半導(dǎo)體芯片潔凈廠房?jī)艋囬g空調(diào)設(shè)計(jì)

工程概況

該項(xiàng)目位于江蘇省，是第三代半導(dǎo)體氮化鎵功率放大器芯片生產(chǎn)廠房。設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shè)，目前設(shè)計(jì)、建設(shè)為一期。一期建設(shè)范圍包括生產(chǎn)廠房及相應(yīng)的動(dòng)力站房、輔助設(shè)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(yù)留947.5m2的工藝生產(chǎn)區(qū)及相應(yīng)的動(dòng)力站房；配套輔助建筑包括廢水處理站、柴油發(fā)電機(jī)房、消防水泵房及水池、氣站等，面積為1436 m2。

該廠房為單層結(jié)構(gòu)形式，分為下技術(shù)夾層、生產(chǎn)層、靜壓箱層、管道層，如圖l 所示。下技術(shù)夾層是動(dòng)力管線層，兼作生產(chǎn)區(qū)的回風(fēng)層。生產(chǎn)設(shè)備層布置工藝生產(chǎn)設(shè)備，該層與下夾層之間安裝開孑L活動(dòng)地板，以滿足送風(fēng)、回風(fēng)要求；頂棚安裝風(fēng)機(jī)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(fēng)夾道用，干盤管設(shè)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(fēng)靜壓箱，新風(fēng)送至上技術(shù)夾層，潔凈室回風(fēng)經(jīng)下技術(shù)層、灰區(qū)、干盤管回至靜壓箱層，與新風(fēng)混合后經(jīng)FFU送至潔凈室。管道層布置動(dòng)力管道、風(fēng)管橋架等管線。

工藝簡(jiǎn)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(diǎn)，工藝生產(chǎn)區(qū)設(shè)備布置采取港灣式，根據(jù)工藝加工性質(zhì)設(shè)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(jī)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(shè)蒸鍍、光刻、刻蝕、剝離、化學(xué)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(shè)備分散布置于相應(yīng)的功能灰區(qū)內(nèi)。生產(chǎn)支持區(qū)包含減薄、檢測(cè)、封裝、測(cè)試等工序。該工程凈化室主要凈化級(jí)別為ISO 4.5級(jí)( 潔凈等級(jí)100，控制粒徑0.3μm) 、ISO 6.5級(jí)(潔凈等級(jí)10 000，控制粒徑0.5μm) 、ISO 7.5級(jí)(潔凈等級(jí)100 000，控制粒徑0.5μm)。潔凈室設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)組的形式。回風(fēng)經(jīng)架空地板至下技術(shù)夾層，經(jīng)過側(cè)面的灰區(qū)( 回風(fēng)夾道)后被置于靜壓箱層的干冷卻盤管冷卻降溫后進(jìn)入靜壓箱，與處理后的新風(fēng)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(fù)荷計(jì)算

該工程為半導(dǎo)體廠房，工藝凈化房間均位于內(nèi)區(qū)，且有上下技術(shù)夾層，所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)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(shè)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(shè)備、照明、人員、FFU設(shè)備散熱。同時(shí)需考慮工藝?yán)鋮s循環(huán)水帶走的熱量及新風(fēng)所承擔(dān)的負(fù)荷，確定最終室內(nèi)負(fù)荷。

2凈化風(fēng)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(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)潔凈室內(nèi)送風(fēng)量的要求，分別計(jì)算各房間凈化風(fēng)量和負(fù)荷風(fēng)量：潔凈級(jí)別為4.5級(jí)的潔凈室送風(fēng)斷面風(fēng)速為0.33 m／s； 6．5級(jí)的潔凈室換氣次數(shù)為25 h-1；7.5級(jí)的潔凈室換氣次數(shù)為15h-1。 設(shè)計(jì)采用1200 mmX600mm的FFU，4.5級(jí)的潔凈室過濾器效率為U15，其余過濾器效率為H14。同時(shí)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)?？紤]到該廠房對(duì)凈化有嚴(yán)格控制要求， 35％的FFU采用應(yīng)急電源，在非正常停電時(shí)保證房間一定的潔凈度。

FFU選型需考慮機(jī)外余壓可克服干表冷盤管的阻力， FFU風(fēng)速可調(diào)， 采用低噪聲風(fēng)機(jī)， FFU的噪聲不應(yīng)高于A聲級(jí)50 dB。

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

3灰區(qū)回風(fēng)

該工程主要生產(chǎn)區(qū)通過灰區(qū)回風(fēng)，不需另外設(shè)置回風(fēng)夾道，節(jié)省了建筑空問和投資，同時(shí)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(shè)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(fēng)量，實(shí)現(xiàn)房間正壓。

4新風(fēng)量的確定及新風(fēng)處理

4.1新風(fēng)量的確定

新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)用于補(bǔ)償潔凈室排風(fēng)量( 酸、堿、有機(jī)、一般排風(fēng)等)和維持潔凈室正壓所造成的滲漏風(fēng)量，同時(shí)需滿足人員衛(wèi)生需求。一期設(shè)計(jì)2臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，一用一備，采用應(yīng)急電源，送風(fēng)管采用共同母管；維修或故障時(shí)，關(guān)閉故障新風(fēng)機(jī)組，開啟另外1臺(tái)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組， 以滿足系統(tǒng)63 000 m3／h的新風(fēng)要求。由于半導(dǎo)體廠房室內(nèi)散濕量小，所以新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)的機(jī)器露點(diǎn)，主要承擔(dān)新風(fēng)的熱濕負(fù)荷和潔凈室內(nèi)的全部濕負(fù)荷；干盤管主要承擔(dān)潔凈室內(nèi)顯熱負(fù)荷。潔凈室內(nèi)的潔凈度由FFU保證。

4.2新風(fēng)處理過程

為了延長(zhǎng)FFU的使用壽命，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)置了粗效過濾器、化學(xué)過濾器、中效過濾器、亞高效過濾器。夏季，采用冷水對(duì)新風(fēng)進(jìn)行冷卻去濕處理，通過13℃／17℃冷水兩通調(diào)節(jié)閥控制一級(jí)表冷器出風(fēng)溫度，通過6℃／11℃冷水兩通調(diào)節(jié)閥控制二級(jí)表冷器的露點(diǎn)溫度； 冬季，一級(jí)加熱段將新風(fēng)加熱到某一溫度，使加熱后的新風(fēng)能夠有效加濕。采用蒸汽加濕系統(tǒng)進(jìn)行等溫加濕。圖3為新風(fēng)機(jī)組段示意圖。

由于機(jī)組風(fēng)量較大，新風(fēng)處理比焓差很大，并且考慮兩級(jí)表冷器能夠互換，因此將表冷段分為兩段：一級(jí)表冷器冷水溫度為13℃／17℃，二級(jí)表冷器冷水溫度為6℃／11℃；一級(jí)表冷器主要承擔(dān)降溫功能，二級(jí)表冷器主要承擔(dān)除濕功能。加熱段分為兩段，加熱段熱水溫度為38℃／32℃，二級(jí)加熱段置于風(fēng)機(jī)段后，保持新風(fēng)機(jī)組出口溫度為恒定值，不受風(fēng)機(jī)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(jí)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(jié)水回收至動(dòng)力站。

由于半導(dǎo)體凈化間部分生產(chǎn)區(qū)對(duì)某些氣體較敏感， 比如黃光區(qū)光阻液對(duì)NH。特別敏感，可造成化學(xué)放大效應(yīng)，使晶片線路缺陷、晶片關(guān)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(shè)置相應(yīng)化學(xué)過濾器。

4.3新風(fēng)處理焓濕圖(見圖4)

4.4冷熱源及加濕

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

熱水鍋爐房設(shè)置2臺(tái)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(shè)置2臺(tái)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(yīng)區(qū)域干表冷盤管回水管上的電動(dòng)兩通閥的開度，使?jié)崈羰业臏囟缺３衷诳刂品秶鷥?nèi)。

新風(fēng)送風(fēng)采用定溫度控制，通過空調(diào)機(jī)組出風(fēng)主管的溫度傳感器，調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組冷熱盤管的電動(dòng)兩通閥，溫度維持在機(jī)器露點(diǎn)溫度。夏季，開啟一、二級(jí)表冷器及再熱段( 再熱段是因?yàn)橄募境凉袷箿囟冗^低，需要再熱)；冬季，開啟加熱段及加濕器。新風(fēng)出風(fēng)溫度設(shè)定值可以根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)整。

2濕度控制

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

對(duì)濕度以達(dá)到設(shè)定要求，新風(fēng)的控制送風(fēng)點(diǎn)為機(jī)器露點(diǎn)。夏季，通過空調(diào)機(jī)組出風(fēng)主管的露點(diǎn)傳感器，調(diào)節(jié)二級(jí)表冷器回水管上的電動(dòng)兩通閥的開度，使送風(fēng)溫度維持在機(jī)器露點(diǎn)溫度； 冬季，通過空調(diào)機(jī)組出風(fēng)主管的露點(diǎn)傳感器，調(diào)節(jié)蒸汽加濕器的電動(dòng)兩通閥的開度，調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)參數(shù)。

3壓差控制

GB 50472- - 2008<( 電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)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(shí)受到破壞時(shí)，潔凈室內(nèi)空氣潔凈度不會(huì)受到污染空氣的干擾。壓差風(fēng)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(yīng)房間新風(fēng)支管路上的電動(dòng)風(fēng)閥。同時(shí)，在新風(fēng)總管處設(shè)置壓力傳感器，通過風(fēng)管處壓力傳感器控制風(fēng)機(jī)變頻，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償工藝排風(fēng)量變化和正壓滲漏風(fēng)量變化。同時(shí)，由于下技術(shù)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(shè)有溫度、濕度、壓力自動(dòng)控制；2) 新風(fēng)機(jī)組采用變頻風(fēng)機(jī)，可根據(jù)實(shí)際工藝排風(fēng)及壓差滲透調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率；3) 空調(diào)風(fēng)管及冷熱水管等采取保溫措施，降低能量損失；4) 工藝排風(fēng)采用變頻風(fēng)機(jī)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率； 5) 空調(diào)房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取保溫措施及嚴(yán)密性處理，降低能量損失；6) 選用能耗低、效率高的設(shè)備；7) 工藝平面布置劃分灰區(qū)和白區(qū)，使發(fā)熱設(shè)備盡量布置在灰區(qū)，保證凈化間的溫度精度。

結(jié)語

該工程已投入使用，并且運(yùn)行良好，本文僅對(duì)凈化空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，在實(shí)際工程中還應(yīng)綜合考慮排風(fēng)、動(dòng)力站等整體的經(jīng)濟(jì)性和適用性。同時(shí)化學(xué)過濾器使用等問題還值得繼續(xù)探討。