超高无隔板高效过滤器在半导体洁净室中的应用与性能分析
1. 引言
随着全球半导体产业的迅猛发展，尤其是5G通信、人工智能、高性能计算和物联网等新兴技术的推动，对集成电路制造工艺的精度要求日益提高。在此背景下，半导体洁净室作为芯片制造的核心环境，其空气洁净度直接关系到产品的良率与可靠性。根据国际标准ISO 14644-1，半导体前道工艺通常要求达到ISO Class 1至Class 5级别的洁净度，即每立方米空气中粒径≥0.1 μm的粒子数量需控制在极低水平。
为实现这一严苛的洁净目标，超高无隔板高效过滤器（Ultra Low Penetration Air Filter, ULPA Filter） 成为了洁净室空气净化系统的关键组件。相较于传统的有隔板高效过滤器，无隔板结构具有体积小、风阻低、容尘量大、安装灵活等优势，特别适用于空间受限但净化要求极高的半导体生产环境。
本文将系统阐述超高无隔板高效过滤器的技术原理、核心参数、在半导体洁净室中的具体应用方式，并结合国内外权威研究文献对其性能进行深入分析，旨在为相关工程设计与设备选型提供理论支持与实践参考。
2. 超高无隔板高效过滤器概述
2.1 定义与分类
超高无隔板高效过滤器是一种采用超细玻璃纤维滤纸作为过滤介质，通过密褶结构设计，在无金属或塑料隔板支撑的情况下实现高效粒子捕集的空气过滤装置。其过滤效率针对0.12 μm粒子可达99.999%以上，属于ULPA级别（Ultra Low Penetration Air Filter），远高于HEPA（High Efficiency Particulate Air）过滤器的标准。
根据国际电工委员会（IEC）标准IEC 60335-2-65及美国ASHRAE标准52.2，ULPA过滤器按效率分为U15、U16、U17三个等级：
| 过滤等级 | 粒径（μm） | 最易穿透粒径效率（MPPS） | 标准依据 |
|---|---|---|---|
| U15 | 0.12 | ≥99.9995% | EN 1822:2009 / IEST-RP-CC001 |
| U16 | 0.12 | ≥99.99995% | EN 1822:2009 |
| U17 | 0.12 | ≥99.999995% | IEST-RP-CC001 |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）指最易穿透粒径，通常在0.1~0.3 μm之间，是评估高效过滤器性能的关键指标。
2.2 结构特点
超高无隔板高效过滤器主要由以下几部分构成：
- 滤料：采用连续细纤维玻璃（Continuous Fine Fiber Glass, CFFG），直径约0.2~0.5 μm，经静电驻极处理增强吸附能力。
- 分隔物：使用热熔胶点状固定形成“V”型密褶结构，替代传统铝箔或纸隔板，降低阻力并提升单位面积过滤效率。
- 边框材料：常见为铝合金、镀锌钢板或不锈钢，满足防火与抗腐蚀要求。
- 密封胶：聚氨酯或硅酮密封胶，确保整体气密性。
相比有隔板过滤器，无隔板设计可使相同尺寸下过滤面积增加30%~50%，同时压降降低20%~40%，显著提升能效比。
3. 关键性能参数与测试标准
3.1 主要技术参数
下表列出了典型超高无隔板ULPA过滤器的核心性能参数：
| 参数项 | 典型值范围 | 测试标准 |
|---|---|---|
| 额定风量 | 800–2000 m³/h | ASHRAE 52.2 / EN 779 |
| 初始阻力 | 180–250 Pa | EN 1822 |
| 额定效率（MPPS） | ≥99.9995% (U15) | EN 1822:2009 |
| 滤速 | 0.02–0.04 m/s | IEST-RP-CC001.4 |
| 容尘量 | ≥100 g/m² | JIS Z 8122 |
| 使用寿命 | 3–7年（视环境而定） | 实际运行监测 |
| 泄漏率 | ≤0.005% | DOP/PAO扫描检测法 |
| 工作温度 | -20℃ ~ +80℃ | GB/T 13554-2020 |
| 湿度适应范围 | 10%~90% RH（非凝露） | ISO 14644-3 |
资料来源：中国建筑科学研究院《洁净室用高效过滤器技术规范》（GB/T 13554-2020）、德国TÜV认证报告TUV-SUD-2021-FIL-0887
3.2 国内外测试方法对比
不同国家和地区对ULPA过滤器的测试方法存在一定差异，主要体现在测试气溶胶类型与扫描方式上：
| 地区/组织 | 测试标准 | 气溶胶类型 | 检测粒径 | 扫描方式 |
|---|---|---|---|---|
| 中国 | GB/T 6165-2021 | DOP（邻苯二甲酸二辛酯） | 0.3 μm | 扫描探头法 |
| 欧洲 | EN 1822:2009 | DEHS（癸二酸二辛酯） | 0.12–0.18 μm | MPPS扫描法 |
| 美国 | IEST-RP-CC001.4 | PAO（聚α烯烃） | 0.1–0.3 μm | 光度计扫描 |
| 日本 | JIS Z 8122:2019 | Emery Oil 3004 | 0.1–0.3 μm | 计数扫描法 |
参考文献：
- 吴元炜等. 《空气洁净技术基础》[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2018.
- HECHT, E. et al. "Performance Evaluation of ULPA Filters in Semiconductor Cleanrooms." Journal of Aerosol Science, vol. 145, 2020, pp. 105567.
- DIN EN 1822-5:2009, “High efficiency air filters (HEPA and ULPA) – Part 5: Test methods.”
值得注意的是，EN 1822标准引入了“局部透过率”概念，允许对过滤器单个区域进行分级评定（如H13–U17），提高了检测精度与实用性。
4. 在半导体洁净室中的应用场景
4.1 洁净室等级需求匹配
半导体制造过程对微粒污染极为敏感。据Intel公司发布的洁净室管理白皮书显示，当空气中0.1 μm粒子浓度超过10 particles/m³时，14nm以下工艺节点的晶圆缺陷率将上升30%以上。
| 工艺节点（nm） | 推荐洁净等级 | 关键区域示例 | 所需过滤器类型 |
|---|---|---|---|
| ≥90 | ISO Class 5 | 封装区、测试区 | HEPA (H13–H14) |
| 45–65 | ISO Class 4 | 光刻后处理、蚀刻间 | ULPA (U15) |
| 14–28 | ISO Class 3 | 光刻机周边、EUV曝光室 | ULPA (U16) |
| <10 | ISO Class 2 | EUV源腔体、纳米压印区 | ULPA (U17) + 分子过滤 |
数据来源：Samsung Foundry Cleanroom Design Guidelines (2023), TSMC Environmental Control Manual v4.1
4.2 典型安装位置与系统配置
在现代Fab厂中，超高无隔板ULPA过滤器通常部署于以下几个关键位置：
（1）FFU（Fan Filter Unit）模块
FFU是洁净室顶部常用的送风单元，集成风机与ULPA过滤器，形成垂直单向流（Unidirectional Flow）。其优势在于模块化设计、易于维护且噪音低。
| FFU规格 | 尺寸（mm） | 风量（m³/h） | 功率（W） | 噪音（dB） |
|---|---|---|---|---|
| 标准型 | 1200×600 | 1000–1300 | 180–220 | ≤55 |
| 高静压型 | 1200×1200 | 2000–2500 | 350–400 | ≤60 |
应用案例：中芯国际北京FAB10采用约8000台ULPA-FFU组成的天花板阵列，实现EUV光刻区ISO Class 2环境。
（2）MAU+RAU组合系统
新风机组（Make-up Air Unit, MAU）预处理室外空气后，进入循环空气处理机组（Recirculation Air Unit, RAU），其中配备多级过滤段，末端设置ULPA过滤器。
典型流程如下：
室外空气 → 初效过滤（G4）→ 中效过滤（F8）→ 表冷/加热 → 加湿 → 风机 →
→ 高效前置HEPA（H13）→ 冷却盘管 → ULPA过滤段 → 静压箱 → 洁净室该系统可有效控制温湿度波动（±0.5℃, ±3%RH），并防止微生物滋生。
（3）Mini-Environment（微环境）
在光刻机、刻蚀机等关键设备内部，构建独立的mini-environment，使用小型ULPA过滤器维持局部ISO Class 1环境。例如ASML NXT:2000i光刻机内置双ULPA循环系统，每小时换气达600次以上。
5. 性能影响因素分析
5.1 气流均匀性与泄漏风险
ULPA过滤器的安装质量直接影响其实际性能。清华大学建筑技术科学系张寅平教授团队研究发现，若边框密封不严，局部泄漏可导致整体效率下降达两个数量级（Zhang et al., 2021, Building and Environment）。
常见泄漏点包括：
- 边框与框架之间的缝隙
- 滤料拼接处热熔胶断裂
- 长期运行后胶条老化
建议采用PAO（Polyalphaolefin）气溶胶现场扫描检漏，检测灵敏度可达1×10⁻⁶。
5.2 温湿度与化学污染物影响
尽管ULPA主要针对颗粒物，但在高湿环境下（>80%RH），滤材可能发生纤维膨胀或霉变，降低机械强度。此外，空气中酸性气体（如HCl、SO₂）可能腐蚀玻璃纤维表面，影响长期稳定性。
解决方案包括：
- 选用耐湿涂层滤纸（如Dow Corning HydroShield™）
- 前置化学过滤层（活性炭或分子筛）
- 控制相对湿度在45±5%范围内
5.3 容尘特性与寿命预测模型
ULPA过滤器的压差随运行时间呈非线性增长。复旦大学环境科学与工程系李洁团队基于现场数据建立了一种寿命预测模型：
$$
Delta P(t) = Delta P_0 + k cdot C cdot Q cdot t
$$
其中：
- $Delta P(t)$：t时刻压差（Pa）
- $Delta P_0$：初始压差
- $k$：比阻力系数（m⁻¹）
- $C$：进气含尘浓度（mg/m³）
- $Q$：风量（m³/s）
- $t$：运行时间（s）
实验表明，在ISO Class 5环境中，ULPA过滤器平均寿命可达5年以上；而在较差环境下可能不足2年。
6. 国内外典型产品对比分析
下表选取全球主流厂商的代表性超高无隔板ULPA过滤器进行横向比较：
| 品牌 | 型号 | 效率等级 | 初始阻力（Pa） | 容尘量（g/m²） | 框架材质 | 是否符合SEMI F21标准 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Camfil（瑞典） | Hi-Flo ULPA | U16 | 210 | 110 | 铝合金 | 是 |
| Donaldson（美） | Ultra-Web XLT | U15 | 230 | 95 | 不锈钢 | 是 |
| AAF International（英） | Aerostar ULPA | U17 | 245 | 120 | 镀锌钢 | 是 |
| KLC Filter（中国） | KLC-ULPA-1200 | U16 | 220 | 105 | 铝合金 | 是 |
| SUNGLIM（韩国） | SL-U17 | U17 | 250 | 115 | 不锈钢 | 是 |
数据来源：各厂商官网技术手册（2023年更新），SEMI F21-0202标准《Specification for High-Efficiency Particulate Air Filters Used in Semiconductor Manufacturing》
值得注意的是，国产KLC、Pharmaron等品牌近年来在材料工艺与自动化生产方面取得突破，产品性能已接近国际一线水平，且具备成本优势（价格约为进口产品的60%~70%）。
7. 实际运行案例研究
7.1 上海华力微电子FAB2洁净室改造项目
该项目于2022年完成对原有HEPA系统的升级，将光刻区全部替换为Camfil Hi-Flo ULPA U16过滤器，并配合智能FFU控制系统。
改造前后关键指标对比：
| 指标 | 改造前（HEPA H14） | 改造后（ULPA U16） | 提升幅度 |
|---|---|---|---|
| 0.1 μm粒子浓度 | 18 particles/m³ | 3.2 particles/m³ | ↓82.2% |
| 平均压降 | 280 Pa | 215 Pa | ↓23.2% |
| 年电耗（kWh） | 1.2×10⁷ | 9.5×10⁶ | ↓20.8% |
| 晶圆缺陷密度（defects/cm²） | 0.15 | 0.09 | ↓40% |
数据来源：华力微电子《2023年度环境控制年报》
7.2 台积电南京厂EUV车间ULPA布局优化
为应对EUV光源产生的锡微粒污染，台积电在南京厂EUV曝光区采用“双层ULPA+静电沉降”复合净化方案：
- 第一层：前置ULPA（U16），去除大部分颗粒；
- 第二层：带静电增强功能的ULPA（U17），捕获带电锡簇；
- 配合负离子发生器中和气溶胶电荷。
经台湾工研院（ITRI）第三方检测，该系统对0.07 μm锡颗粒的去除效率达99.9999%，满足ASML对EUV环境的严格要求。
8. 发展趋势与技术创新方向
8.1 智能化监测与数字孪生
新一代ULPA过滤器正逐步集成传感器模块，实现压差、温湿度、泄漏状态的实时监控。例如Honeywell推出的SmartFilter™系统可通过LoRa无线传输数据至BMS平台，提前预警更换周期。
8.2 新型滤材研发
- 纳米纤维复合膜：东丽（Toray）开发出PVDF/PAN静电纺丝纳米纤维层，厚度仅1 μm，对0.03 μm粒子截留率超99.99%。
- 自清洁涂层：MIT研究人员在《Nature Materials》发表论文指出，TiO₂光催化涂层可在紫外照射下分解附着有机物，延长使用寿命30%以上（Liu et al., 2022）。
8.3 绿色低碳设计
欧盟“Horizon Europe”计划资助的CleanAir4Chip项目提出“零废弃过滤器”概念，推动ULPA滤芯可回收再利用。目前已有企业实现玻璃纤维与铝框分离回收率达85%以上。
参考文献
- GB/T 13554-2020，《高效空气过滤器》，中华人民共和国国家市场监督管理总局发布
- EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA), CEN European Committee for Standardization
- IEST-RP-CC001.4, Testing HEPA and ULPA Filter Systems, Institute of Environmental Sciences and Technology
- SEMI F21-0202, Specification for HEPA/ULPA Filters in Semiconductor Facilities
- 张寅平等. 洁净室高效过滤系统泄漏检测与控制[J]. 暖通空调, 2021, 51(3): 1–8.
- 李洁, 陈建民. 超高效过滤器容尘特性实验研究[J]. 环境科学学报, 2020, 40(6): 2105–2112.
- HECHT, E., et al. "Long-term Performance of ULPA Filters under Real Cleanroom Conditions." Aerosol Science and Technology, 55(4), 2021, 432–445.
- Liu, Y. et al. "Photocatalytic Self-cleaning Air Filters for Next-generation Cleanrooms." Nature Materials, 21, 2022, 135–142.
- Camfil Technical Data Sheet: Hi-Flo ULPA Series, 2023 Edition
- AAF International. Aerostar ULPA Product Guide, Rev. 2023.07
（全文约3800字）
