W型高效過濾器在半導體製造潔淨室中的選型與配置 一、引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，對生產環境的要求也日益嚴格。特別是在先進製程（如7nm、5nm甚至3nm）中，微粒汙染已成為影響芯片良率和性能...
W型高效過濾器在半導體製造潔淨室中的選型與配置
一、引言
隨著半導體製造工藝的不斷進步，對生產環境的要求也日益嚴格。特別是在先進製程（如7nm、5nm甚至3nm）中，微粒汙染已成為影響芯片良率和性能的關鍵因素之一。因此，潔淨室作為半導體製造的核心區域，其空氣質量控製顯得尤為重要。而高效空氣過濾器（HEPA, High Efficiency Particulate Air Filter）和超高效空氣過濾器（ULPA, Ultra Low Penetration Air Filter）作為潔淨室空氣淨化係統的重要組成部分，在其中發揮著不可替代的作用。
W型高效過濾器因其獨特的結構設計和高效的過濾性能，近年來在半導體潔淨室中得到了廣泛應用。本文將圍繞W型高效過濾器的基本原理、技術參數、選型方法、配置策略及其在半導體製造潔淨室中的應用實例進行深入探討，並結合國內外研究文獻和行業標準，為相關工程技術人員提供參考依據。
二、W型高效過濾器的基本原理與結構特點
2.1 高效過濾器分類概述
根據美國能源部DOE（Department of Energy）標準DOE-STD-3020-97的規定，高效空氣過濾器可分為以下幾類：
| 類別 | 過濾效率（對0.3μm顆粒） | 名稱 |
|---|---|---|
| HEPA | ≥99.97% | 高效空氣過濾器 |
| ULPA | ≥99.999% | 超高效空氣過濾器 |
在中國國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》中，也將高效空氣過濾器分為A、B、C三類，分別對應不同的測試方法和應用場景。
2.2 W型高效過濾器的結構特征
W型高效過濾器之所以得名，是因為其濾材呈“W”形折疊排列。這種結構相較於傳統的平板式或V型過濾器具有如下優點：
- 更大的過濾麵積：W型折疊增加了單位體積內的有效過濾麵積，從而提高過濾效率。
- 更低的壓降：由於氣流路徑更均勻，阻力較小，降低了風機能耗。
- 更高的容塵量：濾材展開麵積大，可容納更多灰塵，延長使用壽命。
- 安裝靈活：適用於多種安裝方式，如頂送風、側送風等。
2.3 工作原理
W型高效過濾器主要通過以下機製實現對空氣中微粒的捕集：
- 攔截效應（Interception）
- 慣性撞擊（Impaction）
- 擴散效應（Diffusion）
這些機製共同作用，使得W型高效過濾器能夠高效去除空氣中0.1~0.3μm範圍內的顆粒物，滿足ISO 14644-1標準中Class 1~Class 5等級潔淨度要求。
三、W型高效過濾器的技術參數與性能指標
為了更好地選擇適合半導體潔淨室使用的W型高效過濾器，需了解其關鍵技術參數和性能指標。以下是常見的技術參數表格：
表1：W型高效過濾器常見技術參數對比表
| 參數名稱 | 單位 | 典型值範圍 | 備注 |
|---|---|---|---|
| 額定風量 | m³/h | 500~3000 | 依尺寸不同而異 |
| 初始壓降 | Pa | 80~250 | 影響風機能耗 |
| 過濾效率（0.3μm） | % | ≥99.97（HEPA） ≥99.999（ULPA） |
測試標準：IEC 60335-2-69 |
| 容塵量 | g/m² | 500~1500 | 決定更換周期 |
| 材質 | — | 玻璃纖維、PTFE覆膜 | 抗濕抗腐蝕 |
| 尺寸（L×W×H） | mm | 標準模塊化設計 | 如610×610×90 |
| 使用壽命 | 年 | 3~5 | 取決於環境負荷 |
| 檢漏方式 | — | DOP/PAO法 | 國際通用標準 |
此外，還需關注其耐溫性、耐濕性和化學穩定性等特殊性能，尤其在高濕度或酸堿環境中使用時更為重要。
四、W型高效過濾器的選型原則與方法
4.1 選型基本原則
在半導體潔淨室中，W型高效過濾器的選型應遵循以下原則：
- 匹配潔淨等級要求：根據ISO 14644-1確定潔淨等級（如Class 1、Class 10），選擇相應過濾效率的產品。
- 考慮風量與壓降平衡：確保在滿足過濾效率的前提下，降低運行能耗。
- 適應安裝空間與形式：如吊頂安裝、FFU（Fan Filter Unit）集成等。
- 維護便利性：便於定期更換與檢測，減少停機時間。
- 經濟性評估：綜合考慮采購成本、運行成本及更換周期。
4.2 選型流程圖解
開始
│
├─ 確定潔淨等級（ISO Class）
│
├─ 確定送風量需求
│
├─ 選擇過濾效率（HEPA/ULPA）
│
├─ 匹配風量與壓降
│
├─ 確定安裝形式與尺寸
│
└─ 綜合成本分析 → 終選型4.3 不同潔淨等級下的選型建議
| ISO潔淨等級 | 推薦過濾器類型 | 過濾效率（0.3μm） | 應用場景舉例 |
|---|---|---|---|
| Class 1~3 | ULPA | ≥99.999% | EUV光刻、FinFET製造 |
| Class 4~5 | HEPA/ULPA | ≥99.97% / ≥99.999% | 前道工藝、晶圓清洗 |
| Class 6~7 | HEPA | ≥99.97% | 後段封裝、測試車間 |
五、W型高效過濾器在潔淨室中的配置策略
5.1 係統布局與氣流組織
潔淨室的氣流組織直接影響到過濾器的使用效果。一般采用單向流（層流）或非單向流（亂流）兩種形式：
- 單向流潔淨室：氣流方向一致，速度均勻，適用於高潔淨等級（Class 1~5）。
- 非單向流潔淨室：氣流紊亂，適用於Class 6以上。
W型高效過濾器通常用於頂部送風口或FFU單元中，配合回風係統形成良好的氣流循環。
5.2 FFU係統的集成應用
FFU（Fan Filter Unit）是將風機與高效過濾器一體化的設計方案，廣泛應用於潔淨室中。其優勢包括：
- 模塊化設計，便於擴展與維護；
- 提供局部潔淨環境；
- 減少主空調係統負擔。
表2：FFU係統中W型高效過濾器典型配置參數
| 參數 | 數值範圍 | 備注 |
|---|---|---|
| 單台風量 | 1000~2000 m³/h | 視潔淨等級調整 |
| 風速 | 0.3~0.5 m/s | 層流潔淨室推薦值 |
| 噪音水平 | ≤50 dB(A) | 需符合OSHA標準 |
| 控製方式 | 變頻調速 | 實現節能運行 |
| 更換周期 | 1~3年 | 視運行環境而定 |
5.3 安裝位置與數量計算
W型高效過濾器的安裝數量應根據潔淨室麵積、換氣次數和送風量來確定。計算公式如下：
$$ N = frac{Q}{q} $$
其中：
- $ N $：所需過濾器數量（個）
- $ Q $：總送風量（m³/h）
- $ q $：單個過濾器額定風量（m³/h）
例如：某潔淨室麵積為100㎡，換氣次數為300次/小時，則總送風量為：
$$ Q = 100 times 3 times 300 = 90,000 , text{m³/h} $$
若選用單個風量為1500 m³/h的W型過濾器，則所需數量為：
$$ N = frac{90,000}{1500} = 60 , text{個} $$
六、國內外研究現狀與發展趨勢
6.1 國內研究進展
國內在高效過濾器領域的研究起步較晚，但近年來發展迅速。中國建築科學研究院、清華大學、同濟大學等機構在高效空氣過濾器的材料、結構優化、檢測技術等方麵進行了大量研究。
例如，王偉等人（2021）在《暖通空調》期刊上發表的文章指出，W型高效過濾器在相同風量條件下比傳統V型過濾器節能約15%，且壓降降低10%以上。
6.2 國外研究動態
國外在高效過濾器領域已有較為成熟的研究體係。美國ASHRAE（美國采暖、製冷與空調工程師協會）、歐洲EN 1822標準均對高效空氣過濾器提出了明確的技術規範。
例如，美國學者James D. Smith（2020）在其著作《Cleanroom Design and Operation》中強調了W型高效過濾器在潔淨室中的氣流分布均勻性和低能耗特性，認為其在半導體製造中具有顯著優勢。
6.3 新材料與新工藝的應用趨勢
隨著納米材料、靜電增強技術的發展，W型高效過濾器正朝著以下幾個方向發展：
- 新型濾材：如納米纖維膜、石墨烯塗層等，提高過濾效率並降低壓降；
- 智能監測係統：集成壓力傳感器、PM2.5檢測模塊，實現實時監控；
- 環保材料：可回收濾材、低VOC排放，響應綠色製造趨勢。
七、案例分析：W型高效過濾器在某12英寸晶圓廠潔淨室中的應用
7.1 項目背景
某12英寸晶圓製造廠位於中國蘇州，采用先進的FinFET工藝，潔淨室等級要求為ISO Class 1~3，總麵積約為8000㎡。
7.2 設計方案
- 過濾器類型：ULPA級W型高效過濾器，過濾效率≥99.999%
- 安裝方式：頂部FFU集成安裝
- 風量配置：每台FFU風量為1800 m³/h
- 換氣次數：300次/小時
- 總數配置：共安裝W型高效過濾器400套
7.3 運行效果
經第三方檢測機構（TÜV SÜD）測試，潔淨室內PM0.3濃度低於10顆/L，達到ISO Class 1標準。同時，係統運行穩定，年維護費用下降20%，節能效果明顯。
八、結語（略去）
參考文獻
- 國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》
- ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and testing
- ASHRAE Handbook—HVAC Applications (SI Edition), 2020
- EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA) — Part 1: Classification, performance testing, marking
- 王偉, 張華. W型高效過濾器在潔淨室中的應用研究[J]. 暖通空調, 2021, 51(6): 45-50.
- James D. Smith. Cleanroom Design and Operation. McGraw-Hill Education, 2020.
- 中國建築科學研究院. 潔淨室高效過濾器性能評價報告[R]. 北京: 中國建科院出版社, 2022.
- TÜV SÜD Technical Report on Cleanroom Performance evalsuation, 2023.
（全文共計約4200字）
