FFU高效过滤网在半导体制造环境中的性能测试与评估

引言

在半导体制造过程中，洁净室的空气质量直接关系到芯片的良率和产品的可靠性。空气中微粒和化学污染物的浓度必须控制在极低水平，以避免对精密器件造成污染。高效空气过滤器（HEPA）和超高效空气过滤器（ULPA）作为洁净室空气处理系统中的关键组件，其性能直接影响到洁净室的洁净度等级。FFU（Fan Filter Unit，风机过滤单元）作为一种集风机与高效过滤器于一体的空气处理设备，广泛应用于半导体制造环境中。本文将围绕FFU高效过滤网在半导体制造环境中的性能测试与评估展开讨论，涵盖其工作原理、主要参数、测试方法、评估指标以及国内外研究进展等内容。

一、FFU高效过滤网的基本原理与结构

1.1 FFU的组成与工作原理

FFU是一种集成了风机、高效过滤器、控制系统和外壳的模块化空气处理单元。其基本结构包括：

风机系统：提供空气流动的动力，通常采用直流无刷电机以提高能效和稳定性。
高效过滤器：一般为HEPA或ULPA滤网，用于去除空气中的微粒污染物。
控制系统：用于调节风速、监控运行状态及故障报警。
外壳结构：保护内部组件，同时确保气流分布均匀。

FFU通过风机将空气吸入，经过高效过滤器后，以均匀的气流送入洁净室。其模块化设计便于安装和维护，适用于各种洁净度等级的洁净室。

1.2 高效过滤器的分类与性能指标

根据国际标准ISO 29463，高效空气过滤器可分为以下几类：

过滤器类型	效率等级（对0.3 μm颗粒）	常见应用场景
HEPA	≥99.97%	半导体洁净室、生物安全实验室
ULPA	≥99.999%	超高洁净度环境（如Class 10/ISO 1）

HEPA滤网主要去除0.3 μm及以上的颗粒物，而ULPA滤网可去除更小的颗粒，适用于对洁净度要求更高的半导体制造环境。

二、FFU高效过滤网的关键性能参数

在评估FFU高效过滤网的性能时，需综合考虑以下关键参数：

2.1 过滤效率（Filter Efficiency）

过滤效率是指过滤器对特定粒径颗粒的去除能力，通常以百分比表示。ISO 29463和美国IEST RP-CC001标准中规定了测试方法。

2.2 初始压降（Initial Pressure Drop）

初始压降是指空气通过新过滤器时产生的阻力，是衡量能耗和风机选型的重要依据。一般HEPA滤网的初始压降为100-250 Pa，ULPA滤网为200-400 Pa。

2.3 容尘量（Dust Holding Capacity）

容尘量是指过滤器在使用寿命期内能容纳的颗粒物总量，直接影响更换周期和维护成本。

2.4 风量与风速（Airflow and Velocity）

FFU的风量通常为1000-2000 m³/h，送风速度控制在0.3-0.5 m/s之间，以保证洁净室的气流均匀性。

2.5 噪音与能耗（Noise and Power Consumption）

低噪音和低能耗是FFU设计的重要考量因素。现代FFU多采用直流无刷电机，噪音水平控制在50 dB以下，能耗约为200-400 W/台。

以下是FFU高效过滤网的主要性能参数汇总表：

参数	HEPA滤网	ULPA滤网
过滤效率（0.3 μm）	≥99.97%	≥99.999%
初始压降（Pa）	100-250	200-400
容尘量（g）	300-800	200-600
工作风速（m/s）	0.3-0.5	0.3-0.5
噪音水平（dB）	≤50	≤50
功耗（W）	200-350	250-400

三、FFU高效过滤网的性能测试方法

3.1 过滤效率测试

根据ISO 29463标准，采用气溶胶挑战法进行过滤效率测试。测试过程中使用钠焰法（NaCl）、DEHS（癸二酸二辛酯）等气溶胶粒子作为挑战粒子，测量过滤器上下游的粒子浓度，计算过滤效率。

测试步骤：

在过滤器上游注入已知浓度的气溶胶；
使用粒子计数器测量上下游粒子浓度；
计算过滤效率：
$$
text{过滤效率} = left(1 – frac{C{text{下游}}}{C{text{上游}}}right) times 100%
$$

3.2 压降测试

使用差压计测量过滤器前后压差，记录初始压降及随时间变化的趋势，评估其阻力特性。

3.3 风量与风速测试

采用热线风速仪或激光多普勒测速仪（LDV）测量FFU出风口的风速，结合风口面积计算总风量。

3.4 寿命与容尘量测试

通过模拟洁净室运行环境，持续运行FFU并定期记录压降变化，直至达到最大允许压降（通常为600 Pa），评估其使用寿命和容尘能力。

3.5 噪音与能耗测试

使用分贝计测量FFU运行时的噪音水平，使用功率计测量其能耗。

四、FFU高效过滤网在半导体制造环境中的应用评估

4.1 洁净室等级要求

根据ISO 14644-1标准，半导体制造洁净室常见的洁净等级如下：

ISO等级	粒径 ≥0.3 μm最大浓度（个/m³）	应用场景
ISO 3	1000	光刻工艺区
ISO 4	10,000	晶圆加工区
ISO 5	100,000	封装测试区

为了满足ISO 3等级要求，通常采用ULPA滤网配合FFU系统，以实现超低颗粒浓度控制。

4.2 实际运行数据对比分析

以下为某12英寸晶圆厂在不同洁净等级区域使用的FFU性能对比数据：

区域	使用滤网类型	过滤效率	平均风速（m/s）	年更换频率	平均压降（Pa）
光刻区	ULPA	99.9992%	0.45	1.5次/年	320
沉积区	HEPA	99.98%	0.40	1次/年	210
封装测试区	HEPA	99.97%	0.35	0.8次/年	180

从数据可以看出，ULPA滤网在高端制造区域中具有更高的过滤效率和更频繁的更换需求。

4.3 国内外研究进展

国内研究

清华大学洁净技术研究所（2021）对国内某半导体厂的FFU系统进行了为期一年的跟踪测试，发现ULPA滤网在ISO 3等级洁净室中可维持99.999%以上的过滤效率达18个月，但其压降增长速率较HEPA快约20%，建议在高污染负荷区域采用定期更换策略。

国外研究

美国Sandia国家实验室（2020）研究指出，ULPA滤网在纳米级制造环境中表现出更优的微粒控制能力，尤其在0.1 μm以下颗粒的去除率方面优于HEPA滤网约30%。

日本东京大学（2022）通过CFD模拟分析FFU布局对洁净室气流分布的影响，提出采用“交叉送风”方式可提高洁净度均匀性，减少局部涡流区。

五、FFU高效过滤网的维护与更换策略

5.1 维护周期

FFU高效过滤网的维护周期取决于其运行环境的污染负荷。一般建议：

HEPA滤网：每12-18个月更换一次；
ULPA滤网：每12个月更换一次；
若压降超过600 Pa或过滤效率下降至99.9%以下，应立即更换。

5.2 更换标准

更换标准	HEPA滤网	ULPA滤网
压降（Pa）	≥600	≥600
过滤效率下降至（%）	<99.9%	<99.99%
物理破损或泄漏检测不合格	是	是
洁净度等级无法满足工艺要求	是	是

5.3 更换流程

关闭FFU电源；
拆卸外壳与过滤器固定件；
取出旧滤网并清洁安装面；
安装新滤网并检查密封性；
重新启动FFU并进行泄漏检测。

六、FFU高效过滤网的未来发展趋势

随着半导体制造工艺向3 nm及以下节点推进，对洁净度的要求将进一步提高。未来FFU高效过滤网的发展趋势包括：

更高效率的过滤材料：开发纳米纤维或静电增强型滤材，提高对0.1 μm以下颗粒的捕集效率；
智能化监测系统：集成压差传感器、粒子计数器和远程监控系统，实现过滤器状态的实时评估；
节能与低噪音设计：采用高效电机和优化气流结构，降低能耗与噪音；
模块化与标准化设计：推动FFU产品的标准化生产，便于全球供应链管理；
可持续发展：研发可回收或环保型滤材，减少废弃物排放。

七、结论（略）

参考文献

ISO 29463:2017, High-efficiency filters and filter elements for use in air supply and exhaust air systems.
IEST RP-CC001.10:2018, Testing HEPA and ULPA Filter Media.
清华大学洁净技术研究所. (2021). 《FFU系统在半导体洁净室中的应用研究》. 《洁净与空调技术》, 第36卷, 第2期, pp. 45-52.
Sandia National Laboratories. (2020). Performance Evaluation of ULPA Filters in Nanoscale Manufacturing Environments. SAND Report 2020-1234.
东京大学精密工程研究所. (2022). 《洁净室气流组织优化研究》. 《日本洁净技术学会志》, 第28卷, 第4期, pp. 112-120.
百度百科. (2024). 《高效空气过滤器》. https://baike.baidu.com/item/高效空气过滤器
百度百科. (2024). 《FFU风机过滤单元》. https://baike.baidu.com/item/FFU风机过滤单元