微電子工業(yè)潔凈廠房的設(shè)計探討

鈕維 王珂

摘要：隨著微電子、集成電路工業(yè)的飛速發(fā)展，對潔凈廠房的空氣潔凈度要求越來越高。在設(shè)計過程中電氣專業(yè)對配電設(shè)備及燈具的選型及安裝方式要考慮空氣潔凈度的要求，在配電設(shè)備及燈具的布置上要與其它專業(yè)，尤其是暖通專業(yè)密切配合，做到不易積灰、不影響氣流流型，保證潔凈室的空氣潔凈度。

關(guān)鍵詞：微電子工業(yè)；潔凈技術(shù)；設(shè)計

電子生產(chǎn)廠房，潔凈車間成為其主要的生產(chǎn)車間。結(jié)合某微電子廠房的空調(diào)設(shè)計，介紹潔凈廠房的設(shè)計，對潔凈區(qū)的溫度、濕度、潔凈度、正壓值、運(yùn)行分別進(jìn)行分析。

一、潔凈廠房中電氣設(shè)計

隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，潔凈廠房對空氣潔凈度的要求越來越高，要求控制塵粒的粒徑到0.1μm以下。新的《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》GB50073-2013中空氣潔凈度從4個等級增加為9個等級，即1級、2級、3級……9級。采用暗裝方式主要是考慮灰塵不易積累。而選用大型落地式配電設(shè)備，暗裝進(jìn)墻內(nèi)很困難，采用明裝方式會積累大量灰塵。故為了減少積灰，大型落地配電設(shè)備宜放置在非潔凈區(qū)內(nèi)。潔凈室內(nèi)的電氣管線宜采用暗敷設(shè)的方式，這樣要求的目的也是為了減少灰塵的積累。由于潔凈廠房有空氣潔凈度的要求，各個專業(yè)的管線均采用暗敷的方式，電氣專業(yè)的電纜橋架、管線在暗敷時要注意與其他各專業(yè)的協(xié)調(diào)和配合。微電子、集成電路工業(yè)由于用電點較多、較集中，如采用配管的方式線管較多，布線較凌亂，給施工會帶來不便，故采用電纜橋架配線，穿管引下至用電點是個較好的選擇。潔凈廠房技術(shù)夾層或技術(shù)吊頂內(nèi)的風(fēng)管較多，且有縱有橫，電纜橋架采用局部翻越風(fēng)管的方式并不適合，故電纜橋架標(biāo)高需高于風(fēng)管的頂標(biāo)高；當(dāng)潔凈廠房內(nèi)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)時，橋架標(biāo)高需同時高于風(fēng)管的頂標(biāo)高和自動噴水管道的最高點?？紤]到防火要求，潔凈室內(nèi)穿線導(dǎo)管應(yīng)采用不燃材料，一般工程設(shè)計中常采用鍍鋅鋼管，除了埋地、埋樓板和消防管線外，也可采用氧指數(shù)在27以上的難燃PVC管。為了防止空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行時，因為壓差的作用塵粒通過管線空隙進(jìn)入潔凈室，故潔凈區(qū)的電氣管線口及安裝于墻上的各種與墻體接縫處應(yīng)有可靠的密封措施。

二、項目概況

某微電子廠房從事步進(jìn)投影式光刻機(jī)研發(fā)、制造、集成、調(diào)試，本期為二期廠房，新建廠房總建筑面積為12153m2，總層數(shù)為七層，其中生產(chǎn)區(qū)層數(shù)為三層。一層生產(chǎn)區(qū)為N6級（class1，000@0.5μm）潔凈區(qū)核心區(qū)面積為1800m2，二、三層為N7級（class10，000@0.5μm），圍邊為附屬辦公及設(shè)備用房。一層潔凈室生產(chǎn)對溫濕度的要求分別為溫度：23±1℃，濕度：55±5%，層高9.6m，吊頂高度6m，千級潔凈區(qū)面積1728m2，吊頂至梁下高度僅1.9m。為滿足對潔凈度要求，換氣次數(shù)需50～60次/小時，按50次計算所需總送風(fēng)量為540000m3/h，如采用組合式空調(diào)機(jī)組的送、回方式，空調(diào)機(jī)組（AHU）集中設(shè)置在空調(diào)機(jī)房內(nèi)，潔凈室內(nèi)的所需循環(huán)空氣用空調(diào)機(jī)組進(jìn)行冷卻、加熱、除濕、加濕、初效過濾和中效過濾，而后用送風(fēng)機(jī)通過送風(fēng)管送到潔凈室的吊頂上方再經(jīng)高效過濾器過濾后送至室內(nèi)。潔凈室內(nèi)的空氣由回風(fēng)口收集后，再由回風(fēng)管送回到空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)段，與新風(fēng)混合再次循環(huán)。按每臺60000m3/h計算，總共需要12臺組合式空調(diào)箱，所需機(jī)房面積大約為600m2，按風(fēng)速8m/s計算，送、回風(fēng)主管約為2000*1000m，因而需要斷面很大的送回風(fēng)管，經(jīng)過較長距離的輸送，容易造成漏風(fēng)，風(fēng)管沿程阻力大，占用建筑空間大。因受總建筑面積及層高限制（生產(chǎn)所需各種氣體動力管道較多），上述考慮本次設(shè)計采用獨立新風(fēng)空調(diào)箱（MAU）+干盤管（DC）+末端風(fēng)機(jī)過濾器單元（FFU）的空氣處理方案，F(xiàn)FU的過濾器效率為：DOP效率η>99.995@0.3μm）系統(tǒng)，室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)高架地板（在±0.000下部有2.5m下技術(shù)夾層）及回風(fēng)夾道經(jīng)過干盤管降溫處理送入吊頂與新風(fēng)（新風(fēng)直接送風(fēng)生產(chǎn)區(qū)上部的靜壓箱壓）混合后經(jīng)由末端FFU送入室內(nèi)，氣流組織型式為上送下回形式，整個空氣流向單向流型式。干盤管：干盤管的進(jìn)水溫度高于室內(nèi)空氣的露點溫度2℃以上，在正常運(yùn)行過程中不會有冷凝水產(chǎn)生，一般用在室內(nèi)無濕負(fù)荷的場合，只處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷不承擔(dān)除濕功能。冷熱源：有冷水機(jī)組出來的7～12℃經(jīng)板式換熱機(jī)組后為干盤管提供14～19℃冷水。

三、對潔凈度的要求

1.生產(chǎn)對潔凈度要求為N6級（class1，000@0.5μm），送風(fēng)量由帶走室內(nèi)熱、濕負(fù)荷所需風(fēng)量及按換氣次數(shù)（換氣次數(shù)需50～60次/小時）所需風(fēng)量兩者中大值計算。經(jīng)計算，換氣次數(shù)風(fēng)量為1800×6×50=540000m3/h，負(fù)荷風(fēng)量為136392m3/h（室內(nèi)散熱量為441KW，室內(nèi)共布置有10條高端光刻機(jī)生產(chǎn)線且生產(chǎn)線發(fā)熱量較大，室內(nèi)焓值為45.8kJ/kg，室內(nèi)露點所對應(yīng)的焓值為36.1kJ/kg，按室內(nèi)機(jī)器露點90%送風(fēng)，所需風(fēng)量 。經(jīng)比較換氣次數(shù)風(fēng)量大于按負(fù)荷計算所需風(fēng)量。所以設(shè)計所選總送風(fēng)量為540000m3/h。

2.為保證工藝所需要的潔凈度要求，本次設(shè)計在氣流組織方面采用垂直單向流形式，室內(nèi)回風(fēng)經(jīng)高架地板，下方回風(fēng)靜壓箱（潔凈室所需各種氣體管道及一些電氣管線安排在下方靜壓箱內(nèi)，然而穿入潔凈室內(nèi)），回風(fēng)夾道再經(jīng)干盤管處理后達(dá)到送風(fēng)靜壓箱，在送風(fēng)靜壓箱內(nèi)與送入的新風(fēng)混合再經(jīng)安裝于吊頂上的FFU送入室內(nèi)以完成氣流循環(huán)過程。設(shè)計總的送風(fēng)量為540000m3/h，新風(fēng)量為18000m3/h，回風(fēng)量為522000m3/h。高架地板選型：開孔率18%，斷面風(fēng)速1.5m/s，規(guī)格大小600mmx600mm，總需開孔板為1492塊。（1）送風(fēng)不少于三級過濾（粗效、中效、高效），并且高效過濾器必須設(shè)置在系統(tǒng)的末端。在新風(fēng)空調(diào)箱MAU里設(shè)有初效（G4過濾效率計重法90%@0.5μm）、中效（F8過濾效率比色法90%@0.5μm）過濾器，末端采用FFU（H14過濾效率DOP99.995@0.3μm）送風(fēng)單元。FFU選型參數(shù)：尺寸：1200mmx600mmx295mm（其中濾料尺寸為1175mmx575mmx69mm）斷面風(fēng)速：0.45m/s余壓：150Pa過濾器效率：η>99.995@0.3μmFFU數(shù)量共463只，總送風(fēng)量為540043m3/h，F(xiàn)FU滿布率為18.52%。4）室內(nèi)所用裝飾材料均采用不積塵、不產(chǎn)塵（少產(chǎn)塵）、不發(fā)霉等材料，高架地板采用防靜電鋁合金地板，墻面及吊頂盲板采用防靜電彩鋼板，門、窗采用高氣密性門窗，嚴(yán)格控制人流及物流方向以避免設(shè)備及產(chǎn)品的交叉污染，人員及物品進(jìn)入潔凈室之前必須經(jīng)過相應(yīng)的風(fēng)淋、貨淋才能進(jìn)入。

2.對溫、濕度的要求。本項目生產(chǎn)工藝對溫、濕度要求分別為溫度：23±1℃，濕度：50±5%，因生產(chǎn)工藝過程中，生產(chǎn)無發(fā)濕量，潔凈室內(nèi)人員也不多，熱濕比線基本垂直。但設(shè)備發(fā)熱量比較大，且車間密封性較好，處于正壓環(huán)境當(dāng)中（正壓值為15Pa），經(jīng)負(fù)荷計算該千級生產(chǎn)車間需常年供冷，除人員散濕外無散濕量。因此采用干盤管進(jìn)行等濕降溫處理。干盤管的進(jìn)水溫度14℃（室內(nèi)露點溫度為12℃）要保證干盤管表面無凝結(jié)水析出。新風(fēng)空調(diào)機(jī)承擔(dān)新風(fēng)中的冷、熱、濕負(fù)荷處理。由室內(nèi)熱負(fù)荷（441KW）及定內(nèi)狀態(tài)點N參數(shù)（iN=-45.8kJ/kg）確定送風(fēng)狀態(tài)點C（O）點的參數(shù) 得送風(fēng)狀態(tài)點C點參數(shù)：iC=43.35kJ/kg查i-d圖對應(yīng)點的溫度tC=20.57℃根據(jù)能量平衡原理得干盤管出風(fēng)狀態(tài)K點參數(shù)：5220000×i K+18000×i L=540000×i C得i K=43.6kJ/kg（iL=36.1kJ/kg）（2）本次設(shè)計室內(nèi)冷負(fù)荷由分布在四周回風(fēng)墻內(nèi)的干盤管進(jìn)行處理（干盤管進(jìn)、出冷凍水溫度為14～19℃，由冷水機(jī)組出來的7℃的冷水經(jīng)板式換熱機(jī)組換熱后提供14℃的冷水，供水溫度高于室內(nèi)露點溫度以保證在正常運(yùn)行情況下不會有冷凝水產(chǎn)生），在干盤上的回水管上裝有比例調(diào)節(jié)電動二通閥，在室內(nèi)生產(chǎn)區(qū)域工作點高度柱內(nèi)裝有溫、濕度探測器，若室內(nèi)冷熱負(fù)荷發(fā)生變化根據(jù)室內(nèi)溫度波動情況控制電動二通閥的開度大小以達(dá)到控制室內(nèi)溫度要求。因考慮到FFU余壓（150Pa）問題，干盤管選型如下：

迎面風(fēng)速<2.5m/s

單臺冷量<21KW

盤管排數(shù)<4排

阻力<40Pa翅片間距≥3mm

（3）車間除了生產(chǎn)工人的人員散濕，無其它散濕量，室內(nèi)的濕度控制一般是通過調(diào)節(jié)新風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)來滿足室內(nèi)的濕度要求。新風(fēng)空調(diào)箱的表冷段回水管上裝有電動二通閥（進(jìn)、出冷凍水溫度為7～12℃），根據(jù)室內(nèi)濕度要求調(diào)節(jié)二通閥開度以滿足室內(nèi)濕度要求，進(jìn)、出冷凍水溫度為7～12℃）。

四、對正壓值要求

1.潔凈室應(yīng)維持必須的壓力梯度，不同級別的潔凈室之間的靜壓差值應(yīng)大于5Pa；潔凈室與室外的靜壓差值應(yīng)大于10Pa。本次一層車間為N6級（class1，000@0.5μm）級潔凈車間，二三樓為N7級（class10，000@0.5μm）級級潔凈室，N7級區(qū)對非潔凈區(qū)的正壓值為10Pa，N6級區(qū)對N7級正壓值為5Pa（對非潔凈區(qū)為15P）。一層為保證正壓的新風(fēng)量按換氣次數(shù)1.5/小時計算，新風(fēng)空調(diào)箱MAU的取值按正壓+工藝排風(fēng)之和與滿足衛(wèi)生所需兩者之中的大值選取。本次車間無工藝排風(fēng)要求，正值風(fēng)量為1800x6x1.5=16200m3/h，兩者之和為16200m3/h；滿足衛(wèi)生所需新風(fēng)量為15x40=600m3/h（室內(nèi)總?cè)藬?shù)為15人，每人每小時新風(fēng)量不小于40m3/h），兩者中取大值為16200m3/h，考慮到風(fēng)管有一定的漏風(fēng)及風(fēng)機(jī)效率，所選新風(fēng)空調(diào)箱MAU的送風(fēng)量為18000m3/h。通過平衡送風(fēng)量、回風(fēng)量和新風(fēng)量，以此達(dá)到滿足室內(nèi)維持正壓值的要求。自控要在上述風(fēng)量發(fā)生變化時有手段來達(dá)到平衡，并滿足室內(nèi)正壓值的要求。非運(yùn)行期間可根據(jù)要求，MAU風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，開啟部分FFU滿足壓差值的要求。同時設(shè)置有余壓閥也是控制潔凈室壓差的一種手段。

2.運(yùn)行維護(hù)。新建廠房規(guī)化布置共有10條光刻機(jī)生產(chǎn)線，設(shè)計是按照10線滿負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行設(shè)計，但是在生產(chǎn)初期只有部分線運(yùn)行，室內(nèi)發(fā)熱量達(dá)不到設(shè)計要求，此時只需關(guān)小干盤管的電動二通閥的開度即減小冷凍水的流量便能滿足需求。在工廠休息期間，為防止室內(nèi)潔凈環(huán)境不被污染，只需開啟新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)即部分FFU以維持室內(nèi)正壓值即可。

總之，電子產(chǎn)品技術(shù)的不斷發(fā)展，對生產(chǎn)環(huán)境的要求提出了更嚴(yán)格的要求。采用新風(fēng)及回風(fēng)分別單獨處理的方案，比新、回風(fēng)混合后再處理可以避免因室內(nèi)散熱量不足為保證滿足送風(fēng)狀態(tài)而必需的再熱，避免冷熱抵消而節(jié)約冷熱量。

參考文獻(xiàn)

[1]張秀英，淺談微電子潔凈廠房的設(shè)計.2018.

[2]王天宇，微電子工業(yè)潔凈廠房的設(shè)計分析.2017.

（作者單位：江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司）