江西无尘净化车间高级别洁净室的设计及有关问题

一、高级别洁净室的应用

这里所指的高级别洁净室是指洁净度要求高，温、湿度精度要求高，以及其他一些参数例如正压、噪声、微振、静电、照度……等参数要求严格的洁净室。是净化级别为100级、10级、1级或更高级别的洁净室。这类高级别洁净室多用在电子工业中的微电子集成电路、半导体和光电子、航天、航空、医疗等高科技产业的科研与大生产中。是其不可缺少的重要的生产环境。

随着我国微电予和光电子产业技术的迅速发展，高级别洁净室等相应的生产环境技术也得到了长足的发展和提升。在我国已初步形成了超大规模集成电路的设计、芯片加工、封装测试以及设备、材料的产业一条龙，而且这一发展的强劲势头越来越猛。

（一）微电子和光电子产业的发展

当今世界，微电子和光电子产业已成为一个国家、一个地区国民经济和科学技术发展的基础和平台，也是衡量一个国家和地区经济发展和科学技术水平的重要标志。美、日、欧等发达国家都极为重视，纷纷投入大量的人力、物力、财力开发和研究。

（二）微电子和光电子对生产环境的要求

就微电子生产来说，随着集成电路的集成度不断提高，特征线宽尺寸越来越小，加工越来越精细，反复加工工序数也越来越多，硅片面积越来越大，被污染的机率就越来越高，进而对生产环境的要求也就更加严格。而光电子产业，随着TFT-LCD的玻璃基板的面不断增大,由93年第一代TFT产品玻璃基板面积只有300㎜×400㎜，经过短短的十年，到了2003年第七代TFT-LCD产品已经问世，它的基板面积扩大为1800㎜×2100㎜，是第一代面积的30倍。因此光电子与微电子一样，随其技术的飞速发展，对生产环境的要求也就越来越高。

微电子和光电子的生产环境不仪包括有建筑、结构、空气、水以及气体、溶剂等原材料，还有声、光、电、磁、振等等环境。例如建筑形式、层高承重、防微振、装修材料；空气的洁净度、温湿度、压力；水和气体的纯度重金属含量以及噪声、照度、静电、电磁波等等。总体来说，微电子和光电子对生产环境要求可用更“精”、更“净”、更“纯”来描写。

微电子和光电子产业的发展给生产环境技术，其中包括高级别洁净室的建筑技术的发展，带来了极大的挑战和机遇，不仅仅带来了广阔和丰厚的市场，同时也带来了新的研究课题和技术难关。例如如何降低日益攀升的洁净室的建造费用和运行费用，如何处理电子工业不断的升级换代和洁净室建造相适应的矛盾，如何解决低浓度分子级的化学污染物质对生产的影响，以及如何处理生产过程排放的有毒、有害废气、废水和废物的污染等问题。这些课题都摆在我们从事洁净室建造和生产环境研究的人们面前，希望我们能给予解决。

二、高级别洁净室的送风方式

高级洁净室的送风方式集国内和国外的作法主要有集中送风、分散送风和FFU加新风机组和干盘管三种送风方式。

（一）集中送风方式

集中送风就是洁净室的净化空气全部经过设在空调机房的空气处理机进行预净化和热湿处理后再用大风机大风管送到洁净室的上技术夹层，这些空气依靠高的压力克服满布在吊顶上的高效过滤器（HEPA）或超高效过滤器（ULPA）的阻力，被过滤的洁净的空气送入洁净室内，实现洁净室的100级、10级或1级洁净度和所要求的温、湿度等参数的生产环境。洁净室的回风经过活动地板格栅进入下技术夹层后，再用大风管由风机抽网到空调机房内的空气处理机，再与室外的新鲜空气混合重复进行净化和热湿处理。这样反复连续循环运行。

集中送风方式的优缺点

优点：空调处理机集中数量较少，管理方便，温、湿度，噪声容易控制，投资较少。适应工艺的变化有一定的灵活性。

缺点：循环风量大、风机的压头高，耗电量大、运行费高、空调机房面积大、风管占空间大。

（二）分散送风方式

这种分散送风方式比较适用于集成电路芯片生产的海湾和隧道式的工艺布置。这样的工艺布置是人为地将生产空间分为多个操作区（白区）和多个设备区（灰区）。白区是生产操作区。其洁净度要求高，温、湿等参数的要求严格。相反灰区是设备区，其洁净度和温湿度等参数的要求都低于白区。在设计净化送风系统时，将一个白区和一个灰区设计成一个小的净化空调系统，白区为送风区，灰区为回风区。将该小系统的空气处理循环机组直接设置在该区送回风技术夹层顶上的空间内，经过处理的空气先送入白区的送风技术夹层再经过高效过滤的或超高效过滤器后进入白区，这样白区的洁净度和温度、相对湿度等都能满足生产环境要求。回风由白区经活动格栅地板进入白区和灰区相通的下技术夹层，由于灰区是设备区，对空气参数要求较低，即使是白区的回风也是能满足灰区的需要。灰区的回风经由顶部再回到循环机组，这样反复不间断地进行循环运行。整个洁净厂房有多个白区和灰区，因此有多个分散的小送风系统。洁净室所需要的新鲜空气可单独集中设新风处理系统，也可由小送风系统分散处理。

分散送风方式和优缺点

优点：系统小而且分散，每个小系统的温湿度都可单独控制，能满足不同区域极高的温、湿度要求。系统小送风压头低，初投资和运行费用都比较低，噪声也可控制。

缺点：最大缺点是不灵活，工艺变更后很难适应。此外，增加了建筑的总高度。循环机组数量多又在吊顶上面，若有漏水处理困难，同时管理也不方便。

（三）加新风机组和干盘管送风方式

这种送风方式不设循环机组只有新风机组，新风由新风机组进行热湿和净化处理，新风机组负责保证洁净室内的相对湿度，而大量的净化风量由多台（FFU）风机过滤器单元，就地循环进行净化处理，循环空气经过干冷盘管降温来保证洁净室的温度。

这种送风方式不仅具有在相同的初投资条件下，运行费用大大降低等优点，而没有庞大的空气处理机只有新风机组，因此大大地省掉了空调机房的面积，更主要的是它具较大的灵活性，适应工艺的迅速变化。与此同时也存在噪声偏大，局部温、湿度难以控制，必要时须另设小的空调机组等缺点。这种送风方式在目前的集成电路芯片厂和TFT-LCD彩色液晶显示器生产厂得以广泛采用。但在设计和建造时要注意以下几点

1、新风机组：因新风机组是保证洁净室相对湿度的唯一设备，所以其加湿和去湿的能力一定要保证，自动控制要到位。而且对新风的处理耍考虑到当地室外空气的污染状况，成份和生产工艺的要求来设置必要的处理功能段。

2、干盘管：干盘管是保证洁净室温度的设备，它补充新风冷量的不足部分。可单台控制也可多台群控。一般干盘管最少要双排，翅片间距3毫米，而面风速为1.5m/s；冷水温度宣比洁净室空气露点高2℃。最好设滴水盘。

3、FFU：出风速度要均匀、应为平均风速±20%的均匀度。FFU的余压应大于100pa，噪声最好低于50dB（A）其模数尺寸宜与格栅地板的模数相同，其风机可单台控制，单台调速。寿命应为30000—50000小时。

三、高级别洁净室的特点

高级别洁净室尤其是微电子和光电子的科研、试制、生产用的高级别洁净室就其建造和运行的角度存在着：建造投资费用高，运行管理费用大，灵活适应性强，安全可靠性好四大特点。

（一）建造投资费用高

高级别洁净室的建造费用很高，一般来说，100级垂直单向流的洁净室，其室内装修（墙、顶、地、门、窗等）和空调净化系统（包括制冷空调设备和管道配件、净化设备和配件等）的初投资大约为10000元人民币每平方米，如果加上纯水制备设备和系统管道，纯气发生和系统管道，废水治理设备和管道，消防系统，供配电和自控系统，真空清扫系统等等，其单位面积的建造投资费用要高达25000—30000元人民币每平米。

（二）运行管理费用大

因为高级别洁净室净化风量大，新风量也大，温湿度要求严格，所以空气热湿处理和空气输配的能量消耗大，耗电多，运行费用贵。

（三）灵活适应性强

因为，科学技术的发展很快，高科技的产品不断出现，尤其是电子工业的发展更是日新月异，像集成电路的发展两三年就更新一代，TFT-LCD的发展速度更快,—两年就上一个台阶。这就要求为其服务的高级别的洁净室必须能适应其发展速度，有极好的灵活性和适应性。因为建造一个洁净厂房是百年大计，不是一、二年就会拆掉重建。因此在设计和建造洁净厂房时，就耍考虑到工艺的发展、变更就要考虑到洁净厂房的灵活性和适应性。从一个洁净厂房的灵活适应角度，可将其分为三个层次，第一是不可变的部分。无论怎样改都不能改变的部分。如基础、梁、柱等结构部分，第二是可变但不容易变的部分。如洁净室的围护、装修等，第三是可变而且容易改变的部分。如动力、空气、水、气体溶剂的供给部分和废气、废水、废料等排放部分。

（四）安全、可靠性好

从前面一、二两条特点可以得出建造和使用这样的洁净室要付出何等的代价。但是为了生产出高可靠、高质量的高科技产品也必须具备这样的生产环境。因为建造洁净室的目的是为使用，是为了得到高成品率合格产品。为了达此目的设计和建造洁净室必须把安全可靠放在第一位。保证所建造的洁净室在洁净度、温湿度、风速、压力等所有参数必须满足生产工艺的要求，保证安全、可靠、不出事故。这一点绝不能马虎，更不能打折扣，要万无一失，只有这样才能有效益，才能达到建造洁净室的目的。

四、高级别洁净室的空调负荷特点和节能

（一）洁净室的空调负荷

洁净室的净化空调负荷由下面几部分组成

1、室内负荷

主要包括

①室内作业人员的散热、散湿负荷。

②室内照明灯具的散热负荷。

③洁净室围护结构墙、顶、地、门、窗的传热、传湿负荷。

④生产设备和生产过程的散热、散湿负荷。

2、洁净室新风处理的热、湿负荷。夏季是降温去湿，冬季是加热、加湿。

3、空气循环时风机,或FFU的温升和水泵的温升负荷。

（二）高级洁净室的空调负荷特点

1、高级别洁净室（100级,10级,1级）是垂直单向流洁净室，其送风机的风量非常大，高达400-500次/小时换气，而且风机的压头也很高，一般多在1000—1500pa，因此风机温升的负荷大。按理论计算，在集中送风方式的系统中，风机的温升为1.5℃，仅此一项的负荷就是500-700W/㎡，如果采用FFU送风方式，风机温升的负荷也要250—350W/㎡。因此风机温升的负荷大是其一个负荷特点。

2、服务于微电予和光电子的高级别洁净室因工艺排风量大，所以新风量也很大，新风量一般在10-20次/h换气；因此，处理如此多新风的负荷大约为400-800W/㎡；个别工艺的排风量更大，固新风负荷也还会更大。因此新风负荷大是其第二个负荷特点。

3、生产设备和生产过程的散热、散湿负荷大，是高级别洁净室的第三个负荷特点。生产负荷的大小是与工艺生产本身的性质、生产设各的密闭、保温、通风以及水冷却的情况有关。

4、围护结构的传热、照明灯具的散热以及作业人员的发热这三项负荷相对比较小，三项负荷之和还不足总空调负荷的10%（其中照明负荷大约25—30W/㎡；围护结构负荷大约20-30W/㎡；作业人员负荷大约10—15W/㎡），这是高级别洁净室第四个负荷特点。

（三）高级别洁净室空调净化系统的节能

研究高级别洁净室的空调净化系统节能，应首先从分析其空调负荷特点入手，抓住空调负荷中的主要矛盾，才能事半功倍。从前面可知，高级别洁净室空调负荷中占90%以上的负荷是新风负荷、风机温升负荷和工艺设备和工艺过程负荷三项。这是它的主要矛盾。

1、降低新风空调负荷的节能措施

①减少排风量。改进工艺和工艺设备，尽可能不排风，少排风。采取密闭式排风罩在同等的排风效果下尽量减少排风量。

②减少正压漏风量。加强洁净室围护结构的密封性，既能保持洁净室必要的正压值，又可减少所需的正压漏风量。

③提高新风空气处理设备的效率。

2、降低风机温升负荷的节能措施

①在确保洁净室洁净度的前提下，尽量减少送风量，尽量用局部高净化来替代全面高净化。

②加强空调设备和空调系统的密闭性，减少漏风量。

③采取净化送风与空调送风分离的送风方案，使90%的净化送风量就近循环以减少风机温升负荷。

④采用FFU加新风机组加干盘管的送风方式以减少风机温升负荷。

⑤提高风机效率，采取变频措施。

3、工艺设备和工艺过程的发热是工艺生产本身的问题，只能依靠工艺自己来解决。

4、除上述措施之外，还可采取如下措施

①加强水管和风管的保温。

②减少冷热源的跑、冒、滴、漏。

③采取热回收充分利用废热。

④尽量利用天然能源作空调系统的预冷和预热如太阳能、地下水、土壤能等。

⑤利用蓄冰和蓄热等优惠政策。

五、高级别洁净室的静电危害和防静电

（一）静电的危害

1、洁净室存在有带电体，灰尘就会附着在带电体的表面，于是就成为了洁净室的发尘源，会影响洁净室的洁净度。

2、电子工业的洁净室在生产过程中会使用大量的易燃易爆的气体和有机溶剂，洁净室内的静电就成了诱发爆炸和火灾的导火线。

3、静电放电产生火花，发出噪声，会使精密电子仪器、计算机、控制设备误动作。还会引起电子产品的电路破损、疲劳和感光的材料曝光失效。

4、静电的电场会使半导体短路、疲劳、破损。

（二）静电的起因

由于某种原因引起电荷的移动，正负电荷失去平衡物体就带电了，这就是所谓的静电。

静电产生的原因有以下四种：

1、接触带电：两种功函数不同的物体接触时会引起电荷的移动，接触面积越大，带电量就越大，若施加外力就会增加两物体的接触面积，这就是磨擦带电。滚动带电、剥离带电、喷射带电也是这一原理。

2、感应带电，通过导体表面上的静电感应来产生感应电荷而带电。

3、电晕带电，附加高电压的针状电极的尖部会产生电晕放电产生离子与物体碰撞而带电。

4、流动带电，液体由管壁表面获得电荷，随液体的流动使液体又与管壁分离而引起的带电现象叫流动带电。

（三）洁净室的防静电措施

1、洁净室围护结构的防静电，为了防止静电集聚，洁净室的围护结构应采用高导电率的材料制作。围护结构包括有墙、门、窗、顶和地。抗静电地板的电阻值为10的6次方到9次方欧姆，导静电地板的电阻值为10的4次方到6次方欧姆。目前多用塑料（PVC）块材或卷材，以及防静电还氧自流平。墙板和顶板（除布满高效过滤器处外）的夹心保温材料多为岩棉和铝蜂窝等不燃材料，而用铝板或彩钢板作面板。墙板和地板都要有良好的接地措施产生的静电能迅速地通过导电材料和地线导掉。

2、人员的防静电措施，在洁净室内的工作人员必须穿着防静电洁净工作服。防静电洁净工作服的织物中加入了导电的金属纤维或碳素纤维。除此之外，必须时还在作业人员的手腕上配带接地的导电腕环。

3、在生产工艺的允许条件下，可用提高洁净室内空气相对湿度的方法来消除静电。当湿度在65%一70%的情况下，物体表面形成一层极薄的水膜，能溶解二氧化碳，增加表面的导电能力，使静电不积累。

4、减少磨擦作业，以减少静电的发生源。