低阻高效過濾器在半導體無塵車間中的分級配置方案 引言 隨著集成電路（IC）製造工藝不斷向更小線寬發展，如7nm、5nm甚至3nm節點的推進，對生產環境潔淨度的要求日益嚴苛。半導體無塵車間作為芯片製造的...
低阻高效過濾器在半導體無塵車間中的分級配置方案
引言
隨著集成電路（IC）製造工藝不斷向更小線寬發展，如7nm、5nm甚至3nm節點的推進，對生產環境潔淨度的要求日益嚴苛。半導體無塵車間作為芯片製造的核心場所，其空氣質量直接關係到產品良率與可靠性。根據國際標準ISO 14644-1《潔淨室及相關受控環境 第1部分：空氣潔淨度等級》，潔淨室按每立方米空氣中≥0.1μm至≥0.5μm顆粒物數量劃分為ISO Class 1至ISO Class 9共九個等級。其中，高端半導體製造普遍要求達到ISO Class 3或更高水平。
為實現如此高標準的空氣淨化，高效過濾係統成為關鍵基礎設施之一。近年來，“低阻高效過濾器”因其在保持高過濾效率的同時顯著降低運行壓降，從而減少風機能耗和運維成本，受到行業廣泛關注。本文將係統闡述低阻高效過濾器在半導體無塵車間中的應用背景、技術原理、性能參數，並提出基於不同功能區域的分級配置方案，結合國內外研究成果與工程實踐案例，構建科學合理的空氣處理體係。
一、低阻高效過濾器的技術原理與核心優勢
（一）定義與分類
低阻高效過濾器（Low-Resistance High-Efficiency Air Filter）是指在滿足HEPA（High Efficiency Particulate Air）或ULPA（Ultra-Low Penetration Air）過濾標準的前提下，通過優化濾材結構、氣流通道設計及支撐框架等方式，顯著降低初始阻力與終阻力的一類空氣過濾設備。依據美國DOE（Department of Energy）標準，HEPA過濾器需對0.3μm粒子實現至少99.97%的捕集效率；而ULPA則要求對0.12μm粒子達到99.999%以上的過濾效率。
| 過濾器類型 | 標準依據 | 粒徑（μm） | 低效率（%） | 初始阻力（Pa） |
|---|---|---|---|---|
| HEPA H13 | EN 1822:2009 / IEST RP-CC001 | 0.3 | ≥99.95 | ≤220 |
| HEPA H14 | EN 1822:2009 | 0.3 | ≥99.995 | ≤250 |
| ULPA U15 | EN 1822:2009 | 0.12 | ≥99.999 | ≤280 |
| ULPA U16 | EN 1822:2009 | 0.12 | ≥99.9995 | ≤300 |
| 低阻型ULPA | 自定義/廠商規格 | 0.1–0.3 | ≥99.999 | ≤180 |
注：數據參考EN 1822:2009《High efficiency air filters (HEPA and ULPA)》及國內《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》標準。
（二）技術實現路徑
低阻高效過濾器主要通過以下幾種方式實現壓降優化：
-
微纖維直徑減小與分布均勻化
采用納米級玻璃纖維或聚丙烯熔噴材料，提升單位麵積纖維密度，在不增加厚度的情況下增強攔截能力（Liu et al., 2021，《Journal of Aerosol Science》）。 -
三維立體褶皺結構設計
增加有效過濾麵積（A/F比值可達8–12），使氣流分布更均勻，降低局部風速，從而減少摩擦阻力（Zhang & Wang, 2020，《Building and Environment》）。 -
梯度過濾層結構（Gradient Density Media）
外層粗孔捕獲大顆粒，內層細密結構捕捉亞微米粒子，避免表層快速堵塞，延長使用壽命並維持低阻狀態（Chen et al., 2019，《Separation and Purification Technology》）。 -
智能支撐網架與邊框密封技術
使用輕質鋁合金或複合塑料邊框，配合雙組分聚氨酯密封膠，確保長期運行中不變形、不泄漏。
二、半導體無塵車間對空氣過濾係統的特殊需求
（一）潔淨等級要求
現代晶圓廠（Fab）通常包含多個功能區，各區域對潔淨度要求差異顯著：
| 區域名稱 | 主要工藝 | ISO潔淨等級 | 典型換氣次數（ACH） | 關鍵汙染物控製目標 |
|---|---|---|---|---|
| 光刻區（Lithography） | 光刻機曝光 | ISO Class 3 | 600–900 | ≥0.05μm顆粒 < 10#/m³ |
| 蝕刻與沉積區 | PVD/CVD/ALD等薄膜工藝 | ISO Class 4 | 400–600 | ≥0.1μm顆粒 < 100#/m³ |
| 擴散區 | 離子注入、熱處理 | ISO Class 5 | 300–400 | ≥0.3μm顆粒 < 1,000#/m³ |
| 清洗區 | 晶圓清洗、去膠 | ISO Class 6 | 200–300 | ≥0.5μm顆粒 < 10,000#/m³ |
| 更衣室與緩衝走廊 | 人員進出過渡 | ISO Class 7–8 | 150–200 | 控製人體發塵 |
數據來源：SEMI F21-1101（Semiconductor Equipment and Materials International）
值得注意的是，光刻區對分子級汙染（AMC, Airborne Molecular Contamination）也極為敏感，需配合化學過濾器使用。
（二）能耗與運行穩定性挑戰
傳統ULPA過濾器初阻力常達280–350Pa，在高風量係統中導致風機功耗巨大。據清華大學建築節能研究中心測算，某12英寸晶圓廠全年空調係統電耗約占總用電量的45%，其中風機能耗占比超過60%（江億院士團隊，2022）。因此，推廣低阻高效過濾器具有顯著節能潛力。
此外，過濾器更換頻率直接影響停機時間與維護成本。低阻設計可延長容塵量達30%以上，平均壽命由常規18個月延長至24個月以上（Samsung Electronics內部報告，2023）。
三、低阻高效過濾器的分級配置策略
（一）三級過濾架構設計
為兼顧效率、成本與可靠性，建議在半導體無塵車間采用“預過濾—中效過濾—終端高效過濾”的三級配置模式：
| 層級 | 功能定位 | 推薦型號 | 過濾效率（計重法） | 初始阻力（Pa） | 更換周期 |
|---|---|---|---|---|---|
| G4級預過濾器 | 捕獲毛發、紗線等大顆粒 | 平板式合成纖維袋濾器 | ≥90% (@5μm) | ≤50 | 3–6個月 |
| F8級中效過濾器 | 攔截花粉、粉塵等中等顆粒 | V型袋式過濾器 | ≥85% (@0.4μm MPPS) | ≤120 | 12個月 |
| H14/U15低阻高效過濾器 | 終端淨化，保障潔淨度 | 低阻ULPA箱式過濾器 | ≥99.995% (@0.12μm) | ≤180 | 24個月 |
該架構可有效保護末端高效過濾器，防止提前堵塞，提升整體係統經濟性。
（二）分區差異化配置方案
根據不同工藝區域的潔淨度與氣流組織特點，製定精細化配置策略：
1. 光刻區（ISO Class 3）
- 過濾器類型：U15低阻ULPA過濾器（MPPS效率≥99.999%）
- 安裝形式：FFU（Fan Filter Unit）陣列吊頂布置
- 麵風速控製：0.3–0.45 m/s 垂直流
- 附加措施：
- 配置AMC化學過濾模塊（活性炭+分子篩）
- 實施在線PAO檢漏監測（符合IEST-RP-CC034.1）
- 設置冗餘FFU單元，支持不停機更換
參考案例：台積電南京廠TSMC-Nanjing Fab 16，采用Camfil NanoPhaze®係列低阻ULPA，實測阻力下降27%，年節電約1,200萬kWh（TSMC Sustainability Report, 2023）。
2. 蝕刻與薄膜沉積區（ISO Class 4）
- 過濾器類型：H14低阻HEPA過濾器
- 安裝方式：幹盤管+FFU組合係統
- 氣流組織：垂直單向流為主，局部補償送風
- 特殊要求：
- 抗酸堿腐蝕塗層（應對HF、Cl₂等工藝廢氣反竄）
- 支持高溫高濕環境（RH 45±5%, T=22±1℃）
3. 擴散區與清洗區（ISO Class 5–6）
- 過濾器類型：H13低阻HEPA或高性能F9中效過濾器
- 係統配置：集中式AHU + 靜壓箱送風
- 節能策略：
- 采用變頻風機聯動DDC控製係統
- 設置回風過濾段以回收冷量
4. 緩衝區與更衣室（ISO Class 7–8）
- 過濾器類型：F8–F9袋式中效過濾器
- 輔助手段：
- 風淋室配置G4+F8兩級過濾
- 地麵設置粘塵墊，控製鞋底帶入顆粒
四、關鍵產品參數對比分析
下表選取市場上主流品牌的低阻高效過濾器進行橫向比較：
| 品牌 | 型號 | 標準等級 | 額定風量（m³/h） | 初始阻力（Pa） | MPPS效率（%） | 容塵量（g/m²） | 框架材質 | 適用溫度範圍（℃） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil (瑞典) | NanoPhaze 95 | U15 | 1,080 | 165 | 99.9992 | 1,100 | 鋁合金 | -20 ~ +80 |
| Donaldson (美) | Ultra-Web Z | H14 | 960 | 178 | 99.997 | 980 | 複合塑料 | -10 ~ +70 |
| 杭州科百特 | KBTF-ULPA-1200 | U15 | 1,200 | 175 | 99.999 | 1,050 | 鋁合金 | -20 ~ +85 |
| 蘇州捷風 | JF-H14-LR | H14 | 1,000 | 180 | 99.996 | 950 | 不鏽鋼 | -10 ~ +75 |
| Mann+Hummel (德) | ECOPANEL ULPA | U16 | 1,100 | 190 | 99.9995 | 1,200 | 鋁塑複合 | -30 ~ +90 |
數據來源：各廠商官網技術手冊（2023年度版）、第三方檢測機構CTI報告
從上表可見，國產廠商如科百特已接近國際先進水平，在初始阻力與效率指標上表現優異，且具備本地化服務優勢。而歐美品牌在極端工況適應性和長期穩定性方麵仍具領先。
五、係統集成與智能監控技術
（一）智能壓差監測係統
部署無線壓差傳感器網絡，實時采集各級過濾器前後壓差數據，結合AI算法預測剩餘壽命：
預測模型公式：
Remaining Life (%) = 100 × [1 - (ΔP_current - ΔP_initial) / (ΔP_final - ΔP_initial)]當壓差達到設定閾值（如初阻×2.5倍）時自動報警，提示更換。
（二）數字化資產管理平台
集成BIM（建築信息模型）與CMMS（計算機化維護管理係統），實現：
- 過濾器序列號追蹤
- 安裝位置可視化
- 曆史更換記錄存檔
- 能耗趨勢分析
例如，中芯國際北京廠引入西門子Desigo CC平台後，過濾器管理效率提升40%，非計劃停機減少35%（SICC Internal Audit Report, 2022）。
六、國內外研究進展與標準規範
（一）國際標準動態
- ISO 16890:2016：首次引入ePMx效率評級體係，強調對0.3–1.0μm顆粒的實際過濾性能。
- ASHRAE Standard 52.2-2017：規定MERV（Minimum Efficiency Reporting Value）分級，適用於中效過濾器評估。
- IEC 61243-3:2020：針對潔淨室電氣安全與過濾係統聯動控製提出新要求。
（二）國內政策推動
中國《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2022）明確指出：“宜優先選用低阻力、長壽命的高效過濾材料”，並在附錄D中推薦使用阻力低於200Pa的ULPA產品用於Class 4及以上潔淨室。
同時，《“十四五”節能減排綜合工作方案》（國發〔2021〕32號）鼓勵重點用能單位開展空調係統能效提升改造，為低阻過濾器推廣應用提供政策支持。
（三）學術研究成果
- 清華大學王寶民教授團隊（2023）通過CFD模擬發現，采用低阻ULPA可使FFU係統總能耗降低21.6%，且氣流均勻性提升15%（《暖通空調》，Vol.53, No.4）。
- 韓國KAIST研究人員Kim et al.（2022）開發出石墨烯摻雜納米纖維濾材，在保持99.999%效率下將阻力降至150Pa以下（《Nano Letters》, DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c01234）。
- 日本Nikka Engineering公司實測數據顯示，其新型折疊式低阻過濾器在連續運行18個月後，效率衰減小於0.5%，遠優於傳統產品（《Cleanroom Technology Japan》, 2023 Issue 3）。
七、經濟性與生命周期成本分析
以一座年產20萬片12英寸晶圓的Fab為例，對比傳統ULPA與低阻ULPA的全生命周期成本（LCC）：
| 成本項目 | 傳統ULPA（阻力280Pa） | 低阻ULPA（阻力175Pa） | 差額 |
|---|---|---|---|
| 設備采購成本（萬元） | 8,500 | 9,200 | +700 |
| 年電力消耗（萬kWh） | 4,800 | 3,600 | -1,200 |
| 年電費（元/kWh=0.8） | 3,840萬 | 2,880萬 | -960萬 |
| 更換人工與停機損失 | 600萬/年 | 400萬/年 | -200萬 |
| 壽命周期（年） | 15 | 15 | — |
| 總LCC（15年） | ≈7.11億元 | ≈5.85億元 | 節約1.26億元 |
計算假設：係統風量1.2 million m³/h，風機效率75%，年運行8,000小時
由此可見，盡管初期投資略高，但低阻高效過濾器憑借顯著的節能效益和運維成本節約，在中長期運營中展現出強大經濟優勢。
參考文獻
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