浅析半导体厂房洁净空调系统的应用

  英寸晶圆厂的建设成为提升产业竞争力的关键。洁净空调系统作为确保晶圆生产环境稳定和产品质量的主要的因素，其应用与维护显得很重要。本文以位于上海临港新片区的某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需要注意的几点，旨在为半导体厂房洁净空调系统的设计、运行和维护提供有益参考。

  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、稳定性和可靠性。近年来，MAU+FFU+DCC系统，即组合式新风机组(MAU)、风机过滤器单元(FFU)与干盘管(DCC)空调系统，因其出色的性能、节约能源的效果、应用灵活性和空间利用率，慢慢的变成为晶圆厂洁净室空调系统的主流选择。

  MAU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。FFU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。DCC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。通过精确的温度控制，DCC确保洁净室内的环境条件满足生产的基本工艺的严格要求。

  背景项目FAB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、洁净区下技术夹层、生产洁净区和上技术夹层(TRUSS层)。洁净生产区产生的微尘、粒子、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DCC通过回风夹道，与经过MAU过滤、温湿度处理等送达Truss层静压箱的室外空气混合，通过FFU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能力，从而提供了稳定的生产环境。

  为了满足多种生产的基本工艺的需求，项目对洁净室进行了细致的洁净级别划分。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。为满足生产的基本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ISO 1-5级，规划在生产工艺技术要求最关键和重要的部位，采用垂直单向流的气流组织。而对于其他区域，如ISO 6-8级，则采用大面积的非单向流设计。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。

  MAU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。典型的MAU机组功能段(见图2)主要包括进风段、初效过滤段、中效过滤段、预热盘管段、预冷盘管段、水洗加湿段、再冷盘管段、再热盘管段、风机段、均流段、化学过滤段、高效过滤段、出风段。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。MAU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。

  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MAU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。

  3)过滤和空气净化：通常情况下MAU机组需要设置外置无纺布、初效、中效以及高效过滤器，保持FFU配套的超高效过滤器安全和有效使用寿命。

  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MAU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、硫等有害工艺的元素。同时为了处理室外新风中的有害分子，通常MAU机组的功能考虑应考虑化学过滤器。

  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，MAU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。

  在对MAU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在行充分考量。

  1)功能段复核：需要对MAU机组的功能段进行深化复核，尤其是冷量热量风量，确保MAU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。

  2)控制系统选型：MAU机组控制系统的电动阀、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。

  3)电动风阀设计：MAU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。

  4)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MAU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MAU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。

  FFU是模块化的洁净设备,常见的模数规格包括1200×600mm、1200×1200mm、600×600mm等。配合专用的FFU配套龙骨系统、干盘管、洁净灯具(盲板灯、泪滴灯或龙骨灯)以及FFU盲板等，共同构成了完整的FFU系统。相较于传统方式，FFU系统具有更高的灵活性和可调整性。

  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FFU的数量、平面布置、过滤器的等级调整,来实现局部区域的净化等级的调整。可以更加匹配半导体行业日新月异的工艺升级。

  传统的净化空调系统主要以净化空调、送回风管及末端高效组成。1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。采用FFU系统除了新风系统外，回风系统均通过FFU的自循环来实现，可以有效降低风管延程阻力消耗，FFU风机功率均很小，可以有效降低运行能耗。目前FFU综合效率甚至已经达到50%以上。采用FFU系统比传统净化系统可以节能30%以上。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、制程排气管、工艺管道、电缆桥架等造成空间碰撞及干扰，降低了整体的施工难度。房间布置更加整洁，综合天花中涉及的风口、灯具、消防喷淋、烟感、广播、去离子系统等可以进行更合理的布局。

  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，FFU上部顶棚为负压，可起负压密封的作用。顶棚内呈负压，洁净室内空气压力大于顶棚内的空间。如果FFU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。从原理上消除了安装泄露的问题，同时FFU系统可以更好的满足工艺要求。

  在该项目中，由于综合天花上方为钢结构，需要对FFU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AMHS自动化轨道物料搬运系统承载需求，需要对FFU龙骨进行轨道区域的局部补强与加固，确保FFU龙骨可以承受AMHS物料搬运时的额外荷载。

  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AMC指标超标，因此除了在MAU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FFU上部安装化学过滤器。化学过滤器安装首先将缓冲托架安装于FFU上方，此工作必须在FFU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。

  DCC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。其设置形式包括垂直立式，L形式及V型。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”。干盘管的进水温度一般高于室内空气露点2℃左右(如进水13℃，出水18℃)。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。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。干盘管的选型关键点包括：

  5)在选择DCC时，如同MAU机组一样，应考虑一定的余量。同时，DCC的电动水阀和房间内的温湿度传感器的选型也应与MAU机组相协调。

  本项目DCC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DCC支架的组装是其安装过程中的关键环节。如果组装不合格，导致DCC承受面不在一个水平面上，那么DCC将无法紧密贴合在支架上。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DCC的调节效果产生不利影响。DCC由钢制边框、盘管、翅片及保护网等组成。DCC盘管的安装需要特别小心，避免盘管和翅片受损。整个安装过程中，应由边框承受外部力量。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。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。气密封堵是DCC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。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。

  在安装前，还应在DCC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。

  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、潜在的产湿、以及机台的排气量等具体细节。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。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。这些系统的配置不仅要满足工艺对温度、湿度、洁净度、风速、压力、噪声、照度等各方面的要求，还需确保防静电、微振等受控指标的稳定可靠。在设计无尘室系统时，我们必须充分理解其建造特点，以确保所有生产的基本工艺的目标得以达成。

  本项目经过正压送风、联动调试、机台搬入、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。

  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。期待本文能为半导体厂房洁净空调系统的功能介绍、选型及施工注意事项提供有益的参考。返回搜狐，查看更多