浅析半导体厂房洁净空调系统的应用

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浅析半导体厂房洁净空调系统的应用
钱佳伟 (上海临港产业区经济发展有限公司 上海 201306
)[摘 要] 随着半导体技术的飞速发展,洁净室环境对于晶圆制造过程中的稳定性和产品质量至关重要㊂本文通过工程实例,详细探讨了12英寸晶圆制造厂中广泛应用的MA U+F F U+D C C 空气处理系统㊂该系统结合了组合式新风机组(MA U )㊁风机过滤单元(F F U )和干盘管(D C C )技术,为晶圆制造提供了高效㊁稳定的洁净环境㊂本文还对该系统在实际应用过程中的主要注意事项进行了分析与总结,为半导体厂房洁净空调系统的设计㊁运行和维护提供了有益参考㊂[关键词] 晶圆厂;洁净室;组合式新风机组;干盘管:MA U+F F U+D C C [中图分类号]T U 831.3 [文献标识码]A [文章编号]1009-4563(2024)06-014-03
1 引言
随着国内集成电路产业的迅速发展和市场需求的不断增长,12英寸晶圆厂的建设成为提升产业竞争力的关键㊂洁净空调系统作为确保晶圆生产环境稳定和产品质量的重要因素,其应用与维护显得尤为重要㊂本文以位于上海临港新片区的某12英寸半导体晶圆厂项目为工程实例,结合笔者亲历的实施经验,深入分析了半导体厂房洁净空调系统的构成及其在实际运行中的注意事项,旨在为半导体厂房洁净空调系统的设计㊁运行和维护提供有益参考㊂
2 M A U+F F U+D C C 洁净空调系统简介
在半导体制造中,晶圆厂的洁净室空调系统承担着至关重要的角色,需要确保生产环境的洁净度㊁稳定性和可靠性㊂近年来,MA U+F F U+D C C 系统,即组合式新风机组(MA U )㊁风机过滤器单元(F F U )与干盘管(D C C )空调系统,因其出色的性能㊁节能效果㊁应用灵活性和空间利用率,逐渐成为晶圆厂洁净室空调系统的主流选择㊂
MA U 作为系统的核心,
主要负责引入并过滤室外新鲜空气,同时控制洁净室的温湿度,维持室内正压,确保送入洁净室的空气满足洁净度和温湿度要求㊂F F U 是安装在洁净室内的空气过滤单元,通过高效过滤器不断循环过滤空气,有效去除空气中的微粒和微生物,保证洁净室的空气洁净度㊂D C C 是一种高效的冷却设备,负责去除室内的显热负荷,保证室内温度稳定㊂通过精确的温度控制,D C C 确保洁净室内的环境条件满足生产工艺的严格要求㊂
背景项目F A B 生产厂房采用典型的四层结构(见图1
),这种结构优化了气流组织和空气处理效率,从下到上依次为动力支持区㊁洁净区下技术夹层㊁生产洁净区和上技术
夹层(T R U S S 层)
㊂洁净生产区产生的微尘㊁粒子㊁有机污染物等回风随气流通过机台区域下方高架蜂窝地板和贯穿楼层板的华夫筒进入下夹层,后经过厂房两侧的D C C 通过回风夹道,与经过MA U 过滤㊁温湿度处理等送达T r u s s 层静压箱的室外空气混合,通过F F U 循环过滤后以垂直层流方式进入洁净室,这种设计确保了空气流动的均匀性和稳定性,从而提供了稳定的生产环境㊂
为了满足不同生产工艺的需求,
项目对洁净室进行了细致的洁净级别划分㊂从万级到百级,甚至最高的一级,每个区域都有严格的温湿度要求和允许偏差范围㊂为了满足生产工艺要求最关键和最重要的部位,项目将最高洁净级别的区域,如I S O 1-5级,规划在生产工艺要求最关键和重要的部位,采用垂直单向流的气流组织㊂而对于其他区域,如I S O 6-8级,
则采用大面积的非单向流设计㊂这种混合流无尘室的设计方案不仅优
化了投资成本,还确保了
生产环境的稳定性和可靠性㊂
图1 某12英寸晶圆制造厂洁净空调系统
架构形式及气流组织示意图
3 M A U 组合式新风机组功能介绍及注意事项
MA U 是提供全新风的组合式空调机组,安装于屋面新风空调机房内㊂典型的MA U 机组功能段(见图2)主要包括进风段㊁初效过滤段㊁中效过滤段㊁预热盘管段㊁预冷盘管段㊁水洗加湿段㊁再冷盘管段㊁再热盘管段㊁风机段㊁均流段㊁化学过滤段㊁高效过滤段㊁出风段㊂其主要功能包括:
1)维持正压和补充新风:具有保证无尘室的正压的功能,弥补制程排气所需要相应的新风,防止外部未经净化处理的空气进入㊂MA U 机组的新风量考虑应按照洁净室的制程排气等排风风量与维持洁净室正压的渗漏风量的和值㊂
2
)温湿度控制:由于无尘室需要维持严格的相对湿度,在夏季时MA U 机组必须具备充分的降温以及除湿能力,反之,在冬季时,由于室外新风的干燥原因,需要额外考虑适当的新风加湿处理㊂
3
)过滤和空气净化:通常情况下MA U 机组需要设置外置无纺布㊁初效㊁中效以及高效过滤器,保持F F U 配套的超高效过滤器安全和有效使用寿命㊂
4
)有害气体处理:新风机组需要处理室外新风中的有害气体及成份,因此MA U 机组内部的功能段设置需要考虑水洗喷淋功能段,以应对氮㊁硫等有害工艺的元素㊂同时为了处理室外新风中的有害分子,通常MA U 机组的功能考虑应考虑化学过滤器㊂
5
)防冻措施:在部分地区,尤其室外空气温度最低达到零下十几度甚至几十度的地区,MA U 机组需要功能段增加预热盘管的措施,防止发生盘管冻裂的情况,造成停产维修等情况㊂
在对MA U 组合式空调机组进行选型设计时,除充分考虑满足以上基本功能外,根据笔者在项目中与运营方结合工厂实际运营经验讨论总结后,还应着重对以下因素进
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行充分考量:
图2 典型MA U 机组功能段示意图
1)功能段复核:需要对MA U 机组的功能段进行深化复核,尤其是冷量热量风量,确保MA U 机组的设备不存在负偏离的情况,否则在极端天气,因冷热量设计无余量,极端天气无法处理对应复核,极易造成车间内的温湿度失控㊂2)控制系统选型:MA U 机组控制系统的电动阀㊁传感器的型号,尽可能选择信号灵敏,精度较高,反馈及时的型号,否则容易造成自控电脑端显示与实测偏离的情况㊂3)电动风阀设计:MA U 机组分配至各功能房间的支管上应设计并安装电动风阀,保证压差变化时,电动阀能及时调整开度㊂4)过滤器兼容性:化学过滤器或高效过滤器一般有2种V 型样式,一种为V 型箱式,一种为V 型单法兰;2种型式对于MA U 预留的框架结构完全不同,V 型箱式需要框架整体覆盖过滤器,一般过滤器框架厚度比过滤器的厚度略大50mm ,在360mm 左右,V 型单法兰为过滤器凸出框架结构,框架厚度一般为60mm ;如果MA U 和化学过滤器分开发包采购,需要尤其注意化学过滤器的箱体型式,避免发生化学过滤器和框架无法匹配的问题㊂4 F F U 风机过滤器功能介绍及注意事项F F U 是模块化的洁净设备,
常见的模数规格包括1200x 600mm ㊁1200x 1200mm ㊁600x 600mm 等㊂配合专用的
F F U 配套龙骨系统㊁
干盘管㊁洁净灯具(盲板灯㊁泪滴灯或龙骨灯)以及F F U 盲板等,共同构成了完整的F F U 系统㊂相较于传统方式,F F U 系统具有更高的灵活性和可调整性㊂由于综合天花与隔墙可自由拆卸移位,可以很方便对整体布局进行调整,还可以通过调配F F U 的数量㊁
平面布置㊁过滤器的等级调整,来实现局部区域的净化等级的调整㊂可以更加匹配半导体行业日新月异的工艺升级㊂传统的净化空调系统主要以净化空调㊁送回风管及末端高效组成㊂12英寸晶圆厂厂房面积较大,如采用传统方案,送回风管路过长,风机压力一般偏高,会造成运行能耗较高㊂采用F F U 系统除了新风系统外,
回风系统均通过F F U 的自循环来实现,可以有效降低风管延程阻力消耗,F F U 风机功率均很小,可以有效降低运行能耗㊂目前F F U 综合效率甚至已经达到50%以上㊂采用F F U 系统比传统净化系统可以节能30%以上㊂同时与传统净化系统相比,因无大型回风风管,可以有效节约空间,避免与其他空调水管㊁制程排气管㊁工艺管道㊁电缆桥架等造成空间碰撞及干扰,降低了整体的施工难度㊂房间布置更加整洁,综合天花中涉及的风口㊁灯具㊁消防喷淋㊁烟感㊁广播㊁去离子系统等可以进行更合理的布局㊂风速均匀恒定,可以保持理想的洁净度效果,同时因为静压箱为负压空间,F F U 上部顶棚为负压,可起负压密封的作用㊂顶棚内呈负压,洁净室内空气压力大于顶棚内的空
间㊂如果F F U 与支架密封处有缝隙,则由于顶棚内为负压使得未经高效过滤器的空气不能进入室内,对保证洁净室的洁净度有益㊂从原理上消除了安装泄露的问题,同时
F F U 系统可以更好的满足工艺要求㊂在该项目中,由于综合天花上方为钢结构,需要对F F U 吊挂系统进行二次钢构的设计与安装,同时因为12英寸晶
圆制造厂的AMH S 自动化轨道物料搬运系统承载需求,需要对F F U 龙骨进行轨道区域的局部补强与加固,确保F F U 龙骨可以承受AMH S 物料搬运时的额外荷载㊂施工工程中选用的材料本身产生挥发物,在洁净室封闭后会持续挥发;进入运营阶段工艺制程中使用化学品,有些工艺制程会扩散到洁净室,这些都会造成环境内的AM C 指标超标,因此除了在MA U 机组内部安装化学过滤器外,还需要在工艺需求部位的静压箱F F U 上部安装化学过滤
器㊂化学过滤器安装首先将缓冲托架安装于F F U 上方,
此工作必须在F F U 完成调平工作之后进行,
在完成缓冲托架的安装工序后,将化学过滤器安装于缓冲托架上方,同时检
查两者的配合的严密性㊂
5 D C C 干盘管功能介绍及其注意事项
D C C 干盘管主要用于去除房间内的显热,
而不承担湿负荷,不影响室内湿度㊂其设置形式包括垂直立式,L 形式及V 型㊂为达到 干 的目的,所用的冷冻水温度会比普通盘管的水温高,从而避免结露现象,所以称之为 干盘管
㊂干盘管的进水温度一般高于室内空气露点2度左右(如进
水13ħ,出水18ħ)
㊂同时为保证最佳的换热效果,通过干盘管的风速建议控制在2米/秒㊂为了避免在湿度较高或水管保温不佳的情况下出现冷凝水,建议安装积水管㊂干盘管的选型关键点包括:1)根据所需的焓差来确定盘管的铜管排数㊂2)根据所需的风量来确定盘管的迎风面积㊂3)盘管的迎面风速应控制在不大于2.5m /s ㊂4
)盘管的翅片材料应为铝翅片,并进行防腐蚀的蓝波处理㊂
5)在选择D C C 时,
如同MA U 机组一样,应考虑一定的余量㊂同时,D C C 的电动水阀和房间内的温湿度传感器的选型也应与MA U 机组相协调㊂
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本项目D C C 干盘管主要分布于二层支持区,采用垂直吊式和L 型安装方法D C C 支架的组装是其安装过程中的关键环节㊂如果组装不合格,导致D C C 承受面不在一个水平面上,那么D C C 将无法紧密贴合在支架上㊂即使安装成功,也可能存在较大的缝隙,从而影响风量的均匀通过,对
D C C 的调节效果产生不利影响㊂D C C 由钢制边框㊁
盘管㊁翅片及保护网等组成㊂D C C 盘管的安装需要特别小心,避免盘管和翅片受损㊂整个安装过程中,应由边框承受外部力量㊂干盘管与钢骨架之间通过螺栓螺母连接,并采用钻尾螺丝进行额外固定,以确保安装牢固㊂在垂直方向的干盘管安装完成后,再进行水平方向的安装,并进行有效固定㊂气密封堵是D C C 安装的最后一步,
对于确保回风夹道的风完全通过干盘管至关重要㊂封堵材料应使用1.0mm 厚的镀锌钢板,缝隙处使用铝箔胶带和密封胶进行处理㊂在安装前,还应在D C C 与支架接触的地方贴上密封条,以防止因材料不平整导致的漏风现象㊂
6 结语
在保障半导体厂房核心区域温湿度的过程中,除了之
前提及的关键因素外,还必须深入考虑机台散热㊁潜在的产湿㊁以及机台的排气量等具体细节㊂鉴于在项目前期调试时,机台尚未达到满产状态,因此,我们必须全面预见到满产情况下可能面临的挑战,从而避免前期看似无问题,后续却出现意外的情形㊂随着电子工业的迅猛发展,为其服务的无尘室系统必须具备高度的适应性和灵活性,确保能够紧密配合工艺的不断升级与改进㊂这些系统的配置不仅要满足工艺对温度㊁湿度㊁洁净度㊁风速㊁压力㊁噪声㊁照度等各方面的要求,还需确保防静电㊁微振等受控指标的稳定可靠㊂在设计无尘室系统时,我们必须充分理解其建造特点,以确保所有生产工艺的目标得以达成㊂
本项目经过正压送风㊁联动调试㊁机台搬入㊁流片试产等多个阶段的精心策划与实施,现已顺利进入运营阶段㊂通过实际的运营验证,本项目的洁净空调系统不仅达到了预期的设计效果㊂期待本文能为半导体厂房洁净空调系统的功能介绍㊁选型及施工注意事项提供有益的参考㊂
参考文献
[1] 张利群.F F U 的应用.洁净与空调技术.2003[2] 沈晋明.
微电子洁净厂房的送风模式.上海制冷学会二零零一年学术年会论文集[3] 陈霖新.
洁净厂房的设计与施工.化学工业出版社.2003[4] 熊安然,
王留元等.节能中央空调系统的温湿度控制.江南科学.2006
(上接第11页)
4 结论
综上所述,建筑工程中装配式施工技术的优势在于能
够提升工程施工效率,降低施工管理难度,达到节能减耗的目标,其应用要点在于预制件的运输㊁储存与装配㊁套筒灌浆施工与转换层钢筋定位㊂想要充分发挥建筑工程中装配式施工技术的优势,提升技术的应用水平,不仅要关注技术的应用要点,还需要关注前期工程设计,创新运用新型施工材料,重视预制件的生产㊂
参考文献
[1] 刘寨.装配式建筑施工技术在建筑工程中的应用[J ].
陶瓷,2023,(03):111-113.
[2] 开璇.
浅析装配式建筑施工技术在建筑工程中的应用[J ].房地产世界,2022,(18):133-135.[3] 任栋科.
装配式建筑施工技术在建筑工程中的实践[J ].陶瓷,2023,(05):185-187.[4] 岳资江.
建筑工程的装配式建筑施工技术研究分析[J ].产品可靠性报告,2023,(07):70-72.[5] 赵增良.
装配式建筑施工技术在建筑工程中的应用研究[J ].工程技术研究,2023,8(16):76-78.(上接第13页) 平台的设计标准㊁安装固定㊁防护设施的设计,优化平台安全管理工作,提升平台可调控性㊂
2.2.2 安全绳的正确使用
安全绳在钢梁吊装施工中是保障施工吊装安全的重要装备,不仅需要正确佩戴,同时需要做好安全绳的安全知识宣教工作,这样可高效预防吊装事故的发生㊂安全绳的选择㊁固定点的设置㊁使用方法,做好定期检查和维护等日常安全管理工作㊂
2.3 钢结构吊装施工其他安全管理
钢结构吊装施工其他安全管理重点涵盖钢结构吊装施工中其他的安全管理措施,如现场人员的安全培训㊁施工现场的安全防护等方面㊂综合考虑不同环节的安全管理工作内容,可全面化提升钢结构吊装施工的安全管理及工作优化水平㊂
3 结束语
综上所述,在钢结构吊装施工过程中,吊装技术与施工
安全之间的关不言而喻㊂基于本文理论分析,可深入了解吊装技术的重要组成部分,做好钢结构吊装施工安全管理
工作㊂吊装施工安全技术的全面管理,是确保钢结构吊装
施工质量的核心,也是施工技术人员安全管理的重点㊂在未来的钢结构施工中,要重点关注吊装技术发展趋势,确保满足施工安全的最新要求,不断提高管理水平和施工标准,为建设安全㊁高质量的钢结构工程提供坚实理论保障㊂
参考文献
[1] 安恺,
赵龙坡,庄会云.吊装盲区内大跨度钢结构施工关键技术[J ].建筑技术,2023,54(22):2698-2700.
[2] 宋昊澄.土木工程项目中的钢结构施工技术研究[J ].
居舍,2021,(23):29-30.
[3] 王彤.论钢结构吊装施工质量控制措施[J ].
四川水泥,2020,(10):152-153.
[4] 李玲.土木工程施工中钢结构技术的应用思考[J ].
居舍,2020,(27):64-65.
[5] 何锦华.钢结构吊装施工中的安全管理探讨[J ].
中国石油和化工标准与质量,2019,39(16):57-58.
[6] 梁爽.探析土木工程施工中的钢结构技术[J ].
门窗,2015,(08):88-89.。