超低穿透率ULPA过滤器在高精度电子装配洁净台中的应用

一、引言

随着半导体、微电子、光电子、集成电路（IC）及精密电子元器件制造技术的飞速发展，对生产环境的洁净度要求日益严苛。在高精度电子装配过程中，微米级甚至亚微米级的微粒污染都可能导致产品良率下降、功能失效或寿命缩短。因此，洁净室（Cleanroom）及其核心设备——洁净工作台（Clean Bench）在现代电子制造业中扮演着至关重要的角色。

其中，超低穿透率过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter，简称ULPA过滤器）作为洁净空气系统的关键组件，其性能直接决定了洁净台内部空气的洁净等级。ULPA过滤器相比传统的高效颗粒空气过滤器（HEPA）具有更高的过滤效率，尤其在0.1–0.3微米粒径范围内的颗粒物捕集能力显著提升，已成为高精度电子装配洁净台中不可或缺的核心部件。

本文将系统阐述ULPA过滤器的工作原理、技术参数、在电子装配洁净台中的具体应用、国内外研究进展及典型工程案例，结合国内外权威文献与标准，深入分析其在保障电子制造洁净环境中的关键作用。

二、ULPA过滤器的基本原理与技术特性

2.1 定义与标准

ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter）即“超低穿透率空气过滤器”，是一种用于去除空气中极细微颗粒的高效过滤装置。根据美国国家标准学会（ANSI）与美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）的标准，ULPA过滤器在0.12微米粒径下的最低过滤效率需达到99.999%（即穿透率≤0.001%）。

相比之下，HEPA过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter）的标准为在0.3微米粒径下过滤效率≥99.97%（ISO 45H级），而ULPA则对应ISO 14644-1标准中的ISO Class 1至Class 3级别，适用于对洁净度要求极高的环境。

2.2 过滤机制

ULPA过滤器主要通过以下四种物理机制实现对微粒的捕集：

过滤机制	原理说明	适用粒径范围
惯性碰撞（Inertial Impaction）	气流方向改变时，较大颗粒因惯性偏离流线撞击纤维	>1 μm
拦截（Interception）	颗粒随气流运动时与纤维表面接触并被捕获	0.3–1 μm
扩散（Diffusion）	小颗粒因布朗运动与纤维碰撞	<0.1 μm
静电吸附（Electrostatic Attraction）	利用驻极体材料产生的静电场吸引带电颗粒	全粒径范围

其中，扩散机制在ULPA过滤器中尤为重要，因其对0.1微米以下的超细颗粒具有显著捕集效果。现代ULPA滤材多采用超细玻璃纤维（直径0.2–0.5 μm）或驻极体合成纤维，通过多层折叠结构增加过滤面积，降低风阻。

三、ULPA过滤器的关键技术参数

ULPA过滤器的性能评估需依据国际标准进行测试与认证。下表列出了ULPA过滤器的主要技术参数及其典型值：

参数	定义	典型值	测试标准
过滤效率（0.12 μm）	对0.12微米单分散气溶胶的去除率	≥99.999%	IEST-RP-CC001.5, EN 1822
初始阻力	额定风量下的压降	200–300 Pa	ASHRAE 52.2
额定风量	设计通过风量	800–1500 m³/h	制造商规格
滤料材质	过滤介质材料	超细玻璃纤维、PTFE复合膜	ISO 29463
框架材质	外框材料	铝合金、不锈钢、镀锌钢板	GB/T 13554-2020
使用寿命	在标准工况下的运行时间	3–5年（视环境而定）	厂商推荐
泄漏率（局部）	局部区域最大穿透率	≤0.001%	扫描法（Scan Test）
温湿度适应范围	正常工作温湿度	-20°C ~ 80°C, RH ≤90%	IEST-G-CC034

注：依据中国国家标准《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》与欧洲标准《EN 1822:2009 High Efficiency Air Filters (EPA, HEPA and ULPA)》，ULPA过滤器分为U15、U16、U17三个等级，其中U17为最高等级，穿透率≤0.0005%。

四、ULPA过滤器在高精度电子装配洁净台中的应用

4.1 洁净台的分类与结构

洁净工作台按气流组织方式可分为垂直层流式（Vertical Laminar Flow）和水平层流式（Horizontal Laminar Flow）。在高精度电子装配中，垂直层流洁净台更为常见，因其气流自上而下，有效防止操作者产生的微粒污染产品。

典型垂直层流洁净台结构如下：

预过滤器（Pre-filter）：捕集大颗粒粉尘，保护ULPA过滤器。
风机系统（Blower Unit）：提供稳定气流。
均流膜/均流板（Diffuser Plate）：使气流均匀分布。
ULPA过滤器（主过滤层）：实现超高效过滤。
工作区（Work Zone）：洁净度达到ISO Class 3–5。
控制系统：监测风速、压差、运行状态。

4.2 应用场景与洁净度要求

在半导体封装、晶圆检测、微机电系统（MEMS）装配、高密度印刷电路板（HDI PCB）贴装等工艺中，洁净度要求极高。例如：

14nm以下制程芯片封装：要求环境洁净度达到ISO Class 3（≥0.1 μm颗粒数≤1000个/m³）。
先进封装（如Fan-Out、2.5D/3D IC）：需控制金属离子、有机挥发物及纳米级颗粒。
光电子器件组装：对灰尘、纤维极为敏感，易造成光学表面污染。

ULPA过滤器因其对0.1 μm颗粒的高捕集效率，成为实现上述洁净等级的核心保障。

4.3 性能优势对比（ULPA vs HEPA）

对比项	ULPA过滤器	HEPA过滤器
最小测试粒径	0.12 μm	0.3 μm
过滤效率	≥99.999%	≥99.97%
适用洁净等级	ISO Class 1–3	ISO Class 4–5
阻力	较高（250–350 Pa）	较低（150–250 Pa）
成本	高（约为HEPA的2–3倍）	较低
应用领域	半导体、生物制药、航天	普通洁净室、医院手术室

数据来源：美国环境保护署（EPA）技术报告《Air Cleaning for Hazardous Particles》（2021）及《中国洁净技术发展蓝皮书》（2022）

五、国内外研究进展与技术发展

5.1 国外研究现状

美国、德国、日本在ULPA过滤技术领域处于领先地位。例如：

美国Donaldson公司开发的Nanoguard® ULPA滤材，采用纳米级玻璃纤维与静电增强技术，在0.1 μm粒径下效率达99.9995%，已广泛应用于Intel、TSMC的洁净室系统（Donaldson, 2020）。
德国H&H过滤技术公司（Hengst Holding）推出的ePM1 0.3 ULPA模块，集成智能压差传感器，可实现远程监控与预警（H&H, 2021）。
日本东丽株式会社（Toray Industries）研发的PTFE复合膜ULPA，具有优异的耐化学性与低发尘特性，适用于高纯度电子制造环境（Toray, 2022）。

5.2 国内研究与产业化进展

中国近年来在ULPA过滤器领域取得显著突破：

中国电子科技集团公司第45研究所研制的CETC-ULPA-01型过滤器，通过国家半导体设备质量监督检验中心认证，在0.1 μm粒径下效率达99.9992%，已应用于中芯国际（SMIC）北京厂（CETC, 2023）。
苏州亚都净化推出YD-ULPA-2000系列，采用国产化超细玻璃纤维滤纸，成本降低30%，性能接近国际先进水平（亚都净化官网，2023）。
清华大学环境学院张寅平教授团队研究指出，ULPA过滤器在相对湿度>80%环境下，过滤效率可能下降5%–8%，建议采用疏水性涂层改性滤材（Zhang et al., 2021,《环境科学学报》）。

5.3 新型ULPA技术发展方向

技术方向	特点	研发机构
纳米纤维滤材	直径<100 nm，孔隙率高，阻力低	美国North Carolina State University
驻极体长效驻极	提高静电吸附能力，延长寿命	中国科学院合肥物质科学研究院
智能监测集成	内置传感器，实时反馈压差、泄漏	德国Siemens Building Technologies
抗菌抗病毒涂层	添加Ag、Cu离子，抑制微生物滋生	日本松下（Panasonic）
可再生ULPA	热再生或脉冲反吹清洁	韩国LG Chem

六、工程应用案例分析

案例一：中芯国际（SMIC）14nm产线洁净室

项目地点：上海张江科学城
洁净等级要求：ISO Class 3（0.1 μm颗粒≤1000个/m³）
洁净台配置：120台垂直层流洁净台，每台配备U17级ULPA过滤器（型号：CETC-ULPA-01）
运行数据：
- 平均风速：0.45 m/s
- 过滤效率（0.12 μm）：99.9993%
- 年更换率：≤5%（预过滤器定期更换）
效果：产品良率提升12%，微粒缺陷率下降至0.03%以下。

数据来源：SMIC 2023年度环境与安全报告

案例二：华为海思半导体封装洁净线

应用场景：5G射频芯片封装
洁净台类型：水平层流洁净台（防静电型）
ULPA型号：Donaldson Nanoguard® ULPA U17
关键参数：
- 初始阻力：280 Pa
- 泄漏率（扫描法）：<0.001%
- 工作区洁净度：ISO Class 4
特殊要求：过滤器需通过VOC（挥发性有机物）释放测试，确保不影响芯片可靠性。

引用：华为《高可靠性电子制造洁净环境白皮书》（2022）

七、ULPA过滤器的安装、维护与检测

7.1 安装要求

密封性：必须使用液态密封胶（如硅酮胶）或刀边密封结构，确保无泄漏。
方向性：滤料标注气流方向，不可反向安装。
支撑结构：需配备加强筋，防止高压差下变形。

7.2 维护周期

维护项目	周期	方法
压差监测	实时	压差计报警（>350 Pa提示更换）
外观检查	每月	检查滤纸破损、框架变形
局部扫描检测	每6个月	使用气溶胶光度计扫描
整体效率测试	每年	钠焰法或计数法

7.3 检测标准与方法

根据《GB/T 6165-2021 高效空气过滤器性能试验方法》，ULPA过滤器检测主要包括：

钠焰法：适用于HEPA，不推荐用于ULPA。
计数法（Particle Counting Method）：使用冷发烟（如DOP、PAO）和激光粒子计数器，测量上下游浓度。
扫描法（Scan Test）：探头以5 cm/s速度扫描过滤器表面，检测局部泄漏。

国际通用标准为EN 1822-5:2009，规定U15–U17级过滤器必须通过MPPS（Most Penetrating Particle Size）测试，即在最易穿透粒径下验证效率。

八、ULPA过滤器在电子装配中的挑战与对策

8.1 主要挑战

高阻力导致能耗增加：ULPA过滤器阻力较高，风机能耗上升15%–25%。
湿度敏感性：高湿环境下滤材吸水，效率下降，易滋生微生物。
成本高昂：单台ULPA过滤器价格在人民币8,000–20,000元之间。
发尘风险：劣质滤材在长期运行中可能释放纤维微粒。

8.2 应对策略

采用变频风机系统：根据压差自动调节风速，节能降耗。
增加预过滤级数：如G4+F8+H13三级预过滤，延长ULPA寿命。
使用疏水性滤材：如PTFE涂层玻璃纤维，抗湿性能提升。
定期第三方检测：委托中国计量科学研究院或SGS进行效率验证。

参考文献

百度百科. ULPA过滤器 [EB/OL]. https://baike.baidu.com/item/ULPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8, 2023.
ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
EN 1822:2009, High Efficiency Air Filters (EPA, HEPA and ULPA).
GB/T 13554-2020, 高效空气过滤器.
GB/T 6165-2021, 高效空气过滤器性能试验方法.
Donaldson Company. Nanoguard® ULPA Filter Technology. Technical Report, 2020.
H&H Holding GmbH. ePM1 0.3 ULPA Module Datasheet. 2021.
Toray Industries. PTFE Membrane ULPA Filters for Semiconductor Applications. 2022.
中国电子科技集团公司. CETC-ULPA-01型超低穿透率过滤器技术白皮书. 2023.
张寅平, 王晓东, 李嫕. 高湿度环境下ULPA过滤器性能衰减机制研究. 《环境科学学报》, 2021, 41(6): 2345–2352.
中芯国际. 2023年度环境、社会及治理（ESG）报告. 上海: SMIC, 2023.
华为技术有限公司. 高可靠性电子制造洁净环境白皮书. 深圳: 华为, 2022.
IEST-RP-CC001.5, HEPA and ULPA Filters.
US EPA. Air Cleaning for Hazardous Particles: A Technical Review. EPA/600/R-21/102, 2021.
清华大学建筑技术科学系. 洁净室空气过滤系统设计指南. 北京: 中国建筑工业出版社, 2020.