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半导体芯片洁净厂房净化车间空调设计

发布时间:2022-12-12
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工程概况

该项目位于江苏省,是第三代半导体氮化镓功率放大器芯片生产厂房。设计生产能力每月为5003寸晶圆(年产6 000,并在此基础上,具有氮化镓功率芯片系列产品的生产能力。

主厂房包括生产厂房和办公楼,中间通过连廊连接,占地面积8 849 m2, 建筑面积12087 m2, 生产厂房面积7153.1 m2;分两期建设,目前设计、建设为一期。一期建设范围包括生产厂房及相应的动力站房、辅助设施;一期工艺核心生产区面积及净化空调面积均为17676 m2,为二期发展预留947.5m2的工艺生产区及相应的动力站房;配套辅助建筑包括废水处理站、柴油发电机房、消防水泵房及水池、气站等,面积为1436 m2

该厂房为单层结构形式,分为下技术夹层、生产层、静压箱层、管道层,如图所示。下技术夹层是动力管线层,兼作生产区的回风层。生产设备层布置工艺生产设备,该层与下夹层之间安装开孑L活动地板,以满足送风、回风要求;顶棚安装风机过滤器单元( FFU),以满足生产层净化要求;分为洁净室、灰区,其中洁净室层高3.2m,灰区层高5.6 m,洁净室周边的灰区兼作回风夹道用,干盘管设于灰区与白区隔墙的吊顶上方,立式安装。静压箱层主要用作送回风静压箱,新风送至上技术夹层,洁净室回风经下技术层、灰区、干盘管回至静压箱层,与新风混合后经FFU送至洁净室。管道层布置动力管道、风管桥架等管线。

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艺简介

生产工艺流程:根据氮化镓微波芯片生产线的加工特点,工艺生产区设备布置采取港湾式,根据工艺加工性质设置各功能区,包括操作区、灰区、支持区等。生产区由金属有机气相沉积( MOCVD) 区、前道区及后道区三部分组成,如图2所示。

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内设蒸镀、光刻、刻蚀、剥离、化学气相沉积( CVD) 、离子注入、蒸发等工艺区。灰区用金属壁板与操作区隔离开。生产所需的配套设备分散布置于相应的功能灰区内。生产支持区包含减薄、检测、封装、测试等工序。该工程净化室主要净化级别为ISO 4.5洁净等级100,控制粒径0.3μmISO 6.5(洁净等级10 000,控制粒径0.5μmISO 7.5(洁净等级100 000,控制粒径0.5μm)。洁净室设计参数见表1

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化空调系统

净化空调系统采用FFU+干冷却盘管+集中新风机组的形式。回风经架空地板至下技术夹层,经过侧面的灰区回风夹道)后被置于静压箱层的干冷却盘管冷却降温后进入静压箱,与处理后的新风混合后,由FFU送入生产洁净区,气流组织均为垂直单向流。

1空调负荷计算

该工程为半导体厂房,工艺净化房间均位于内区,且有上下技术夹层,所以围护结构负荷很小,并且冬夏季基本没有变化。另外,工艺生产区工艺设备较多、发热量大,全年均处于制冷工况,所以室内散热主要包括工艺设备、照明、人员、FFU设备散热。同时需考虑工艺冷却循环水带走的热量及新风所承担的负荷,确定最终室内负荷。

2净化风量确定及FFU和干盘管布置

根据GB 50472- - 2008《电子工业洁净厂房设计规范》中对洁净室内送风量的要求,分别计算各房间净化风量和负荷风量:洁净级别为4.5级的洁净室送风断面风速为0.33 ms; 65级的洁净室换气次数为25 h-17.5级的洁净室换气次数为15h-1 设计采用1200 mmX600mmFFU4.5级的洁净室过滤器效率为U15,其余过滤器效率为H14。同时考虑到龙骨的安装,白区平面尺寸需符合1200 mmX 600 mm模数。考虑到该厂房对净化有严格控制要求, 35%的FFU采用应急电源,在非正常停电时保证房间一定的洁净度。

FFU选型需考虑机外余压可克服干表冷盘管的阻力, FFU风速可调, 采用低噪声风机, FFU的噪声不应高于A声级50 dB

由于下技术夹层高度只1 m,所以干盘管设于灰区与白区隔墙的吊顶上方。干盘管选型时需考虑配积水盘,流经干盘管的空气流速应不大于2.5 ms,管内水流速应为2.13.0 ms

3灰区回风

该工程主要生产区通过灰区回风,不需另外设置回风夹道,节省了建筑空问和投资,同时灰区也可以保证一定的温湿度。采用铝合金防静电架空地板,开孔率为30%,分为有气阀、无气阀2种,设气阀的地板气阀可调节开孔率为030%。通过调节架空地板的气阀,调节回风量,实现房间正压。

4新风量的确定及新风处理

4.1新风量的确定

新风空调系统用于补偿洁净室排风量酸、碱、有机一般排风等)和维持洁净室正压所造成的渗漏风量,同时需满足人员卫生需求。一期设计2台新风机组,一用一备,采用应急电源,送风管采用共同母管;维修或故障时,关闭故障新风机组,开启另外1台新风空调机组, 以满足系统63 000 m3h的新风要求。由于半导体厂房室内散湿量小,所以新风处理到室内空气状态点的机器露点,主要承担新风的热湿负荷和洁净室内的全部湿负荷;干盘管主要承担洁净室内显热负荷。洁净室内的洁净度由FFU保证。

4.2新风处理过程

为了延长FFU的使用寿命,新风空调机组设置了粗效过滤器、化学过滤器、中效过滤器、亚高效过滤器。夏季,采用冷水对新风进行冷却去湿处理,通过13℃/17℃冷水两通调节阀控制一级表冷器出风温度,通过6℃/11℃冷水两通调节阀控制二级表冷器的露点温度; 冬季,一级加热段将新风加热到某一温度,使加热后的新风能够有效加湿。采用蒸汽加湿系统进行等温加湿。图3为新风机组段示意图。

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由于机组风量较大,新风处理比焓差很大,并且考虑两级表冷器能够互换,因此将表冷段分为两段:一级表冷器冷水温度为13℃/17℃,二级表冷器冷水温度为6℃/11℃;一级表冷器主要承担降温功能,二级表冷器主要承担除湿功能。加热段分为两段,加热段热水温度为38℃/32℃,二级加热段置于风机段后,保持新风机组出口温度为恒定值,不受风机温升的影响,以保证房间温湿度的精度。如果夏季湿度过大, 除湿后温度过低,可使用二级加热段再热。该工程采用蒸汽加湿,根据业主要求,为了使加湿蒸汽更洁净、保证室内洁净度,增加洁净蒸汽发生器并且将凝结水回收至动力站。

由于半导体净化间部分生产区对某些气体较敏感, 比如黄光区光阻液对NH。特别敏感,可造成化学放大效应,使晶片线路缺陷、晶片关键尺寸线径宽度偏差、降低产品合格率。根据生产工艺需要设置相应化学过滤器。

4.3新风处理焓湿图(见图4)

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4.4冷热源及加湿

新风机组一级表冷器、干盘管中为中温冷水,温度为13℃/17℃,冷负荷为2700 kw,选用中温冷水机组2台,单台容量1653kW,其中水冷螺杆式热回收冷水机组1台, 热水供/回水温度为38℃/32℃,可用于夏季再热。新风机组二级表冷器中为低温冷水,温度为6℃/ 11℃,冷负荷为620kW,选用低温冷水机组1台,单台容量633 kw

热水锅炉房设置2台制热量为930 kW的真空热水锅炉内置换热器), 主燃料为天然气, 备用燃料为轻柴油,热水供/回水温度为3832℃。

蒸汽加湿,设置2台蒸发量为0.6 th的蒸汽锅炉,主燃料为天然气,备用燃料为轻柴油, 额定蒸发压力为0.7 MPa

自控系统

1温度控制

净化区室内温度由吊顶内干盘管控制,通过室内温度传感器调节静压箱内相应区域干表冷盘管回水管上的电动两通阀的开度,使洁净室的温度保持在控制范围内。

新风送风采用定温度控制,通过空调机组出风主管的温度传感器,调节空调机组冷热盘管的电动两通阀,温度维持在机器露点温度。夏季,开启一、二级表冷器及再热段再热段是因为夏季除湿使温度过低,需要再热);冬季,开启加热段及加湿器。新风出风温度设定值可以根据室内负荷情况进行调整。

2湿度控制

该工程洁净室内散湿量很少,湿负荷可忽略不计。通过控制新风的含湿量来调节房间内相

对湿度以达到设定要求,新风的控制送风点为机器露点。夏季,通过空调机组出风主管的露点传感器,调节二级表冷器回水管上的电动两通阀的开度,使送风温度维持在机器露点温度; 冬季,通过空调机组出风主管的露点传感器,调节蒸汽加湿器的电动两通阀的开度,调整新风送风参数。

3压差控制

GB 50472- - 2008<( 电子工业洁净厂房设计规范》 中要求洁净室与周围的空间必须保持一定的静压差,确保洁净室的正常工作状态,或空气平衡暂时受到破坏时,洁净室内空气洁净度不会受到污染空气的干扰。压差风量一般采用换气次数法确定,为保证各洁净房间的压差, 各净化间均安装压差传感器,通过房间内的压差传感器调节相应房间新风支管路上的电动风阀。同时,在新风总管处设置压力传感器,通过风管处压力传感器控制风机变频,实现送风量调节,以补偿工艺排风量变化和正压渗漏风量变化。同时,由于下技术夹层相通,为了保持室内正压要求,需通过调节架空地板的气阀调整开孔率。

节能措施

该工程的节能措施有:1) 净化空调系统设有温度、湿度、压力自动控制;2) 新风机组采用变频风机,可根据实际工艺排风及压差渗透调节风机频率;3) 空调风管及冷热水管等采取保温措施,降低能量损失;4) 工艺排风采用变频风机,根据实际运行情况调节风机频率; 5) 空调房间围护结构采取保温措施及严密性处理,降低能量损失;6) 选用能耗低、效率高的设备;7) 工艺平面布置划分灰区和白区,使发热设备尽量布置在灰区,保证净化间的温度精度。

结语

该工程已投入使用,并且运行良好,本文仅对净化空调系统进行了介绍,在实际工程中还应综合考虑排风、动力站等整体的经济性和适用性。同时化学过滤器使用等问题还值得继续探讨。