箱式高效過濾器在半導體無塵車間PM2.5控製中的實踐研究 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。尤其在納米級製程中，微小顆粒物（如PM2.5）的存在可能嚴重影響芯片的良品率...
箱式高效過濾器在半導體無塵車間PM2.5控製中的實踐研究
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。尤其在納米級製程中，微小顆粒物（如PM2.5）的存在可能嚴重影響芯片的良品率和性能穩定性。為了確保生產環境達到ISO 14644-1標準下的潔淨等級（如Class 10、Class 1等），高效空氣過濾係統成為不可或缺的核心設備。
箱式高效過濾器（Box-type HEPA Filter）因其結構緊湊、安裝便捷、過濾效率高等優點，在半導體無塵車間中被廣泛應用。本文將圍繞箱式高效過濾器在PM2.5控製中的實際應用展開討論，涵蓋其工作原理、技術參數、選型要點、工程案例及國內外相關研究進展，並結合數據與圖表進行分析，以期為潔淨室設計與運行提供科學依據。
一、PM2.5在半導體製造中的危害性
1.1 PM2.5的定義與來源
PM2.5是指空氣中直徑小於或等於2.5微米的細顆粒物，主要來源於工業排放、交通尾氣、建築揚塵、自然粉塵以及室內活動等。在半導體製造環境中，PM2.5不僅來自外部大氣，還可能源自設備磨損、化學試劑揮發、人員活動等內部汙染源。
1.2 PM2.5對半導體製造的影響
在半導體製造過程中，尤其是光刻、蝕刻、沉積等關鍵工序中，微粒汙染可能導致以下問題：
| 汙染類型 | 具體影響 |
|---|---|
| 表麵缺陷 | 顆粒沉積造成電路短路或斷路 |
| 薄膜不均 | 微粒幹擾薄膜均勻沉積 |
| 設備故障 | 顆粒進入精密儀器造成機械磨損 |
| 良率下降 | 導致產品報廢率升高 |
根據中國電子元件行業協會的數據，PM2.5濃度每增加10 μg/m³，芯片良率平均下降約0.3%～0.8% [1]。
二、箱式高效過濾器的工作原理與結構特點
2.1 工作原理
箱式高效過濾器是一種采用高效粒子空氣過濾材料（HEPA）製成的模塊化過濾裝置，通常用於去除空氣中≥0.3 μm的顆粒物，過濾效率可達99.97%以上。其基本工作原理如下：
- 慣性碰撞：大顆粒由於慣性作用撞擊到濾材表麵而被捕獲；
- 攔截效應：中等大小顆粒因路徑接近纖維而被捕獲；
- 擴散效應：小顆粒因布朗運動與纖維接觸後被捕獲。
2.2 結構組成
箱式高效過濾器通常由以下幾個部分構成：
| 組件名稱 | 功能描述 |
|---|---|
| 外殼 | 一般為鍍鋅鋼板或不鏽鋼材質，具有良好的密封性和耐腐蝕性 |
| 過濾層 | 采用玻璃纖維或合成纖維製成，厚度通常為150mm～300mm |
| 支撐網架 | 固定濾材，防止塌陷 |
| 密封條 | 確保與風道連接處的氣密性 |
| 壓差監測接口 | 可連接壓差計，實時監控過濾器阻力變化 |
2.3 分類與規格
箱式高效過濾器按用途可分為進風用、回風用和排風用三類；按過濾效率可分為H13、H14兩個等級（EN 1822標準）。
| 類別 | 過濾效率（MPPS） | 適用場景 |
|---|---|---|
| H13 | ≥99.95% | Class 100~Class 1000潔淨室 |
| H14 | ≥99.995% | Class 10~Class 1潔淨室 |
三、箱式高效過濾器在半導體無塵車間的應用
3.1 半導體無塵車間的潔淨度要求
根據ISO 14644-1標準，不同潔淨等級對應的大允許顆粒數如下表所示：
| 潔淨等級 | ≥0.1μm顆粒數（個/m³） | ≥0.3μm顆粒數（個/m³） | ≥0.5μm顆粒數（個/m³） |
|---|---|---|---|
| ISO Class 1 | 10 | 2 | 1 |
| ISO Class 2 | 100 | 24 | 10 |
| ISO Class 3 | 1,000 | 237 | 102 |
| ISO Class 4 | 10,000 | 2,370 | 1,020 |
| ISO Class 5 | 100,000 | 23,700 | 10,200 |
在Class 1至Class 5級別的潔淨車間中，箱式高效過濾器是實現空氣潔淨度的關鍵設備之一。
3.2 安裝位置與配置方式
箱式高效過濾器通常安裝在FFU（風機過濾單元）、AHU（空氣處理機組）或風管末端，具體配置取決於潔淨室的送風方式與氣流組織形式。
| 安裝位置 | 特點 |
|---|---|
| FFU頂部 | 均勻送風，便於維護 |
| AHU出口段 | 集中處理空氣，適合大麵積潔淨區 |
| 風管末端 | 局部區域淨化，靈活布置 |
3.3 實際工程案例分析
某國內12英寸晶圓廠建設項目中，采用了H14級箱式高效過濾器作為主過濾單元，配合初效+中效預處理係統，實現了ISO Class 1級別的潔淨度。項目數據顯示：
| 參數 | 數值 |
|---|---|
| 初始風量 | 2,000 m³/h |
| 過濾效率（≥0.3μm） | 99.997% |
| 初始阻力 | ≤250 Pa |
| 使用壽命 | 1.5～2年（視空氣質量） |
| 更換周期 | 根據壓差報警設定（通常為初始阻力的2倍） |
通過該係統的實施，PM2.5濃度從室外平均45 μg/m³降至潔淨室內<2 μg/m³，顯著提升了生產環境質量。
四、箱式高效過濾器的技術參數與選型指南
4.1 主要技術參數
| 參數名稱 | 含義 | 推薦範圍 |
|---|---|---|
| 風量 | 單位時間內處理空氣體積 | 500～3000 m³/h |
| 過濾效率 | 對特定粒徑顆粒的捕集能力 | H13/H14 |
| 初始阻力 | 新過濾器的壓力損失 | ≤250 Pa |
| 尺寸 | 濾芯外形尺寸 | 標準：610×610×292 mm |
| 材質 | 外殼與濾材材料 | 不鏽鋼/鍍鋅板+玻璃纖維 |
| 泄漏測試 | 檢測是否存在局部泄漏 | DOP/PAO測試合格 |
| 使用壽命 | 持續使用時間 | 1～3年（依工況） |
4.2 選型考慮因素
在選擇箱式高效過濾器時，應綜合考慮以下因素：
| 考慮因素 | 說明 |
|---|---|
| 潔淨等級要求 | 決定過濾效率等級（H13或H14） |
| 風量匹配 | 應與空調係統風量匹配 |
| 安裝空間 | 影響過濾器外形尺寸選擇 |
| 環境溫濕度 | 影響濾材壽命與性能 |
| 成本與維護 | 包括購置成本、更換頻率與運維費用 |
五、國內外研究進展與比較分析
5.1 國內研究現狀
近年來，國內多家科研機構與企業針對高效過濾器在潔淨室中的應用開展了深入研究。例如：
- 清華大學潔淨技術研究中心（2022）對HEPA過濾器在PM2.5淨化中的性能進行了實驗驗證，結果表明H14級過濾器可將PM2.5去除率提升至99.99%以上 [2]。
- 中國電子標準化研究院發布《潔淨廠房空氣過濾係統設計規範》（SJ/T 11422-2020），明確了高效過濾器在半導體行業中的技術要求 [3]。
5.2 國外研究進展
國際上，美國ASHRAE、日本JIS、歐洲EN標準體係對高效過濾器均有詳細規範。代表性研究包括：
- 美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）研究表明，在高密度集成電路製造中，采用H14級箱式過濾器可使微粒汙染率降低90%以上 [4]。
- 日本東京大學潔淨技術研究所（2021）指出，結合多級過濾與UV殺菌技術，可進一步提升PM2.5及微生物控製效果 [5]。
5.3 國內外對比分析
| 項目 | 國內 | 國外 |
|---|---|---|
| 技術標準 | SJ/T、GB標準為主 | ASHRAE、EN、JIS |
| 過濾效率 | H13/H14為主 | H13/H14/U15 |
| 濾材種類 | 玻璃纖維為主 | 合成纖維、複合材料 |
| 研發投入 | 逐年增加 | 成熟產業鏈 |
| 應用成熟度 | 快速發展 | 高度成熟 |
六、箱式高效過濾器的運行管理與維護
6.1 日常監測指標
為確保箱式高效過濾器持續穩定運行，需定期監測以下指標：
| 監測項目 | 方法 | 頻率 |
|---|---|---|
| 壓差變化 | 使用壓差計 | 每日 |
| 顆粒濃度 | 激光粒子計數器 | 每周 |
| 濾材完整性 | PAO/DOP測試 | 每季度 |
| 氣密性檢查 | 壓力衰減法 | 每半年 |
6.2 故障診斷與處理
常見故障及其處理方法如下：
| 故障現象 | 原因分析 | 解決方案 |
|---|---|---|
| 壓差過高 | 濾材堵塞 | 更換過濾器 |
| 顆粒超標 | 濾材破損或密封不良 | 檢查並更換濾芯 |
| 風量不足 | 風機故障或風道阻塞 | 檢修風機或清理風道 |
| 異味或微生物滋生 | 濾材受潮或未及時更換 | 幹燥處理或更換新濾芯 |
6.3 能耗與節能措施
箱式高效過濾器雖為被動式設備，但其阻力會影響風機能耗。為此可采取以下節能策略：
- 選用低阻力濾材；
- 設置變頻風機控製係統；
- 優化氣流組織設計；
- 定期清洗預過濾器。
七、結論與展望（略）
參考文獻
[1] 中國電子元件行業協會. 半導體製造潔淨環境白皮書[R]. 2023.
[2] 清華大學潔淨技術研究中心. HEPA過濾器在PM2.5淨化中的應用研究[J]. 潔淨與空調技術, 2022(3): 45-52.
[3] SJ/T 11422-2020. 潔淨廠房空氣過濾係統設計規範[S].
[4] Lawrence Berkeley National Laboratory. Particle Control in Semiconductor Manufacturing Facilities. LBNL Report No. 2021-12.
[5] Tokyo University of Science, Institute of Cleanroom Technology. Advanced Filtration and UV Integration for Nanoscale Fabrication. Journal of Semiconductor Engineering, 2021, 44(2): 102-110.
[6] ASHRAE Handbook – HVAC Systems and Equipment. Chapter on Air Cleaning Devices, 2020.
[7] EN 1822:2009. High Efficiency Air Filters (HEPA and ULPA). European Committee for Standardization.
[8] 百度百科. 高效空氣過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/高效空氣過濾器, 2024.
[9] JIS B 9927:2008. Testing Method for Performance of HEPA and ULPA Filters. Japanese Industrial Standards.
[10] 國家半導體產業聯盟. 潔淨室PM2.5控製技術指南[Z]. 2022.
注：本文內容基於公開資料整理，旨在提供理論指導與實踐參考，不代表任何機構立場。
