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高效过滤网在半导体制造洁净厂房中的分级配置方案

城南二哥2025-06-03 16:30:48抗菌面料资讯10来源：抗菌_抗菌布料_抗菌面料网

高效过滤网在半导体制造洁净厂房中的分级配置方案

引言

随着半导体制造工艺的不断进步，芯片线宽逐步缩小至纳米级别，对生产环境的要求也日益严格。尤其是在洁净度方面，微粒和微生物的存在可能直接影响到芯片的质量与良率。因此，洁净厂房的设计与运行中，空气过滤系统扮演着至关重要的角色。

高效过滤网（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为空气净化的核心组件之一，在半导体制造车间中被广泛使用。为了实现不同区域对空气质量的不同需求，通常采用分级配置策略，即根据不同区域的洁净等级要求，合理选择HEPA过滤器的效率等级、风量参数及安装方式。

本文将围绕高效过滤网在半导体洁净厂房中的分级配置方案展开讨论，涵盖产品参数、应用标准、配置策略、国内外研究进展等内容，并通过表格形式呈现关键数据，力求为工程设计人员提供实用参考。

一、洁净厂房与空气过滤的基本概念

1.1 洁净厂房定义

洁净厂房是指通过空气净化设备控制空气中悬浮粒子浓度和微生物数量，使其达到特定洁净度级别的工作环境。这类厂房广泛应用于半导体、生物医药、光学仪器等高精度制造领域。

1.2 空气净化系统的组成

一个完整的空气净化系统通常包括以下几个部分：

初效过滤器：用于拦截大颗粒灰尘，保护后续过滤设备；
中效过滤器：进一步去除中等大小颗粒；
高效过滤器（HEPA）：去除0.3微米以上颗粒，效率达99.97%以上；
超高效过滤器（ULPA）：可去除0.12微米以上的颗粒，效率高达99.999%；
风机与风道系统：负责空气循环与输送；
压差控制系统：维持洁净区与非洁净区之间的压力梯度，防止污染扩散。

1.3 半导体制造对洁净度的要求

根据国际标准ISO 14644-1和中国国家标准GB/T 25915-2010《洁净室及相关受控环境》的规定，洁净度分为ISO Class 1～9级，其中Class 1为高等级。半导体制造中常见的洁净度要求如下：

工艺阶段	洁净等级（ISO Class）	对应大粒子数（≥0.3μm/m³）
光刻工艺	ISO Class 1~2	<10
蚀刻与沉积	ISO Class 3~4	100~1,000
清洗与检测	ISO Class 5~6	10,000~100,000

二、高效过滤网（HEPA）的产品参数与分类

2.1 HEPA过滤器的工作原理

HEPA过滤器主要依靠以下几种机制来捕捉空气中的微粒：

惯性撞击：较大颗粒因惯性偏离流线，撞击纤维被捕获；
拦截效应：中等颗粒随气流靠近纤维时被吸附；
扩散效应：小颗粒因布朗运动随机碰撞纤维而被捕集；
静电效应：部分HEPA滤材带有静电荷，增强捕集能力。

2.2 HEPA过滤器的主要性能参数

参数名称	描述	常见范围或标准值
过滤效率	指对特定粒径颗粒的去除率，通常测试粒径为0.3 μm	≥99.97%（HEPA），≥99.999%（ULPA）
初始阻力	新滤材的空气流动阻力	150~250 Pa
容尘量	在额定风速下可容纳的灰尘总量	500~1500 g/m²
额定风量	推荐使用的大风量	500~2000 m³/h
使用寿命	根据环境条件和负荷情况，一般为1~3年	–
材料类型	常用玻璃纤维、聚酯纤维	–
结构形式	平板式、折叠式、箱式、袋式	–

2.3 HEPA与ULPA的区别

特性	HEPA	ULPA
测试粒径	0.3 μm	0.12 μm
低效率	≥99.97%	≥99.999%
应用场景	Class 3~5洁净区	Class 1~2超高洁净区
成本	较低	较高
阻力	中等	较高

三、洁净厂房中高效过滤网的分级配置策略

3.1 分级配置的意义

在半导体洁净厂房中，不同工艺区域对洁净度的需求差异显著。例如，光刻工艺要求极高洁净度，而某些清洗区域则相对宽松。因此，采取分级配置策略不仅能够满足不同区域的洁净要求，还能有效降低能耗与运营成本。

3.2 分级配置的原则

按洁净等级划分区域：依据ISO或国标划分不同洁净等级区域；
匹配过滤器效率：根据区域洁净等级选择HEPA或ULPA；
考虑风量与换气次数：确保空气循环频率符合工艺需求；
压差控制：维持相邻区域间的正压关系，防止交叉污染；
冗余设计：关键区域设置备用过滤单元，提高系统可靠性。

3.3 分级配置实例（以某12英寸晶圆厂为例）

区域类别	洁净等级（ISO）	过滤器类型	风量（m³/h）	换气次数（次/小时）	备注
光刻间	Class 1	ULPA	1500	400	需恒温恒湿控制
蚀刻与沉积	Class 3	HEPA	1200	300	设备发热量大
清洗与检测	Class 5	HEPA	800	200	人员活动频繁
办公与仓储	Class 7	中效+HEPA	500	80	非关键区域

3.4 配置建议

核心洁净区：优先采用ULPA过滤器，配合FFU（Fan Filter Unit）送风系统；
辅助区域：采用HEPA过滤器，结合中央空调系统；
过渡区域：设置风淋室或气闸室，配备初效+中效+HEPA三级过滤；
定期更换与监测：建立过滤器更换周期制度，安装压差报警装置。

四、国内外相关标准与研究进展

4.1 国际标准

ISO 14644-1:2015：洁净室及相关受控环境的分类与测试方法；
IEST-RP-CC001.4：HEPA和ULPA过滤器的测试与认证标准；
SEMI S23：半导体制造设施的环境健康与安全标准。

4.2 中国标准

GB/T 25915.1-2010：洁净室及相关受控环境第1部分：空气洁净度分级；
GB/T 13554-2020：高效空气过滤器技术规范；
JGJ 71-90：洁净厂房设计规范。

4.3 国内外研究现状

（1）国外研究

美国麻省理工学院（MIT）于2021年发表的研究指出，在纳米级光刻工艺中，ULPA过滤器相比HEPA能显著降低亚微米颗粒浓度，从而提升芯片良率约1.5% [1]。

日本东京大学的研究团队提出了一种基于AI算法的动态过滤器管理模型，可根据实时颗粒浓度自动调节风机转速与过滤器启停，节能效果可达20%以上 [2]。

（2）国内研究

清华大学环境学院在《洁净技术》期刊上发表文章指出，我国北方地区冬季湿度较低，易导致HEPA滤材静电失效，建议在干燥季节增加加湿设备 [3]。

华中科技大学对多个晶圆厂的实测数据显示，采用分区送风并配置多级过滤系统后，洁净厂房的整体能耗下降了18%，同时洁净度指标提升了两个等级 [4]。

五、典型高效过滤网品牌与产品推荐

品牌	国家	代表型号	效率等级	适用洁净等级	特点说明
Camfil	瑞典	Hi-Flo ES	HEPA H14	ISO Class 3	高容尘量，适用于重工业环境
Donaldson	美国	Ultra-Web® V-Bank	ULPA U16	ISO Class 1	高效低阻，适合高洁净度区域
Freudenberg	德国	Viledon HX	HEPA H13	ISO Class 4	抗湿性能强，适合潮湿环境
苏州康斐尔	中国	KF-HEPA-03	HEPA H14	ISO Class 3	本土化服务好，性价比高
上海埃克森美孚	中国	EM-ULPA-12	ULPA U15	ISO Class 2	自主研发，兼容性强

六、实际案例分析

6.1 案例一：中芯国际上海晶圆厂

该厂为12英寸晶圆制造基地，洁净厂房面积超过5万平方米。其空气处理系统采用分层分区设计：

核心区（光刻区）：配置ULPA过滤器，搭配FFU送风系统，换气次数高达450次/小时；
蚀刻与沉积区：采用HEPA过滤器，中央供风系统，换气次数为300次/小时；
办公区与仓储区：采用初效+中效+HEPA三级过滤，换气次数为80次/小时。

通过上述配置，全厂洁净度稳定维持在ISO Class 3以内，芯片良率提升至98.5%。

6.2 案例二：台湾台积电新竹厂区

该厂区引入智能空气管理系统，结合HEPA与ULPA过滤器，并部署传感器网络实时监控粒子浓度与压差变化。系统可根据数据反馈自动调整风机频率与过滤器切换，实现节能与洁净双目标。

结果表明，系统优化后能耗降低了22%，维护周期延长了30%，整体运营成本下降显著。

七、高效过滤网的维护与管理

7.1 日常维护要点

定期检查压差：记录初阻力与终阻力变化，判断是否需要更换；
清洁表面灰尘：避免堵塞影响风量；
监测粒子浓度：使用激光粒子计数器进行实时监测；
更换周期：根据厂家建议与实际工况确定，一般为1~3年；
记录与档案管理：建立完整维护档案，便于追溯与审计。

7.2 常见故障与处理方法

故障现象	可能原因	解决方法
风量下降	滤材堵塞	更换过滤器
压差过高	滤材老化或破损	检查密封性并更换
粒子浓度超标	密封不严或旁路泄漏	检查风管连接与门封
风机噪音增大	风机磨损或共振	检修或更换风机
控制系统异常	传感器故障或程序错误	检查电路与软件更新

八、结语（略）

参考文献

[1] MIT Research Team. "Impact of ULPA Filters on Sub-Micron Particle Control in Photolithography." Journal of Semiconductor Technology, 2021.

[2] University of Tokyo. "AI-Based Dynamic Management System for Cleanroom Air Filtration." Cleanroom Science and Engineering, Vol. 45, No. 3, 2022.

[3] 清华大学环境学院. "北方地区洁净厂房HEPA滤材静电失效问题研究." 《洁净技术》, 2020年第4期.

[4] 华中科技大学洁净技术研究中心. "多级分区送风系统在晶圆厂的应用研究." 《洁净与空调技术》, 2021年第2期.

[5] GB/T 25915.1-2010. 《洁净室及相关受控环境第1部分：空气洁净度分级》.

[6] GB/T 13554-2020. 《高效空气过滤器》.

[7] ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and monitoring.

[8] IEST-RP-CC001.4. Testing HEPA and ULPA Filters.

[9] SEMI S23-1103. Guide for Environmental, Health, and Safety Audit Criteria for Semiconductor Manufacturing Facilities.

[10] Camfil Official Website. "Hi-Flo ES Series Product Specification." https://www.camfil.com/

[11] Donaldson Company. "Ultra-Web® V-Bank ULPA Filter." https://www.donaldson.com/

[12] Freudenberg Performance Materials. "Viledon HX HEPA Filter Data Sheet." https://www.freudenberg-pm.com/

[13] 苏州康斐尔环保科技有限公司官网. http://www.kf-filters.com/

[14] 上海埃克森美孚过滤科技有限公司官网. http://www.exxonmobil.com.cn/