摘要 結(jié)合實例, 介紹了晶圓潔凈車間的凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計原則 、氣流組織形式、空氣處理過程, 并討論了其空調(diào)系統(tǒng)的自控問題。

該工程位于遼寧沈陽出口加工區(qū)內(nèi), 是集科研開發(fā) 、生產(chǎn)制造為一體的專業(yè) SOI 晶圓生產(chǎn)廠房。其工藝流程為:原材料 SOI 晶圓片經(jīng)氧化、離子注入、鍵合、切割 、退火 、拋光等工序后成品出廠 。該項目主要生產(chǎn)廠房面積為 6 100 m 2 , 生產(chǎn)配套輔助建筑(含廢水處理站、特種氣體站 、柴油發(fā)電機房等)面積為 800 m 2 。其中潔凈室面積約為 1 600m2(一期), 2014 年 10 月試投產(chǎn), 用于工業(yè)化生產(chǎn)10 .16 ～ 20 .32 cm(4 ～ 8 in)SO I 晶圓。廠房區(qū)劃圖見圖 1 。該潔凈室潔凈級別主要為 ISO 4 .5 級和 ISO 5 .5 級,局部為 ISO 2 .5 級。室內(nèi)主要設(shè)計參數(shù)見表 1 。

 

圖 1 廠房平面區(qū)劃示意

根據(jù)建設(shè)方的要求, 除了滿足生產(chǎn)廠房工藝的凈化空調(diào)參數(shù)要求以外, 設(shè)計時還必須考慮到工藝設(shè)備不是一次安裝就位, 而是陸續(xù)投入運行;且平時生產(chǎn)中, 排風(fēng)設(shè)備根據(jù)需要運行, 房間內(nèi)排風(fēng)量是變化的 ;工藝設(shè)備的開啟與關(guān)閉會帶來房間內(nèi)散熱量的變化。設(shè)計中應(yīng)采取相應(yīng)的控制措施確保各凈化空調(diào)參數(shù)滿足要求。

該工程除凈化空調(diào)系統(tǒng)外, 還涉及酸堿排風(fēng)處理系統(tǒng), 氫氣 、硅烷事故通風(fēng)系統(tǒng)以及潔凈走廊排煙系統(tǒng)。在此僅介紹凈化空調(diào)的設(shè)計。

凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

該工程凈化空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組 +干表冷盤管+風(fēng)機過濾單元(FF U)的組合形式?？照{(diào)區(qū)域分為三部分, 即送風(fēng)上夾層靜壓箱、生產(chǎn)區(qū)、回風(fēng)下夾層。潔凈室內(nèi)的氣流流型為垂直單向流, 空氣由吊頂上的風(fēng)機過濾單元(FF U)中的高效過濾器過濾后送入生產(chǎn)區(qū),再經(jīng)地面帶孔板高架地板進入回風(fēng)下 夾層, 通過兩側(cè)回風(fēng)夾道, 經(jīng)干表冷盤管冷卻后回至送風(fēng)上夾層,與送入上夾層的新風(fēng)混合后再送入生產(chǎn)區(qū)(見圖 2 , 因角度問題, 左側(cè)回風(fēng)夾墻和干表冷器未出現(xiàn)在圖中)。新風(fēng)機組的送風(fēng)補充工藝排風(fēng)(酸、堿排風(fēng)等)及維持房間正壓所需風(fēng)量, 同時滿足生產(chǎn)區(qū)內(nèi)人員對新風(fēng)量的要求。由于室內(nèi)散濕量小, 熱濕比※+∞, 所以新風(fēng)處理到室內(nèi)空氣狀態(tài)點的機器露點, 主要承擔(dān)新風(fēng)熱濕負荷和潔凈室內(nèi)的全部濕負荷 ;干盤管主要承擔(dān)潔凈室內(nèi)顯熱負荷。潔凈室內(nèi)的潔凈度由風(fēng)機過濾單元(FFU)保證。

圖2 潔凈室送風(fēng)流程示意

 

3空調(diào)負荷計算

 

夏季空調(diào)冷負荷按照GB 50019 —2003 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》要求, 根據(jù)工程的實際情況計算得到。該工程工藝潔凈房間(除外延區(qū)) 均位于建筑內(nèi)區(qū), 外區(qū)為動力站房與走廊, 所有外區(qū)冬季均設(shè)有散熱器供暖系統(tǒng), 所以圍護結(jié)構(gòu)負荷很小, 工藝設(shè)備及其他得熱負荷冬夏季變化不大, 因此潔凈室全年處于供冷工況。潔凈室內(nèi)散濕量較少, 室內(nèi)負荷以顯熱負荷(工藝設(shè)備負荷、照明負荷、人員負荷)為主。

該工程潔凈室潔凈級別高, 所需FFU 數(shù)量較多, 某些房間吊頂基本處于滿布狀態(tài), 在計算房間顯熱負荷時要計入FFU 的風(fēng)機溫升發(fā)熱量。

經(jīng)計算, 一期工程夏季空調(diào)系統(tǒng)耗冷量為1 120 kW 。選用 2 臺 814 kW 螺桿式水冷冷水機組(含工藝設(shè)備用冷量), 空調(diào)冷水為一次泵系統(tǒng)。

4 凈化送風(fēng)量及FFU 選型、布置

根據(jù)GB 50073 —2001 《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》對潔凈室送風(fēng)量的要求, 分別計算各房間FFU 的吊頂布置率。該工程室內(nèi)吊頂高度為3 ～ 4 m 。潔凈級別為 2 .5 , 4 .5 級的潔凈室送風(fēng)斷面風(fēng)速為0 .3 m/ s 。潔凈級別為 5 .5 級的潔凈室換氣次數(shù)為 80 h-1  , 潔凈級別為 6 級的潔凈室換氣次數(shù)為 60 h-1 。設(shè)計采用1 200 mm ×600 mm 的FFU , 單個FFU 的風(fēng)量為900 m /h 。經(jīng)計算, FFU 吊頂布置率見表 2 。

在FFU 選型時需注意機外余壓應(yīng)能克服回風(fēng)格柵 、回風(fēng)夾墻和干表冷器的阻力 ;同時考慮噪聲疊加效應(yīng), 單臺FFU A 聲級噪聲不應(yīng)大于 53 dB 。

5空氣處理

5.1M AU 新風(fēng)處理系統(tǒng)

一期工程共配 2 臺新風(fēng)機組, 單臺新風(fēng)機組的風(fēng)量為 25 000 m3 / h , 新風(fēng)處理到房間空氣狀態(tài)點的機器露點后送至潔凈室吊頂上方的靜壓箱, 與潔凈室回風(fēng)混合后再送入室內(nèi)。新風(fēng)機組的送風(fēng)狀態(tài)點為圖 3 中 L 點(未考慮風(fēng)機溫升)。新風(fēng)機組組成段如圖 4 所示。

由于機組風(fēng)量較大, 新風(fēng)處理焓差很大, 因此將表冷段分為兩部分以提高效率, 兩段的制冷量相同。圖 3 中 A 點為一級表冷器后的溫控點。L 點為夏季二級表冷器處理后的溫控點。

沈陽地區(qū)4 , 10月份為不供暖月份, 此時期開發(fā)區(qū)不能提供加熱用熱水, 因此在機組中設(shè)立電預(yù)熱段及電加熱段。在計算電加熱量時以 4 , 10 月份平均氣溫(10  ℃)為基準計算。考慮到在嚴寒季節(jié)沈陽地區(qū)室外溫度最低可到 -22  ℃, 用熱水直接加熱室外新風(fēng)時,新風(fēng)溫度過低會導(dǎo)致?lián)Q熱不充分, 從而引起熱水盤管凍裂, 因此將電預(yù)熱段放置在熱水預(yù)熱段前, 新風(fēng)經(jīng)電預(yù)熱加熱至 5 ℃后再經(jīng)熱水盤管加熱至所需溫度, 在計算電預(yù)熱段耗電量時考慮了以上兩種情況下的要求。

由于開發(fā)區(qū)無蒸汽源, 不能采用干蒸汽加濕的方式加濕空氣, 采用電加濕耗電量又很大, 因此冬季采用水噴淋加濕。水噴淋可以除掉空氣中的灰塵、SO 2 等有害物質(zhì), 對保證室內(nèi)空氣潔凈度和空氣質(zhì)量也有益處。

當(dāng)房間內(nèi)工藝設(shè)備不全部使用時, 可能會導(dǎo)致房間內(nèi)發(fā)熱量不足, 所以在新風(fēng)機組中設(shè)置了二次加熱段(冬季用熱水加熱, 夏季及過渡季用電加熱), 通過提高送風(fēng)溫度來保證房間內(nèi)的溫度滿足設(shè)計要求。

圖 3   新風(fēng)處理焓濕圖

 

 

圖 4   新風(fēng)處理機組示意

 

 

5.2冷熱源及參數(shù)

新風(fēng)機組夏季冷源為 6 ℃/ 11 ℃冷水 , 由該建筑內(nèi)制冷機房提供, 二次加熱采用電加熱。冬季熱源為開發(fā)區(qū)提供的 60 ℃/ 50 ℃熱水。當(dāng)室外溫度低于 5 ℃時, 聯(lián)鎖開啟電預(yù)熱器以保證熱水預(yù)熱盤管前的空氣溫度高于 5 ℃。

干表冷盤管供回水溫度為 12 ℃/17  ℃。夏季

制冷機開啟時, 由 6 ℃/ 11 ℃冷水通過板式換熱器換熱得到, 冬季制冷機停止運行時, 由設(shè)在屋頂?shù)睦鋮s塔作為冷源, 由冷卻水通過板式換熱器換熱得到。

5.3空氣處理過程及 h-d 圖

新風(fēng)處理焓濕圖如圖 3 所示。W 1 , W 2 分別為夏季、冬季室外空氣狀態(tài)點。O 點為潔凈室內(nèi)空氣狀態(tài)點。S 為冬季水噴淋前的空氣狀態(tài)點。L 為機器露點, 也是新風(fēng)機組的送風(fēng)狀態(tài)點(未考慮風(fēng)機溫升)。夏季, 室外點 W 1  經(jīng)過兩級表冷器處理到 L點。冬季室外溫度較低,  通過電加熱與熱水加熱至S 點, 再進入水噴淋段等焓加濕至 L 點。

 

6自動控制

6.1   溫度控制

潔凈室內(nèi)的溫度是由干表冷盤管調(diào)節(jié)控制的, 比較實測室內(nèi)溫度與設(shè)定值, 通過 DDC 控制設(shè)在干表冷盤管回水管上的電動兩通閥的開度, 改變水流量, 使?jié)崈羰业臏囟缺３衷诳刂品秶鷥?nèi)。新風(fēng)溫度處理到潔凈室內(nèi)空氣狀態(tài)點的機器露點溫度后送入送風(fēng)上夾層中, 可以負擔(dān)部分房間冷負荷, 若房間內(nèi)工藝設(shè)備開啟數(shù)量較少, 在其發(fā)熱量減小到即使完全關(guān)閉干表冷盤管依 然使室內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度的情況下, 可開啟新風(fēng)機組再熱盤管(或電加熱器), 提高送風(fēng)溫度來達到房間內(nèi)的溫度要求。

6.2濕度控制

該工程潔凈室內(nèi)散濕量很小, 濕負荷基本可以忽略不計。通過控制新風(fēng)的送風(fēng)狀態(tài)點來調(diào)節(jié)房間內(nèi)相對濕度以達到設(shè)定要求, 新風(fēng)的控制送風(fēng)點為房間的機器露點。夏季, 露點傳感器測得新風(fēng)狀態(tài)參數(shù), 并與設(shè)定值比較, 通過自控程序調(diào)節(jié)二級表冷器回水管上的電動兩通閥的開 度以調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)參數(shù), 使房間內(nèi)濕度滿足要求。冬季, 根據(jù)濕度傳感器反饋的信號, DDC 控制一次加熱器回水管上電動兩通閥的開度, 改變水流量, 調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)參數(shù)。過渡季節(jié)通過控制一級表冷器回水管上的電動兩通閥或電預(yù)熱器, 滿足房間的濕度要求。

6.3 壓差控制

 

GB 50073 —2001 《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中要求潔凈室與周圍的空間必須維持一定的靜壓差, 目的是為了防止低潔凈級別潔凈室內(nèi)的空氣進 入高潔凈級別潔凈室內(nèi), 避免對高級別潔凈室的潔凈度產(chǎn)生影響。維持壓差風(fēng)量的確定一般采用換氣次數(shù)估算, 該工程潔凈房間全部為無外窗房間, 氣密性較好, 各房間維持壓差所需的換氣次數(shù)如表 3 所示。

 

為保證各潔凈房間的壓差, 在每個房間內(nèi)均安裝壓差傳感器。需排風(fēng)的工藝設(shè)備的投入運 行狀態(tài)不同時, 也就是排風(fēng)機所負擔(dān)排風(fēng)量發(fā)生變化時, 會直接影響其他需排風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)量, 造成房間正壓值變化。為適應(yīng)這種變化, 在排風(fēng)支管上設(shè)定風(fēng)量閥和變頻排風(fēng)機, 同時在每個房間的新風(fēng)管路上安裝變風(fēng)量控制器(V AV  Bo x)。將壓差傳感器測量值與設(shè)定值的偏差值作為輸入信號傳至自控程序, 自控程序再輸出信號調(diào)整VAV Box 的開度。這樣, 在關(guān)閉或打開排風(fēng)設(shè)備導(dǎo)致排風(fēng)量發(fā)生變化時, VAV Box 可自動改變送風(fēng)量維持房間內(nèi)所需正壓(V AV  Box 的最小開度新風(fēng)量遠遠大于房間內(nèi)人員對新風(fēng)量的要求)。同時, 在新風(fēng)總管上設(shè)置靜壓傳感器,在新風(fēng)機組風(fēng)機上配變頻器, 當(dāng) VAV Box 改變房間送風(fēng)量時, 新風(fēng)總管上靜壓發(fā)生改變, 靜壓傳感器反饋信號至變頻器使風(fēng)機轉(zhuǎn)速改變, 從而改變新風(fēng)

機組的送風(fēng)量。

7 結(jié)語

經(jīng)過一年的建設(shè), 該工程竣工。雖然其規(guī)模較小, 卻代表著現(xiàn)今半導(dǎo)體工業(yè)潔凈室設(shè)計的主流思想。溫度 、濕度 、壓差均可以通過自控裝置自動調(diào)節(jié), 降低了因為工藝條件改變破壞潔凈室環(huán)境的概率。但大量的 FFU 集中布置在吊頂上, 其噪聲控制等問題需要繼續(xù)探討。

  潔凈 潔凈無塵 無塵廠房 潔凈室 潔凈棚百級潔凈棚千級潔凈棚萬級潔凈棚移動潔凈棚無塵棚不銹鋼潔凈棚潔凈棚生產(chǎn)廠家百級潔凈棚生產(chǎn)廠家千級潔凈棚生產(chǎn)廠家萬級潔凈棚生產(chǎn)廠家移動潔凈棚生產(chǎn)廠家無塵棚生產(chǎn)廠家不銹鋼潔凈棚生產(chǎn)廠家潔凈棚價格百級潔凈棚價格千級潔凈棚價格萬級潔凈棚價格移動潔凈棚價格無塵棚價格不銹鋼潔凈棚價格蘇州潔凈棚蘇州百級潔凈棚蘇州千級潔凈棚蘇州萬級潔凈棚蘇州移動潔凈棚蘇州無塵棚蘇州不銹鋼潔凈棚