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集成电路芯片工业洁净厂房洁净室设计建设分析

发布时间:2022-02-21
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       随着芯片技术的发展,晶圆尺寸已由3英寸逐步发展到12英寸,且仍在往更大尺寸努力推进。制程工艺早已从原来的微米级提升到了纳米级,最先进的工艺甚至已经达到5nm,越发靠近原子之间的间距(约0.5nm)。随着工艺要求越来越严苛,对工厂建设要求也不断提高。

集成电路洁净车间

       集成电路芯片工厂对生产环境的温度、湿度、洁净度、防微振等均有着严格的控制要求,且各种配套系统繁多复杂。因此集成电路芯片工厂的设计也被业内公认为电子行业洁净工程设计的皇冠。近几年,合景净化工程公司EPC承建了多个集成电路芯片工厂项目。本文以“某12英寸集成电路芯片工厂”为例,通过建筑布局和建筑消防两个方面对于此类工厂建筑设计的要点进行探讨。业内的Semiconductors通常将集成电路芯片生产工厂称为Fab工厂(Fabrication Plant,Fab)。

1 Fab建筑布局

       本文首先从Fab工厂的建筑布局开始探讨,并从“竖向”和“水平”两个维度进行分析。

1.1 竖向布置

       通过多年的实践总结,目前国内已建的12英寸Fab工厂基本均采用四层结构,从上至下分别为:上技术夹层,洁净生产层,洁净下技术夹层和非洁净下技术夹层。本项目对生产环境的温湿度控制要求很高(温度控制在22℃±1℃,相对湿度控制在43%±3%),生产大环境的空气洁净等级为千级(ISO6级),光刻等特殊区域的空气净化等级十级(IS04级)。规范要求空气净化等级(ISO1-4级)的净化室应采用垂直层流。

       本项目洁净室全部采用垂直层流即:上技术夹层(送风静压箱)中的空气通过FFU(风机过滤机组)输送至洁净生产层,气流通过高架地板及华夫板孔洞送至洁净下技术夹层,再经过回风夹道中的DCC(干冷盘管)回到上技术夹层,循环往复。Fab工厂这种特有的三层结构保证了洁净空气气流的均匀性和稳定性。底层的非洁净技术夹层用于设置原材料库房(中间仓库)、成品库房(中间仓库),纯水终端间以及SB支持区域;因此,从竖向布置来看,Fab工厂的各层职责分工明确,为创造高级别的洁净环境奠定了良好的基础。

1.2 平面布置

       本文认为Fab工厂的平面布置重点首先是确定柱网尺寸,其次是确定“SB支持区”和“新风机房”区域的位置。

1.2.1 底层柱网的确定

       工艺生产需要大空间,而微振控制需要结构有较大的刚度(本项目防微振等级为VC-E)。因此本工厂的洁净生产层楼面以上采用大柱网,生产层楼面以下的两个技术夹层均采用小柱网。此外,规范亦要求Fab工厂的柱网尺寸宜为600mm的模数,以便后期各种标准构件(如:高架地板)的安装。

       总结近年国内已建多个12英寸Fab工厂柱网的常用尺寸为:7.2m×7.2m,6.0m×6.0m,4.8m×4.8m;柱网越小建筑刚度越大,对于抗微振越有利,但对于主体结构的抗震不利,且空间的利用率也随之降低。综合考虑上述因素,并结合多次防微振测试及结构专业的有限元计算分析,最终选择了6.0m×6.0m的柱网。此柱网尺寸,不仅较好地满足各功能用房的布置,且完美兼顾解决了防微振和结构抗震的矛盾。

1.2.2 SB支持区的布置

       SB支持区是Fab工厂的重要支持服务区,主要用于大宗气体、特气、酸类、碱类、有机化类等化学品的存放、分配与收集,方案初期考虑布置方式如图2所示的3种方式。

       Fab工厂会使用大量的易燃易爆、毒性化学品,且种类繁多。不同类别或同种类别但相互禁忌的化学品均应分开存放。此外,根据规范要求甲乙类气体、危险化学品,甚至惰性气体的存放和分配间应靠外墙布置,且酸性,碱性,有机类化学品存放收集间相对应的室外还应预留足够的槽罐车装卸场地面积。

       (1)方式1,SB区域沿建筑物的短边布置,没有足够的外墙长度,难以满足所有需靠外墙布置房间的建设需求。

       (2)方式2,虽有足够的外墙长度,但净深度的尺寸不足。经过研究,并且综合了方式1、方式2的优缺点。

       (3)最终形成了方式3,很好地满足了本项目的所有建设需求。

集成电路洁净车间 合景净化工程公司

集成电路洁净车间 合景净化工程公司

1.2.3 新风机房的布置

       新风机房通常设置在Fab工厂的屋面,常见的设置方式有图3所示的3种方式。

       (1)方式1,新风机房设置在建筑物长边的一端,新风送风距离最长,适用于产能小,建筑体量小的芯片工厂。

       (2)方式2,新风机房设置在建筑物短边的两侧,每侧的机房负担邻近区域的空调负荷,送风距离最短。但因空调机房高于大屋面,导致中间屋顶区域排水被阻,造成一定的漏水隐患;此外较高的两侧机房对于外观的设计也带来一定的困难。

       (3)方式3,新风机房设置在建筑物的中央,处理后的新风可直接送至下方的上技术夹层(送风静压箱)内。中间高,两侧低的布局既有利于屋顶排水的通畅,更能较好地控制女儿墙的高度。

       通过比选,本项目最终选择了方式3。但值得注意的是:此类布置,新风机房的底部会减少下方上技术夹层(静压箱)的高度。为了确保空气气流的平稳运行及日后FFU日常维护,必须保证一定的净高,笔者建议的最小净高为1.5m。

2 建筑消防

       消防设计Fab工厂设计的另一难点,只有做好消防设计才能确保人员和生产的安全。

2.1 火灾危险性分类的确定

       Fab工厂会使用大量的甲乙类特气和危险化学品,早期大家对于此类工厂的火灾危险性分类的理解各不相同。现有《硅集成电路芯片工厂设计规范》中5.3.1条明确:“硅集成电路芯片厂房的火灾危险性分类应为丙类,耐火等级不应低于二级”。规范的发行使各部门(设计单位、政府职能部门、图纸审查机构等)对此问题达成了良好的共识。

2.2 防火分区设计

       Fab工厂的二层、三层、四层在空间上是连通的,防火分区的面积远超《建筑设计防火规范》的相应规定。《硅集成电路芯片工厂设计规范》5.3.3条规定:“洁净区的上技术夹层、下技术夹层和洁净生产层,当按其构造特点和用途作为同一防火分区时,上、下技术夹层的面积可不计入防火分区的建筑面积,但应分别采取相应消防措施”。

       《电子工业洁净厂房设计规范》中明确“丙类生产的电子工业洁净厂房的洁净室(区),在关键生产设备设有火灾报警和灭火装置以及回风气流中设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏度早期火灾报警系统后,其每个防火分区的最大允许建筑面积可按生产工艺要求确定”。

       综上所述,本项目按规范要求采取了所有的消防安全措施,故将生产层与其上、下技术夹层合并为同一防火分区。上下技术夹层不计入防火分区的建筑面积,但是计入建筑物的建筑面积。

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2.3 防泄爆设计

       Fab工厂会使用到可燃、有毒气体以及甲乙类化学品,例如:氢气(H2)、硅烷(SiH4)、砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)、丙酮、异丙醇、氢氟酸等。根据《建筑设计防火规范》的要求,此类房间需要考虑防泄爆措施。因此,本项目将此类房间集中靠外墙设置,并将该区域设成独立的防火分区,与其他功能区域采用防火、防爆墙体隔离,联通处采用门斗形式。

       不同类别或同种类别但相互禁忌的化学品均亦应分开存放,各存放区之间用防火墙隔开。有防爆要求的每个隔间均设有独立对外的安全出口,邻近疏散口的间距大于5m。

       房间外墙均需采用小于60kg/m2轻质材料作为泄爆墙,同时这些房间的外墙应保证离开厂区次要道路5m及以上,厂区主要道路10m及以上。

       泄爆面积应通过计算获得,不同化学品的泄爆面积相差很大,现以“硅烷”的泄爆面积计算为例进行计算。

       实际泄爆面积A1计算为式(1)。

A1=10×3.375+93.7-8×0.8=121.05 m2

满足规范最小泄爆面积A2为式(2)。

A2=10CV2/3

其中,V 厂房容积(m3)C,泄压比m2/m3(硅烷取值 0.11)。

10×0.11×(100×4.5)2/3=64.6m2 (3)

A1>A2 结论:实际泄爆面积满足规范要求。

2.4 专用消防口的设置

       《建筑设计防火规范》7.2.4、7.2.5条规定:“厂房的外墙应在每层适当位置设置可供消防救援人员进入的窗口,且窗口间距不宜大于20m”。但是《洁净厂房设计规范》5.2.10条规定:“洁净厂房同层洁净室(区)外墙应设可供消防人员通往厂房洁净室(区)的门窗,其门窗洞口间距大于80m时,应再该段外墙的适当位置专用消防口”。两本规范对专用消防口的设置间距要求不一致。

       本项目所在地的消防部门并不认可按80m的间距设置,理由是《建筑设计防火规范》最新版的发行时间更新。

       Fab工厂的室内环境洁净度、温湿度控制要求高。窗户的密闭性和隔热性能均无法与实体墙体相比,阳光辐射透过外窗进入室内会直接造成局部区域温度波动,无法满足环境控制要求,严重时甚至导致产品良品率的下降。

       本文认为工业建筑在保障人员安全的同时,亦应充分尊重工艺布置及其环境控制要求。经过多方专家论证及与消防部门多次沟通,最后消防部门同意:“洁净层按40m间距设置专用消防口,其他楼层按《建筑设计防火规范》严格执行。

       本工厂沿外墙设置回风夹道,消防救援人员从消防口进入建筑物后需穿越竖井才能到达洁净室。为确保救援人员可以安全、迅速到达火情发生点,本项目在回风夹道上设置了联系通道,该通道的楼板满足耐火极限1.5h。

       Fab电子工厂的建筑设计极其复杂,由于篇幅有限不能面面俱到。上述内容仅为本文的一些经验之谈。

参考文献

[1] GB50016-2014 建筑设计防火规范[M].北京:中国计划出版社,2014.

[2] GB50809-2012 硅集成电路芯片工厂设计规范[M].北京:中国计划出版社,2012.

[3] GB50073-2013 洁净厂房设计规范[M].北京:中国计划出版社,2013.

[4] GB50472-2008 电子工业洁净厂房设计规范[M].北京:中国计划出版社,2008.

[5] GB51370-2019 薄膜太阳能电池工厂设计标准[M].北京:中国计划出版社,2019.