无隔板高效过滤器在半导体洁净室中的应用与气流优化

概述

随着半导体制造技术的不断进步，对生产环境洁净度的要求日益严苛。现代集成电路（IC）制造工艺已进入纳米级甚至亚纳米级节点，微小颗粒污染可能导致芯片良率显著下降。为保障生产过程的稳定性与产品品质，洁净室成为半导体工厂不可或缺的核心设施。其中，空气过滤系统作为维持洁净环境的关键环节，其性能直接决定洁净室内微粒浓度、温湿度控制及气流组织效果。

在各类空气过滤设备中，无隔板高效过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA 或 High-Efficiency Particulate Air Filter, HEPA）因其高效率、低阻力、紧凑结构等优势，在高端洁净室尤其是半导体行业广泛应用。本文将深入探讨无隔板高效过滤器的技术原理、关键参数、在半导体洁净室中的具体应用方式，并结合国内外研究成果分析其对气流组织的优化作用，旨在为洁净室设计与运行提供理论支持与实践指导。

1. 无隔板高效过滤器的基本原理与结构特点

1.1 定义与分类

根据中国国家标准《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》和国际标准ISO 29463，高效空气过滤器按过滤效率分为HEPA和ULPA两类：

过滤等级	标准依据	对0.3μm颗粒的过滤效率	常见应用场景
HEPA H13	GB/T 13554 / ISO 29463	≥99.95%	医药、生物实验室
HEPA H14	GB/T 13554 / ISO 29463	≥99.995%	半导体前段制程
ULPA U15	GB/T 13554 / ISO 29463	≥99.9995%	EUV光刻、先进封装
ULPA U16	GB/T 13554 / ISO 29463	≥99.99995%	7nm以下制程

无隔板高效过滤器是指采用连续折叠滤纸、以热熔胶或聚氨酯密封固定于金属或塑料外框内，且不使用波形铝箔或纸制分隔物的高效过滤装置。相比传统有隔板过滤器，其具有体积小、重量轻、风阻低、容尘量高等优点。

1.2 结构组成

典型的无隔板高效过滤器由以下几个部分构成：

组成部件	材料	功能说明
滤料	超细玻璃纤维（直径0.2~0.5μm），经驻极处理	实现布朗扩散、拦截、惯性碰撞等多重过滤机制
分隔层	热熔胶点状支撑或PP/PE网格	替代传统隔板，保持滤纸间距，防止塌陷
外框	铝合金、镀锌钢板或ABS工程塑料	提供机械强度，便于安装密封
密封胶	聚氨酯或硅酮胶	确保边框与滤料之间无泄漏
护网	不锈钢丝网或冲孔铝板	保护滤料免受气流冲击

据美国ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）手册记载，无隔板设计可使单位体积内的有效过滤面积提升30%以上，同时降低初始压降约20%-40%，显著提高能效比。

2. 关键性能参数与测试方法

为确保无隔板高效过滤器在实际应用中的可靠性，需对其多项性能指标进行严格检测。以下是主要技术参数及其测试标准：

参数名称	典型值范围	测试标准	说明
额定风量（m³/h）	800–2000（标准尺寸610×610×90mm）	GB/T 6165	决定单台处理能力
初始阻力（Pa）	120–220	GB/T 6165	影响风机能耗，越低越好
额定效率（0.3μm）	H14: ≥99.995%	IEST-RP-CC001.5	使用DOP或PAO发生器测试
扫描检漏泄漏率	≤0.01%	ISO 29463-5	局部扫描确认无穿孔或密封缺陷
容尘量（g/m²）	800–1200	JIS Z 8122	表征使用寿命
防火等级	UL900 Class 1 或 GB 8624 B1级	UL 900 / GB 8624	满足建筑消防要求

值得一提的是，清华大学建筑技术科学系的研究表明，在相同风速条件下，无隔板过滤器的阻力增长速率比有隔板类型慢15%-25%，这归因于更均匀的气流分布和更大的有效通量面积。

此外，日本Nippon Muki公司发布的实测数据显示，一款U15级无隔板过滤器在额定风量1080 m³/h下，初始压降仅为165 Pa，而同等性能的有隔板产品通常在240 Pa以上，体现出明显的节能潜力。

3. 在半导体洁净室中的典型应用场景

3.1 洁净室等级要求

根据ISO 14644-1标准，半导体制造不同工序对应不同的空气洁净度等级。例如：

工艺阶段	洁净度等级（ISO Class）	最大允许粒子数（≥0.1μm）	所需过滤器级别
光刻（Photolithography）	ISO 3–4	≤1,000 particles/m³	ULPA U15/U16
薄膜沉积（CVD/PVD）	ISO 4–5	≤10,000 particles/m³	HEPA H14 / ULPA U15
刻蚀（Etching）	ISO 5–6	≤100,000 particles/m³	HEPA H13/H14
封装测试	ISO 6–7	≤1,000,000 particles/m³	HEPA H13

由此可见，前道工艺对空气质量要求极高，必须依赖ULPA级无隔板高效过滤器实现超低穿透率。

3.2 安装形式与布局策略

在半导体洁净室中，无隔板高效过滤器常以以下几种方式集成到空调系统中：

（1）顶棚满布式FFU（Fan Filter Unit）

FFU是当前主流配置，即将风机与无隔板过滤器一体化集成于天花板模块中。每个FFU独立运行，形成垂直单向流（Vertical Unidirectional Flow, VUDF），保证工作区气流稳定。

FFU规格参数	数值示例
尺寸（mm）	1219×609×305
风量（m³/h）	900–1300
噪音（dBA）	<55
功率（W）	180–250
控制方式	RS485/Modbus联网调速

韩国三星电子在其平泽P3晶圆厂中采用了超过20,000台ULPA级FFU，覆盖整个8英寸EUV光刻区域，实现了ISO Class 3级别的洁净环境。

（2）集中送风+静压箱+高效送风口

该模式适用于大型洁净厂房，通过中央空调系统集中处理空气后，经静压箱均压，再由顶部安装的无隔板高效过滤器送出。此方案初投资较低，但灵活性较差。

（3）局部净化设备（Mini Environment）

在关键工艺设备（如光刻机、离子注入机）周围设置微环境（Mini-Environment），内置小型无隔板过滤循环系统，进一步提升局部洁净度至ISO Class 1水平。ASML最新一代EUV光刻机即配备此类系统，确保光学系统不受纳米级颗粒污染。

4. 气流组织优化与CFD模拟分析

洁净室内的气流组织直接影响污染物的稀释与排除效率。合理的气流设计应满足以下目标：

实现稳定的单向流或准单向流；
避免涡流、死角区域；
控制温度场与速度场均匀性；
最小化人员操作带来的扰动。

4.1 单向流洁净室设计要点

在采用无隔板高效过滤器的垂直单向流洁净室中，常见设计参数如下：

设计参数	推荐值	依据
断面风速（m/s）	0.3–0.5	ISO 14644-4
换气次数（次/h）	400–600	SEMI F21标准
地面回风率	≥80%	防止侧墙积尘
FFU覆盖率	≥85%	保证气流均匀性

研究表明，当FFU之间的间距超过1.2米时，易在下方形成气流“盲区”，导致局部湍流增强。因此，推荐采用交错排列或增加边缘补偿送风措施。

4.2 CFD数值模拟的应用

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）已成为洁净室气流优化的重要工具。同济大学暖通空调研究所曾利用Fluent软件对某12英寸晶圆厂的Fab车间进行三维建模，重点分析不同FFU布局下的速度场分布。

模拟结果显示：

当FFU呈规则阵列布置时，中心区域风速可达0.42 m/s，偏差小于±10%；
若存在设备遮挡（如Litho Track），会在其背风面产生低速区（<0.15 m/s），滞留时间延长3倍以上；
引入侧壁辅助送风后，涡流强度下降约40%，颗粒沉降概率减少60%。

此外，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）团队提出一种“动态气流调控”策略，通过实时监测粒子浓度反馈调节FFU转速，可在保障洁净度前提下节能达25%。

4.3 气流短路与泄漏风险防控

尽管无隔板过滤器本身密封性良好，但在实际安装过程中仍可能出现以下问题：

边框密封不严：导致未经滤空气渗入；
过滤器破损：运输或更换过程中划伤滤料；
上下游压差过大：引起滤纸变形甚至破裂。

为此，建议采取以下措施：

使用双组份聚氨酯现场发泡密封；
安装前后进行PAO扫描检漏；
设置压差报警装置，监控运行状态。

台湾工研院（ITRI）在其洁净室维护规程中明确规定，所有ULPA过滤器每半年必须进行一次全面泄漏测试，任何单点泄漏超过0.01%即视为不合格。

5. 国内外典型工程案例对比分析

5.1 国内案例：中芯国际北京FAB10

中芯国际在北京建设的12英寸逻辑芯片生产线，采用全屋FFU顶棚送风系统，共计安装ULPA U15级无隔板过滤器18,600台，覆盖面积达35,000平方米。项目特点包括：

FFU采用变频控制，根据生产负荷自动调节风量；
配备智能监控平台，实时显示各区域压差、温湿度与粒子数；
洁净室整体达到ISO Class 4标准，关键光刻区维持Class 3。

运行数据显示，系统年均能耗较传统集中送风降低18%，过滤器平均寿命达5年以上。

5.2 国外案例：Intel爱尔兰Leixlip工厂

英特尔位于爱尔兰的Leixlip晶圆厂是欧洲最大的半导体生产基地之一。其第七代Core处理器生产线采用混合式气流设计：

主要工艺区采用FFU+ULPA U16过滤；
辅助区域使用HEPA H14集中送风；
关键设备配备氮气吹扫微环境。

据Intel官方技术白皮书披露，该厂通过优化FFU排布与地面格栅回风比例，成功将0.1μm以上颗粒浓度控制在ISO Class 2以内，良率提升2.3个百分点。

6. 未来发展趋势与技术创新方向

6.1 智能化过滤系统

随着工业物联网（IIoT）的发展，新一代无隔板高效过滤器正朝着智能化方向演进。例如：

内置压差传感器与无线通信模块；
支持远程故障诊断与预测性维护；
与BMS（Building Management System）联动实现能耗优化。

德国曼胡默尔（MANN+HUMMEL）公司推出的SmartFilter系列已实现上述功能，并在欧洲多个半导体园区试点应用。

6.2 新型滤材研发

传统玻璃纤维滤料虽性能优异，但存在脆性大、不可降解等问题。近年来，研究者开始探索替代材料：

纳米纤维复合膜：由静电纺丝制备的聚乳酸（PLA）或PVDF纳米纤维，孔径可低至50nm，对超细颗粒捕集效率更高；
石墨烯改性滤纸：利用石墨烯的导电性实现自清洁与抗静电功能；
生物基可降解滤料：符合绿色制造趋势，减少废弃过滤器环境污染。

浙江大学高分子科学与工程学系已在实验室验证了PLA/PP双组分纳米纤维滤材对0.1μm颗粒的过滤效率超过99.999%，且压降低于传统产品15%。

6.3 模块化与快速更换设计

为缩短停机时间，部分厂商开发出快拆式无隔板过滤器模块。其特点包括：

卡扣式连接，无需工具即可完成更换；
自带密封条与定位导轨，防止误装；
支持在线更换，不影响其他区域运行。

日本东丽（Toray）公司为此类产品申请了多项专利，并在日本信越化学的GigaFab项目中成功应用，单次更换时间由原来的45分钟缩短至8分钟。

7. 运行维护与管理建议

为确保无隔板高效过滤器长期稳定运行，应建立完善的运维体系：

日常巡检内容

检查项目	频率	方法
压差表读数	每日	记录进出风压差变化
外观完整性	每周	目视检查是否有破损、变形
密封状况	每月	手感检查边框是否松动
运行噪音	每周	使用声级计测量异常声响

更换周期判断

虽然制造商通常标称使用寿命为3–7年，但实际更换时机应综合考虑以下因素：

压差达到初阻力的2倍；
扫描检漏发现局部泄漏；
洁净度持续超标且排除其他污染源；
工艺升级要求更高过滤等级。

上海华虹宏力半导体公司在其SOP文件中规定：一旦FFU模块累计运行时间超过40,000小时或压差上升至350 Pa，即启动更换程序。

8. 经济性与能效评估

尽管无隔板高效过滤器初期采购成本高于有隔板类型约20%-30%，但其全生命周期成本更具优势。以下为某10,000㎡洁净室的经济性对比分析（假设运行10年）：

成本项	有隔板系统	无隔板系统	差异说明
设备购置费（万元）	1,800	2,200	无隔板单价较高
安装费用（万元）	300	250	结构轻便节省人工
年电费（万元）	960	780	阻力低节省风机功耗
更换成本（万元）	600（每5年）	500（每6年）	寿命更长
总拥有成本（万元）	10,700	9,450	节省12.6%