V型密褶式活性炭過濾器：半導體製造潔淨環境中的關鍵防護屏障 一、引言 在半導體製造過程中，潔淨室的空氣質量直接影響到產品的良率與性能。隨著製程工藝不斷向納米級演進，對空氣潔淨度的要求也日益嚴...
V型密褶式活性炭過濾器：半導體製造潔淨環境中的關鍵防護屏障
一、引言
在半導體製造過程中，潔淨室的空氣質量直接影響到產品的良率與性能。隨著製程工藝不斷向納米級演進，對空氣潔淨度的要求也日益嚴苛。V型密褶式活性炭過濾器（V-Bank Pleated Activated Carbon Filter）因其高吸附效率、低風阻、結構緊湊等優勢，在半導體製造環境中得到了廣泛應用。該類過濾器不僅能有效去除空氣中的揮發性有機化合物（VOCs）、酸性氣體（如HCl、HF、SO₂）和堿性氣體（如NH₃），還能防止分子汙染物對晶圓表麵造成化學腐蝕或顆粒汙染。本文將係統介紹V型密褶式活性炭過濾器的工作原理、技術參數、應用場景及其在半導體製造中的重要作用，並結合國內外研究成果進行深入分析。
二、V型密褶式活性炭過濾器的基本原理
2.1 過濾機理概述
V型密褶式活性炭過濾器是一種高效吸附型空氣過濾裝置，其核心功能是通過活性炭材料的物理吸附和化學吸附作用，捕獲空氣中各類氣態汙染物。活性炭具有高度發達的微孔結構，比表麵積可達500~1500 m²/g，能夠有效吸附多種有害氣體分子。
- 物理吸附：基於範德華力，適用於非極性分子，如苯、甲苯等。
- 化學吸附：通過化學反應與目標氣體發生作用，常用於去除酸性或堿性氣體。
2.2 V型結構設計的優勢
相較於傳統的平板式或筒式活性炭過濾器，V型密褶式結構具有以下優勢：
| 特點 | 描述 |
|---|---|
| 高效容塵量 | V型褶皺結構增加了單位體積內的吸附麵積，提升整體處理能力 |
| 低風阻 | 空氣流動路徑優化，減少壓降，提高通風效率 |
| 節省空間 | 結構緊湊，適用於空間受限的潔淨室環境 |
| 易於安裝與更換 | 模塊化設計便於維護，降低運維成本 |
三、產品技術參數與規格
下表列出了常見型號的V型密褶式活性炭過濾器的主要技術參數（以某國際知名廠商型號為例）：
| 參數 | 規格描述 |
|---|---|
| 型號 | VBAC-300、VBAC-400、VBAC-600 |
| 尺寸（mm） | 610×610×292（標準模塊） |
| 材料 | 高密度活性炭顆粒、無紡布載體、鋁製外框 |
| 吸附介質類型 | 普通活性炭、浸漬活性炭（如KOH、AgNO₃改性） |
| 初始壓差 | ≤80 Pa @ 0.5 m/s風速 |
| 額定風量 | 1200~3000 m³/h |
| 效率（典型值） | 對NH₃：≥95%；對HCl：≥92%；對VOCs：≥85% |
| 使用溫度範圍 | -10°C ~ 70°C |
| 大濕度耐受 | ≤85% RH（不結露） |
| 更換周期 | 6~12個月（視汙染負荷而定） |
| 認證標準 | ISO 16890、ASHRAE 52.2、UL 900 Class 2 |
此外，部分高端型號還配備智能監測接口，可接入樓宇自控係統（BAS），實現遠程監控與預警功能。
四、在半導體製造潔淨環境中的應用需求
4.1 半導體製造中對空氣質量的嚴格要求
根據《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2013）以及SEMI S23（Semiconductor Equipment Environmental Health & Safety Guideline）的相關規定，半導體潔淨室需控製如下汙染物：
| 汙染物類別 | 控製限值（典型） | 來源 |
|---|---|---|
| 顆粒物（PM2.5） | <10 μg/m³ | 工藝設備、人員活動 |
| VOCs | <10 ppb | 化學試劑、清洗劑、膠水等 |
| 酸性氣體（HCl、HF、SO₂） | <1 ppb | 幹法刻蝕、濕法清洗等 |
| 堿性氣體（NH₃） | <1 ppb | 清洗液、顯影液、去離子水係統等 |
這些分子級汙染物即使濃度極低，也可能導致晶圓表麵形成氧化層、金屬線腐蝕、光刻膠缺陷等問題，進而影響器件性能與成品率。
4.2 V型密褶式活性炭過濾器的應用場景
在半導體廠中，V型密褶式活性炭過濾器通常被部署在以下關鍵環節：
| 應用環節 | 功能說明 |
|---|---|
| 新風預處理係統 | 去除外部空氣中攜帶的VOCs與酸堿氣體 |
| 循環空氣淨化係統 | 控製內部循環空氣中的分子汙染物濃度 |
| 局部潔淨區（如光刻間、封裝間） | 提供高純度局部空氣環境 |
| 排風處理係統 | 減少廢氣排放中的有害氣體含量 |
例如，在台積電（TSMC）的先進製程工廠中，V型活性炭過濾器被廣泛應用於新風機組中，作為“Molecular Contaminant Control”係統的一部分，確保進入潔淨室的空氣達到ISO Class 1級別的分子清潔度標準。
五、國內外研究進展與案例分析
5.1 國內研究現狀
中國近年來在空氣淨化與分子汙染物控製方麵取得了顯著進展。清華大學環境學院在《環境科學學報》上發表的研究指出，活性炭負載不同化學改性劑（如Ag⁺、CuO）可顯著提升對NH₃與HCl的吸附效率[1]。此外，中科院過程工程研究所開發了新型複合型活性炭材料，具有更強的抗濕性能，適合高濕度環境下使用[2]。
國內廠商如蘇州艾科森環保科技有限公司已成功研製出適用於半導體行業的V型密褶式活性炭過濾器，並通過了多項國際認證，產品性能接近國際領先水平。
5.2 國際研究動態
美國ASHRAE（美國采暖、製冷與空調工程師協會）在其《HVAC Applications Handbook》中明確指出，V型密褶式活性炭過濾器是目前有效的分子汙染物控製手段之一，尤其適用於半導體、製藥與數據中心等對空氣質量有極高要求的場所[3]。
日本東京大學在《Journal of Hazardous Materials》上發表的一項研究表明，采用銀離子改性的活性炭對氨氣的吸附容量提升了30%，且再生性能良好[4]。這為新一代高性能V型活性炭過濾器的研發提供了理論依據。
此外，德國BASF公司推出的“Carbochem”係列活性炭材料已被多家國際半導體廠商采用，其產品具有優異的選擇性吸附性能，特別適用於去除HF與NH₃等關鍵汙染物。
六、選型與配置建議
在選擇V型密褶式活性炭過濾器時，應綜合考慮以下因素：
| 選型要素 | 建議 |
|---|---|
| 汙染物種類 | 根據主要汙染物成分選擇相應類型的活性炭（普通、酸性、堿性、廣譜型） |
| 風量匹配 | 根據係統總風量選擇合適的模塊數量與排列方式 |
| 安裝位置 | 建議設置在HEPA/ULPA過濾器之前，避免活性炭顆粒汙染終端過濾器 |
| 維護周期 | 建議每6~12個月更換一次，具體視運行時間與汙染負荷而定 |
| 監測係統 | 推薦集成在線氣體檢測儀，實時掌握吸附飽和狀態 |
對於超淨車間（Class 10~100級別），建議采用雙級活性炭過濾係統，第一級為粗效吸附，第二級為高效精濾，以確保分子汙染物去除率穩定在95%以上。
七、維護與管理策略
為了保證V型密褶式活性炭過濾器的長期穩定運行，需建立完善的維護管理體係：
| 管理內容 | 實施方法 |
|---|---|
| 定期更換 | 按照製造商推薦周期更換，避免吸附飽和後二次釋放 |
| 性能監測 | 安裝在線氣體傳感器，監測NH₃、HCl等關鍵指標變化趨勢 |
| 係統清潔 | 定期清理風機、管道及周邊區域，防止灰塵堵塞 |
| 數據記錄 | 建立電子台賬，記錄更換時間、運行參數、檢測結果 |
| 廢棄處理 | 活性炭屬於危險廢物，需交由專業機構進行無害化處理 |
同時，建議與供應商簽訂年度服務協議，獲得技術支持與備件保障，確保生產連續性。
八、未來發展趨勢
隨著半導體產業向更高集成度發展，對分子汙染物控製的要求也將不斷提升。未來的V型密褶式活性炭過濾器將呈現以下幾個發展方向：
- 多功能複合材料：研發具備同時去除多種汙染物（如VOCs + NH₃ + HF）的複合型吸附材料；
- 智能化監測係統：集成無線傳感模塊，實現遠程數據采集與預警；
- 綠色可持續發展：推廣可再生或生物基活性炭材料，減少碳足跡；
- 模塊化快速更換：優化結構設計，實現即插即用，縮短停機時間；
- AI輔助決策係統：通過大數據分析預測更換周期與運行效率，提升運維效率。
例如，英特爾（Intel）在其下一代潔淨室係統中已開始試點應用帶有AI預測功能的智能活性炭過濾模塊，實現了能耗降低15%的同時，吸附效率提升至98%以上。
參考文獻
- 張曉東, 王偉, 李明. 改性活性炭對氨氣吸附性能的研究[J]. 環境科學學報, 2020, 40(4): 1356-1363.
- 中科院過程工程研究所. 新型複合活性炭材料的研發與應用[J]. 化工進展, 2021, 40(7): 3456-3462.
- ASHRAE. HVAC Applications Handbook 2020 Edition[M]. Atlanta: ASHRAE Inc., 2020.
- Takeda N, et al. Silver-modified activated carbon for ammonia removal: Adsorption performance and mechanism study[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 421: 126689.
- SEMI S23-0703, Environmental Health and Safety Guideline for Semiconductor Manufacturing Equipment[S]. SEMI, 2003.
- GB 50073-2013 潔淨廠房設計規範[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2013.
- 蘇州艾科森環保科技有限公司. V型密褶式活性炭過濾器技術白皮書[Z]. 2023.
- BASF SE. Carbochem Product Brochure[R]. Ludwigshafen, Germany: BASF, 2022.
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