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半導體製造車間對高效空氣過濾器的技術要求與標準

半導體製造車間對高效空氣過濾器的技術要求與標準 一、引言:半導體製造環境的潔淨需求 隨著半導體技術的飛速發展,芯片製造工藝已進入納米級時代。為了確保芯片生產的良率和性能穩定性,半導體製造車...

半導體製造車間對高效空氣過濾器的技術要求與標準

一、引言:半導體製造環境的潔淨需求

隨著半導體技術的飛速發展,芯片製造工藝已進入納米級時代。為了確保芯片生產的良率和性能穩定性,半導體製造車間(潔淨室)必須維持極高的空氣潔淨度。在這一過程中,高效空氣過濾器(High-Efficiency Particulate Air Filter,簡稱HEPA)和超高效空氣過濾器(Ultra Low Penetration Air Filter,簡稱ULPA)起著至關重要的作用。

根據國際標準ISO 14644-1《潔淨室及相關受控環境——第一部分:空氣潔淨度分級》的要求,半導體製造車間通常需要達到Class 1至Class 100級別的潔淨等級,這意味著每立方米空氣中直徑≥0.5 μm的顆粒數量不得超過10個至100個。為實現這一目標,空氣過濾係統不僅要具備高效率的顆粒捕集能力,還需滿足耐久性、氣流阻力、化學兼容性等多方麵的要求。

本文將從技術參數、行業標準、選型原則、安裝維護及國內外研究進展等方麵,全麵分析半導體製造車間對高效空氣過濾器的技術要求與標準,並引用大量國內外權威文獻資料,力求提供一份詳實、專業的參考指南。


二、高效空氣過濾器的基本原理與分類

2.1 工作原理

高效空氣過濾器主要通過以下幾種機製來捕捉空氣中的微粒:

  • 攔截效應(Interception):當顆粒隨氣流接近纖維時,被纖維表麵吸附。
  • 慣性撞擊(Impaction):較大顆粒因慣性偏離氣流方向而撞擊到纖維上。
  • 擴散效應(Diffusion):較小顆粒由於布朗運動隨機碰撞並附著於纖維上。
  • 靜電吸附(Electrostatic Attraction):部分濾材帶有靜電,增強對細小顆粒的吸附能力。

2.2 分類與性能指標

類別 過濾效率(≥0.3 μm) 標準依據 應用場景
HEPA ≥99.97% IEST-RP-CC001.3, EN 1822 潔淨室主過濾
ULPA ≥99.999% IEST-RP-CC001.3, EN 1822 Class 1~10 級潔淨室

注:EN 1822是歐洲標準化委員會製定的關於高效空氣過濾器測試方法的標準,IEST-RP-CC001.3是由美國環境科學與技術學會發布的推薦實踐文件。


三、半導體製造車間對高效空氣過濾器的核心技術要求

3.1 高效過濾性能

(1)初始效率與終期效率

高效空氣過濾器在新裝狀態下的初始效率應達到設計值,同時在使用過程中保持較高的效率。對於ULPA過濾器而言,其在使用壽命期內的低效率仍需保持在99.99%以上。

參數 HEPA ULPA
初始效率 ≥99.97% ≥99.999%
終期效率 ≥99.95% ≥99.995%
測試粒徑 0.3 μm 0.12 μm

(2)穿透率(Penetration)

穿透率是指未被過濾掉的顆粒所占的比例。ULPA過濾器的穿透率通常低於0.001%,遠優於HEPA。

3.2 低氣流阻力(壓降)

過濾器在工作時會帶來一定的氣流阻力,影響整個空調係統的能耗與風量分配。因此,要求過濾器具有較低的初阻力和終阻力。

參數 HEPA ULPA
初阻力(Pa) ≤250 ≤300
終阻力(Pa) ≤450 ≤600

數據來源:中國國家標準GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》

3.3 耐久性與壽命

過濾器的使用壽命與其材質、運行條件密切相關。在半導體潔淨室中,過濾器通常連續運行數年,因此材料需具備良好的抗老化性能和結構穩定性。

材料類型 壽命(小時) 特點
玻璃纖維 20,000~30,000 高溫耐受性強
合成纖維 15,000~25,000 成本較低,但易受潮
複合材料 25,000~40,000 抗腐蝕、耐高溫

3.4 化學穩定性與抗汙染能力

半導體製造過程中常使用氨、異丙醇、酸堿等化學品,因此要求過濾器材料具備良好的化學惰性和抗腐蝕能力。

化學物質 對濾材的影響 建議材料
氨(NH₃) 易引起玻璃纖維變質 合成樹脂包覆濾材
異丙醇 可能溶解粘結劑 聚酯或聚酰胺材料
HF酸 強腐蝕性 不鏽鋼框架+氟樹脂塗層

3.5 結構密封性與完整性

過濾器在安裝和運行過程中不能發生泄漏,否則會導致未經過濾的空氣進入潔淨區,影響產品質量。

  • 檢測方法:光度計掃描法(如DOP測試)、粒子計數法(如激光粒子計數器)
  • 泄漏標準:HEPA允許的大泄漏率為0.03%,ULPA為0.001%

四、國內外相關標準與規範

4.1 國際標準

標準名稱 發布機構 內容概要
ISO 14644-1 國際標準化組織 潔淨室空氣潔淨度分級標準
IEST-RP-CC001.3 美國環境科學與技術學會 HEPA/ULPA過濾器測試方法
EN 1822 歐洲標準化委員會 歐洲地區高效空氣過濾器測試標準
SEMI F33 半導體設備與材料國際協會 潔淨室用空氣過濾器標準

4.2 中國標準

標準名稱 標準編號 內容概要
GB/T 13554-2020 中華人民共和國國家標準 高效空氣過濾器產品規範
GB/T 14295-2008 中華人民共和國國家標準 空氣過濾器通用技術條件
JG/T 22-1999 建設部行業標準 一般通風用空氣過濾器

注:GB/T 13554-2020新版本替代了原GB/T 13554-2008,提高了對ULPA過濾器的測試精度要求。


五、半導體製造車間空氣處理係統配置

5.1 典型空氣處理流程

一個典型的半導體潔淨室空氣處理係統包括以下幾個環節:

  1. 預過濾器(Pre-filter):用於去除大顆粒粉塵,延長高效過濾器壽命。
  2. 中效過濾器(Mid-efficiency filter):進一步去除中等大小顆粒。
  3. 高效/超高效過濾器(HEPA/ULPA):終淨化空氣,達到潔淨等級要求。
  4. 風機係統(Fan Filter Unit, FFU):提供恒定風量和風壓。
  5. 回風係統:回收部分空氣以節能。

5.2 FFU單元配置示例

參數 數值
風量 1000~2000 m³/h
功率 1.1~2.2 kW
噪音水平 ≤55 dB(A)
控製方式 變頻控製
安裝密度 每平方米1~2台FFU

六、高效空氣過濾器選型與應用實例

6.1 選型考慮因素

考慮因素 描述
潔淨等級要求 Class 1~100對應不同過濾級別
氣流速度 通常為0.3~0.5 m/s
換氣次數 Class 1級潔淨室換氣次數可達300次/小時
化學兼容性 是否接觸腐蝕性氣體
安裝空間 尺寸限製、模塊化設計
維護周期 清潔、更換頻率

6.2 實際應用案例

案例1:某12英寸晶圓廠潔淨室改造項目

  • 使用ULPA過濾器,過濾效率達99.9995%
  • 每台FFU配備差壓傳感器,實時監測阻力變化
  • 潔淨等級提升至Class 10級
  • 年耗電量減少15%(采用節能型FFU)

案例2:某LED封裝廠潔淨係統升級

  • 原係統使用HEPA過濾器,頻繁更換導致成本上升
  • 改為合成纖維ULPA過濾器,壽命延長30%
  • 化學耐受性增強,適應生產中使用的異丙醇清洗工藝

七、高效空氣過濾器的安裝與維護

7.1 安裝注意事項

  • 密封性檢查:使用氣溶膠掃描儀進行現場檢漏
  • 安裝方向:注意箭頭方向,避免反裝
  • 支撐結構:確保過濾器支架牢固,防止振動脫落
  • 前後壓差監測:設置差壓表監控過濾器狀態

7.2 維護策略

維護內容 周期 方法
差壓監測 實時在線 SCADA係統
表麵清潔 每季度 吸塵器清理
漏風檢測 每半年 DOP測試
更換濾芯 視情況 按照終阻力設定值

推薦更換標準:HEPA終阻力超過450 Pa,ULPA超過600 Pa


八、國內外研究進展與發展趨勢

8.1 新型濾材研發

近年來,納米纖維材料、靜電紡絲濾材等新型高效過濾材料不斷湧現,顯著提升了過濾效率和透氣性。

  • 美國3M公司:推出納米靜電濾材,可實現99.9999%的過濾效率(針對0.1 μm顆粒)
  • 清華大學材料學院:研發石墨烯複合濾材,具備抗菌與抗靜電雙重功能

8.2 智能監測係統集成

  • 智能FFU係統:集成物聯網傳感器,實現遠程監控與預警
  • AI預測算法:基於曆史數據預測過濾器壽命與更換時間

8.3 綠色環保趨勢

  • 可再生材料應用:如生物基纖維、可降解濾紙
  • 節能型風機係統:采用永磁同步電機,降低能耗

九、結論(略)


參考文獻

  1. ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and monitoring of air cleanliness by particle concentration.
  2. IEST-RP-CC001.3:2018 HEPA and ULPA Filters.
  3. EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA).
  4. GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器 [中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局]
  5. GB/T 14295-2008 空氣過濾器 [國家標準化管理委員會]
  6. JG/T 22-1999 一般通風用空氣過濾器性能試驗方法 [中華人民共和國建設部]
  7. SEMI F33-0703 Guide for Selection and Use of Air Filters in Semiconductor Applications.
  8. 王建國, 張偉. 高效空氣過濾器在半導體潔淨室中的應用研究[J]. 環境工程, 2021, 39(6): 45-50.
  9. 李明, 劉洋. 潔淨室用ULPA過濾器性能對比分析[J]. 潔淨與空調技術, 2020, (3): 12-16.
  10. 3M Technical Data Sheet: Nanofiber-based HEPA Filters, 2022.
  11. 清華大學材料學院研究報告:石墨烯複合高效空氣過濾材料的研究進展, 2023.

全文共計約4500字,內容涵蓋高效空氣過濾器的技術要求、標準體係、選型應用與發展趨勢,適用於半導體製造領域技術人員、潔淨室設計工程師及相關研究人員閱讀參考。

昆山昌瑞空調淨化技術有限公司 www.cracfilter.com

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