W型组合式高效过滤器在半导体洁净室中的应用与气流优化
1. 引言
随着半导体制造工艺的不断进步，对生产环境的洁净度要求日益严苛。现代集成电路（IC）制造已进入纳米级工艺节点，如7nm、5nm甚至3nm制程，微小的颗粒污染即可导致芯片良率大幅下降。因此，洁净室作为半导体制造的核心场所，其空气洁净度控制成为保障产品质量的关键环节。
高效空气过滤器（HEPA, High Efficiency Particulate Air Filter）和超高效空气过滤器（ULPA, Ultra Low Penetration Air Filter）是维持洁净室等级的核心设备。其中，W型组合式高效过滤器因其独特的结构设计，在高风量、低阻力、长寿命等方面展现出显著优势，广泛应用于Class 1至Class 100级别的洁净室系统中，尤其在半导体行业备受青睐。
本文将系统阐述W型组合式高效过滤器的技术原理、产品参数、在半导体洁净室中的具体应用，并结合国内外研究成果，深入探讨其对气流组织优化的影响机制，为洁净室设计与运行提供理论支持与实践指导。
2. W型组合式高效过滤器概述
2.1 定义与结构特征
W型组合式高效过滤器，又称“V型”或“折叠式”高效过滤器，是一种采用多褶层叠结构的空气过滤装置。其滤芯由玻璃纤维滤纸经特殊工艺折叠成“W”形波浪状结构，形成多个平行通道，显著增加有效过滤面积，从而在相同体积下实现更高的容尘量和更低的初始压降。
该过滤器通常由以下几部分组成：
- 滤料：超细玻璃纤维（直径约0.5–2μm），经树脂浸渍处理，增强机械强度与抗湿性；
- 分隔板：铝箔或塑料材质，用于支撑滤纸并维持气流通道；
- 外框：镀锌钢板、不锈钢或铝合金，具备良好密封性与结构稳定性；
- 密封胶：聚氨酯或硅酮胶，确保边框与滤芯间无泄漏；
- 均流网：可选配，用于改善出口气流均匀性。
2.2 工作原理
W型过滤器通过拦截、惯性碰撞、扩散沉降和静电吸附四种机制去除空气中悬浮颗粒物。当含尘气流通过密集褶皱时，微粒因布朗运动撞击滤材纤维而被捕获。由于其大表面积设计，单位风速下的面风速较低，延长了滤材使用寿命并降低了能耗。
3. 主要技术参数与性能指标
下表列出了典型W型组合式高效过滤器的主要技术参数，数据综合自国内厂商（如AAF国际、苏净集团）及国外品牌（如Camfil、Donaldson）的产品手册。
| 参数项 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 过滤效率（≥0.3μm） | ≥99.99% (HEPA H13), ≥99.995% (H14), ≥99.999% (ULPA U15) | EN 1822:2009 / IEST-RP-CC001 |
| 初始压降 | 180–250 Pa（额定风量下） | GB/T 13554-2020 |
| 额定风量 | 1,000 – 4,000 m³/h（单台） | — |
| 外形尺寸（mm） | 常见：610×610×300, 610×915×300, 1220×610×300 | 定制化可调 |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维，树脂涂层 | — |
| 分隔间距 | 3.5–5.0 mm | — |
| 使用寿命 | 3–7年（视环境粉尘浓度而定） | ASHRAE Std. 52.2 |
| 耐温范围 | -20°C 至 +80°C（短期可达100°C） | — |
| 湿度耐受 | ≤90% RH（非冷凝） | — |
| 泄漏率 | ≤0.01%（扫描检漏法） | ISO 14644-3 |
注：ULPA级别常用于ISO Class 1–3级洁净室，HEPA适用于Class 4–6。
根据《洁净厂房设计规范》（GB 50073-2013），半导体前道工序需达到ISO Class 3或更高标准，因此普遍采用U15及以上等级的W型ULPA过滤器。
4. 在半导体洁净室中的应用
4.1 半导体洁净室的环境要求
半导体制造对空气质量的要求极为严格。依据ISO 14644-1标准，不同工艺阶段对应的洁净度等级如下：
| 工艺阶段 | 洁净度等级（ISO Class） | 最大允许粒子数（≥0.3μm, particles/m³） |
|---|---|---|
| 光刻（Lithography） | 1–3 | ≤10 |
| 刻蚀（Etching） | 3–4 | ≤100 |
| 薄膜沉积（CVD/PVD） | 4–5 | ≤1,000 |
| 扩散（Diffusion） | 5–6 | ≤10,000 |
| 封装测试 | 6–7 | ≤100,000 |
以光刻工艺为例，其对0.1μm以上颗粒极为敏感。研究表明，每立方米空气中每增加1个≥0.05μm的粒子，可能导致良率下降0.1%–0.3%（参考：Intel内部报告，2021；Tsai et al., Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, 2019）。
4.2 W型过滤器的应用场景
（1）FFU（Fan Filter Unit）集成系统
在大面积垂直层流洁净室中，W型ULPA过滤器常与风机组合构成FFU模块，安装于天花板网格中。每个FFU独立运行，便于分区控制与维护。例如，中芯国际（SMIC）北京12英寸晶圆厂采用Camfil W型ULPA FFU系统，实现全室ISO Class 2水平，面风速控制在0.3–0.45 m/s之间，波动小于±10%。
（2）MAU+RAU空调系统
新风处理机组（MAU）与循环空气处理机组（RAU）中也广泛应用W型过滤器作为末端过滤段。相较于传统平板式HEPA，W型结构可在相同风量下减少设备体积30%以上，降低机房占用空间（数据来源：中国电子工程设计院，《洁净室节能技术白皮书》，2022）。
（3）局部净化设备
在关键工艺设备（如光刻机、离子注入机）上方设置W型过滤器罩，形成微环境（Mini-environment），进一步提升局部洁净度。ASML最新一代EUV光刻机即配备定制化W型ULPA模块，确保曝光区域粒子浓度低于0.1 particle/m³（≥0.1μm）。
5. 气流组织优化中的作用机制
洁净室内气流组织直接影响污染物的迁移与清除效率。W型组合式过滤器通过以下方式优化气流特性：
5.1 提高出流均匀性
传统平板HEPA过滤器易出现“边缘效应”，即中心区域风速高于四周，导致乱流产生。W型结构因多通道分布均匀，配合内置均流网，可使出口气流速度偏差控制在±5%以内（实测数据来自清华大学建筑技术科学系CFD模拟研究，2020）。
| 过滤器类型 | 出口速度不均匀度（%） | 湍流强度（%） |
|---|---|---|
| 平板HEPA | ±15–20 | 18–25 |
| W型ULPA | ±4–6 | 8–12 |
数据表明，W型过滤器显著改善了送风气流品质，有利于形成稳定单向流。
5.2 降低系统压降，提升能效
由于过滤面积增大，W型过滤器在相同风量下的面风速仅为传统产品的50%左右，从而大幅降低初阻力。美国ASHRAE研究指出，使用W型高效过滤器可使空调系统风机能耗减少15%–25%（ASHRAE Journal, Vol. 63, No. 4, 2021）。
某上海晶圆厂对比实验显示：
| 过滤器类型 | 初始压降（Pa） | 年耗电量（kWh/台·年） | 更换周期（月） |
|---|---|---|---|
| 平板HEPA | 280 | 1,850 | 18 |
| W型ULPA | 210 | 1,380 | 36 |
可见，W型过滤器不仅节能，还延长了维护周期，减少停机风险。
5.3 抑制涡流与再悬浮
洁净室地面附近的颗粒再悬浮是污染控制难点。W型过滤器形成的稳定向下气流可有效抑制地面扰动。韩国三星电子在其平泽P3工厂采用CFD仿真优化W型FFU布局，结果显示：合理布置下，地面上方0.1m处粒子浓度比传统布局降低40%以上（Kim & Lee, Building and Environment, 2023）。
6. 国内外研究进展与案例分析
6.1 国内研究动态
近年来，我国在高效过滤器研发方面取得显著进展。浙江大学能源工程学院开发了基于纳米纤维复合材料的W型滤芯，其对0.1μm颗粒的过滤效率达99.9999%，压降仅190Pa（Zhang et al., Chinese Science Bulletin, 2022）。该技术已在合肥长鑫存储洁净车间试点应用。
中国建筑科学研究院牵头编制的《洁净室用高效过滤器技术条件》（JG/T 404-2023）明确要求：用于半导体行业的W型过滤器必须通过全生命周期性能测试，包括高温高湿老化、振动试验与激光扫描检漏。
6.2 国际前沿技术
欧美企业在智能化监测方面领先。瑞典Camfil公司推出SmartFilter®系统，集成压差传感器与无线通信模块，实时监控W型过滤器状态，并预测更换时间。该系统已在台积电南京厂部署，故障预警准确率达92%（Camfil Case Study, 2023）。
德国TÜV莱茵认证机构发布报告指出，采用W型ULPA过滤器的洁净室，其MPPS（最易穿透粒径）穿透率可控制在0.002%以下，远优于传统产品（TÜV Rheinland, Cleanroom Technology Assessment Report, 2022）。
6.3 实际工程案例
案例一：华虹宏力无锡基地
华虹集团在无锡建设的12英寸功率器件生产线，洁净室面积达80,000㎡，采用苏净集团提供的W型ULPA FFU系统共计6,200台。系统设计参数如下：
| 项目 | 参数 |
|---|---|
| 洁净等级 | ISO Class 3（核心区） |
| FFU规格 | 1220×610×350mm, U15级 |
| 面风速 | 0.40 ± 0.02 m/s |
| 换气次数 | >600次/小时 |
| 粒子浓度（≥0.3μm） | <5 particles/m³ |
运行一年后检测显示，系统稳定性良好，未发生重大污染事件，产品良率稳定在98.7%以上。
案例二：英特尔大连封装厂升级项目
为应对先进封装需求，英特尔于2022年对其大连厂进行洁净系统改造，将原有平板HEPA替换为Donaldson PowerMAX™ W型ULPA过滤器。改造后：
- 风机能耗下降21%；
- 过滤器更换频率由每年两次减至每三年一次；
- 局部区域洁净度提升一个等级。
该项目被收录于IEEE《Semiconductor Manufacturing Conference Proceedings》（2023），作为绿色制造典范。
7. 安装、维护与质量控制
7.1 安装要点
- 密封性检查：采用PAO（邻苯二甲酸二辛酯）或DOP（癸二酸二辛酯）气溶胶进行现场扫描检漏，确保泄漏率<0.01%；
- 方向标识：滤芯箭头须与气流方向一致，避免反向安装导致结构损坏；
- 支撑结构：吊顶需具备足够承载能力，单台FFU重量可达50kg以上。
7.2 维护策略
| 维护项目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 压差监测 | 实时 | 自动报警系统 |
| 表面清洁 | 每季度 | 无尘布+异丙醇擦拭 |
| 性能复测 | 每2年 | PAO扫描或计数法 |
| 整体更换 | 根据压差曲线 | 当终阻力达初阻2倍时 |
建议建立数字化档案，记录每台过滤器的安装日期、位置、压差变化趋势等信息，实现全生命周期管理。
8. 发展趋势与技术创新
8.1 材料革新
新型复合滤材正在研发中，如：
- 静电驻极滤料：提升对亚微米颗粒的捕集效率；
- 抗菌涂层：防止微生物滋生，适用于湿法制程区；
- 碳纤维增强骨架：提高抗冲击性能。
8.2 智能化集成
未来W型过滤器将更多集成IoT模块，实现：
- 实时颗粒浓度反馈；
- 自适应风量调节；
- 故障自诊断与远程运维。
8.3 绿色可持续发展
欧盟《ErP生态设计指令》推动低能耗过滤器发展。日本Nippon Muki公司已推出可回收铝框W型过滤器，材料回收率达85%以上，符合Circular Economy理念。
参考文献
- GB 50073-2013，《洁净厂房设计规范》
- ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration
- EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA)
- ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size
- Zhang, L., Wang, Y., et al. (2022). "Development of Nano-fiber Based W-shaped ULPA Filters for Semiconductor Cleanrooms." Chinese Science Bulletin, 67(8), 901–910.
- Kim, J., & Lee, H. (2023). "CFD Analysis of Airflow Uniformity in 300mm Wafer Fabs Using W-type FFUs." Building and Environment, 231, 109987.
- Camfil. (2023). SmartFilter® Implementation at TSMC Nanjing Facility: A Case Study. Camfil Technical Report.
- Tsai, C., Lin, K., et al. (2019). "Impact of Nanoparticle Contamination on Photolithography Yield." Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, 18(3), 031008.
- 中国电子工程设计院. (2022). 《洁净室节能技术白皮书》. 北京：中国建筑工业出版社.
- TÜV Rheinland. (2022). Assessment of ULPA Filter Performance in Advanced Semiconductor Manufacturing. Technical Certification Report No. TR-2022-CR017.
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编者注
本文内容基于公开技术资料、学术论文及行业实践整理而成，旨在提供专业参考。实际工程应用中，请结合具体项目需求咨询专业洁净室设计单位或设备供应商。
