微波組件用萬級超凈車間空調工程設計

摘" 要：該工程項目為微波、毫米波多芯片組件研制車間工程。為滿足組件的高性能、高可靠性等技術要求，組件的裝配環境是必須前提，必須建造萬級超凈車間。項目針對現有建筑的特點進行改造，運用溫濕度獨立控制系統（THIC）技術、下更換式風機過濾單元（FFU）安裝技術、潔凈實驗室全自動化控制系統等技術，設計并建成1 000 m2超凈智能車間。可為類似工程設計提供一定的指導作用。

關鍵詞：微波組件；超凈車間；空調系統；溫度；濕度；潔凈度

中圖分類號：TU834" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0110-06

Abstract： This project is a microwave and millimeter wave multi-chip module development workshop project. In order to meet the technical requirements of high performance and high reliability of components， the assembly environment of components is a necessary prerequisite， and a Class 10，000 super-clean workshop must be built. According to the characteristics of existing buildings， the project uses temperature and humidity independent control system （THIC） technology， down-replacement fan filter unit （FFU） installation technology， clean laboratory automatic control system and other technologies to design and build a 1000-square-meter super-clean smart workshop， which can provide some guidance for similar engineering design.

Keywords： microwave module; super clean workshop; air conditioning system; temperature; humidity; cleanliness

本項目為微波、毫米波多芯片組件研制車間工程。微波、毫米波多芯片組件，作為雷達等軍用電子設備的重要組成部分，由大量裸芯片、集成芯片組裝而成[1]。通過微組裝工藝技術，將各種半導體裸芯片、集成電路芯片及微型化、小型化片式元器件組裝到高密度互連基板上，形成高可靠、高密度三維結構的多功能微波組件[2]。隨著微波、毫米波多芯片組件需求量日益增大，建設批量化微波、毫米波多芯片組件的高效生產工藝線迫在眉睫，并既要具備批量化的生產條件，又要兼顧柔性化的生產特點[3]。其中為了滿足組件的高性能、高可靠性等技術要求，組件的裝配環境是必須前提。針對除塵、恒溫、去濕、光照等產品及裝配要求，必須建造超凈車間[4-5]。超凈車間涉及空氣調節、建筑布置、生產工藝與設備、建筑材料及工作制度等方面，而核心為以空氣凈化為主的超凈空調。

本工程項目設計的超凈車間等級為萬級（ISO 14644-1《潔凈室和相關受控環境》規定的ISO 7級（萬級）潔凈度顆粒物濃度：小于0.5 μm的顆粒濃度不超過352 000 pc/m3，小于1.0 μm的顆粒濃度不超過83 200 pc/m3，小于5.0 μm的顆粒濃度不超過2 930 pc/m3）。且建成后的萬級超凈車間滿足在人員及設備滿載的情況下，溫濕度要求：溫度為（22±3）℃；相對濕度為（55±10）%。

1" 空調系統設計

空調系統是萬級超凈車間的核心，車間內部的重要參數如溫度、濕度、潔凈度均需要空調系統予以保證，室內熱負荷、濕負荷全部由空調系統負責移除，因此，空調系統在潔凈室建設中有著非常重要的地位。高效、節能的空調系統設計，不僅可以降低投資和后期的維護費用，對工程的質量也能有很大的提升。

1.1" 冷熱源設計方案

一般情況下，冷熱源選擇方面有以下4種方案。

方案一必須建立獨立的冷熱源機房，但此方案需要較大規模，設立冷熱源機房必然會增加建設成本，同時獨立的冷熱源機房有較大的建筑面積需求，并且此項目所在地塊建筑及道路均已形成，因此，布置獨立的冷熱源機房相當困難，此方案無法成行。

方案二與方案一相比，沒有必要建立單獨的冷熱源機房，而且方案二中的風冷熱泵模塊機組放置在樓頂即可，既可以節省使用面積，也減少了資金投入。然而，風冷熱泵模塊機組有以下幾處缺陷：①與冷水機組相比，其制冷效率（COP）更低；②機組的能耗高，不符合節能要求；③冬季存在除霜的風險。另一方面，鑒于此方案制冷和制熱沒有辦法共同運轉，不符合本項目對超凈車間中的空調系統溫濕度的相關要求，因此此方案也無法成行。

方案三中涉及的一體式雙冷高效冷水機組，將水處理系統、控制系統、制冷/制熱循環和冷/熱水輸配相結合，省去了機房及冷卻塔。也就是說，方案三集合了以上2個方案的優點，不僅高效節能，而且安全可靠。但其機組為新研產品，未大面積推廣應用，設備初期投資較大。

方案四選取的直膨式恒溫恒濕空調機組，可以直接將其布置在樓頂，沒有必要建立單獨的機房，不僅節省空間，而且減少資金投入。另一方面，直膨式恒溫恒濕空調機組不需要冷卻塔和水泵等配套設備，因此，此方案還具有設計簡單、操作靈活、運行高效等優點。不過，此方案的系統屬于全空氣系統，不僅對于空調機房的面積有較高的需求，而且對廠房面積、層高以及結構荷載都有一定的要求，因此，此方案也難以成行。

綜合以上考慮，本工程在大體上選定方案三，并對此進行節能優化改進。

1.2" 空氣處理設計方案

首先對超凈車間相關人員、設備等進行冷負荷計算，以設計出最優方案。總負荷計算結果見表1。其中，散濕量估算指標w=150 g/（h×人）；室內人員數量p=90人；每小時散濕量為13.50 kg。

對照所需處理的總負荷，一般有以下幾種方案。

1）一次回風系統。此系統為全空氣系統，由空氣處理機組（AHU）和高效過濾風口（HEPA）組成。其優點為控制簡單，能較好地進行溫濕度控制。對于一些小系統采用的恒溫恒濕機組，應用廣泛。缺點為運行能耗大。主要原因：①所有循環風必須處理到露點以下，以通過冷盤管消除室內余溫。處理風量大，增加能耗；②除濕后的循環風溫度過低，往往需要再熱后才能送入室內，再熱一般采用電熱形式；③循環風管道系統往往較為復雜，輸送能耗不能忽略。因此，在沒有合適熱源的情況下，一般就需要使用寶貴的電能對送風進行再熱，導致后期使用費用高。此外，送/回溫系統龐大，常常配備一套巨大的風管，需要較大的安裝和維護空間，在施工時會給其他工藝管線的安裝造成影響，后期的維護及功能拓展也常常受到空間的限制。

2）二次回風系統。二次回風系統是對于一次回風系統的優化，成本高于一次回風系統，風管復雜，控制系統復雜，但減小了再熱量，能耗比一次回風系統有明顯改善。缺點在于控制要求高，調試難度大，風管尺寸大。

3）溫濕度獨立處理系統。該系統由新風機組（MAU）、干盤管（DC）及風機過濾單元（FFU）系統組成。該系統經常被用于超凈車間空調系統的設計中，其中，新風機組在夏季負責承擔室內濕負荷及部分熱負荷，在冬季則負責承擔處理新風的任務并負責控制室內濕度。處理后的新風直接送入到超凈車間夾層上部，與超凈車間內部的回風混合后，由風機過濾單元送入車間內工作區，而車間內的回風則通過夾層風道，經夾層風道上方的干盤管冷卻回到上夾層。其余冷熱負荷由干盤管承擔，控制超凈車間內的溫度。風機過濾單元則是循環次數及潔凈度保證。

該方案只需要一套新風機組（MAU），送風系統簡單，主要由MAU控制室內濕度，而DC控制室內溫度，從而實現超凈車間內溫濕度獨立控制，被控參數波動小，有利于室內溫濕度精度保證。在該系統中，干盤管負責處理超凈車間內冷負荷，減小了空調機組的處理風量，從而減少了風系統運行能耗，并減少了空調機組的面積、送回風管的尺寸及建筑空間，同時在此系統中，可靈活布置FFU以滿足超凈要求，在后期維護保養費用較少，但前期投資較高。在節能方面，比“空氣處理機組（AHU）+高效過濾風口（HEPA）”方式節能40%以上，加上除濕后的空氣再熱，節能比例超過70%。

因此，從運行費用、建筑面積、節能環保等多方面綜合考慮，空氣處理采用溫濕度獨立處理系統即MAU+DC+FFU系統方案。

2.3" 潔凈度處理方案

本項目中超凈車間的潔凈度主要由風機過濾單元（FFU）系統予以保證。風機過濾單元是一種自帶動力的送風過濾裝置，同時具有過濾功效的模塊化的末端送風裝置。風機過濾單元從上夾層將空氣吸入后，經過HEPA過濾，過濾后的潔凈空氣以0.45 m/s±20%左右的速度均勻送出。FFU采用直流無刷風機，具有噪音小、功率低、風量大和壽命長等優點，可模塊化連接同時工作。本項目中的FFU安裝方式如圖1所示。

在安裝前確保超凈車間內必須已經密閉，新風空調送潔凈風達3 d以上，所有龍骨已安裝并調平。本項目中的FFU尺寸為：1 175 mm×575 mm×375 mm，彩鋼板厚度為50 mm。在吊頂彩鋼板安裝完成后，對彩鋼板進行開孔，開孔尺寸為1 185 mm×585 mm，后手提圓鋼把手的方式進行FFU的運輸安裝。后通過吊片將FFU使用絲桿的方式進行連接，具體為在彩鋼板上的人員腳踩彩鋼板，手扶懸掛螺旋絲桿，潔凈人員將FFU從下往上送至彩鋼板開孔處，上面人員接應，并把已經打孔安裝好的絲桿及花籃螺栓掛入FFU箱體的吊片上。FFU內部內置一臺XM-310直流風機，將FFU整體通過散流板與彩鋼板之間進行螺釘緊固連接。散流板與彩鋼板之間的縫隙使用密封膠進行打膠密封處理。當超凈車間達到自循環要求時，清理衛生后，通過拆除散流板上的螺釘，從彩鋼板上取下，再安裝鋁框無隔板高效過濾器。此種裝配方式非常簡單便捷，且便于更換內部的鋁框無隔板高效過濾器。船型開關為單個FFU設備的總開關，而使用電源線孔對設備的供電端進行接線。在超凈車間內，FFU之間的通信連接使用2根RVVSP 2×0.75 mm屏蔽線，接頭連接在端子排上面，2根屏蔽線的屏蔽層連接到一起后用電工膠帶處理。通信連接時，按照手拉手方式總線方式連接。FFU自帶編碼器，通過尋址方式對每臺FFU進行編碼，可實現分組控制、日程設置、工作時段設置等，也可實現不同時段不同轉速的設置，如工作時段采用標準轉速，夜間保持較低轉速的方式節能運行。同時，FFU分組串聯UPS電源，可實現一定緊急情況下潔凈等級的保證，在故障斷電的情況下生產軟著陸，避免意外斷電導致潔凈環境惡化造成的生產損失，這對高端電子產品的安全生產至關重要。

本項目中，創造性地設計了FFU的安裝方式，可以在彩鋼吊頂板安裝好后，再安裝FFU，在新風正壓運行階段不安裝高效過濾器，當凈化室內達到自循環的要求時，清潔衛生，再安裝高效過濾器，保證了高效過濾器在凈化實驗室初使用時的壽命。并且可以在室內方便更換高效過濾器，方便了以后的維護，節省了運維成本。同時，本項目利用計算流體動力學（CFD）技術對超凈車間氣流組織進行模擬，從而為設計方案的優化提供了參考。模擬圖如圖2所示。通過對圖3中不同FFU及回風口位置下氣流情況進行模擬研究，發現在距FFU距離由小到大的不同回風口氣流呈由長到短的趨勢，分析造成這種情況的原因是FFU排列不均及靜壓層內梁阻擋氣流所致。因此依次調整FFU排布位置，避免氣流受阻，從而獲得較好的氣流循環效果。

2.4" 自控系統

本項目中的自控系統接入設備包括：空調主機、組合式空調箱（溫度傳感器、電極加濕器、除濕系統、風機電機變頻器）、電動比例調節閥、風閥執行器、變頻水泵、FFU（高效過濾單元）、門禁和排風機等。主要功能包括：監控功能、報警功能、記錄功能、手動及自動控制功能和系統保護功能等。

此系統的控制邏輯方案為以下3點。

1）冷水機組的自動控制。①基于室外氣象參數、負荷變化規律、地理位置等情況，設置自控系統冷水機組的全年自動運行時刻表，包括冷水機組運行臺數以及冷凍水供水溫度。②基于末端需求和冷水機組實際運行狀態，對冷水機組實現供水溫度控制及自動加減控制。③冷凍水總供水溫度大于溫度設定值+溫度偏差值、機組溫度降低速率小于設定值，執行加機流程。④冷凍水總供水溫度小于溫度設定值+溫度偏差值且運行臺數多余一臺，執行減機流程。

2）冷凍水泵的自動控制。智能自控系統可基于冷凍水量的使用需求，及依據冷水機組中最小冷凍流量的限制，自動調整冷凍水泵的運行轉速，從而達到降低冷凍泵能耗的目的。

3）新風機的自動控制。①根據室外溫濕度計算出濕球溫度，來判定夏季、冬季或過渡季節模式。②夏季模式：根據設定溫度與實際濕度對比，調整新風機表冷器電動比例閥門。若還未達到設定值，啟動直膨機增加冷量進行除濕。通過調整干盤管總管的電動比例閥門進行降溫。③冬季模式：根據設定溫度與實際濕度對比，打開加濕器調節加濕。通過調整干盤管總管的電動比例閥門進行升溫。④過渡季節：根據設定溫度與實際濕度對比，啟動直膨機增加冷量進行除濕。通過調整干盤管總管的電動比例閥門進行升溫。⑤新風機頻率根據設計車間氣壓與實際車間風壓對比，進行PID調節。⑥冬季防凍模式：根據室外溫度判斷是否有防凍需求，結合預熱干盤管后的溫度，采取分級防凍措施：如保持水泵運行、保持主機制熱運行、關小新風閥門等工作。

控制原理：系統送電，PLC正常運行，根據溫濕度傳感器檢測的信號，開機先開啟新風閥，新風閥開啟30 s后啟動風機，用送風溫濕度控制空調上的水管開度，用送風溫濕度控制直膨機的啟停，用室內4個溫度傳感器控制夾層里的水管開度。室內壓力達到之后開始自動調小變頻達到最低頻率，變頻達到最低頻率后，開始關小新風閥，達到最小新風閥開度后，達到節能要求。自控系統軟件界面結果如圖3（a）—（d）所示。

2" 項目成果

項目建成后，對相關指標進行測試。

溫度測量見表2。

濕度測量見表3。

潔凈度測量見表4。

項目實物圖如圖4—5所示。

3" 結束語

本文從冷熱源設計方案、空氣處理設計方案、潔凈度處理方案、自控系統等方面介紹了一種微波組件用萬級超凈車間空調工程技術。本工程項目針對現有建筑的特點進行改造，運用溫濕度獨立控制系統（THIC）技術、下更換式風機過濾單元（FFU）安裝技術、潔凈實驗室全自動化控制系統等技術，設計并建成1 000 m2超凈智能車間。項目的建成，極大地提高了產能，滿足了未來組件的市場需求，并可為類似潔凈室設計及經濟運行提供指導作用。

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