百级洁净无尘室气流微调整方案

0 引言

近十年以来，电子工业洁净室技术在技术和经济上都经历了快速发展。特别是半导体工业和光电产业用高标准洁净室常常成为洁净室技术发展的标志。在此领域内，对产品质量的要求一直在提高，对洁净生产环境的要求也是如此。即使是由各种不同因素造成的最小污染，特别是气流组织不良的环境因素，也会导致高比例的有缺陷产品及废品率[3]。因此，必须将影响产品质量的环境因素降至最小，保证优化生产工艺成本，提升制程良率。

本文主要针对全面单向垂直流洁净室内的气流偏移现象进行综合分析，探讨在洁净室施工图深化设计中所要考虑的因素以及气流二次调整的典型方案，使洁净室形成较好的气流流型并能更好地满足实际生产的需要。

1 全面单向垂直流洁净室

理想的全面单向垂直流洁净室的气流组织为上送下回（如图1所示），其室内空气洁净度高、相互污染少，被生产设备污染的空气能很快地排出，防止微粒扩散，

地面积尘较少，自净能力强，室内任何地方都能达到所

要求的洁净度等级，布置生产设备方便[1]。

2 洁净室内气流组织的影响因素

在实际建厂过程中，气流的流场特征会影响到洁净度等级及污染物的控制，从而使洁净室的效果与设计时相差甚远[1]。而且从流动的雷诺数来考虑，洁净室的气流均为紊流[4]，洁净室运转后实际的风向控制较为复杂，考虑因素更多，与高架地板开孔率、FFU吹出风速、机台方位、人员走动、导流板设置等均有很大的关系。而气流偏移现象的原因分析以及气流改善方案的前提是应从大环境角度考虑，若只考虑局部往往达不到所期望的控制目标。

3 高等级大空间洁净室气流存在的问题及解决方法

3.1 面临的问题

在高世代的面板厂或芯片厂，特别是现在陆续在建的8.5G面板厂，厂房单层洁净区面积最高已接近80 000m2。厂房的宽度往往也超过100m，回风道的布置不仅仅是厂房的两侧，而是四周均有设置以弥补回风面积的不足，故其气流控制更为复杂。这里借助于计算机相关软件，甚至是高端电脑配置对庞大的信息量进行处理并得到有用的分析数据。

3.2 通过CFD（计算流体力学）软件的解决方案

目前，随着计算流体动力学（CFD）技术自身的发展，其已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域[2]，CFD软件执行的范围主要包括整厂内部的气流分析（内流场分析）和机台内部洁净问题分析。内流场分析是在高新产业生产厂房内进行流场分析，依模拟结果论证工程设计的可行性，或在原有设计的基础上提出优化设计的修改意见。机台内部洁净问题分析是在高新企业的生产过程中常常由于微污染而导致生产良率下降，可将CFD分析手段与高新产业工艺制程相关知识结合在一起，为问题的确定提供依据。

内流场分析需建立模型及设定边界条件并尽量符合实际，从而所得到的数据也能接近于实际状况。模型建立主要包括建筑尺寸、回风道分布以及生产设备模型等。边界条件主要包括FFU参数、孔板特性及障碍物等定。通过研究各区之气流偏移状况，分区调整地板阻力特性以形成洁净房所需要之垂直单向流。一般在大环境区域气流模拟建模时，要求业主提供生产机台的相关参数（如外形尺寸、自带FFU参数等），以得到更符合未来实际运转的气流状况。从而可以在施工之前预见未来可能发生的局部气流偏移、紊流甚至交叉污染等不良现象，并采取相应的预防措施。

4 洁净室典型气流偏移现象及二次调整方案

4.1 洁净室大环境气流偏移

图2所示为典型的全面单向垂直层流的生产厂房剖面示意图，在远离回风道侧的气流往左偏移。在许多工程案例中，孔板布置方案一般与FFU布置相同，即在FFU正下方布同样面积的孔板。可能原因是方案设计阶段未考虑气流偏移现象，或是在施工图深化设计阶段时，因洁净承包商的技术水平差次不齐，多数人并未意识到孔板布置与气流组织之间的密切关系，而仅仅是照图施工。所以常常在实际运转阶段时才发现气流偏移的问题，此时再想办法去解决往往事倍功半。

那在生产车间内气流为什么会有偏移的现象呢？

可以将以下技术夹层（RAP）看做一支大风管，而风通过风管时因管路本身的摩擦会形成沿程阻力损失。也就是说，离回风道越近的点所需要克服的阻力值越小。借助于CFD软件，可以模拟出RAP层室压随着回风距离而变化的压力曲线。其中地板阻力系数越大，各区差压越明显。同时，也会因为因机台占地面积多寡以及RAP层因配管引起有效通风断面的减小，均会造成各区差压的不平衡。当回风经过地板的阻力不同时，就会产生压力差，从而使空气向阻力小的方向流动，形成了气流偏移。

所以，大环境气流偏移的调整措施主要调节地板的阻力特性，因地板型式的不同可以通过调整高架地板孔板的分布率或waffer slab开孔配置实现，如图4所示，通过上述改善方案从而得到理想的洁净室内气流流型。

对于制程设备的具体构造，洁净包设计人员并不能了解的很清楚。有Waffle Slab层之无尘室欲修正气流平行度，由改变孔板分布之效果有限，若要调整气流平行度则须由Waffle Slab（华夫板）层之开孔分布率着手，否则靠近Dry Coil（干式盘管）侧将因Fab层与RAP层间压差过大造成Waffle Slab内气流侧向流动，尤其在不同级区间状况更为明显，严重者甚至造成下方气流反由Waffle Slab层流入Fab层。

4.2 微环境气流偏移

这里的微环境主要特指生产机台区域环境，在SEMI标准中“SEMI E44- 95微环境购买验收指南”对微环境的定义为：由隔离装置做成的局部化环境，目的是使将产品与人员污染隔离开[3]。其因由是“洁净”工艺仅需较小的空间，却为何浪费那么多平方米的洁净室空间[3]。即“大”洁净室仅限于基本洁净度水平，且所有的关键生产工艺都在洁净室级别足够好的区域内进行。微环境又可以分为无送风微环境（不带气流的盒子、柜子或专门接口箱） 和送风微环境（带有低度紊流的微环境，可以使用洁净室本身的洁净空气，或是自带FFU）两种。

一般情况下，进行气流模拟是将生产机台当作一个空块进行处理，但实际情况并非如此。有些机台的确是一个不通风的箱体，但有些机台却可以通风，甚至多数机台均有自带FFU设备。对于不通风的设备，我们可以将设备正下方的地板孔板布置率减少甚至不布置，而将孔板挪至设备四周，以避免该设备客观上占用多数通风面积。而对于自带FFU设备，又可以依造设备是否有水盘、底座透风状况及废气排放量等不同特征，分别规划孔板的布置方案。例如在清洗机区域，考虑到有漏液的风险，故建议在设备轮廓线附近均布置盲板以避免漏液流到回风夹层内产生意外。而在ROBOT（自动机械手臂设备）区域，因其内部洁净等级要求高达Class 10，一般建议该区域满布孔板以避免紊流产生。而对于很多自带FFU的设备来讲，因其本身废气排放量较大，故设备下方的孔板布置并不需要满布。而有些设备下方即使是满布孔板有时也不能满足其气流控制需求，比如在Stocker设备底座区域孔洞内可增加轴流风扇进行强制通风以得到较好的垂直气流单向流型。

4.3 局部紊流

全面层流洁净室也常出现气流紊流和回流等状况，会使洁净室的局部气流组织受到破坏，是洁净室的设计人员和施工维护人员都应注意的地方[1]。当孔板有针对性的布置后，空态状况下洁净室内的气流特性一般都能符合设计的要求。但一旦有机台设备进入洁净室、人员的移动和产品的转输时，就不可避免的存在着气流组织的障碍物。比如在设备机台突出的尖角或边缘处，气流会分流形成一个紊流区[1]。在紊流区内的流体不易补送入气体带走，从而产生污染。另一种情况是因为设备本身的发热，在机台附近由温度梯度引起回流区，加大了微粒累积。同时，高温又容易使微粒逸散出去，双重效应加湿了全面垂直层流的控制难度。还有就是天花高低差不同，以及千级区低FFU覆盖率的情形，在靠近天花处均有气流紊流的现象。

因为有些设备需求洁净度较高，而设备本身没有自带FFU，为达到此目标则建议增加Eyelid（导流垂壁）加以克服。而Eyelid安装时应注意其整体性，不应留有缝隙否则会产生诱导现象以影响控制区域内的洁净度。若于其它施工及使用考虑时，应依照现场状况施作

开口并予以密封（包含连接处之缝隙）。安装时所留下之孔隙在FFU为非满布之状况下运转时，由于FFU出风诱导效应之影响，将造成级区区划外之气流吸入至区划内。在尘度高之制程区划，以此方式施作会有尘度离异之问题Eyelid之应用应配合满布之FFU进行级区区划，若为成本考虑而采用其它FFU配比时应注意区划内紊流之程度，以不影响级区洁净度为原则。

5 结语

（1）CFD是一种较好的优化设计工具，结合工程实际情况，借助模拟工具进行辅助设计已成必然趋势[2]，在深化设计过程中可通过建模，模拟从而提前发现并解决一些问题。

（2）对洁净室设计人员而言，设计过程中需要充分考虑生产机台的特性，洁净室的整体构造，并据此调整气流布置方能取得理想的洁净室气流形态，进而确保洁净室的洁净度，提高生产良率并可实现一定程度的节能效果。

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参考文献：

[1] 袁旭东，王科. 全面垂直层流洁净室气流组织影响因素探讨[J].制冷与空调，2005，（02）：12~16.

[2] 赵金亮，刘俊杰，朱能.高级别洁净室气流组织的优化[J].流体机械，2005，33，（4）：58~61.

[3] 本德.阿兰德. 洁净室技术近期发展趋势及微环境展望[J]. 第六届中国国际上海洁净技术论坛，2003.

[4] 许钟麟.空气洁净技术原理[M].上海：同济大学出版社，1998.

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