半導體芯片潔凈廠房凈化車間空調(diào)設計

工程概況

該項目位于江蘇省，是第三代半導體氮化鎵功率放大器芯片生產(chǎn)廠房。設計生產(chǎn)能力每月為500片3寸晶圓(年產(chǎn)6 000片) ，并在此基礎上，具有氮化鎵功率芯片系列產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。

主廠房包括生產(chǎn)廠房和辦公樓，中間通過連廊連接，占地面積8 849 m2， 建筑面積12087 m2， 生產(chǎn)廠房面積7153.1 m2；分兩期建設，目前設計、建設為一期。一期建設范圍包括生產(chǎn)廠房及相應的動力站房、輔助設施；一期工藝核心生產(chǎn)區(qū)面積及凈化空調(diào)面積均為1767．6 m2，為二期發(fā)展預留947.5m2的工藝生產(chǎn)區(qū)及相應的動力站房；配套輔助建筑包括廢水處理站、柴油發(fā)電機房、消防水泵房及水池、氣站等，面積為1436 m2。

該廠房為單層結構形式，分為下技術夾層、生產(chǎn)層、靜壓箱層、管道層，如圖l 所示。下技術夾層是動力管線層，兼作生產(chǎn)區(qū)的回風層。生產(chǎn)設備層布置工藝生產(chǎn)設備，該層與下夾層之間安裝開孑L活動地板，以滿足送風、回風要求；頂棚安裝風機過濾器單元( FFU)，以滿足生產(chǎn)層凈化要求；分為潔凈室、灰區(qū)，其中潔凈室層高3.2m，灰區(qū)層高5.6 m，潔凈室周邊的灰區(qū)兼作回風夾道用，干盤管設于灰區(qū)與白區(qū)隔墻的吊頂上方，立式安裝。靜壓箱層主要用作送回風靜壓箱，新風送至上技術夾層，潔凈室回風經(jīng)下技術層、灰區(qū)、干盤管回至靜壓箱層，與新風混合后經(jīng)FFU送至潔凈室。管道層布置動力管道、風管橋架等管線。

工藝簡介

生產(chǎn)工藝流程：根據(jù)氮化鎵微波芯片生產(chǎn)線的加工特點，工藝生產(chǎn)區(qū)設備布置采取港灣式，根據(jù)工藝加工性質設置各功能區(qū)，包括操作區(qū)、灰區(qū)、支持區(qū)等。生產(chǎn)區(qū)由金屬有機氣相沉積( MOCVD) 區(qū)、前道區(qū)及后道區(qū)三部分組成，如圖2所示。

內(nèi)設蒸鍍、光刻、刻蝕、剝離、化學氣相沉積( CVD) 、離子注入、蒸發(fā)等工藝區(qū)?；覅^(qū)用金屬壁板與操作區(qū)隔離開。生產(chǎn)所需的配套設備分散布置于相應的功能灰區(qū)內(nèi)。生產(chǎn)支持區(qū)包含減薄、檢測、封裝、測試等工序。該工程凈化室主要凈化級別為ISO 4.5級( 潔凈等級100，控制粒徑0.3μm) 、ISO 6.5級(潔凈等級10 000，控制粒徑0.5μm) 、ISO 7.5級(潔凈等級100 000，控制粒徑0.5μm)。潔凈室設計參數(shù)見表1。

凈化空調(diào)系統(tǒng)

凈化空調(diào)系統(tǒng)采用FFU+干冷卻盤管+集中新風機組的形式。回風經(jīng)架空地板至下技術夾層，經(jīng)過側面的灰區(qū)( 回風夾道)后被置于靜壓箱層的干冷卻盤管冷卻降溫后進入靜壓箱，與處理后的新風混合后，由FFU送入生產(chǎn)潔凈區(qū)，氣流組織均為垂直單向流。

1空調(diào)負荷計算

該工程為半導體廠房，工藝凈化房間均位于內(nèi)區(qū)，且有上下技術夾層，所以圍護結構負荷很小，并且冬夏季基本沒有變化。另外，工藝生產(chǎn)區(qū)工藝設備較多、發(fā)熱量大，全年均處于制冷工況，所以室內(nèi)散熱主要包括工藝設備、照明、人員、FFU設備散熱。同時需考慮工藝冷卻循環(huán)水帶走的熱量及新風所承擔的負荷，確定最終室內(nèi)負荷。

2凈化風量確定及FFU和干盤管布置

根據(jù)GB 50472- - 2008《電子工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》中對潔凈室內(nèi)送風量的要求，分別計算各房間凈化風量和負荷風量：潔凈級別為4.5級的潔凈室送風斷面風速為0.33 m／s； 6．5級的潔凈室換氣次數(shù)為25 h-1；7.5級的潔凈室換氣次數(shù)為15h-1。 設計采用1200 mmX600mm的FFU，4.5級的潔凈室過濾器效率為U15，其余過濾器效率為H14。同時考慮到龍骨的安裝，白區(qū)平面尺寸需符合1200 mmX 600 mm模數(shù)。考慮到該廠房對凈化有嚴格控制要求， 35％的FFU采用應急電源，在非正常停電時保證房間一定的潔凈度。

FFU選型需考慮機外余壓可克服干表冷盤管的阻力， FFU風速可調(diào)， 采用低噪聲風機， FFU的噪聲不應高于A聲級50 dB。

由于下技術夾層高度只有1 m，所以干盤管設于灰區(qū)與白區(qū)隔墻的吊頂上方。干盤管選型時需考慮配積水盤，流經(jīng)干盤管的空氣流速應不大于2.5 m／s，管內(nèi)水流速應為2.1～3.0 m／s。

3灰區(qū)回風

該工程主要生產(chǎn)區(qū)通過灰區(qū)回風，不需另外設置回風夾道，節(jié)省了建筑空問和投資，同時灰區(qū)也可以保證一定的溫濕度。采用鋁合金防靜電架空地板，開孔率為30％，分為有氣閥、無氣閥2種，設氣閥的地板氣閥可調(diào)節(jié)開孔率為0～30％。通過調(diào)節(jié)架空地板的氣閥，調(diào)節(jié)回風量，實現(xiàn)房間正壓。

4新風量的確定及新風處理

4.1新風量的確定

新風空調(diào)系統(tǒng)用于補償潔凈室排風量( 酸、堿、有機、一般排風等)和維持潔凈室正壓所造成的滲漏風量，同時需滿足人員衛(wèi)生需求。一期設計2臺新風機組，一用一備，采用應急電源，送風管采用共同母管；維修或故障時，關閉故障新風機組，開啟另外1臺新風空調(diào)機組， 以滿足系統(tǒng)63 000 m3／h的新風要求。由于半導體廠房室內(nèi)散濕量小，所以新風處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點的機器露點，主要承擔新風的熱濕負荷和潔凈室內(nèi)的全部濕負荷；干盤管主要承擔潔凈室內(nèi)顯熱負荷。潔凈室內(nèi)的潔凈度由FFU保證。

4.2新風處理過程

為了延長FFU的使用壽命，新風空調(diào)機組設置了粗效過濾器、化學過濾器、中效過濾器、亞高效過濾器。夏季，采用冷水對新風進行冷卻去濕處理，通過13℃／17℃冷水兩通調(diào)節(jié)閥控制一級表冷器出風溫度，通過6℃／11℃冷水兩通調(diào)節(jié)閥控制二級表冷器的露點溫度； 冬季，一級加熱段將新風加熱到某一溫度，使加熱后的新風能夠有效加濕。采用蒸汽加濕系統(tǒng)進行等溫加濕。圖3為新風機組段示意圖。

由于機組風量較大，新風處理比焓差很大，并且考慮兩級表冷器能夠互換，因此將表冷段分為兩段：一級表冷器冷水溫度為13℃／17℃，二級表冷器冷水溫度為6℃／11℃；一級表冷器主要承擔降溫功能，二級表冷器主要承擔除濕功能。加熱段分為兩段，加熱段熱水溫度為38℃／32℃，二級加熱段置于風機段后，保持新風機組出口溫度為恒定值，不受風機溫升的影響，以保證房間溫濕度的精度。如果夏季濕度過大， 除濕后溫度過低，可使用二級加熱段再熱。該工程采用蒸汽加濕，根據(jù)業(yè)主要求，為了使加濕蒸汽更潔凈、保證室內(nèi)潔凈度，增加潔凈蒸汽發(fā)生器并且將凝結水回收至動力站。

由于半導體凈化間部分生產(chǎn)區(qū)對某些氣體較敏感， 比如黃光區(qū)光阻液對NH。特別敏感，可造成化學放大效應，使晶片線路缺陷、晶片關鍵尺寸線徑寬度偏差、降低產(chǎn)品合格率。根據(jù)生產(chǎn)工藝需要設置相應化學過濾器。

4.3新風處理焓濕圖(見圖4)

4.4冷熱源及加濕

新風機組一級表冷器、干盤管中為中溫冷水，溫度為13℃／17℃，冷負荷為2700 kw，選用中溫冷水機組2臺，單臺容量1653kW，其中水冷螺桿式熱回收冷水機組1臺， 熱水供/回水溫度為38℃／32℃，可用于夏季再熱。新風機組二級表冷器中為低溫冷水，溫度為6℃／ 11℃，冷負荷為620kW，選用低溫冷水機組1臺，單臺容量633 kw。

熱水鍋爐房設置2臺制熱量為930 kW的真空熱水鍋爐( 內(nèi)置換熱器)， 主燃料為天然氣， 備用燃料為輕柴油，熱水供／回水溫度為38℃／32℃。

蒸汽加濕，設置2臺蒸發(fā)量為0.6 t／h的蒸汽鍋爐，主燃料為天然氣，備用燃料為輕柴油， 額定蒸發(fā)壓力為0.7 MPa。

自控系統(tǒng)

1溫度控制

凈化區(qū)室內(nèi)溫度由吊頂內(nèi)干盤管控制，通過室內(nèi)溫度傳感器調(diào)節(jié)靜壓箱內(nèi)相應區(qū)域干表冷盤管回水管上的電動兩通閥的開度，使?jié)崈羰业臏囟缺３衷诳刂品秶鷥?nèi)。

新風送風采用定溫度控制，通過空調(diào)機組出風主管的溫度傳感器，調(diào)節(jié)空調(diào)機組冷熱盤管的電動兩通閥，溫度維持在機器露點溫度。夏季，開啟一、二級表冷器及再熱段( 再熱段是因為夏季除濕使溫度過低，需要再熱)；冬季，開啟加熱段及加濕器。新風出風溫度設定值可以根據(jù)室內(nèi)負荷情況進行調(diào)整。

2濕度控制

該工程潔凈室內(nèi)散濕量很少，濕負荷可忽略不計。通過控制新風的含濕量來調(diào)節(jié)房間內(nèi)相

對濕度以達到設定要求，新風的控制送風點為機器露點。夏季，通過空調(diào)機組出風主管的露點傳感器，調(diào)節(jié)二級表冷器回水管上的電動兩通閥的開度，使送風溫度維持在機器露點溫度； 冬季，通過空調(diào)機組出風主管的露點傳感器，調(diào)節(jié)蒸汽加濕器的電動兩通閥的開度，調(diào)整新風送風參數(shù)。

3壓差控制

GB 50472- - 2008<( 電子工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》 中要求潔凈室與周圍的空間必須保持一定的靜壓差，確保潔凈室的正常工作狀態(tài)，或空氣平衡暫時受到破壞時，潔凈室內(nèi)空氣潔凈度不會受到污染空氣的干擾。壓差風量一般采用換氣次數(shù)法確定，為保證各潔凈房間的壓差， 各凈化間均安裝壓差傳感器，通過房間內(nèi)的壓差傳感器調(diào)節(jié)相應房間新風支管路上的電動風閥。同時，在新風總管處設置壓力傳感器，通過風管處壓力傳感器控制風機變頻，實現(xiàn)送風量調(diào)節(jié)，以補償工藝排風量變化和正壓滲漏風量變化。同時，由于下技術夾層相通，為了保持室內(nèi)正壓要求，需通過調(diào)節(jié)架空地板的氣閥調(diào)整開孔率。

節(jié)能措施

該工程的節(jié)能措施有：1) 凈化空調(diào)系統(tǒng)設有溫度、濕度、壓力自動控制；2) 新風機組采用變頻風機，可根據(jù)實際工藝排風及壓差滲透調(diào)節(jié)風機頻率；3) 空調(diào)風管及冷熱水管等采取保溫措施，降低能量損失；4) 工藝排風采用變頻風機，根據(jù)實際運行情況調(diào)節(jié)風機頻率； 5) 空調(diào)房間圍護結構采取保溫措施及嚴密性處理，降低能量損失；6) 選用能耗低、效率高的設備；7) 工藝平面布置劃分灰區(qū)和白區(qū)，使發(fā)熱設備盡量布置在灰區(qū)，保證凈化間的溫度精度。

結語

該工程已投入使用，并且運行良好，本文僅對凈化空調(diào)系統(tǒng)進行了介紹，在實際工程中還應綜合考慮排風、動力站等整體的經(jīng)濟性和適用性。同時化學過濾器使用等問題還值得繼續(xù)探討。