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

該工程位于遼寧沈陽出口加工區(qū)內, 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。室內主要設計參數(shù)見表 1 。

 

圖 1 廠房平面區(qū)劃示意

根據(jù)建設方的要求, 除了滿足生產(chǎn)廠房工藝的凈化空調參數(shù)要求以外, 設計時還必須考慮到工藝設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, 排風設備根據(jù)需要運行, 房間內排風量是變化的 ;工藝設備的開啟與關閉會帶來房間內散熱量的變化。設計中應采取相應的控制措施確保各凈化空調參數(shù)滿足要求。

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

凈化空調系統(tǒng)設計

該工程凈化空調系統(tǒng)采用新風機組 +干表冷盤管+風機過濾單元(FF U)的組合形式。空調區(qū)域分為三部分, 即送風上夾層靜壓箱、生產(chǎn)區(qū)、回風下夾層。潔凈室內的氣流流型為垂直單向流, 空氣由吊頂上的風機過濾單元(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下 夾層, 通過兩側回風夾道, 經(jīng)干表冷盤管冷卻后回至送風上夾層,與送入上夾層的新風混合后再送入生產(chǎn)區(qū)(見圖 2 , 因角度問題, 左側回風夾墻和干表冷器未出現(xiàn)在圖中)。新風機組的送風補充工藝排風(酸、堿排風等)及維持房間正壓所需風量, 同時滿足生產(chǎn)區(qū)內人員對新風量的要求。由于室內散濕量小, 熱濕比※+∞, 所以新風處理到室內空氣狀態(tài)點的機器露點, 主要承擔新風熱濕負荷和潔凈室內的全部濕負荷 ;干盤管主要承擔潔凈室內顯熱負荷。潔凈室內的潔凈度由風機過濾單元(FFU)保證。

圖2 潔凈室送風流程示意

 

3空調負荷計算

 

夏季空調冷負荷按照GB 50019 —2003 《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(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)) 均位于建筑內區(qū), 外區(qū)為動力站房與走廊, 所有外區(qū)冬季均設有散熱器供暖系統(tǒng), 所以圍護結構負荷很小, 工藝設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。潔凈室內散濕量較少, 室內負荷以顯熱負荷(工藝設備負荷、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 的風機溫升發(fā)熱量。

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

4 凈化送風量及FFU 選型、布置

根據(jù)GB 50073 —2001 《潔凈廠房設計規(guī)范》對潔凈室送風量的要求, 分別計算各房間FFU 的吊頂布置率。該工程室內吊頂高度為3 ～ 4 m 。潔凈級別為 2 .5 , 4 .5 級的潔凈室送風斷面風速為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 。設計采用1 200 mm ×600 mm 的FFU , 單個FFU 的風量為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能克服回風格柵 、回風夾墻和干表冷器的阻力 ;同時考慮噪聲疊加效應, 單臺FFU A 聲級噪聲不應大于 53 dB 。

5空氣處理

5.1M AU 新風處理系統(tǒng)

一期工程共配 2 臺新風機組, 單臺新風機組的風量為 25 000 m3 / h , 新風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, 與潔凈室回風混合后再送入室內。新風機組的送風狀態(tài)點為圖 3 中 L 點(未考慮風機溫升)。新風機組組成段如圖 4 所示。

由于機組風量較大, 新風處理焓差很大, 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, 因此在機組中設立電預熱段及電加熱段。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時,新風溫度過低會導致?lián)Q熱不充分, 從而引起熱水盤管凍裂, 因此將電預熱段放置在熱水預熱段前, 新風經(jīng)電預熱加熱至 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, 對保證室內空氣潔凈度和空氣質量也有益處。

當房間內工藝設備不全部使用時, 可能會導致房間內發(fā)熱量不足, 所以在新風機組中設置了二次加熱段(冬季用熱水加熱, 夏季及過渡季用電加熱), 通過提高送風溫度來保證房間內的溫度滿足設計要求。

圖 3   新風處理焓濕圖

 

 

圖 4   新風處理機組示意

 

 

5.2冷熱源及參數(shù)

新風機組夏季冷源為 6 ℃/ 11 ℃冷水 , 由該建筑內制冷機房提供, 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。當室外溫度低于 5 ℃時, 聯(lián)鎖開啟電預熱器以保證熱水預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, 也是新風機組的送風狀態(tài)點(未考慮風機溫升)。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

潔凈室內的溫度是由干表冷盤管調節(jié)控制的, 比較實測室內溫度與設定值, 通過 DDC 控制設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衷诳刂品秶鷥取Ｐ嘛L溫度處理到潔凈室內空氣狀態(tài)點的機器露點溫度后送入送風上夾層中, 可以負擔部分房間冷負荷, 若房間內工藝設備開啟數(shù)量較少, 在其發(fā)熱量減小到即使完全關閉干表冷盤管依 然使室內溫度低于設定溫度的情況下, 可開啟新風機組再熱盤管(或電加熱器), 提高送風溫度來達到房間內的溫度要求。

6.2濕度控制

該工程潔凈室內散濕量很小, 濕負荷基本可以忽略不計。通過控制新風的送風狀態(tài)點來調節(jié)房間內相對濕度以達到設定要求, 新風的控制送風點為房間的機器露點。夏季, 露點傳感器測得新風狀態(tài)參數(shù), 并與設定值比較, 通過自控程序調節(jié)二級表冷器回水管上的電動兩通閥的開 度以調整新風送風參數(shù), 使房間內濕度滿足要求。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, 調整新風送風參數(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的空氣進 入高潔凈級別潔凈室內, 避免對高級別潔凈室的潔凈度產(chǎn)生影響。維持壓差風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, 在每個房間內均安裝壓差傳感器。需排風的工藝設備的投入運 行狀態(tài)不同時, 也就是排風機所負擔排風量發(fā)生變化時, 會直接影響其他需排風設備的排風量, 造成房間正壓值變化。為適應這種變化, 在排風支管上設定風量閥和變頻排風機, 同時在每個房間的新風管路上安裝變風量控制器(V AV  Bo x)。將壓差傳感器測量值與設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整VAV Box 的開度。這樣, 在關閉或打開排風設備導致排風量發(fā)生變化時, VAV Box 可自動改變送風量維持房間內所需正壓(V AV  Box 的最小開度新風量遠遠大于房間內人員對新風量的要求)。同時, 在新風總管上設置靜壓傳感器,在新風機組風機上配變頻器, 當 VAV Box 改變房間送風量時, 新風總管上靜壓發(fā)生改變, 靜壓傳感器反饋信號至變頻器使風機轉速改變, 從而改變新風

機組的送風量。

7 結語

經(jīng)過一年的建設, 該工程竣工。雖然其規(guī)模較小, 卻代表著現(xiàn)今半導體工業(yè)潔凈室設計的主流思想。溫度 、濕度 、壓差均可以通過自控裝置自動調節(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。

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