百級潔凈無塵室氣流微調整方案

0 引言

近十年以來，電子工業潔凈室技術在技術和經濟上都經歷了快速發展。特別是半導體工業和光電產業用高標準潔凈室常常成為潔凈室技術發展的標志。在此領域內，對產品質量的要求一直在提高，對潔凈生產環境的要求也是如此。即使是由各種不同因素造成的最小污染，特別是氣流組織不良的環境因素，也會導致高比例的有缺陷產品及廢品率[3]。因此，必須將影響產品質量的環境因素降至最小，保證優化生產工藝成本，提升制程良率。

本文主要針對全面單向垂直流潔凈室內的氣流偏移現象進行綜合分析，探討在潔凈室施工圖深化設計中所要考慮的因素以及氣流二次調整的典型方案，使潔凈室形成較好的氣流流型并能更好地滿足實際生產的需要。

1 全面單向垂直流潔凈室

理想的全面單向垂直流潔凈室的氣流組織為上送下回（如圖1所示），其室內空氣潔凈度高、相互污染少，被生產設備污染的空氣能很快地排出，防止微粒擴散，

地面積塵較少，自凈能力強，室內任何地方都能達到所

要求的潔凈度等級，布置生產設備方便[1]。

2 潔凈室內氣流組織的影響因素

在實際建廠過程中，氣流的流場特征會影響到潔凈度等級及污染物的控制，從而使潔凈室的效果與設計時相差甚遠[1]。而且從流動的雷諾數來考慮，潔凈室的氣流均為紊流[4]，潔凈室運轉后實際的風向控制較為復雜，考慮因素更多，與高架地板開孔率、FFU吹出風速、機臺方位、人員走動、導流板設置等均有很大的關系。而氣流偏移現象的原因分析以及氣流改善方案的前提是應從大環境角度考慮，若只考慮局部往往達不到所期望的控制目標。

3 高等級大空間潔凈室氣流存在的問題及解決方法

3.1 面臨的問題

在高世代的面板廠或芯片廠，特別是現在陸續在建的8.5G面板廠，廠房單層潔凈區面積最高已接近80 000m2。廠房的寬度往往也超過100m，回風道的布置不僅僅是廠房的兩側，而是四周均有設置以彌補回風面積的不足，故其氣流控制更為復雜。這里借助于計算機相關軟件，甚至是高端電腦配置對龐大的信息量進行處理并得到有用的分析數據。

3.2 通過CFD（計算流體力學）軟件的解決方案

目前，隨著計算流體動力學（CFD）技術自身的發展，其已廣泛應用于暖通空調和潔凈室等工程領域[2]，CFD軟件執行的范圍主要包括整廠內部的氣流分析（內流場分析）和機臺內部潔凈問題分析。內流場分析是在高新產業生產廠房內進行流場分析，依模擬結果論證工程設計的可行性，或在原有設計的基礎上提出優化設計的修改意見。機臺內部潔凈問題分析是在高新企業的生產過程中常常由于微污染而導致生產良率下降，可將CFD分析手段與高新產業工藝制程相關知識結合在一起，為問題的確定提供依據。

內流場分析需建立模型及設定邊界條件并盡量符合實際，從而所得到的數據也能接近于實際狀況。模型建立主要包括建筑尺寸、回風道分布以及生產設備模型等。邊界條件主要包括FFU參數、孔板特性及障礙物等定。通過研究各區之氣流偏移狀況，分區調整地板阻力特性以形成潔凈房所需要之垂直單向流。一般在大環境區域氣流模擬建模時，要求業主提供生產機臺的相關參數（如外形尺寸、自帶FFU參數等），以得到更符合未來實際運轉的氣流狀況。從而可以在施工之前預見未來可能發生的局部氣流偏移、紊流甚至交叉污染等不良現象，并采取相應的預防措施。

4 潔凈室典型氣流偏移現象及二次調整方案

4.1 潔凈室大環境氣流偏移

圖2所示為典型的全面單向垂直層流的生產廠房剖面示意圖，在遠離回風道側的氣流往左偏移。在許多工程案例中，孔板布置方案一般與FFU布置相同，即在FFU正下方布同樣面積的孔板?？赡茉蚴欠桨冈O計階段未考慮氣流偏移現象，或是在施工圖深化設計階段時，因潔凈承包商的技術水平差次不齊，多數人并未意識到孔板布置與氣流組織之間的密切關系，而僅僅是照圖施工。所以常常在實際運轉階段時才發現氣流偏移的問題，此時再想辦法去解決往往事倍功半。

那在生產車間內氣流為什么會有偏移的現象呢？

可以將以下技術夾層（RAP）看做一支大風管，而風通過風管時因管路本身的摩擦會形成沿程阻力損失。也就是說，離回風道越近的點所需要克服的阻力值越小。借助于CFD軟件，可以模擬出RAP層室壓隨著回風距離而變化的壓力曲線。其中地板阻力系數越大，各區差壓越明顯。同時，也會因為因機臺占地面積多寡以及RAP層因配管引起有效通風斷面的減小，均會造成各區差壓的不平衡。當回風經過地板的阻力不同時，就會產生壓力差，從而使空氣向阻力小的方向流動，形成了氣流偏移。

所以，大環境氣流偏移的調整措施主要調節地板的阻力特性，因地板型式的不同可以通過調整高架地板孔板的分布率或waffer slab開孔配置實現，如圖4所示，通過上述改善方案從而得到理想的潔凈室內氣流流型。

對于制程設備的具體構造，潔凈包設計人員并不能了解的很清楚。有Waffle Slab層之無塵室欲修正氣流平行度，由改變孔板分布之效果有限，若要調整氣流平行度則須由Waffle Slab（華夫板）層之開孔分布率著手，否則靠近Dry Coil（干式盤管）側將因Fab層與RAP層間壓差過大造成Waffle Slab內氣流側向流動，尤其在不同級區間狀況更為明顯，嚴重者甚至造成下方氣流反由Waffle Slab層流入Fab層。

4.2 微環境氣流偏移

這里的微環境主要特指生產機臺區域環境，在SEMI標準中“SEMI E44- 95微環境購買驗收指南”對微環境的定義為：由隔離裝置做成的局部化環境，目的是使將產品與人員污染隔離開[3]。其因由是“潔凈”工藝僅需較小的空間，卻為何浪費那么多平方米的潔凈室空間[3]。即“大”潔凈室僅限于基本潔凈度水平，且所有的關鍵生產工藝都在潔凈室級別足夠好的區域內進行。微環境又可以分為無送風微環境（不帶氣流的盒子、柜子或專門接口箱） 和送風微環境（帶有低度紊流的微環境，可以使用潔凈室本身的潔凈空氣，或是自帶FFU）兩種。

一般情況下，進行氣流模擬是將生產機臺當作一個空塊進行處理，但實際情況并非如此。有些機臺的確是一個不通風的箱體，但有些機臺卻可以通風，甚至多數機臺均有自帶FFU設備。對于不通風的設備，我們可以將設備正下方的地板孔板布置率減少甚至不布置，而將孔板挪至設備四周，以避免該設備客觀上占用多數通風面積。而對于自帶FFU設備，又可以依造設備是否有水盤、底座透風狀況及廢氣排放量等不同特征，分別規劃孔板的布置方案。例如在清洗機區域，考慮到有漏液的風險，故建議在設備輪廓線附近均布置盲板以避免漏液流到回風夾層內產生意外。而在ROBOT（自動機械手臂設備）區域，因其內部潔凈等級要求高達Class 10，一般建議該區域滿布孔板以避免紊流產生。而對于很多自帶FFU的設備來講，因其本身廢氣排放量較大，故設備下方的孔板布置并不需要滿布。而有些設備下方即使是滿布孔板有時也不能滿足其氣流控制需求，比如在Stocker設備底座區域孔洞內可增加軸流風扇進行強制通風以得到較好的垂直氣流單向流型。

4.3 局部紊流

全面層流潔凈室也常出現氣流紊流和回流等狀況，會使潔凈室的局部氣流組織受到破壞，是潔凈室的設計人員和施工維護人員都應注意的地方[1]。當孔板有針對性的布置后，空態狀況下潔凈室內的氣流特性一般都能符合設計的要求。但一旦有機臺設備進入潔凈室、人員的移動和產品的轉輸時，就不可避免的存在著氣流組織的障礙物。比如在設備機臺突出的尖角或邊緣處，氣流會分流形成一個紊流區[1]。在紊流區內的流體不易補送入氣體帶走，從而產生污染。另一種情況是因為設備本身的發熱，在機臺附近由溫度梯度引起回流區，加大了微粒累積。同時，高溫又容易使微粒逸散出去，雙重效應加濕了全面垂直層流的控制難度。還有就是天花高低差不同，以及千級區低FFU覆蓋率的情形，在靠近天花處均有氣流紊流的現象。

因為有些設備需求潔凈度較高，而設備本身沒有自帶FFU，為達到此目標則建議增加Eyelid（導流垂壁）加以克服。而Eyelid安裝時應注意其整體性，不應留有縫隙否則會產生誘導現象以影響控制區域內的潔凈度。若于其它施工及使用考慮時，應依照現場狀況施作

開口并予以密封（包含連接處之縫隙）。安裝時所留下之孔隙在FFU為非滿布之狀況下運轉時，由于FFU出風誘導效應之影響，將造成級區區劃外之氣流吸入至區劃內。在塵度高之制程區劃，以此方式施作會有塵度離異之問題Eyelid之應用應配合滿布之FFU進行級區區劃，若為成本考慮而采用其它FFU配比時應注意區劃內紊流之程度，以不影響級區潔凈度為原則。

5 結語

（1）CFD是一種較好的優化設計工具，結合工程實際情況，借助模擬工具進行輔助設計已成必然趨勢[2]，在深化設計過程中可通過建模，模擬從而提前發現并解決一些問題。

（2）對潔凈室設計人員而言，設計過程中需要充分考慮生產機臺的特性，潔凈室的整體構造，并據此調整氣流布置方能取得理想的潔凈室氣流形態，進而確保潔凈室的潔凈度，提高生產良率并可實現一定程度的節能效果。

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參考文獻：

[1] 袁旭東，王科. 全面垂直層流潔凈室氣流組織影響因素探討[J].制冷與空調，2005，（02）：12~16.

[2] 趙金亮，劉俊杰，朱能.高級別潔凈室氣流組織的優化[J].流體機械，2005，33，（4）：58~61.

[3] 本德.阿蘭德. 潔凈室技術近期發展趨勢及微環境展望[J]. 第六屆中國國際上海潔凈技術論壇，2003.

[4] 許鐘麟.空氣潔凈技術原理[M].上海：同濟大學出版社，1998.

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