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半导体无尘室高效过滤器能源节约之可行方法
资料来源:广州启绿空气净化设备有限公司   日期:2010-10-13   人气:   标签:
 半导体无尘室高效过滤器能源节约之可行方法,在分析半导体无尘室之能源消耗的同时必须了解,  无尘室由于其技术包含甚广,故有非常多的发挥空间,一个无尘室从构想到验收乃至于实际产品生产,其中牵涉到的不仅是"工程"领域,也涉及"艺术"的成份,如同一建筑物的完成,半导体无尘室高效过滤器能源节约之可行方法若以纯"设备"的观点来看它,则不能有很好的结果,吾人宁以艺术,美学的角度来审视一无尘室这样的作品,无尘室是一非常耗能之建筑物,其间的省能空间非常多,有朝一日,无尘室能有如一般建筑物之耗能水平,则为吾人目标之达成,此处提出之可省能方案只为冰山之一角,更多省能方案的发掘,有待尔后先进及吾人之共同努力。

一般工作区分为1fabrication区,即一般所谓fab区,2assembly区和test区。通常各区之清净及要求等级会不同,而其无尘室之构造也会不同,如同一所示的A.H.U系统通常配合乱流型无尘室作为Assembly或Test区,其无尘室之设计采乱流型者,ceiling并非布满filter,filter的面积和ceiling面积比必须达到一定值才能确保清净度,而且为了气流分布的关系,filter的出口通常会加装diffuser,以加强filter出风空气的扩散面积。至于fab区,无尘室目前较普通的设置有三种,即OPEN BAY SYSTEM,FAN-FILTER UNIT STSTEM及FAN-MODULESYSTEM其简图分别如图二、三、四所示。通常FAB区的无尘室型式之选定必须考虑生产、维修、使用年限及初期投资能源消耗等因素,而必须作周全的考虑,上述三种型式各有其优缺点,其抉择须多方考虑,最佳方案的确定目前尚无定论,研究仍需进行,目前一般认为FAN-FILTER UNIT SYSTEM及FAN-MODULE SYSTEM较OPEN-BAY SYSTEM有较大的省能空间。

  说明半导体无尘室省能可行方法前,先简述半导体无尘室之型式与负荷特征。半导体无尘室之最主要负荷为空调负荷,而其负荷又分室内及室外负荷,室内负荷如下:
A.室内负荷:
(a)人员(显热=6Okcal/h.人,潜热=5Okcal/h.人)
(b)灯光:30W/㎡(在黄光区此值应取较大约1.5倍的值)
(c)机器负荷:
输入功率X负荷系数 冷却循环水负荷=循环水流量X水温差(此处温差约为5℃左右) 排气负荷=排气量X排气温差,此处排气温差可分为三类:1酸气,有机气体或紧急排气的排气温差一般为5℃,2不可燃气体的排气温差为1O℃左右,3机台的产生高温机械其排气装置的排气温差为2O℃左右。 (d)送风机的热负荷:输入功率X负荷系数:
B.室外负荷:
  外气输入量X室内外空气之焓值差,此处外气输入量包含排气量加上人员换气及维持正压需要量。
 就半导体无尘室之负荷特征而言,不论上述三种FAB区之无尘室型式为何,其HVAC的热负荷都较一般建筑高出甚多,这其中经由建筑物之穿透负荷,人员及灯光等负荷和一般办公室并无太大差别,唯外气负荷、机器负荷及送风机负荷却占所有HVAC负荷的90%以上,而这部份当中外气负荷居然占了45~45%以上(见参考数据[l])。
  可见经由外气负荷的减少确实有很大的省能空间。Sohn等人[1]的研究显示,对同样面积的场所而言,fab区的能源消耗较assembly区及test区高出4~5倍左右,又10~30%的无尘室供风(SUPPLY AIR)经由机台的排风浪费掉,由此可见经由改善fab区之机台排风有非常大的省能效果,非常不幸的一般的排风都有非常毒的成份,要将排风作再利用,必须有非常贵的投资,目前国内排风再利用的情形非常少。以下将再针对半导体无尘室之可能省能方法作详细逐条说明:
A.针对送风系统省能之道(Air Side部份)
1.最佳外气导入量之控制与确定
  无尘室中,如前所述,外气负荷量最大的因素,要求在外气导入时,除能确保排气之顺畅及室内正压外,也须能按排气之变动以增减外气的引进量。半导体无尘室高效过滤器能源节约之可行方法外气导入量的控制机构以计算机和生产机台联机及室内正压之控制以决定外气导入量,俾能作最佳控制。另外室内生产机台装置的负荷之实际运转率也要能够确定,输入生产装置之电力(或气体)能源,其大部份经由排气及冷却水排出系统之外,或转化成制品的一部份,造成之空调负荷一般为输入能源值的20%~30%左右。装置运转后测定实际输入电力及气体量作为下次设计时之参考,期能达最佳之目的。
2.降低下吹气流之速度
  全面降低生产及维修区之下吹风速,可以大辐减少气体传送及空调之所需动力,但是降低下吹气流之速度却必须担负可能的后果包括1对乱流式无尘室而言,干净空气的量不够,整体稀释能力不足(dilution capacity reduced)2.抑止热性气流上升能力之不足,此点对高热负荷之半导体生产设备尤其重要,Thermophoretic effect造成的Particle问题可能会产生,一般相信下吹气流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止热性的上升气流[2],3可能造成局部粒子交叉污染(cross contamination),目前绝大部份的半导体生产设备都设计成在0.35~0.4Om/s之下吹气流下工作,局部区域(如维修区可设计成0.25m/s之环境),大胆地将生产区之下吹气流降至0.3m/s以下仍在field test阶段,1993年IBM的研究[3]显示在将下吹气流由0.45m/s降0.32m/s的生产工厂环境,其芯片上particle deposition velocity为0.003m/s左右,仍在文献记载及实验室理论容许之范围内,而且发现虽然测试中发现环境较多的污染粒子,但和生产工具本身及生产过程等可能污染的机会来讲仍是很低的。基于上述发现IBM决定将其VLSI之生产环境由0.45m/s之下吹气流速度降至0.32m/s。当然由于上述的动作,一联串之配合措施仍需进行,而其可能的回报为预期将有100万美元的运转成本之降低。
3.清净度面积及清净等级之最佳设定
  高清净度之要求会导致高捕捉效率、超高效率滤网之大量使用,从而使整个无尘室之搬运动力之要求增加,HEPA和ULPA的使用则会使送风机所需静压产生明显的不同,半导体无尘室高效过滤器能源节约之可行方法目前有越来越多的生产机器设备以微环境(mini-environment)之观念来设计,这种机器之使用可以有效降低对所生产环境清净度等级及面积之要求,以往要在FS class l生产之设备,可以轻易在class 100的环境中作业即可,唯mini-environment机器的先期投资和生产维护可能较传统机器设备贵。另外,对于清净面积之规划亦为重要措施,有效的生产动线规划可以使所需清净面积大为降低。
  从空调循环风量之多少应可以令人更容易了解清净度等级和空调耗能之关系,一般维持清净及等级所需之空气循环次数如表一所示:

清净度
循环次数(次/h)

100,000级
10,000级
1,000级
15-25
25-35
40-60

100级
10级
1级
200-500
500-700
700以上


  由上表可知class 10级和class 1000级其所需循环次数相差在10倍左右,其空调空气输送所需之动力差由此可知,根据Rakocey[4]之研究,以class 1000之无尘室为基准,同样面积的全面层流式无尘室若为100级者,其造价为1万级之20-30倍,若为1级者则为30-50倍。目前由于filter捕捉效率之提升和filter出口扩散器的良好设计,可以不用全面层流之方式(由乱流式无尘室之仔细设计)即可达到class l00之水平(As Built状态测试)。
4.Clean Bench和Air Curtain之运用
  将清净区域围住,藉此可以节省大量之循环风量,Air Curtain及Clean Bench之使用和Mini-Emvironment之观念相同,唯Clean Bench和Air Curtain是指对clean room周围区域之隔绝,而Mini-Environment是指对生产机台之空气隔绝。Air Curtain之使用可以在非常低的投资下作到人员和机械之隔绝,有效降低人员可能造成对芯片之污染。唯Air Curtain之高度决定仍需作现场测试方能有效达到隔阻之目标,若设计不良可能反而有不良之效果。
5.室内温湿度的最佳设计
  目前台湾半导体无尘室黄光区,温度变动范围在0.2℃,湿度变动范围在2%都有办法办到(此处的数据是在As-Built,状态的实例结果,唯目前的高水平要求是否真的需要,通常黄光区的要求对温湿度的要求是最严格的,要求高精度之温湿度控制将会对能源的利用率降低。目前为因应作业员之要求,设计温度有愈来愈低之趋势。但有一点必须注意的是:若室内的露点温度低于1O℃以下时,冷水大温差系统则不大能够使用,减少了一可能之省能方法。
6.低温送风之采用
  若吹出和吸入之温差大(通常设计温差为1O℃以内)则可以有效削减送风量,从而减少送风机之耗能。在考虑低温送风时必须注意,出风绝对不能有结露的情况发生,由于不能有结露情况产生,故Clean Room之盐管设计都属于所谓的干盘管设计,理论上储冰系统能供应较低温度的送风,唯参考台湾目前半导体无尘室大多为24小时运转,储冰系统转移尖峰用电的优点亦无从发挥,故台湾目前半导体无尘室装设储冰系统并不多。另外采用冰水大温差系统可以减少高风量的需求,吸收式冰水机为一不错的选择。在日本,由于电价甚贵,故有很多的半导体无尘室采用吸收式冰水主机。
7.风管系统泄漏量之减低化
  无尘室之风管系统由于输送大量之供风,管内压力甚大,故一点之泄漏即可能造成很大的风量减少,故风管泄漏必须彻底防止,对于AHU和OPEN BAY型式的无尘室,由于天花板以上较之Clean Roon内为正压,若天花板上一旦风管有大量泄漏,即可能造成压力更高,从而使空气不经filter,而直接泄入无尘室内,造成清净度降低,故风管之泄漏宜避免。无实施密封(SEAL)之风管其泄漏量约为总送风量的5~10%左右。
8.低压损filter之使用
  目前已有所谓低压损HEPA filter的产品,其压损为标准HEPA filter的50%左右。而低压损ULPA,其值为75%左右。一般filter,不论HEPA或ULPA在经久用后,其压损会变大,虽然捕捉效率仍佳,唯压损已较原始值高出甚多,此时可能对风量的确保会有问题,不可不慎。另外同一批filter也有可能所使用的滤材不同或贮存期间不同而有明显的不同压损,此时新建的无尘室系统即可能在filter下测到不同的风速值。
9.风扇最高效率运转点之选定
  一般A.H.U及OPEN BAY系统都使用Axial Fan,而FAN-FILTER UNIT(FFU)及FAN-MODULE-UNITE(FMU)则可能选用涡卷或离心扇。通常设计都将全系统空气压损设计得很大,因此亦选用超大的风扇,以确保静压及风量能够达到,此时即可能造成风扇大部运转都在超大风压及风量之下运转,造成很大的动力虚掷,精确地估算风压损,使风扇在最高效率下运转,是无尘室省能之第一步。而精确预估压损则必须对各风扇会造成压损增高的部份,作精确风压之估算。固定空气压损包括: A.空调盘管之压损,有加热制冷及加湿之各种盘管之压损,
B.风管回路内压损,
C.filter压损,
D.吸入口各类阀的压损。
必须注意若Clean Room内机台摆设太多太密亦会造成压损增加,这点在半导体景气时机台大量置入更可能造成压损遽增,设计时直预留这部份的裕度,另外,循环风扇最好与空调风扇并列使用。因为串联时,会造成风量平衡的困扰,而有噪音与经济上的问题。
10.高温排气再利用
  无尘室的排气中常含有有毒气体,且主要为显热交换,故通常不能用来作为回气空气。以下针对全热交换轮之可行方案作一番探讨。如图五为排气直接再利用系统。虽然有些排气和无尘室内之空气成份相差无几,但本系统之先决条件为排气是无毒的,才可进行。当排气温度高于32℃时,由于会造成回风cooilng coi1之高热负荷,此时,本系统则无省能功效,图六为全年排气经全热交换器之再热回收系统。考虑全年运转的无尘室,在冬天天气较冷时,由于室内温度高于室外温度甚多,此时可利用全热交换轮将高温排气的热作为OA之预热。故本系统和图五之系统可说互补的,图五之系统在夏季时可作为循环空气之补充,减低OA之需要量,而图六的系统则可以在冬季作OA之预热。图七为全热交换器ON-OFF Control系统,可随时Control全热交换器之启动和旁路。
B.水及冷媒侧
1.废热应用之冷冻机
  吸收式冰水机,则可利用附近工厂或设施之高压蒸汽作为热源,以驱动吸收式之工作流体循环,可供给一般冰水机之冰水条件至各空调机,及温水提供再热控制,又将高压蒸汽减压(表压)则可作为加湿器之用。
2.蒸汽冷碍水的热回收
  利用热管将热回收,或作为Boiler补给水之预热。
3.储冰系统及废热回收之应用
  储冰系统可利用夜间储存冷能,于白天释出以提供空调所需,减少热负荷的尖峰负载,以减少电力契约容量及尖峰用电电费,储冰系统之主机亦可将冷凝散热之冷却水回收作为锅炉之热水预热。或直接提供温水作其它用途之应用,如图八。

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4.高效率冷冻机与Boiler之应用
  Turbo型冷冻机其能源利用效率如下:
标准型 0.8-0.9  KW/RT
省能型 0.62-0.68 KW/RT
商式Boiler:标准型:效率 80%
省能型:效率 92%
  由于目前国内半导厂大多以大量生产为主,产量之提高及良率之提升为主要目标,对于省能之工作较为忽略,对于水侧的省能潜力更不敢轻易尝试,深怕影响生产,这点在营运效率上宜特别注意。

结论
  全面降低生产及维修区之下吹风速,可以大辐减少气体传送及空调之所需动力,但是降低下吹气流之速度却必须担负可能的后果包括1对乱流式无尘室而言,干净空气的量不够,整体稀释能力不足(dilution capacity reduced)2.抑止热性气流上升能力之不足,此点对高热负荷之半导体生产设备尤其重要,Thermophoretic effect造成的Particle问题可能会产生,一般相信下吹气流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止热性的上升气流[2],3可能造成局部粒子交叉污染(cross contamination),目前绝大部份的半导体生产设备都设计成在0.35~0.4Om/s之下吹气流下工作,局部区域(如维修区可设计成0.25m/s之环境),大胆地将生产区之下吹气流降至0.3m/s以下仍在field test阶段,1993年IBM的研究[3]显示在将下吹气流由0.45m/s降0.32m/s的生产工厂环境,其芯片上particle deposition velocity为0.003m/s左右,仍在文献记载及实验室理论容许之范围内,而且发现虽然测试中发现环境较多的污染粒子,但和生产工具本身及生产过程等可能污染的机会来讲仍是很低的。基于上述发现IBM决定将其VLSI之生产环境由0.45m/s之下吹气流速度降至0.32m/s。当然由于上述的动作,一联串之配合措施仍需进行,而其可能的回报为预期将有100万美元的运转成本之降低。

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