一、高級別潔凈室的應(yīng)用

這里所指的高級別潔凈室是指潔凈度要求高，溫、濕度精度要求高，以及其他一些參數(shù)例如正壓、噪聲、微振、靜電、照度……等參數(shù)要求嚴(yán)格的潔凈室。是凈化級別為100級、10級、1級或更高級別的潔凈室。這類高級別潔凈室多用在電子工業(yè)中的微電子集成電路、半導(dǎo)體和光電子、航天、航空、醫(yī)療等高科技產(chǎn)業(yè)的科研與大生產(chǎn)中。是其不可缺少的重要的生產(chǎn)環(huán)境。

隨著我國微電予和光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，高級別潔凈室等相應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)也得到了長足的發(fā)展和提升。在我國已初步形成了超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)、芯片加工、封裝測試以及設(shè)備、材料的產(chǎn)業(yè)一條龍，而且這一發(fā)展的強(qiáng)勁勢頭越來越猛。

（一）微電子和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

當(dāng)今世界，微電子和光電子產(chǎn)業(yè)已成為一個(gè)國家、一個(gè)地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和平臺，也是衡量一個(gè)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。美、日、歐等發(fā)達(dá)國家都極為重視，紛紛投入大量的人力、物力、財(cái)力開發(fā)和研究。

（二）微電子和光電子對生產(chǎn)環(huán)境的要求

就微電子生產(chǎn)來說，隨著集成電路的集成度不斷提高，特征線寬尺寸越來越小，加工越來越精細(xì)，反復(fù)加工工序數(shù)也越來越多，硅片面積越來越大，被污染的機(jī)率就越來越高，進(jìn)而對生產(chǎn)環(huán)境的要求也就更加嚴(yán)格。而光電子產(chǎn)業(yè)，隨著TFT-LCD的玻璃基板的面不斷增大,由93年第一代TFT產(chǎn)品玻璃基板面積只有300㎜×400㎜，經(jīng)過短短的十年，到了2003年第七代TFT-LCD產(chǎn)品已經(jīng)問世，它的基板面積擴(kuò)大為1800㎜×2100㎜，是第一代面積的30倍。因此光電子與微電子一樣，隨其技術(shù)的飛速發(fā)展，對生產(chǎn)環(huán)境的要求也就越來越高。

微電子和光電子的生產(chǎn)環(huán)境不儀包括有建筑、結(jié)構(gòu)、空氣、水以及氣體、溶劑等原材料，還有聲、光、電、磁、振等等環(huán)境。例如建筑形式、層高承重、防微振、裝修材料；空氣的潔凈度、溫濕度、壓力；水和氣體的純度重金屬含量以及噪聲、照度、靜電、電磁波等等?？傮w來說，微電子和光電子對生產(chǎn)環(huán)境要求可用更“精”、更“凈”、更“純”來描寫。

微電子和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給生產(chǎn)環(huán)境技術(shù)，其中包括高級別潔凈室的建筑技術(shù)的發(fā)展，帶來了極大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，不僅僅帶來了廣闊和豐厚的市場，同時(shí)也帶來了新的研究課題和技術(shù)難關(guān)。例如如何降低日益攀升的潔凈室的建造費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，如何處理電子工業(yè)不斷的升級換代和潔凈室建造相適應(yīng)的矛盾，如何解決低濃度分子級的化學(xué)污染物質(zhì)對生產(chǎn)的影響，以及如何處理生產(chǎn)過程排放的有毒、有害廢氣、廢水和廢物的污染等問題。這些課題都擺在我們從事潔凈室建造和生產(chǎn)環(huán)境研究的人們面前，希望我們能給予解決。

二、高級別潔凈室的送風(fēng)方式

高級潔凈室的送風(fēng)方式集國內(nèi)和國外的作法主要有集中送風(fēng)、分散送風(fēng)和FFU加新風(fēng)機(jī)組和干盤管三種送風(fēng)方式。

（一）集中送風(fēng)方式

集中送風(fēng)就是潔凈室的凈化空氣全部經(jīng)過設(shè)在空調(diào)機(jī)房的空氣處理機(jī)進(jìn)行預(yù)凈化和熱濕處理后再用大風(fēng)機(jī)大風(fēng)管送到潔凈室的上技術(shù)夾層，這些空氣依靠高的壓力克服滿布在吊頂上的高效過濾器（HEPA）或超高效過濾器（ULPA）的阻力，被過濾的潔凈的空氣送入潔凈室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)潔凈室的100級、10級或1級潔凈度和所要求的溫、濕度等參數(shù)的生產(chǎn)環(huán)境。潔凈室的回風(fēng)經(jīng)過活動地板格柵進(jìn)入下技術(shù)夾層后，再用大風(fēng)管由風(fēng)機(jī)抽網(wǎng)到空調(diào)機(jī)房內(nèi)的空氣處理機(jī)，再與室外的新鮮空氣混合重復(fù)進(jìn)行凈化和熱濕處理。這樣反復(fù)連續(xù)循環(huán)運(yùn)行。

集中送風(fēng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：空調(diào)處理機(jī)集中數(shù)量較少，管理方便，溫、濕度，噪聲容易控制，投資較少。適應(yīng)工藝的變化有一定的靈活性。

缺點(diǎn)：循環(huán)風(fēng)量大、風(fēng)機(jī)的壓頭高，耗電量大、運(yùn)行費(fèi)高、空調(diào)機(jī)房面積大、風(fēng)管占空間大。

（二）分散送風(fēng)方式

這種分散送風(fēng)方式比較適用于集成電路芯片生產(chǎn)的海灣和隧道式的工藝布置。這樣的工藝布置是人為地將生產(chǎn)空間分為多個(gè)操作區(qū)（白區(qū)）和多個(gè)設(shè)備區(qū)（灰區(qū)）。白區(qū)是生產(chǎn)操作區(qū)。其潔凈度要求高，溫、濕等參數(shù)的要求嚴(yán)格。相反灰區(qū)是設(shè)備區(qū)，其潔凈度和溫濕度等參數(shù)的要求都低于白區(qū)。在設(shè)計(jì)凈化送風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，將一個(gè)白區(qū)和一個(gè)灰區(qū)設(shè)計(jì)成一個(gè)小的凈化空調(diào)系統(tǒng)，白區(qū)為送風(fēng)區(qū)，灰區(qū)為回風(fēng)區(qū)。將該小系統(tǒng)的空氣處理循環(huán)機(jī)組直接設(shè)置在該區(qū)送回風(fēng)技術(shù)夾層頂上的空間內(nèi)，經(jīng)過處理的空氣先送入白區(qū)的送風(fēng)技術(shù)夾層再經(jīng)過高效過濾的或超高效過濾器后進(jìn)入白區(qū)，這樣白區(qū)的潔凈度和溫度、相對濕度等都能滿足生產(chǎn)環(huán)境要求。回風(fēng)由白區(qū)經(jīng)活動格柵地板進(jìn)入白區(qū)和灰區(qū)相通的下技術(shù)夾層，由于灰區(qū)是設(shè)備區(qū)，對空氣參數(shù)要求較低，即使是白區(qū)的回風(fēng)也是能滿足灰區(qū)的需要?；覅^(qū)的回風(fēng)經(jīng)由頂部再回到循環(huán)機(jī)組，這樣反復(fù)不間斷地進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行。整個(gè)潔凈廠房有多個(gè)白區(qū)和灰區(qū)，因此有多個(gè)分散的小送風(fēng)系統(tǒng)。潔凈室所需要的新鮮空氣可單獨(dú)集中設(shè)新風(fēng)處理系統(tǒng)，也可由小送風(fēng)系統(tǒng)分散處理。

分散送風(fēng)方式和優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)小而且分散，每個(gè)小系統(tǒng)的溫濕度都可單獨(dú)控制，能滿足不同區(qū)域極高的溫、濕度要求。系統(tǒng)小送風(fēng)壓頭低，初投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較低，噪聲也可控制。

缺點(diǎn)：最大缺點(diǎn)是不靈活，工藝變更后很難適應(yīng)。此外，增加了建筑的總高度。循環(huán)機(jī)組數(shù)量多又在吊頂上面，若有漏水處理困難，同時(shí)管理也不方便。

（三）加新風(fēng)機(jī)組和干盤管送風(fēng)方式

這種送風(fēng)方式不設(shè)循環(huán)機(jī)組只有新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)由新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行熱濕和凈化處理，新風(fēng)機(jī)組負(fù)責(zé)保證潔凈室內(nèi)的相對濕度，而大量的凈化風(fēng)量由多臺（FFU）風(fēng)機(jī)過濾器單元，就地循環(huán)進(jìn)行凈化處理，循環(huán)空氣經(jīng)過干冷盤管降溫來保證潔凈室的溫度。

這種送風(fēng)方式不僅具有在相同的初投資條件下，運(yùn)行費(fèi)用大大降低等優(yōu)點(diǎn)，而沒有龐大的空氣處理機(jī)只有新風(fēng)機(jī)組，因此大大地省掉了空調(diào)機(jī)房的面積，更主要的是它具較大的靈活性，適應(yīng)工藝的迅速變化。與此同時(shí)也存在噪聲偏大，局部溫、濕度難以控制，必要時(shí)須另設(shè)小的空調(diào)機(jī)組等缺點(diǎn)。這種送風(fēng)方式在目前的集成電路芯片廠和TFT-LCD彩色液晶顯示器生產(chǎn)廠得以廣泛采用。但在設(shè)計(jì)和建造時(shí)要注意以下幾點(diǎn)

1、新風(fēng)機(jī)組：因新風(fēng)機(jī)組是保證潔凈室相對濕度的唯一設(shè)備，所以其加濕和去濕的能力一定要保證，自動控制要到位。而且對新風(fēng)的處理?？紤]到當(dāng)?shù)厥彝饪諝獾奈廴緺顩r，成份和生產(chǎn)工藝的要求來設(shè)置必要的處理功能段。

2、干盤管：干盤管是保證潔凈室溫度的設(shè)備，它補(bǔ)充新風(fēng)冷量的不足部分?？蓡闻_控制也可多臺群控。一般干盤管最少要雙排，翅片間距3毫米，而面風(fēng)速為1.5m/s；冷水溫度宣比潔凈室空氣露點(diǎn)高2℃。最好設(shè)滴水盤。

3、FFU：出風(fēng)速度要均勻、應(yīng)為平均風(fēng)速±20%的均勻度。FFU的余壓應(yīng)大于100pa，噪聲最好低于50dB（A）其模數(shù)尺寸宜與格柵地板的模數(shù)相同，其風(fēng)機(jī)可單臺控制，單臺調(diào)速。壽命應(yīng)為30000—50000小時(shí)。

三、高級別潔凈室的特點(diǎn)

高級別潔凈室尤其是微電子和光電子的科研、試制、生產(chǎn)用的高級別潔凈室就其建造和運(yùn)行的角度存在著：建造投資費(fèi)用高，運(yùn)行管理費(fèi)用大，靈活適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠性好四大特點(diǎn)。

（一）建造投資費(fèi)用高

高級別潔凈室的建造費(fèi)用很高，一般來說，100級垂直單向流的潔凈室，其室內(nèi)裝修（墻、頂、地、門、窗等）和空調(diào)凈化系統(tǒng)（包括制冷空調(diào)設(shè)備和管道配件、凈化設(shè)備和配件等）的初投資大約為10000元人民幣每平方米，如果加上純水制備設(shè)備和系統(tǒng)管道，純氣發(fā)生和系統(tǒng)管道，廢水治理設(shè)備和管道，消防系統(tǒng)，供配電和自控系統(tǒng)，真空清掃系統(tǒng)等等，其單位面積的建造投資費(fèi)用要高達(dá)25000—30000元人民幣每平米。

（二）運(yùn)行管理費(fèi)用大

因?yàn)楦呒墑e潔凈室凈化風(fēng)量大，新風(fēng)量也大，溫濕度要求嚴(yán)格，所以空氣熱濕處理和空氣輸配的能量消耗大，耗電多，運(yùn)行費(fèi)用貴。

（三）靈活適應(yīng)性強(qiáng)

因?yàn)?，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展很快，高科技的產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，尤其是電子工業(yè)的發(fā)展更是日新月異，像集成電路的發(fā)展兩三年就更新一代，TFT-LCD的發(fā)展速度更快,—兩年就上一個(gè)臺階。這就要求為其服務(wù)的高級別的潔凈室必須能適應(yīng)其發(fā)展速度，有極好的靈活性和適應(yīng)性。因?yàn)榻ㄔ煲粋€(gè)潔凈廠房是百年大計(jì)，不是一、二年就會拆掉重建。因此在設(shè)計(jì)和建造潔凈廠房時(shí)，就耍考慮到工藝的發(fā)展、變更就要考慮到潔凈廠房的靈活性和適應(yīng)性。從一個(gè)潔凈廠房的靈活適應(yīng)角度，可將其分為三個(gè)層次，第一是不可變的部分。無論怎樣改都不能改變的部分。如基礎(chǔ)、梁、柱等結(jié)構(gòu)部分，第二是可變但不容易變的部分。如潔凈室的圍護(hù)、裝修等，第三是可變而且容易改變的部分。如動力、空氣、水、氣體溶劑的供給部分和廢氣、廢水、廢料等排放部分。

（四）安全、可靠性好

從前面一、二兩條特點(diǎn)可以得出建造和使用這樣的潔凈室要付出何等的代價(jià)。但是為了生產(chǎn)出高可靠、高質(zhì)量的高科技產(chǎn)品也必須具備這樣的生產(chǎn)環(huán)境。因?yàn)榻ㄔ鞚崈羰业哪康氖菫槭褂?，是為了得到高成品率合格產(chǎn)品。為了達(dá)此目的設(shè)計(jì)和建造潔凈室必須把安全可靠放在第一位。保證所建造的潔凈室在潔凈度、溫濕度、風(fēng)速、壓力等所有參數(shù)必須滿足生產(chǎn)工藝的要求，保證安全、可靠、不出事故。這一點(diǎn)絕不能馬虎，更不能打折扣，要萬無一失，只有這樣才能有效益，才能達(dá)到建造潔凈室的目的。

四、高級別潔凈室的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)和節(jié)能

（一）潔凈室的空調(diào)負(fù)荷

潔凈室的凈化空調(diào)負(fù)荷由下面幾部分組成

1、室內(nèi)負(fù)荷

主要包括

①室內(nèi)作業(yè)人員的散熱、散濕負(fù)荷。

②室內(nèi)照明燈具的散熱負(fù)荷。

③潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻、頂、地、門、窗的傳熱、傳濕負(fù)荷。

④生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的散熱、散濕負(fù)荷。

2、潔凈室新風(fēng)處理的熱、濕負(fù)荷。夏季是降溫去濕，冬季是加熱、加濕。

3、空氣循環(huán)時(shí)風(fēng)機(jī),或FFU的溫升和水泵的溫升負(fù)荷。

（二）高級潔凈室的空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)

1、高級別潔凈室（100級,10級,1級）是垂直單向流潔凈室，其送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量非常大，高達(dá)400-500次/小時(shí)換氣，而且風(fēng)機(jī)的壓頭也很高，一般多在1000—1500pa，因此風(fēng)機(jī)溫升的負(fù)荷大。按理論計(jì)算，在集中送風(fēng)方式的系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的溫升為1.5℃，僅此一項(xiàng)的負(fù)荷就是500-700W/㎡，如果采用FFU送風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)溫升的負(fù)荷也要250—350W/㎡。因此風(fēng)機(jī)溫升的負(fù)荷大是其一個(gè)負(fù)荷特點(diǎn)。

2、服務(wù)于微電予和光電子的高級別潔凈室因工藝排風(fēng)量大，所以新風(fēng)量也很大，新風(fēng)量一般在10-20次/h換氣；因此，處理如此多新風(fēng)的負(fù)荷大約為400-800W/㎡；個(gè)別工藝的排風(fēng)量更大，固新風(fēng)負(fù)荷也還會更大。因此新風(fēng)負(fù)荷大是其第二個(gè)負(fù)荷特點(diǎn)。

3、生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的散熱、散濕負(fù)荷大，是高級別潔凈室的第三個(gè)負(fù)荷特點(diǎn)。生產(chǎn)負(fù)荷的大小是與工藝生產(chǎn)本身的性質(zhì)、生產(chǎn)設(shè)各的密閉、保溫、通風(fēng)以及水冷卻的情況有關(guān)。

4、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱、照明燈具的散熱以及作業(yè)人員的發(fā)熱這三項(xiàng)負(fù)荷相對比較小，三項(xiàng)負(fù)荷之和還不足總空調(diào)負(fù)荷的10%（其中照明負(fù)荷大約25—30W/㎡；圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷大約20-30W/㎡；作業(yè)人員負(fù)荷大約10—15W/㎡），這是高級別潔凈室第四個(gè)負(fù)荷特點(diǎn)。

（三）高級別潔凈室空調(diào)凈化系統(tǒng)的節(jié)能

研究高級別潔凈室的空調(diào)凈化系統(tǒng)節(jié)能，應(yīng)首先從分析其空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)入手，抓住空調(diào)負(fù)荷中的主要矛盾，才能事半功倍。從前面可知，高級別潔凈室空調(diào)負(fù)荷中占90%以上的負(fù)荷是新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷和工藝設(shè)備和工藝過程負(fù)荷三項(xiàng)。這是它的主要矛盾。

1、降低新風(fēng)空調(diào)負(fù)荷的節(jié)能措施

①減少排風(fēng)量。改進(jìn)工藝和工藝設(shè)備，盡可能不排風(fēng)，少排風(fēng)。采取密閉式排風(fēng)罩在同等的排風(fēng)效果下盡量減少排風(fēng)量。

②減少正壓漏風(fēng)量。加強(qiáng)潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密封性，既能保持潔凈室必要的正壓值，又可減少所需的正壓漏風(fēng)量。

③提高新風(fēng)空氣處理設(shè)備的效率。

2、降低風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷的節(jié)能措施

①在確保潔凈室潔凈度的前提下，盡量減少送風(fēng)量，盡量用局部高凈化來替代全面高凈化。

②加強(qiáng)空調(diào)設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)的密閉性，減少漏風(fēng)量。

③采取凈化送風(fēng)與空調(diào)送風(fēng)分離的送風(fēng)方案，使90%的凈化送風(fēng)量就近循環(huán)以減少風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷。

④采用FFU加新風(fēng)機(jī)組加干盤管的送風(fēng)方式以減少風(fēng)機(jī)溫升負(fù)荷。

⑤提高風(fēng)機(jī)效率，采取變頻措施。

3、工藝設(shè)備和工藝過程的發(fā)熱是工藝生產(chǎn)本身的問題，只能依靠工藝自己來解決。

4、除上述措施之外，還可采取如下措施

①加強(qiáng)水管和風(fēng)管的保溫。

②減少冷熱源的跑、冒、滴、漏。

③采取熱回收充分利用廢熱。

④盡量利用天然能源作空調(diào)系統(tǒng)的預(yù)冷和預(yù)熱如太陽能、地下水、土壤能等。

⑤利用蓄冰和蓄熱等優(yōu)惠政策。

五、高級別潔凈室的靜電危害和防靜電

（一）靜電的危害

1、潔凈室存在有帶電體，灰塵就會附著在帶電體的表面，于是就成為了潔凈室的發(fā)塵源，會影響潔凈室的潔凈度。

2、電子工業(yè)的潔凈室在生產(chǎn)過程中會使用大量的易燃易爆的氣體和有機(jī)溶劑，潔凈室內(nèi)的靜電就成了誘發(fā)爆炸和火災(zāi)的導(dǎo)火線。

3、靜電放電產(chǎn)生火花，發(fā)出噪聲，會使精密電子儀器、計(jì)算機(jī)、控制設(shè)備誤動作。還會引起電子產(chǎn)品的電路破損、疲勞和感光的材料曝光失效。

4、靜電的電場會使半導(dǎo)體短路、疲勞、破損。

（二）靜電的起因

由于某種原因引起電荷的移動，正負(fù)電荷失去平衡物體就帶電了，這就是所謂的靜電。

靜電產(chǎn)生的原因有以下四種：

1、接觸帶電：兩種功函數(shù)不同的物體接觸時(shí)會引起電荷的移動，接觸面積越大，帶電量就越大，若施加外力就會增加兩物體的接觸面積，這就是磨擦帶電。滾動帶電、剝離帶電、噴射帶電也是這一原理。

2、感應(yīng)帶電，通過導(dǎo)體表面上的靜電感應(yīng)來產(chǎn)生感應(yīng)電荷而帶電。

3、電暈帶電，附加高電壓的針狀電極的尖部會產(chǎn)生電暈放電產(chǎn)生離子與物體碰撞而帶電。

4、流動帶電，液體由管壁表面獲得電荷，隨液體的流動使液體又與管壁分離而引起的帶電現(xiàn)象叫流動帶電。

（三）潔凈室的防靜電措施

1、潔凈室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防靜電，為了防止靜電集聚，潔凈室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用高導(dǎo)電率的材料制作。圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括有墻、門、窗、頂和地?？轨o電地板的電阻值為10的6次方到9次方歐姆，導(dǎo)靜電地板的電阻值為10的4次方到6次方歐姆。目前多用塑料（PVC）塊材或卷材，以及防靜電還氧自流平。墻板和頂板（除布滿高效過濾器處外）的夾心保溫材料多為巖棉和鋁蜂窩等不燃材料，而用鋁板或彩鋼板作面板。墻板和地板都要有良好的接地措施產(chǎn)生的靜電能迅速地通過導(dǎo)電材料和地線導(dǎo)掉。

2、人員的防靜電措施，在潔凈室內(nèi)的工作人員必須穿著防靜電潔凈工作服。防靜電潔凈工作服的織物中加入了導(dǎo)電的金屬纖維或碳素纖維。除此之外，必須時(shí)還在作業(yè)人員的手腕上配帶接地的導(dǎo)電腕環(huán)。

3、在生產(chǎn)工藝的允許條件下，可用提高潔凈室內(nèi)空氣相對濕度的方法來消除靜電。當(dāng)濕度在65%一70%的情況下，物體表面形成一層極薄的水膜，能溶解二氧化碳，增加表面的導(dǎo)電能力，使靜電不積累。

4、減少磨擦作業(yè)，以減少靜電的發(fā)生源。