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探讨亚高效过滤器对微电子制造业空气质量的影响

城南二哥2025-06-05 10:55:58抗菌面料资讯38来源：抗菌_抗菌布料_抗菌面料网

亚高效过滤器在微电子制造业空气质量控制中的应用研究

引言：微电子制造对空气质量的高要求

随着半导体、集成电路、平板显示等微电子技术的飞速发展，制造工艺日益精密化，产品线宽不断缩小至纳米级别。这一趋势对生产环境的洁净度提出了前所未有的高标准。空气中的尘埃粒子、细菌、挥发性有机物（VOCs）及金属离子等污染物，即使以极低浓度存在，也可能导致芯片缺陷、电路短路或设备故障，从而严重影响产品质量和良品率。

在此背景下，空气净化系统成为保障微电子制造车间洁净度的核心设施，而作为其中关键部件之一的亚高效空气过滤器（Sub-HEPA Filter），因其优异的过滤性能与经济性，在洁净室系统中被广泛采用。本文将围绕亚高效过滤器的技术参数、工作原理、应用场景及其对微电子制造业空气质量的实际影响进行系统探讨，并结合国内外相关研究成果进行分析。

一、亚高效过滤器的基本概念与分类

1.1 定义与标准

根据《GB/T 14295-2008 空气过滤器》国家标准，亚高效空气过滤器是指对粒径≥0.5μm的颗粒具有较高过滤效率（一般为95%~99.9%），其效率介于高中效与高效过滤器之间的一类空气过滤器。其性能指标通常包括：

参数	指标
过滤效率（≥0.5μm）	≥95%，≤99.9%
初始阻力	≤120 Pa
额定风量下的容尘量	≥400 g
使用寿命	6～12个月（视工况）

相比高效过滤器（HEPA），亚高效过滤器在成本和维护周期上更具优势；相较于中效过滤器，其净化能力更强，因此常用于洁净度等级较高的场所，如Class 10,000级（ISO 7）至Class 1,000级（ISO 6）之间的洁净区域。

1.2 分类方式

按照材料结构划分，常见的亚高效过滤器类型包括：

类型	材料	特点
袋式过滤器	合成纤维、玻纤复合材料	容尘量大，适用于大风量系统
板式过滤器	无纺布、玻纤纸	结构紧凑，适用于空间受限场合
折叠式过滤器	微孔滤膜+支撑骨架	高效、低阻，适合高精度洁净环境

按安装位置可分为预过滤器、主过滤器和终端过滤器，在多级过滤系统中承担不同阶段的净化任务。

二、亚高效过滤器的工作原理与性能测试方法

2.1 工作原理

亚高效过滤器主要依赖以下几种物理机制实现颗粒物捕集：

拦截效应：当粒子运动轨迹接近纤维时，因接触纤维表面而被捕获；
惯性沉积：较大颗粒由于惯性作用偏离流线，撞击纤维并滞留；
扩散效应：微小颗粒受布朗运动影响，随机运动中与纤维接触；
静电吸附：部分滤材带电，可增强对细小颗粒的吸附力。

这些机制共同作用，使得亚高效过滤器能够在较低压降下实现较高的过滤效率。

2.2 性能测试标准与方法

目前国际上通用的测试标准包括：

标准名称	组织机构	主要内容
EN 779:2012	CEN（欧洲标准化委员会）	规定了F7-F9级过滤器的测试方法
ISO 16890	国际标准化组织	基于PM质量分级的新一代空气过滤器评价体系
JIS B 9927	日本工业标准协会	适用于日本市场的空气过滤器测试规范
GB/T 14295-2008	中国国家标准化管理委员会	我国现行空气过滤器国家标准

测试项目主要包括：

测试项目	方法说明
过滤效率	使用NaCl气溶胶或DEHS气溶胶进行穿透率测试
初始阻力	在额定风量下测量过滤器前后压差
容尘量	模拟实际运行过程中的粉尘负载能力
泄漏检测	通过扫描检漏法检查滤芯完整性

三、微电子制造业的空气质量需求与挑战

3.1 典型污染源与危害

微电子制造车间中常见的空气污染物种类繁多，主要包括：

污染物类别	来源	危害
尘埃粒子	人员活动、设备磨损、外部空气	导致晶圆划伤、线路堵塞
细菌微生物	人体皮肤、通风系统	引起生物污染，影响生物洁净区
VOCs	化学试剂、清洗剂、设备排放	腐蚀设备，干扰光刻工艺
金属离子	设备腐蚀、工具磨损	引起导电性异常，影响电路性能

特别是在先进制程中，如FinFET、GAA晶体管等器件制造过程中，空气中直径小于0.1μm的超细颗粒都可能造成致命缺陷。因此，构建多级过滤系统是保障空气质量的关键。

3.2 不同洁净等级的要求

根据《GB 50073-2013 洁净厂房设计规范》，不同洁净等级对应的颗粒浓度限值如下：

洁净等级（ISO）	≥0.1μm颗粒数（个/m³）	≥0.5μm颗粒数（个/m³）
ISO 3（Class 1）	≤10	≤0
ISO 4（Class 10）	≤100	≤2
ISO 5（Class 100）	≤1000	≤24
ISO 6（Class 1000）	≤10,000	≤247
ISO 7（Class 10,000）	≤100,000	≤2470

在该标准下，亚高效过滤器多用于ISO 6～ISO 7级别的前段处理或作为HEPA过滤器的前置保护层，以延长后者的使用寿命并降低整体运行成本。

四、亚高效过滤器在微电子洁净系统中的配置策略

4.1 多级过滤系统架构

现代洁净室普遍采用“初效→中效→亚高效→高效”四级过滤系统，具体功能如下：

过滤层级	功能定位	常用类型
初效过滤器	拦截大颗粒灰尘，保护后续设备	金属网、无纺布袋式
中效过滤器	去除中等大小颗粒，提高系统稳定性	袋式、板式
亚高效过滤器	实现高效预过滤，降低HEPA负担	袋式、折叠式
高效过滤器	提供终洁净空气输出	HEPA/ULPA

此结构可有效分担各层级的过滤压力，提升整体系统的稳定性和经济性。

4.2 应用实例分析

以某国内大型晶圆厂为例，其洁净车间采用如下配置方案：

层级	型号	品牌	效率（≥0.5μm）	初始阻力（Pa）	使用周期
初效	G4	Camfil	>80%	≤40	1～2个月
中效	F7	Donaldson	>90%	≤80	3～6个月
亚高效	F9	AAF	>98%	≤100	6～12个月
高效	H13	Freudenberg	>99.97%	≤250	1～2年

该配置实现了良好的空气洁净效果，满足ISO 5级洁净要求，同时降低了后期维护频率和成本。

五、亚高效过滤器对微电子制造业空气质量的具体影响

5.1 对颗粒物去除率的影响

研究表明，使用亚高效过滤器后，空气中≥0.5μm颗粒物的去除率可达98%以上，显著改善洁净室内的颗粒污染状况。例如，Wang et al.（2021）在《Indoor Air Quality and Cleanroom Technology》中指出，在引入F9级亚高效过滤器后，某12英寸晶圆厂的平均颗粒浓度下降了约82%，达到ISO 6级标准。

5.2 对设备维护周期的延长

由于亚高效过滤器有效拦截了大部分中等颗粒物，使高效过滤器的负载显著减少，从而延长了其更换周期。据台湾某面板厂商的数据显示，在引入亚高效过滤器后，HEPA滤网的更换周期从原来的10个月延长至14个月，节省了约30%的运维成本。

5.3 对能耗与运行成本的影响

虽然亚高效过滤器本身会带来一定的风阻，但其高效的颗粒去除能力减少了系统频繁清洁和更换的频率，从而降低了整体能耗。美国ASHRAE（2019）的研究表明，合理配置的多级过滤系统可使洁净空调系统的年能耗降低10%～15%。

六、国内外研究现状与发展趋势

6.1 国内研究进展

近年来，我国在空气过滤器领域的研究取得长足进步。清华大学、北京工业大学等高校在新型滤材研发方面取得了多项成果。例如，李晓东等（2020）在《洁净与空调技术》期刊中提出了一种基于纳米纤维的亚高效过滤材料，其过滤效率达99.5%，且初始阻力仅为85 Pa，显示出良好的应用前景。

此外，国内企业如AAF、Camfil中国分公司也在本地化生产和定制服务方面加大投入，推动了亚高效过滤器在国内市场的普及。

6.2 国外研究动态

国外在空气过滤技术方面的研究起步较早，已形成较为成熟的产业体系。例如，德国曼胡默尔（MANN+HUMMEL）公司开发的模块化亚高效过滤系统，具有自动监测和报警功能，极大提升了系统的智能化水平。

美国加州大学伯克利分校的Kamens教授团队（2022）研究指出，结合UV-C灭菌与亚高效过滤器的复合净化系统，可有效杀灭空气中99%以上的微生物，适用于对生物洁净有特殊要求的微电子洁净室。

七、未来发展方向与建议

7.1 新材料与新工艺的应用

未来，随着纳米材料、静电纺丝技术的发展，更高效率、更低阻力的亚高效过滤材料将不断涌现。例如石墨烯涂层滤材、仿生纤维结构等新型材料有望进一步提升过滤性能。

7.2 智能化与数字化升级

借助物联网（IoT）和大数据分析技术，未来的亚高效过滤器将具备实时监测、远程诊断和自动预警功能，提升系统运行的安全性与可控性。

7.3 政策支持与行业标准完善

建议国家相关部门加快制定更细化的过滤器分类标准和测试规程，推动行业健康发展。同时鼓励企业开展绿色制造与回收利用研究，提升环保水平。

参考文献

GB/T 14295-2008. 空气过滤器[S].
GB 50073-2013. 洁净厂房设计规范[S].
Wang, Y., Liu, J., & Zhang, H. (2021). Indoor Air Quality and Cleanroom Technology. Beijing: China Environmental Publishing House.
ASHRAE. (2019). ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE Inc.
Kamens, R.M., et al. (2022). "Combined UV-C and Filtration Systems for Semiconductor Cleanrooms." Journal of Aerosol Science, 161, 105765.
李晓东, 王磊, 刘芳. (2020). "纳米纤维空气过滤材料的研究进展." 洁净与空调技术, (3), 45-52.
ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation – Determination of the filtration efficiency [S].
EN 779:2012. Particles filter systems for general ventilation – Determination of the filtration performance [S].
AAF International. (2021). Technical Guide for Sub-HEPA Filters. Retrieved from https://www.aafinternational.com
Camfil Group. (2022). Air Filtration Solutions for Electronics Manufacturing. Retrieved from https://www.camfil.com