高等級潔凈室氣流微調(diào)整方案

王 雪， 徐陸平

（亞翔系統(tǒng)集成科技（蘇州）股份有限公司，江蘇蘇州， 215126）

0 引言

近十年以來，電子工業(yè)潔凈室技術(shù)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都經(jīng)歷了快速發(fā)展。特別是半導(dǎo)體工業(yè)和光電產(chǎn)業(yè)用高標(biāo)準(zhǔn)潔凈室常常成為潔凈室技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。在此領(lǐng)域內(nèi)，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求一直在提高，對潔凈生產(chǎn)環(huán)境的要求也是如此。即使是由各種不同因素造成的最小污染，特別是氣流組織不良的環(huán)境因素，也會導(dǎo)致高比例的有缺陷產(chǎn)品及廢品率[3]。因此，必須將影響產(chǎn)品質(zhì)量的環(huán)境因素降至最小，保證優(yōu)化生產(chǎn)工藝成本，提升制程良率。

本文主要針對全面單向垂直流潔凈室內(nèi)的氣流偏移現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，探討在潔凈室施工圖深化設(shè)計(jì)中所要考慮的因素以及氣流二次調(diào)整的典型方案，使?jié)崈羰倚纬奢^好的氣流流型并能更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

1 全面單向垂直流潔凈室

理想的全面單向垂直流潔凈室的氣流組織為上送下回（如圖1所示），其室內(nèi)空氣潔凈度高、相互污染少，被生產(chǎn)設(shè)備污染的空氣能很快地排出，防止微粒擴(kuò)散，地面積塵較少，自凈能力強(qiáng)，室內(nèi)任何地方都能達(dá)到所要求的潔凈度等級，布置生產(chǎn)設(shè)備方便[1]。

2 潔凈室內(nèi)氣流組織的影響因素

在實(shí)際建廠過程中，氣流的流場特征會影響到潔凈度等級及污染物的控制，從而使?jié)崈羰业男Чc設(shè)計(jì)時相差甚遠(yuǎn)[1]。而且從流動的雷諾數(shù)來考慮，潔凈室的氣流均為紊流[4]，潔凈室運(yùn)轉(zhuǎn)后實(shí)際的風(fēng)向控制較為復(fù)雜，考慮因素更多，與高架地板開孔率、FFU吹出風(fēng)速、機(jī)臺方位、人員走動、導(dǎo)流板設(shè)置等均有很大的關(guān)系。而氣流偏移現(xiàn)象的原因分析以及氣流改善方案的前提是應(yīng)從大環(huán)境角度考慮，若只考慮局部往往達(dá)不到所期望的控制目標(biāo)。

3 高等級大空間潔凈室氣流存在的問題及解決方法

3.1 面臨的問題

在高世代的面板廠或芯片廠，特別是現(xiàn)在陸續(xù)在建的8.5G面板廠，廠房單層潔凈區(qū)面積最高已接近80 000m2。廠房的寬度往往也超過100m，回風(fēng)道的布置不僅僅是廠房的兩側(cè)，而是四周均有設(shè)置以彌補(bǔ)回風(fēng)面積的不足，故其氣流控制更為復(fù)雜。這里借助于計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件，甚至是高端電腦配置對龐大的信息量進(jìn)行處理并得到有用的分析數(shù)據(jù)。

3.2 通過CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件的解決方案

內(nèi)流場分析需建立模型及設(shè)定邊界條件并盡量符合實(shí)際，從而所得到的數(shù)據(jù)也能接近于實(shí)際狀況。模型建立主要包括建筑尺寸、回風(fēng)道分布以及生產(chǎn)設(shè)備模型等。邊界條件主要包括FFU參數(shù)、孔板特性及障礙物等定。通過研究各區(qū)之氣流偏移狀況，分區(qū)調(diào)整地板阻力特性以形成潔凈房所需要之垂直單向流。一般在大環(huán)境區(qū)域氣流模擬建模時，要求業(yè)主提供生產(chǎn)機(jī)臺的相關(guān)參數(shù)（如外形尺寸、自帶FFU參數(shù)等），以得到更符合未來實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的氣流狀況。從而可以在施工之前預(yù)見未來可能發(fā)生的局部氣流偏移、紊流甚至交叉污染等不良現(xiàn)象，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

4 潔凈室典型氣流偏移現(xiàn)象及二次調(diào)整方案

4.1 潔凈室大環(huán)境氣流偏移

圖2所示為典型的全面單向垂直層流的生產(chǎn)廠房剖面示意圖，在遠(yuǎn)離回風(fēng)道側(cè)的氣流往左偏移。在許多工程案例中，孔板布置方案一般與FFU布置相同，即在FFU正下方布同樣面積的孔板。可能原因是方案設(shè)計(jì)階段未考慮氣流偏移現(xiàn)象，或是在施工圖深化設(shè)計(jì)階

目前，隨著計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)自身的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)和潔凈室等工程領(lǐng)域[2]，CFD軟件執(zhí)行的范圍主要包括整廠內(nèi)部的氣流分析（內(nèi)流場分析）和機(jī)臺內(nèi)部潔凈問題分析。內(nèi)流場分析是在高新產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)廠房內(nèi)進(jìn)行流場分析，依模擬結(jié)果論證工程設(shè)計(jì)的可行性，或在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的修改意見。機(jī)臺內(nèi)部潔凈問題分析是在高新企業(yè)的生產(chǎn)過程中常常由于微污染而導(dǎo)致生產(chǎn)良率下降，可將CFD分析手段與高新產(chǎn)業(yè)工藝制程相關(guān)知識結(jié)合在一起，為問題的確定提供依據(jù)。段時，因潔凈承包商的技術(shù)水平差次不齊，多數(shù)人并未意識到孔板布置與氣流組織之間的密切關(guān)系，而僅僅是照圖施工。所以常常在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)階段時才發(fā)現(xiàn)氣流偏移的問題，此時再想辦法去解決往往事倍功半。

那在生產(chǎn)車間內(nèi)氣流為什么會有偏移的現(xiàn)象呢？可以將以下技術(shù)夾層（RAP）看做一支大風(fēng)管，而風(fēng)通過風(fēng)管時因管路本身的摩擦?xí)纬裳爻套枇p失。也就是說，離回風(fēng)道越近的點(diǎn)所需要克服的阻力值越小。借助于CFD軟件，可以模擬出RAP層室壓隨著回風(fēng)距離而變化的壓力曲線。其中地板阻力系數(shù)越大，各區(qū)差壓越明顯。同時，也會因?yàn)橐驒C(jī)臺占地面積多寡以及RAP層因配管引起有效通風(fēng)斷面的減小，均會造成各區(qū)差壓的不平衡。當(dāng)回風(fēng)經(jīng)過地板的阻力不同時，就會產(chǎn)生壓力差，從而使空氣向阻力小的方向流動，形成了氣流偏移。

所以，大環(huán)境氣流偏移的調(diào)整措施主要調(diào)節(jié)地板的阻力特性，因地板型式的不同可以通過調(diào)整高架地板孔板的分布率或waffer slab開孔配置實(shí)現(xiàn)，如圖4所示，通過上述改善方案從而得到理想的潔凈室內(nèi)氣流流型。Waffle Slab層流入Fab層。

4.2 微環(huán)境氣流偏移

對于制程設(shè)備的具體構(gòu)造，潔凈包設(shè)計(jì)人員并不能了解的很清楚。有Waffle Slab層之無塵室欲修正氣流平行度，由改變孔板分布之效果有限，若要調(diào)整氣流平行度則須由Waffle Slab（華夫板）層之開孔分布率著手，否則靠近Dry Coil（干式盤管）側(cè)將因Fab層與RAP層間壓差過大造成Waffle Slab內(nèi)氣流側(cè)向流動，尤其在不同級區(qū)間狀況更為明顯，嚴(yán)重者甚至造成下方氣流反由

這里的微環(huán)境主要特指生產(chǎn)機(jī)臺區(qū)域環(huán)境，在SEMI標(biāo)準(zhǔn)中“SEMI E44-95微環(huán)境購買驗(yàn)收指南”對微環(huán)境的定義為：由隔離裝置做成的局部化環(huán)境，目的是使將產(chǎn)品與人員污染隔離開[3]。其因由是“潔凈”工藝僅需較小的空間，卻為何浪費(fèi)那么多平方米的潔凈室空間[3]。即“大”潔凈室僅限于基本潔凈度水平，且所有的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝都在潔凈室級別足夠好的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。微環(huán)境又可以分為無送風(fēng)微環(huán)境（不帶氣流的盒子、柜子或?qū)ｉT接口箱）和送風(fēng)微環(huán)境（帶有低度紊流的微環(huán)境，可以使用潔凈室本身的潔凈空氣，或是自帶FFU）兩種。

一般情況下，進(jìn)行氣流模擬是將生產(chǎn)機(jī)臺當(dāng)作一個空塊進(jìn)行處理，但實(shí)際情況并非如此。有些機(jī)臺的確是一個不通風(fēng)的箱體，但有些機(jī)臺卻可以通風(fēng)，甚至多數(shù)機(jī)臺均有自帶FFU設(shè)備。對于不通風(fēng)的設(shè)備，我們可以將設(shè)備正下方的地板孔板布置率減少甚至不布置，而將孔板挪至設(shè)備四周，以避免該設(shè)備客觀上占用多數(shù)通風(fēng)面積。而對于自帶FFU設(shè)備，又可以依造設(shè)備是否有水盤、底座透風(fēng)狀況及廢氣排放量等不同特征，分別規(guī)劃孔板的布置方案。例如在清洗機(jī)區(qū)域，考慮到有漏液的風(fēng)險(xiǎn)，故建議在設(shè)備輪廓線附近均布置盲板以避免漏液流到回風(fēng)夾層內(nèi)產(chǎn)生意外。而在ROBOT（自動機(jī)械手臂設(shè)備）區(qū)域，因其內(nèi)部潔凈等級要求高達(dá)Class 10，一般建議該區(qū)域滿布孔板以避免紊流產(chǎn)生。而對于很多自帶FFU的設(shè)備來講，因其本身廢氣排放量較大，故設(shè)備下方的孔板布置并不需要滿布。而有些設(shè)備下方即使是滿布孔板有時也不能滿足其氣流控制需求，比如在Stocker設(shè)備底座區(qū)域孔洞內(nèi)可增加軸流風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，以得到較好的垂直氣流單向流型。

4.3 局部紊流

全面層流潔凈室也常出現(xiàn)氣流紊流和回流等狀況，會使?jié)崈羰业木植繗饬鹘M織受到破壞，是潔凈室的設(shè)計(jì)人員和施工維護(hù)人員都應(yīng)注意的地方[1]。當(dāng)孔板有針對性的布置后，空態(tài)狀況下潔凈室內(nèi)的氣流特性一般都能符合設(shè)計(jì)的要求。但一旦有機(jī)臺設(shè)備進(jìn)入潔凈室、人員的移動和產(chǎn)品的轉(zhuǎn)輸時，就不可避免的存在著氣流組織的障礙物。比如在設(shè)備機(jī)臺突出的尖角或邊緣處，氣流會分流形成一個紊流區(qū)[1]。在紊流區(qū)內(nèi)的流體不易補(bǔ)送入氣體帶走，從而產(chǎn)生污染。另一種情況是因?yàn)樵O(shè)備本身的發(fā)熱，在機(jī)臺附近由溫度梯度引起回流區(qū)，加大了微粒累積。同時，高溫又容易使微粒逸散出去，雙重效應(yīng)加濕了全面垂直層流的控制難度。還有就是天花高低差不同，以及千級區(qū)低FFU覆蓋率的情形，在靠近天花處均有氣流紊流的現(xiàn)象。

因?yàn)橛行┰O(shè)備需求潔凈度較高，而設(shè)備本身沒有自帶FFU，為達(dá)到此目標(biāo)則建議增加Eyelid（導(dǎo)流垂壁）加以克服。而Eyelid安裝時應(yīng)注意其整體性，不應(yīng)留有縫隙否則會產(chǎn)生誘導(dǎo)現(xiàn)象以影響控制區(qū)域內(nèi)的潔凈度。若于其它施工及使用考慮時，應(yīng)依照現(xiàn)場狀況施作開口并予以密封（包含連接處之縫隙）。安裝時所留下之孔隙在FFU為非滿布之狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于FFU出風(fēng)誘導(dǎo)效應(yīng)之影響，將造成級區(qū)區(qū)劃外之氣流吸入至區(qū)劃內(nèi)。在塵度高之制程區(qū)劃，以此方式施作會有塵度離異之問題Eyelid之應(yīng)用應(yīng)配合滿布之FFU進(jìn)行級區(qū)區(qū)劃，若為成本考慮而采用其它FFU配比時應(yīng)注意區(qū)劃內(nèi)紊流之程度，以不影響級區(qū)潔凈度為原則。

5 結(jié)語

（1）CFD是一種較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，結(jié)合工程實(shí)際情況，借助模擬工具進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)已成必然趨勢[2]，在深化設(shè)計(jì)過程中可通過建模，模擬從而提前發(fā)現(xiàn)并解決一些問題。

（2）對潔凈室設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮生產(chǎn)機(jī)臺的特性，潔凈室的整體構(gòu)造，并據(jù)此調(diào)整氣流布置方能取得理想的潔凈室氣流形態(tài)，進(jìn)而確保潔凈室的潔凈度，提高生產(chǎn)良率并可實(shí)現(xiàn)一定程度的節(jié)能效果。

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[1]袁旭東，王科.全面垂直層流潔凈室氣流組織影響因素探討[J].制冷與空調(diào)，2005，（02）：12～16.

[2]趙金亮，劉俊杰，朱能.高級別潔凈室氣流組織的優(yōu)化[J].流體機(jī)械，2005，33，（4）：58～61.

[3]本德.阿蘭德.潔凈室技術(shù)近期發(fā)展趨勢及微環(huán)境展望[J].第六屆中國國際上海潔凈技術(shù)論壇，2003.

[4]許鐘麟.空氣潔凈技術(shù)原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

收稿日期：2012-12-28

修回日期：2013-01-04