。夏季, 露點傳(chuan) 感器測得新風狀態參數, 並與(yu) 設定值比較, 通過自控程序調節二級表冷器回水管上的電動兩(liang) 通閥的開 度以調整新風送風參數, 使房間內(nei) 濕度滿足要求。冬季, 根據濕度傳(chuan) 感器反饋的信號, DDC 控製一次加熱器回水管上電動兩(liang) 通閥的開度, 改變水流量, 調整新風送風參數。過渡季節通過控製一級表冷器回水管上的電動兩(liang) 通閥或電預熱器, 滿足房間的濕度要求。
6.3 壓差控製
GB 50073 —2001 《潔淨廠房設計規範》中要求潔淨室與(yu) 周圍的空間必須維持一定的靜壓差, 目的是為(wei) 了防止低潔淨級別潔淨室內(nei) 的空氣進 入高潔淨級別潔淨室內(nei) , 避免對高級別潔淨室的潔淨度產(chan) 生影響。維持壓差風量的確定一般采用換氣次數估算, 該工程潔淨房間全部為(wei) 無外窗房間, 氣密性較好, 各房間維持壓差所需的換氣次數如表 3 所示。
為(wei) 保證各潔淨房間的壓差, 在每個(ge) 房間內(nei) 均安裝壓差傳(chuan) 感器。需排風的工藝設備的投入運 行狀態不同時, 也就是排風機所負擔排風量發生變化時, 會(hui) 直接影響其他需排風設備的排風量, 造成房間正壓值變化。為(wei) 適應這種變化, 在排風支管上設定風量閥和變頻排風機,同時在每個(ge) 房間的新風管路上安裝變風量控製器(V AV Bo x)。將壓差傳(chuan) 感器測量值與(yu) 設定值的偏差值作為(wei) 輸入信號傳(chuan) 至自控程序, 自控程序再輸出信號調整VAV Box 的開度。這樣, 在關(guan) 閉或打開排風設備導致排風量發生變化時, VAV Box 可自動改變送風量維持房間內(nei) 所需正壓(V AV Box 的最小開度新風量遠遠大於(yu) 房間內(nei) 人員對新風量的要求)。同時, 在新風總管上設置靜壓傳(chuan) 感器, 在新風機組風機上配變頻器, 當 VAV Box 改變房間送風量時, 新風總管上靜壓發生改變, 靜壓傳(chuan) 感器反饋信號至變頻器使風機轉速改變, 從(cong) 而改變新風機組的送風量。
7 結語
經過一年的建設, 該工程竣工。雖然其規模較小, 卻代表著現今半導體(ti) 工業(ye) 潔淨室設計的主流思想。溫度 、濕度 、壓差均可以通過自控裝置自動調節, 降低了因為(wei) 工藝條件改變破壞潔淨室環境的概率。但大量的 FFU 集中布置在吊頂上, 其噪聲控製等問題需要繼續探討。