亚高效袋式过滤器在半导体洁净厂房中的部署方案
引言
随着全球半导体产业的快速发展，尤其是先进制程（如5nm、3nm）的不断推进，对生产环境的洁净度要求也日益提高。半导体制造过程涉及光刻、蚀刻、沉积等多个精密工艺环节，微小颗粒和化学污染物可能直接导致芯片缺陷，从而影响良率和产品性能。因此，洁净厂房的设计与空气净化系统的配置成为保障产品质量的关键因素之一。
在众多空气过滤系统中，亚高效袋式过滤器（Sub-HEPA Bag Filter）因其良好的性价比、较高的容尘量及较长使用寿命，在半导体行业得到了广泛应用。本文将围绕亚高效袋式过滤器的基本原理、技术参数、选型标准、部署方式及其在不同区域的应用策略展开详细论述，并结合国内外研究文献与工程实践案例，探讨其在半导体洁净厂房中的最优部署方案。
一、亚高效袋式过滤器概述
1.1 定义与分类
亚高效袋式过滤器是一种介于高中效（F8-F9）与高效（HEPA H13-H14）之间的空气过滤设备，通常用于洁净室系统的中级或末级过滤段。其过滤效率一般为：对0.5μm粒子的过滤效率≥95%，≤99.9%（根据EN 1822标准），属于E10-E11等级。
按照国际标准ISO 16890与欧洲标准EN 779:2012划分，亚高效过滤器主要分为：
| 过滤等级 | 标准 | 粒径范围 | 效率范围 |
|---|---|---|---|
| F8 | EN 779 | 0.4 μm | 90%~95% |
| F9 | EN 779 | 0.4 μm | >95% |
| E10 | ISO 16890 | PM1 | 50%~80% |
| E11 | ISO 16890 | PM1 | 80%~90% |
注：PM1表示空气中直径小于等于1微米的颗粒物。
1.2 结构与材料
亚高效袋式过滤器由多层无纺布或玻纤滤材制成，具有多个褶皱结构，形成“袋子”状的过滤单元。其典型结构包括：
- 框架材料：镀锌钢板、铝板或塑料
- 滤材类型：聚酯纤维、玻璃纤维、复合纤维
- 密封方式：热熔胶封边或机械压合
- 支撑骨架：金属丝网或塑料支撑条
其优点在于风阻较低、容尘量大、更换周期长，适用于高风量需求的洁净室系统。
二、亚高效袋式过滤器的技术参数与性能指标
为了确保其在半导体洁净厂房中的有效应用，需对其关键性能参数进行评估与选型匹配。
2.1 常见技术参数表
| 参数名称 | 单位 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 初始阻力 | Pa | 80~150 | EN 779 |
| 额定风量 | m³/h | 1000~3000 | – |
| 最终阻力设定值 | Pa | ≤300 | 设计规范 |
| 过滤效率 | % | ≥95% @0.5μm | EN 1822 / ISO 16890 |
| 使用寿命 | 小时/月 | 12000小时或6~12个月 | 实际运行工况 |
| 工作温度 | ℃ | -20~80 | – |
| 湿度耐受性 | RH% | ≤90% | – |
| 材质 | – | 聚酯纤维/玻纤复合 | – |
2.2 性能对比分析（与HEPA比较）
| 特性 | 亚高效袋式过滤器 | HEPA高效过滤器 |
|---|---|---|
| 过滤效率 | E10-E11 (~95%) | H13-H14 (>99.95%) |
| 初始阻力 | 80~150 Pa | 200~250 Pa |
| 成本 | 较低 | 高 |
| 更换频率 | 6~12个月 | 12~24个月 |
| 容尘量 | 高 | 中等 |
| 适用阶段 | 中效或末级预过滤 | 终端高效过滤 |
| 化学稳定性 | 良好 | 良好 |
从上表可以看出，亚高效袋式过滤器更适合用作HEPA前的保护层或洁净度等级相对较低区域的终端过滤，以延长HEPA寿命并降低整体运营成本。
三、半导体洁净厂房的空气洁净等级与分区设计
根据《GB 50073-2013 洁净厂房设计规范》与SEMI S23等行业标准，半导体洁净厂房按洁净等级划分为不同区域，如Class 1（ISO 1）、Class 10（ISO 2）至Class 10000（ISO 7）不等。
3.1 主要功能区域划分
| 区域名称 | 洁净等级（ISO） | 功能说明 |
|---|---|---|
| 光刻区 | ISO 1~3 | 极高精度操作，对微粒极为敏感 |
| 沉积与蚀刻区 | ISO 3~4 | 对纳米级污染控制要求极高 |
| 清洗区 | ISO 4~5 | 化学溶剂使用频繁，需控制VOCs |
| 测试与封装区 | ISO 5~7 | 对颗粒容忍度较高，但仍需洁净控制 |
| 缓冲区与更衣区 | ISO 6~8 | 人员活动频繁，作为过渡与缓冲区域 |
3.2 空气净化流程图示例
新风 → 初效过滤 → 中效过滤 → 亚高效袋式过滤 → HEPA高效过滤 → 循环送风 → 回风处理在该流程中，亚高效袋式过滤器通常部署于HEPA之前，起到预过滤作用，减少HEPA负担，延长其使用寿命；同时在部分洁净等级要求适中的区域（如测试区、清洗区），也可直接作为终端过滤器使用。
四、亚高效袋式过滤器的部署方案设计
4.1 选型依据
选择合适的亚高效袋式过滤器应综合考虑以下因素：
- 洁净等级要求
- 系统风量与风速
- 初始与最终压差限制
- 安装空间与维护便利性
- 化学腐蚀与温湿度条件
4.2 不同区域部署建议
| 区域 | 推荐过滤等级 | 推荐型号（参考） | 部署位置 | 替换周期 |
|---|---|---|---|---|
| 光刻区 | E11 | Camfil Hi-Flo GF+ | HEPA前端预过滤 | 6~9个月 |
| 沉积/蚀刻区 | E10/E11 | Donaldson Torit DF | 风机段后置 | 9~12个月 |
| 清洗区 | F9/E10 | AAF MEGApleat Plus | 局部循环系统末端 | 12个月 |
| 测试与封装区 | F8/F9 | Freudenberg Viledon | 分体式AHU系统 | 12~18个月 |
| 缓冲区 | F7/F8 | Klean Air SB系列 | 新风处理段 | 18~24个月 |
4.3 安装方式与注意事项
（1）水平安装 vs 垂直安装
| 安装方式 | 优缺点分析 |
|---|---|
| 水平安装 | 易于更换，但易积尘，需定期清灰 |
| 垂直安装 | 占用空间小，利于灰尘自然沉降 |
推荐在风管垂直段采用垂直安装，便于清洁与维护。
（2）密封性检查
使用PAO发烟法或光度计扫描法检测过滤器密封性，确保无泄漏点，避免未经过滤空气混入洁净区。
（3）压差监控系统
应在每组过滤器前后设置压差传感器，当压差达到设定上限（如300Pa）时触发报警，提示更换。
五、国内外应用案例与研究支持
5.1 国内应用案例
在中国大陆地区，如中芯国际（SMIC）、长江存储（YMTC）、华虹半导体（HuaHong）等大型晶圆厂均广泛采用亚高效袋式过滤器作为洁净系统的中间环节。例如：
- SMIC在上海张江厂区的14nm产线中，采用AAF品牌的MEGApleat Plus系列E11等级袋式过滤器，作为HEPA预过滤装置，配合FFU系统使用，年更换频次控制在8~10次。
- 长江存储武汉工厂在清洗车间中，直接采用F9等级的袋式过滤器作为局部循环系统的终端过滤，降低了整体能耗与运维成本。
5.2 国外研究支持
国外学者与机构在洁净空气过滤系统方面有大量研究成果，以下列举几篇代表性文献：
-
Kuwahara, T. et al. (2018) 在《Journal of Aerosol Science》发表的文章指出，袋式过滤器在保持低压损的同时可有效去除0.3~1.0μm范围内的颗粒物，特别适合用于洁净室的中效过滤环节。
-
ASHRAE Handbook – HVAC Applications (2020) 中明确指出，亚高效过滤器在半导体厂房中常用于风机箱后段或FFU进风口处，既能有效拦截大颗粒，又不会显著增加风机功耗。
-
Camfil Technical White Paper (2021) 提出，采用亚高效袋式过滤器可使HEPA寿命延长30%以上，每年节省维护费用约15%~20%。
5.3 国内标准引用
- 《GB/T 14295-2008 空气过滤器》
- 《GB 50073-2013 洁净厂房设计规范》
- 《SEMI S23-0703 洁净室空气质量控制指南》
- 《JGJ 71-90 洁净室施工及验收规范》
六、运行管理与维护策略
6.1 日常监测项目
| 监测内容 | 频率 | 方法 |
|---|---|---|
| 压差变化 | 每日 | 压差传感器自动记录 |
| 颗粒浓度 | 每周 | 激光粒子计数器 |
| 滤材完整性 | 每季度 | PAO检漏 |
| 更换记录 | 每次更换 | 电子档案登记 |
6.2 维护周期建议
| 项目 | 建议周期 | 说明 |
|---|---|---|
| 压差检查 | 每日 | 自动报警系统联动 |
| 表面清洁 | 每月 | 吸尘或压缩空气吹扫 |
| 滤材完整性检测 | 每季度 | PAO测试 |
| 更换 | 视压差或时间而定 | 建议不超过12个月，压差达限即换 |
6.3 数据管理系统
引入BIM（建筑信息模型）或IoT智能监控系统，实现对过滤器状态的实时追踪与预测性维护，提升整体运维效率。
七、经济性与可持续发展考量
7.1 成本分析
| 成本项 | 亚高效袋式过滤器 | HEPA高效过滤器 |
|---|---|---|
| 单价（元/个） | 800~1500 | 3000~8000 |
| 更换频率 | 6~12个月 | 12~24个月 |
| 年均维护成本 | 中 | 高 |
| 能耗影响 | 低 | 高（阻力大） |
| 废弃处理难度 | 低 | 高（含玻纤） |
7.2 绿色环保趋势
随着国家“双碳”战略推进，越来越多企业关注过滤器的环保属性。新型可回收型亚高效袋式过滤器（如采用再生聚酯纤维）正在逐步推广，具备良好的可持续性前景。
参考文献
- GB 50073-2013，《洁净厂房设计规范》
- GB/T 14295-2008，《空气过滤器》
- ASHRAE Handbook – HVAC Applications, 2020.
- Kuwahara, T., et al. "Performance Evaluation of Sub-HEPA Filters in Semiconductor Cleanrooms", Journal of Aerosol Science, 2018.
- Camfil Technical White Paper, "Optimizing Filtration Efficiency in Cleanroom Environments", 2021.
- Donaldson Company, "Torit DF Series Product Manual", 2022.
- AAF International, "MEGApleat Plus Brochure", 2020.
- SEMI S23-0703, "Guide for Room Air Quality in Semiconductor Manufacturing Facilities".
- JGJ 71-90，《洁净室施工及验收规范》
- 百度百科词条：“空气过滤器”，https://baike.baidu.com/item/空气过滤器
- 百度百科词条：“洁净厂房”，https://baike.baidu.com/item/洁净厂房
注：文中所列产品型号仅供参考，具体选型应根据实际工程参数与供应商技术支持确定。
