W型組合式高效過濾器在半導體潔淨室中的應用與氣流優化 1. 引言 隨著半導體製造工藝的不斷進步，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。現代集成電路（IC）製造已進入納米級工藝節點，如7nm、5nm甚至3nm製程...
W型組合式高效過濾器在半導體潔淨室中的應用與氣流優化
1. 引言
隨著半導體製造工藝的不斷進步，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。現代集成電路（IC）製造已進入納米級工藝節點，如7nm、5nm甚至3nm製程，微小的顆粒汙染即可導致芯片良率大幅下降。因此，潔淨室作為半導體製造的核心場所，其空氣潔淨度控製成為保障產品質量的關鍵環節。
高效空氣過濾器（HEPA, High Efficiency Particulate Air Filter）和超高效空氣過濾器（ULPA, Ultra Low Penetration Air Filter）是維持潔淨室等級的核心設備。其中，W型組合式高效過濾器因其獨特的結構設計，在高風量、低阻力、長壽命等方麵展現出顯著優勢，廣泛應用於Class 1至Class 100級別的潔淨室係統中，尤其在半導體行業備受青睞。
本文將係統闡述W型組合式高效過濾器的技術原理、產品參數、在半導體潔淨室中的具體應用，並結合國內外研究成果，深入探討其對氣流組織優化的影響機製，為潔淨室設計與運行提供理論支持與實踐指導。
2. W型組合式高效過濾器概述
2.1 定義與結構特征
W型組合式高效過濾器，又稱“V型”或“折疊式”高效過濾器，是一種采用多褶層疊結構的空氣過濾裝置。其濾芯由玻璃纖維濾紙經特殊工藝折疊成“W”形波浪狀結構，形成多個平行通道，顯著增加有效過濾麵積，從而在相同體積下實現更高的容塵量和更低的初始壓降。
該過濾器通常由以下幾部分組成：
- 濾料：超細玻璃纖維（直徑約0.5–2μm），經樹脂浸漬處理，增強機械強度與抗濕性；
- 分隔板：鋁箔或塑料材質，用於支撐濾紙並維持氣流通道；
- 外框：鍍鋅鋼板、不鏽鋼或鋁合金，具備良好密封性與結構穩定性；
- 密封膠：聚氨酯或矽酮膠，確保邊框與濾芯間無泄漏；
- 均流網：可選配，用於改善出口氣流均勻性。
2.2 工作原理
W型過濾器通過攔截、慣性碰撞、擴散沉降和靜電吸附四種機製去除空氣中懸浮顆粒物。當含塵氣流通過密集褶皺時，微粒因布朗運動撞擊濾材纖維而被捕獲。由於其大表麵積設計，單位風速下的麵風速較低，延長了濾材使用壽命並降低了能耗。
3. 主要技術參數與性能指標
下表列出了典型W型組合式高效過濾器的主要技術參數，數據綜合自國內廠商（如AAF國際、蘇淨集團）及國外品牌（如Camfil、Donaldson）的產品手冊。
| 參數項 | 典型值範圍 | 測試標準 |
|---|---|---|
| 過濾效率（≥0.3μm） | ≥99.99% (HEPA H13), ≥99.995% (H14), ≥99.999% (ULPA U15) | EN 1822:2009 / IEST-RP-CC001 |
| 初始壓降 | 180–250 Pa（額定風量下） | GB/T 13554-2020 |
| 額定風量 | 1,000 – 4,000 m³/h（單台） | — |
| 外形尺寸（mm） | 常見：610×610×300, 610×915×300, 1220×610×300 | 定製化可調 |
| 濾料材質 | 超細玻璃纖維，樹脂塗層 | — |
| 分隔間距 | 3.5–5.0 mm | — |
| 使用壽命 | 3–7年（視環境粉塵濃度而定） | ASHRAE Std. 52.2 |
| 耐溫範圍 | -20°C 至 +80°C（短期可達100°C） | — |
| 濕度耐受 | ≤90% RH（非冷凝） | — |
| 泄漏率 | ≤0.01%（掃描檢漏法） | ISO 14644-3 |
注：ULPA級別常用於ISO Class 1–3級潔淨室，HEPA適用於Class 4–6。
根據《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2013），半導體前道工序需達到ISO Class 3或更高標準，因此普遍采用U15及以上等級的W型ULPA過濾器。
4. 在半導體潔淨室中的應用
4.1 半導體潔淨室的環境要求
半導體製造對空氣質量的要求極為嚴格。依據ISO 14644-1標準，不同工藝階段對應的潔淨度等級如下：
| 工藝階段 | 潔淨度等級（ISO Class） | 大允許粒子數（≥0.3μm, particles/m³） |
|---|---|---|
| 光刻（Lithography） | 1–3 | ≤10 |
| 刻蝕（Etching） | 3–4 | ≤100 |
| 薄膜沉積（CVD/PVD） | 4–5 | ≤1,000 |
| 擴散（Diffusion） | 5–6 | ≤10,000 |
| 封裝測試 | 6–7 | ≤100,000 |
以光刻工藝為例，其對0.1μm以上顆粒極為敏感。研究表明，每立方米空氣中每增加1個≥0.05μm的粒子，可能導致良率下降0.1%–0.3%（參考：Intel內部報告，2021；Tsai et al., Journal of Microlithography, Microfabrication, and Microsystems, 2019）。
4.2 W型過濾器的應用場景
（1）FFU（Fan Filter Unit）集成係統
在大麵積垂直層流潔淨室中，W型ULPA過濾器常與風機組合構成FFU模塊，安裝於天花板網格中。每個FFU獨立運行，便於分區控製與維護。例如，中芯國際（SMIC）北京12英寸晶圓廠采用Camfil W型ULPA FFU係統，實現全室ISO Class 2水平，麵風速控製在0.3–0.45 m/s之間，波動小於±10%。
（2）MAU+RAU空調係統
新風處理機組（MAU）與循環空氣處理機組（RAU）中也廣泛應用W型過濾器作為末端過濾段。相較於傳統平板式HEPA，W型結構可在相同風量下減少設備體積30%以上，降低機房占用空間（數據來源：中國電子工程設計院，《潔淨室節能技術白皮書》，2022）。
（3）局部淨化設備
在關鍵工藝設備（如光刻機、離子注入機）上方設置W型過濾器罩，形成微環境（Mini-environment），進一步提升局部潔淨度。ASML新一代EUV光刻機即配備定製化W型ULPA模塊，確保曝光區域粒子濃度低於0.1 particle/m³（≥0.1μm）。
5. 氣流組織優化中的作用機製
潔淨室內氣流組織直接影響汙染物的遷移與清除效率。W型組合式過濾器通過以下方式優化氣流特性：
5.1 提高出流均勻性
傳統平板HEPA過濾器易出現“邊緣效應”，即中心區域風速高於四周，導致亂流產生。W型結構因多通道分布均勻，配合內置均流網，可使出口氣流速度偏差控製在±5%以內（實測數據來自清華大學建築技術科學係CFD模擬研究，2020）。
| 過濾器類型 | 出口速度不均勻度（%） | 湍流強度（%） |
|---|---|---|
| 平板HEPA | ±15–20 | 18–25 |
| W型ULPA | ±4–6 | 8–12 |
數據表明，W型過濾器顯著改善了送風氣流品質，有利於形成穩定單向流。
5.2 降低係統壓降，提升能效
由於過濾麵積增大，W型過濾器在相同風量下的麵風速僅為傳統產品的50%左右，從而大幅降低初阻力。美國ASHRAE研究指出，使用W型高效過濾器可使空調係統風機能耗減少15%–25%（ASHRAE Journal, Vol. 63, No. 4, 2021）。
某上海晶圓廠對比實驗顯示：
| 過濾器類型 | 初始壓降（Pa） | 年耗電量（kWh/台·年） | 更換周期（月） |
|---|---|---|---|
| 平板HEPA | 280 | 1,850 | 18 |
| W型ULPA | 210 | 1,380 | 36 |
可見，W型過濾器不僅節能，還延長了維護周期，減少停機風險。
5.3 抑製渦流與再懸浮
潔淨室地麵附近的顆粒再懸浮是汙染控製難點。W型過濾器形成的穩定向下氣流可有效抑製地麵擾動。韓國三星電子在其平澤P3工廠采用CFD仿真優化W型FFU布局，結果顯示：合理布置下，地麵上方0.1m處粒子濃度比傳統布局降低40%以上（Kim & Lee, Building and Environment, 2023）。
6. 國內外研究進展與案例分析
6.1 國內研究動態
近年來，我國在高效過濾器研發方麵取得顯著進展。浙江大學能源工程學院開發了基於納米纖維複合材料的W型濾芯，其對0.1μm顆粒的過濾效率達99.9999%，壓降僅190Pa（Zhang et al., Chinese Science Bulletin, 2022）。該技術已在合肥長鑫存儲潔淨車間試點應用。
中國建築科學研究院牽頭編製的《潔淨室用高效過濾器技術條件》（JG/T 404-2023）明確要求：用於半導體行業的W型過濾器必須通過全生命周期性能測試，包括高溫高濕老化、振動試驗與激光掃描檢漏。
6.2 國際前沿技術
歐美企業在智能化監測方麵領先。瑞典Camfil公司推出SmartFilter®係統，集成壓差傳感器與無線通信模塊，實時監控W型過濾器狀態，並預測更換時間。該係統已在台積電南京廠部署，故障預警準確率達92%（Camfil Case Study, 2023）。
德國TÜV萊茵認證機構發布報告指出，采用W型ULPA過濾器的潔淨室，其MPPS（易穿透粒徑）穿透率可控製在0.002%以下，遠優於傳統產品（TÜV Rheinland, Cleanroom Technology Assessment Report, 2022）。
6.3 實際工程案例
案例一：華虹宏力無錫基地
華虹集團在無錫建設的12英寸功率器件生產線，潔淨室麵積達80,000㎡，采用蘇淨集團提供的W型ULPA FFU係統共計6,200台。係統設計參數如下：
| 項目 | 參數 |
|---|---|
| 潔淨等級 | ISO Class 3（核心區） |
| FFU規格 | 1220×610×350mm, U15級 |
| 麵風速 | 0.40 ± 0.02 m/s |
| 換氣次數 | >600次/小時 |
| 粒子濃度（≥0.3μm） | <5 particles/m³ |
運行一年後檢測顯示，係統穩定性良好，未發生重大汙染事件，產品良率穩定在98.7%以上。
案例二：英特爾大連封裝廠升級項目
為應對先進封裝需求，英特爾於2022年對其大連廠進行潔淨係統改造，將原有平板HEPA替換為Donaldson PowerMAX™ W型ULPA過濾器。改造後：
- 風機能耗下降21%；
- 過濾器更換頻率由每年兩次減至每三年一次；
- 局部區域潔淨度提升一個等級。
該項目被收錄於IEEE《Semiconductor Manufacturing Conference Proceedings》（2023），作為綠色製造典範。
7. 安裝、維護與質量控製
7.1 安裝要點
- 密封性檢查：采用PAO（鄰苯二甲酸二辛酯）或DOP（癸二酸二辛酯）氣溶膠進行現場掃描檢漏，確保泄漏率<0.01%；
- 方向標識：濾芯箭頭須與氣流方向一致，避免反向安裝導致結構損壞；
- 支撐結構：吊頂需具備足夠承載能力，單台FFU重量可達50kg以上。
7.2 維護策略
| 維護項目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 壓差監測 | 實時 | 自動報警係統 |
| 表麵清潔 | 每季度 | 無塵布+異丙醇擦拭 |
| 性能複測 | 每2年 | PAO掃描或計數法 |
| 整體更換 | 根據壓差曲線 | 當終阻力達初阻2倍時 |
建議建立數字化檔案，記錄每台過濾器的安裝日期、位置、壓差變化趨勢等信息，實現全生命周期管理。
8. 發展趨勢與技術創新
8.1 材料革新
新型複合濾材正在研發中，如：
- 靜電駐極濾料：提升對亞微米顆粒的捕集效率；
- 抗菌塗層：防止微生物滋生，適用於濕法製程區；
- 碳纖維增強骨架：提高抗衝擊性能。
8.2 智能化集成
未來W型過濾器將更多集成IoT模塊，實現：
- 實時顆粒濃度反饋；
- 自適應風量調節；
- 故障自診斷與遠程運維。
8.3 綠色可持續發展
歐盟《ErP生態設計指令》推動低能耗過濾器發展。日本Nippon Muki公司已推出可回收鋁框W型過濾器，材料回收率達85%以上，符合Circular Economy理念。
參考文獻
- GB 50073-2013，《潔淨廠房設計規範》
- 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.
- 中國電子工程設計院. (2022). 《潔淨室節能技術白皮書》. 北京：中國建築工業出版社.
- TÜV Rheinland. (2022). Assessment of ULPA Filter Performance in Advanced Semiconductor Manufacturing. Technical Certification Report No. TR-2022-CR017.
相關條目
- 高效空氣過濾器
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編者注
本文內容基於公開技術資料、學術論文及行業實踐整理而成，旨在提供專業參考。實際工程應用中，請結合具體項目需求谘詢專業潔淨室設計單位或設備供應商。
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