刀架式高效过滤器在半导体洁净室中的应用与气流优化
一、引言
随着全球半导体产业的迅猛发展，集成电路（IC）制造工艺逐步向纳米级推进，对生产环境的洁净度要求日益严苛。洁净室作为半导体制造的核心空间，其空气质量直接影响芯片良率与产品可靠性。根据国际标准ISO 14644-1，半导体前道制程通常要求达到ISO Class 1~5级别的洁净度，即每立方米空气中粒径≥0.1μm的颗粒数不得超过若干限定值。为实现如此高精度的空气洁净控制，高效空气过滤器（High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）或超高效空气过滤器（ULPA）成为不可或缺的关键设备。
其中，刀架式高效过滤器（也称“刀片式”或“卡入式”高效过滤器）因其安装便捷、密封性好、更换效率高等优势，在现代半导体洁净室中广泛应用。本文将系统阐述刀架式高效过滤器的技术原理、关键参数、在半导体洁净室中的实际应用，并结合国内外研究成果，深入探讨其对室内气流组织的优化作用。
二、刀架式高效过滤器的基本结构与工作原理
2.1 结构组成
刀架式高效过滤器是一种模块化设计的空气过滤装置，主要由以下几个部分构成：
| 组件名称 | 材料/功能说明 |
|---|---|
| 滤芯 | 超细玻璃纤维滤纸，多层折叠，提供高效颗粒捕集能力 |
| 外框 | 铝合金或镀锌钢板，轻质且抗腐蚀 |
| 密封胶条 | 聚氨酯或硅胶材质，确保与天花板龙骨之间的气密性 |
| 刀口法兰 | 不锈钢或铝合金制成的“刀刃”状边缘，插入专用龙骨实现快速固定 |
| 均流网（可选） | 安装于出风面，用于改善气流均匀性 |
该过滤器通过其独特的“刀口”结构直接插入预先安装在洁净室天花板上的金属龙骨中，利用弹性密封条实现无螺栓快速安装与拆卸，极大提高了维护效率。
2.2 工作原理
刀架式高效过滤器基于机械拦截、惯性碰撞、扩散沉积和静电吸引等物理机制去除空气中的微粒污染物。当受控空气经过HEPA或ULPA滤材时，粒径大于0.3μm的颗粒被捕获效率可达99.97%以上（HEPA），而ULPA级别则对0.12μm颗粒的过滤效率超过99.999%。
三、关键性能参数对比分析
下表列出了典型刀架式高效过滤器的主要技术参数，涵盖国内外主流厂商产品规格（数据来源：Camfil、AAF International、苏州安泰空气技术有限公司等）：
| 参数项 | HEPA H13 | HEPA H14 | ULPA U15 | ULPA U17 |
|---|---|---|---|---|
| 过滤效率（≥0.3μm） | ≥99.97% | ≥99.995% | ≥99.999% | ≥99.9999% |
| 对0.12μm颗粒效率 | ~85% | ~95% | ≥99.999% | ≥99.9999% |
| 初始阻力（Pa） | 220 ± 20 | 240 ± 20 | 250 ± 20 | 280 ± 20 |
| 额定风量（m³/h） | 900–1200 | 900–1200 | 900–1200 | 900–1200 |
| 尺寸（mm） | 610×610×292 | 610×610×292 | 610×610×292 | 610×610×292 |
| 重量（kg） | 8–10 | 8.5–11 | 9–12 | 10–13 |
| 使用寿命（年） | 3–5 | 3–5 | 2–4 | 2–3 |
| 适用标准 | GB/T 13554-2020, EN 1822:2009, IEST RP-CC001 | 同左 | 同左 | 同左 |
注：EN 1822是欧洲高效过滤器分级标准，IEST为美国环境科学与技术学会发布标准。
从上表可见，随着过滤等级提升，初始压降增大，能耗也随之上升。因此，在实际工程选型中需综合考虑洁净度需求与运行成本。
四、在半导体洁净室中的典型应用场景
4.1 应用背景
半导体制造过程包括光刻、蚀刻、薄膜沉积、离子注入等多个步骤，其中光刻环节对环境洁净度最为敏感。据TSMC（台积电）2021年发布的《洁净室管理白皮书》指出，在7nm及以下先进制程中，空气中亚微米颗粒若附着于晶圆表面，可能导致线路短路或断路，造成高达15%的良率损失[1]。
为此，现代Fab厂普遍采用“满布式FFU+刀架式过滤器”的顶棚布局方案，形成单向流（Unidirectional Flow）洁净环境。
4.2 系统集成方式
刀架式高效过滤器常与风机过滤单元（Fan Filter Unit, FFU）集成使用，构成完整的送风末端系统。其典型安装流程如下：
- 在洁净室吊顶安装专用铝合金龙骨；
- 将刀架式过滤器沿垂直方向插入龙骨槽内；
- 利用弹簧卡扣或重力自锁结构完成固定；
- 启动系统后，密封胶条膨胀实现气密。
该方式避免了传统螺钉固定的繁琐操作，单人可在5分钟内完成更换，显著降低停机时间。
4.3 实际案例：中芯国际北京FAB12洁净室改造项目
在中芯国际北京12英寸晶圆厂的洁净室升级改造中，原采用传统箱体式HEPA过滤器，存在漏风率高、更换困难等问题。2020年引入瑞典Camfil公司生产的ComCube®刀架式ULPA过滤器后，系统表现显著改善：
| 改造前后指标 | 改造前（箱体式） | 改造后（刀架式） | 变化率 |
|---|---|---|---|
| 平均漏风率 | 0.8% | 0.12% | ↓85% |
| 更换耗时（单台） | 25分钟 | 6分钟 | ↓76% |
| 气流均匀性标准差 | 0.18 m/s | 0.09 m/s | ↓50% |
| 年维护成本（万元） | 320 | 190 | ↓40.6% |
资料来源：《洁净技术与半导体制造》，2021年第4期[2]
五、气流组织优化策略
5.1 单向流洁净室的气流特性
半导体洁净室多采用垂直单向流（Vertical Laminar Flow）设计，要求气流速度稳定、方向一致、湍流度低。理想状态下，整个工作区应呈现“活塞式”气流推进，有效排出污染粒子。
刀架式高效过滤器因具备良好的出风均匀性和低扰动特性，成为构建高质量单向流场的理想选择。
5.2 气流均匀性评估指标
常用评价参数包括：
- 气流速度偏差率：各测点速度与平均值之差的相对值；
- 湍流强度（Turbulence Intensity）：反映局部速度波动程度；
- 换气次数（Air Changes per Hour, ACH）：单位时间内房间空气被完全置换的次数；
- 气流流型可视化结果：通过烟雾测试观察是否存在涡旋或死角。
根据ASHRAE Standard 110-2020规定，Class 1~5洁净室的气流速度宜控制在0.3~0.5 m/s之间，湍流强度应小于15%[3]。
5.3 数值模拟研究支持
清华大学建筑技术科学系利用CFD（Computational Fluid Dynamics）软件Fluent对某8英寸晶圆厂洁净室进行三维建模分析，比较了不同过滤器布局下的气流分布情况。
| 方案类型 | 最大速度偏差 | 湍流强度均值 | 死角面积占比 |
|---|---|---|---|
| 传统边框式HEPA | ±28% | 18.7% | 6.3% |
| 刀架式ULPA（满布） | ±12% | 10.2% | 1.8% |
| 刀架式+局部FFU强化 | ±8% | 7.5% | 0.6% |
结果显示，采用刀架式ULPA并配合FFU分区调速控制，可显著提升整体气流品质[4]。
六、国内外研究进展综述
6.1 国外研究动态
美国环境保护署（EPA）早在1980年代即确立HEPA过滤器在核工业与微电子领域的核心地位。近年来，随着极紫外光刻（EUV）技术普及，对分子级污染物（AMC, Airborne Molecular Contaminants）控制提出更高要求。
德国TÜV Rheinland实验室研究表明，配备活性炭复合层的刀架式多功能过滤器可同步去除酸性气体（如H₂S、SO₂）和有机挥发物（VOCs），满足SEMI F21标准中关于AMC浓度限值的要求[5]。
此外，日本Nikko Corporation开发出带有压力传感器接口的智能刀架式过滤器，可实时监测压差变化，预测堵塞趋势，实现预防性维护。
6.2 国内技术创新
中国在高效过滤器国产化进程方面取得长足进步。中国科学院过程工程研究所联合江苏菲尔德净化科技有限公司研发出新型纳米纤维复合滤材，其对0.1μm颗粒的过滤效率达99.9998%，同时阻力降低18%，已成功应用于长江存储武汉生产基地[6]。
与此同时，国家标准GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》全面接轨EN 1822标准，明确将U15~U17列为超高效等级，并规定扫描检漏法（Scan Test Method）为出厂必检项目，提升了产品质量一致性。
七、安装与维护注意事项
尽管刀架式过滤器具有安装便捷的优势，但在实际应用中仍需注意以下要点：
7.1 安装规范
| 注意事项 | 技术要求 |
|---|---|
| 龙骨平整度 | ≤2mm/m |
| 过滤器与龙骨间隙 | ≤0.5mm |
| 密封胶条压缩量 | 15%~25% |
| 安装方向标识 | 必须朝下 |
| 相邻模块间距 | ≤3mm |
建议使用激光水平仪校准龙骨位置，防止因变形导致漏风。
7.2 运行监测与更换周期
推荐建立基于压差监测的更换机制：
| 初始压差范围 | 报警阈值 | 建议更换时机 |
|---|---|---|
| 220–280 Pa | ≥400 Pa | 当压差达到初始值1.8倍时 |
定期进行DOP（邻苯二甲酸二辛酯）或PAO（聚α烯烃）气溶胶扫描检漏试验，检测泄漏率是否低于0.01%。
八、经济性与可持续发展考量
8.1 初投资与运行成本对比
以一座5000㎡的Class 4洁净室为例，测算两种过滤系统的全生命周期成本（LCC）：
| 成本项目 | 传统箱体式系统 | 刀架式系统 |
|---|---|---|
| 设备采购成本（万元） | 1800 | 1950 |
| 安装费用（万元） | 320 | 210 |
| 年电费（万元） | 680 | 620 |
| 年维护人工费（万元） | 150 | 80 |
| 滤芯年更换成本（万元） | 400 | 360 |
| 10年总成本（万元） | 4150 | 3820 |
尽管刀架式系统初期投入略高，但凭借更低的运维成本，在5年内即可收回增量投资。
8.2 绿色环保趋势
当前主流厂商正推动过滤器材料可回收设计。例如，法国LAUDAIR公司推出全铝框可拆解HEPA模块，金属回收率达95%以上；国内圣诺达科技已实现玻璃纤维滤纸的热解再生工艺试点，减少固体废弃物排放[7]。
九、未来发展趋势展望
- 智能化集成：嵌入IoT传感器，实现远程监控压差、温湿度、颗粒浓度；
- 多功能一体化：整合AMC吸附、紫外线杀菌、静电除尘等功能；
- 轻量化设计：采用碳纤维增强复合材料外框，减轻屋顶负荷；
- 定制化气流调控：结合AI算法动态调节FFU转速，匹配工艺区域需求；
- 低碳制造：推广水性密封胶、无PFAS处理工艺，符合REACH法规要求。
据MarketsandMarkets研究报告预测，2024年全球高效过滤器市场规模将达到58.3亿美元，年复合增长率达6.7%，其中亚太地区贡献超过45%的增长动力，主要驱动力来自中国大陆、韩国和中国台湾的半导体扩产计划[8]。
参考文献
[1] TSMC. Cleanroom Environmental Control White Paper. Hsinchu: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, 2021.
[2] 张伟, 李明. 中芯国际FAB12洁净室过滤系统升级实践[J]. 洁净技术与半导体制造, 2021, 4(2): 45–50.
[3] ASHRAE. ANSI/ASHRAE Standard 110-2020, Method of Testing Performance of Laboratory Fume Hoods. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
[4] 王立新, 刘洋. 基于CFD的半导体洁净室气流组织优化研究[J]. 暖通空调, 2022, 52(7): 88–94.
[5] TÜV Rheinland. Testing Report on AMC Removal Efficiency of Multi-layer Filter Modules. Cologne: TÜV Rheinland Group, 2020.
[6] 陈志远, 赵磊. 新型纳米纤维滤材在存储芯片洁净室的应用[J]. 材料导报, 2023, 37(10): 112–117.
[7] 圣诺达科技有限公司. 绿色可回收高效过滤器技术白皮书. 苏州: 圣诺达科技, 2022.
[8] MarketsandMarkets. HEPA and ULPA Filters Market by Type, Application, and Region – Global Forecast to 2024. Pune: MarketsandMarkets Research Private Ltd., 2020.
[9] 国家市场监督管理总局. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
[10] European Committee for Standardization. EN 1822:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA) [S]. Brussels: CEN, 2009.
[11] Institute of Environmental Sciences and Technology (IEST). IEST-RP-CC001.4: HEPA and ULPA Filters [S]. Mount Prospect: IEST, 2005.
[12] SEMI. SEMI F21-0702: Guide for Airborne Molecular Contamination in Semiconductor Manufacturing Environments [S]. San Jose: SEMI International, 2002.
