电子工厂高级别洁净室的建造

精品文档 1欢迎下载 电子工厂高级别 洁净室的建造 文 件 2017 年版本 精品文档 2欢迎下载 电子工厂高级别洁净室的建造特点 1 高级别洁净室在电子工厂中的应用 本文所指的高级别洁净室是指洁净室的洁净度高 ISO 2 3 4 5 级 生产环 境温湿度的精确度高 其他一些环境参数 例如 静压差 静电 微振 电磁 噪声 照度等参数都必须按生产工艺的要求进行严格控制的洁净室 这类面积大 环境参数 要求高的洁净室广泛地应用在电子工业厂房中 如 大规模集成电路 LE1 超大 规模集成电路 VLS1 等微电子产业的电子工厂以及彩色薄膜液晶显示器 TFT LCD 发 光二极管 LED 以及等离子技术 PDP 等光电子产业的电子工厂之中 当今世界 微电子和光电子产业已成为一个国家 一个地区国民经济和科学技术 精品文档 3欢迎下载 发展的基础和平台 也是衡量一个国家和地区经济发展和科学技术水平的重要标志 发达国家 美国 日本 以及欧洲各国 都极为重视 纷纷投入大量的人力 物力 财力进行开发 研究和生产 我国在 十五 规划中夜明确指出 重点发展集成电路 新型元件 器件 计算机和通信设备 争取用 10 15 年的时间 把我国建设成为世 界电子信息产业的强国 以超大规模集成电路为代表的微电子产业 在今后的十年中全世界年平均增长率 高达 15 到 2010 年全世界微电子产品的销售额将高达 6000 8000 亿美元 到那时我 国将成为全球第二大半导体市场 而光电子是继微电子技术之后近十年内迅速崛起的 新兴高科技产业 它是集固体物理 导体光学 材料力学 微细加工和微电子技术为 一体 是微电子技术和光电子技术的结合和扩展 光电子产业以液晶显示器 LCD 等离子技术 PDP 和发光二极管 LED 为代表 尤其是彩色薄膜液晶显示器 TFT LCD 它是微电子技术与透射式彩色液晶显示器技术的完美结合 它对生产环境的参 数 原材料的纯度以及生产设备和技术都等同甚至超过大规模集成电路的生产要求 到 2010 年以光电子产业为代表的信息产品的总产值将突破 50000 亿美元 我国在微电子产业方面 八五 九五 十五 期间发展很快 继 华 越 和 华虹 之后又有 中芯 宏力 贝岭 先进 等超大规模集成 电路生产线相继建成投产 在光电子产业方面 LCD PDP LED TFT LCD 已成为我国光电子产业的新的增长点 随着 吉林通海高科 TFT LCD 生产线建 成投产后又有更大规模的 上广电 京东方 等 TFT LCD 生产线相继建成投产 深圳的 深超 和具有第六代 TFT LCD 生产线的 京东方 也在建设之中 2 电子工厂高级别洁净室的建造特点 精品文档 4欢迎下载 1 电子工厂生产工艺对洁净室生产环境的要求非常严格 电子工厂尤其是微电子和光电子产业的电子工厂 工艺生产对大面积高洁净度洁 净室所要求的生产环境不仅仅有 建筑围护 结构 空气 水以及气体 溶剂等原材 料 而且还有声 光 电 磁 振等各种环境 例如 建筑形式 层高承重 围护的 装修材料 空气的洁净度 温湿度 静压力 水和气体的纯度和重金属等含量以及噪 声 照度 电磁波 微振动等等 总的来说 微电子和光电子对生产环境的要求可用 精 纯 大 来描写 建造电子工厂的高级别洁净室最重要的是要使建造的洁净室能满足生产工艺对生 产环境的严格要求 使之能高效率 高成品率地生产出高质量的电子产品 这是建造 高级别洁净室最根本的目的 下表给出了微电子 光电子生产工艺对生产环境所要求 的条件和参数 超大规模集成电路对生产环境污染控制的要求 4M16M64M256M1G4G 特征尺寸 m 0 80 550 350 250 18 0 150 13 控制粒径 m 0 10 10 080 080 060 04 控制温度 21 C 25 C 0 1 0 05 0 05 0 05 0 05 0 05 控制相对湿度 35 45 2 1 1 1 1 1 工作区 级 31 21 21 211 通道区 级 444444 维护区 级 5 655555 洁净度级别 ISO 14644 下夹层 级 7 87 86 76 76 76 7 防微振建筑物 0 10 10 10 10 10 1 集成度 控制参数 精品文档 5欢迎下载 设备 0 010 010 010 010 010 1 纯水 纯气中的杂质 5x10 95x10 91x10 90 1x10 90 01x10 9 噪声 dB A 60 60 60 60 60 60 超大规模集成电路对生产环境污染控制的要求 控制粒径 m 洁净度 级 温度 C 相对湿度 某 IC 前工序生产线 0 1322 0 145 3 某 TFT LCD 生产线 0 3423 155 5 某 TFT LCD 基极生产线 0 3 3 4 23 0 350 5 某高密度磁带生产线 0 5523 150 5 某彩色显示器生产线 0 5 7 局部 5 22 150 5 某磁头生产线 0 3521 255 5 某光导纤维生产线 0 3 7 局部 5 24 27 电子 光电子产品生产对生产环境的要求 产品工序空气洁净度等级 级 温度 C 相对湿度 相对低级别洁净 室的正压 Pa 拉单晶4 5 0 3 m 23 245 5 5 切 磨 抛5 7 0 3 m 23 245 5 5 清洗4 7 0 3 m 23 245 5 5 半导体 材料 外定3 5 0 3 m 23 245 5 5 氧化 扩散 清洗 刻 蚀 薄膜 离子注入 2 5 0 1 0 3 m 23 145 5 5 光刻1 4 0 1 0 3 m 23 145 5 5 前工序 芯片 制造 检测3 6 0 1 0 3 m 23 245 5 5 环境控制要求 项目名称 精品文档 6欢迎下载 设备区6 8 0 1 0 3 m 23 545 10 5 划片 键合5 7 0 3 m 21 150 5 5 封装 后工 序 封装6 8 0 3 m 23 150 5 5 薄膜光刻 刻蚀 剥离2 3 0 1 m 23 145 5 5 涂复1 3 0 1 m 23 145 5 5 模块4 5 0 3 m 23 245 10 5 TFT LCD 组装6 7 0 3 m 23 245 5 5 STN LCD 6 7 0 3 m 局部 5 级 23 245 5 5 制造区3 4 0 1 m 23 145 5 5 HDD 其他区6 7 0 3 m 23 145 10 5 核心区5 0 3 m 23 145 5 5 PDP 支持区6 7 0 3 m 23 245 60 5 干工艺区6 7 0 5 m 23 22 5 锂电池 其他区7 8 0 5 m 23 215 5 涂屏电子枪装配荧光粉7 0 5 m 23 245 5 5 彩色显 像管 锥子墨涂复防罩8 0 5 m 23 245 5 5 电子仪 器 微型计算机装配8 0 5 m 20 23 2 5 印制线 路板 照像 制版 干膜7 8 0 5 m 22 240 60 5 预制棒6 7 0 3 m 24 250 5 5 拉丝5 7 0 3 m 22 150 5 5 光导纤 维 光盘制造6 8 0 3 m 23 150 10 5 高密度磁带制造6 8 0 5 m 局部 5 级 23 150 10 5 精品文档 7欢迎下载 核心区5 0 3 m 23 260 5 5 磁头生产 清洗区6 0 3 m 21 2 70 5 2 电子工厂高级别洁净室的建造投资费用非常高 高级别洁净室建造投资的费用很高 一般来说 4 级 10 级 5 级 100 级 垂直单向流洁净室 其室内建筑围护装修 包括墙 顶 地 门窗等 和净化空调系 统 包括制冷和空调 净化设备 管道和配件 其建设初投资大约为 10000 15000 元 m 如果再加上纯水制备设备和系统管线配件 纯气的发生设备和系统管线配件 废水废气排放设备和系统管线配件 消防系统设备管线配件 供配电和自动控制系统 的设备管线配件以及集中式真空清扫系统设备配件管线等等 其单位面积的初投资可 高达 25000 30000 元 m 现以 1998 年已建成投资的上海某超大规模集成电路前工序生产线举例来说 其 月投片 8 硅片 30000 片 有洁净室面积约 10000m 其中 400m 3 级 1 级 4 级 10 级 高洁净度垂直单向流洁净室 另外 6000m 为 6 级 1000 级 7 级 10000 级 非单向流洁净室 总净化送风量约 6400000m h 该项目总投资约 100 亿人民币 其中动力设备和土建部分投资约为 20 亿人民币 占总投资的 20 其核心部分 10000m 高级别洁净室建造投资费高达 6000 万美元 不 含土建结构部分 折合单位面积投资为 600 美元 m 大约折合人民币 50000 元 m 再举目前正在建造即将竣工的深圳某精密光电有限公司建造的 TFT LCD 基板生产 线 其总面积约为 800m 其中 3 级 1 级 4 级 10 级 垂直单向流洁净室的面积 约 200m 其余 5 级 100 级 垂直单向流洁净室 除了土建结构以外洁净室的建筑围护装修 冷冻和净化空调系统 废水废气的排 精品文档 8欢迎下载 放系统 纯水存钱的制备和输送系统 供配电和自动控制系统等的总投资约 3200 万 元人民币 折合单位面积约 40000 元 m 人民币 由上述两个实例说明建造这样的微电子 光电子工厂高级别洁净室的建造投资费 用是非常高的 这是另一个特点 3 电子工厂高级别洁净室的运行管理费用非常贵 因为电子工厂高级别洁净室的净化送风量大 工艺设备局部排风量大 新风量大 湿 温度要求严格 所以送风的空气热湿度处理的冷量 热量 加湿量也大 空气输 配的能量消耗量大 运行费用很贵 还拿上述两个项目为例来说明 上海某超大规模集成电路前工序生产线 10000m 洁净室总送风量为 6400000m h 空气输配的风机总耗电量为 3840kw h 全年电费为 1659 万元 每度电按 0 6 元 度计 空气热湿处理耗电量约 8000kw h 全年电费为 3456 万元 全年净化空调系统本身 的运行费用高达 5115 万元人民币 折合单位面积净化空调系统运行费用为 5115 元 m 而深圳某精密光电的基板生产线高级别洁净室面积约 800m 净化送风量 1200000m h 新风量 90000m h 空调冷量约为 300kw h 全年电费约 130 万元人民 币 每度电按 0 6 元 度计 而空气热湿处理的耗电量 760kw h 其中 冷冻机电 量为 400kw 冷冻水泵电量为 130kw 冷却水泵电量为 160kw 干冷水泵电量为 44kw 冷却塔电量为 22kw 全年电费约为 330 万元人民币 全年净化空调系统运行总费用高 达约 460 万元 折合单位面积年运行费用约为 5750 元 m 精品文档 9欢迎下载 由上述两个例子来看 电子工厂高级别洁净室仅仅保持室内的洁净度 温湿度每 平方米所花的运行费用就要高达 5000 6000 元 m 人民币 由此可见它的运行管理费 用相当贵 这是第三个特点 4 电子工厂高级别洁净室的适应性 灵活性要非常强 微电子集成电路的发展规律告诉我们 每隔 2 3 年就上一个台阶 其芯片的集成 度就要增加 4 倍 特征尺寸 线宽 就要缩小 30 年销售价格就要下降 30 因为 集成电路又是发展速度十分迅速的产业 随之而来的为其服务的生产环境技术和高级 别洁净室技术也必须随之发展而发展 才能适应微电子产业的飞速发展 继微电子之后发展起来的光电子产业的发展速度比微电子产业还要快 如 TFT LCD 技术每 1 2 年就更新一代 去年前年还是第五代 TFT LCD 今年就发展到第六代 产品了 因此 为其服务的生产环境技术 高级别洁净室技术必须具有极大适应性 灵活性以满足微电子 光电子技术不断发展的要求 因为 建一个厂房 建造一个高 级别洁净室是百年大计 不是一年二年就能拆掉重建 因此 在设计和建造这样高级 别洁净室时 就应考虑到生产工艺的发展 变更 使洁净室具有很好的适应性和灵活 性 多年建造经验告诉我们 从洁净室等等都必须百分之百的满足生产工艺的要求 保证环境参数可靠 稳定不出差错 另外 从安全角度上讲 即建筑结构承重的安全 和防火防爆防毒的安全更是十分重要的 要遵照 以人为本 的方针 保证人员的生 命安全和保护工厂财产的安全更是设计 建造和使用洁净室时应注意的头等大事 因此 努力降低高级别洁净室的建造投资和运行费用 努力提高洁净室的灵活性 和适应性以满足生产工艺不断发展的要求和保证高级别洁净室的安全 可靠是给洁净 室的设计和建造者提出的重要课题 精品文档 10欢迎下载 3 电子工厂高级别洁净室的空调负荷特点和节能 1 洁净室的空调负荷 洁净室的净化空调负荷由下面几个部分组成 1 室内负荷 主要包括 室内作业人员的散热 散湿负荷 室内照明灯具的散热负荷 洁净室围护结构 墙 顶 地 门 窗 的传热 传湿负荷 生产设备和生产过程的散热 散湿负荷 2 洁净室新风处理的热 湿负荷 夏季是降温 去湿 冬季是加热 加湿 3 空气输配时风机 或 FFU 的温升和水泵的温升负荷 2 高级洁净室的空调负荷特点 1 高级别洁净室 100 级 10 级 1 级 是垂直单向流洁净室 其送风机的风量非常 大 高达 400 500 次 h 换气 而且风机的压头也很高 一般多在 1000 1500Pa 因此 风机温升的负荷大 按理论计算 在集中送风方式的系统中 风机的温升为 1 5 C 仅此一项的负荷就是 500 700W m 如果采用 FFU 送风方式 风机温升的负荷也要 250 350W m 因此 风机温升的负荷大是起一个负荷特点 2 服务于微电子和光电子的高级别洁净室因工艺排风量大 所以新风量也很大 新 精品文档 11欢迎下载 风量一般在 10 20 次 h 换气 因此 处理如此多新风的负荷大约是 400 800W m 个 别工艺的排风量更大 固新风负荷也还会更大 因此新风负荷大师其第二个负荷特点 3 生产设备和生产过程的散热 散湿负荷大 是高级别洁净室的第三个负荷特点 生产负荷的大小是与工艺生产本身的性质 生产设备的密闭 保温 通风以及水冷却 的情况有关 4 围护结构的传热 照明灯具的散热以及作业人员的发热这三项负荷相对比较小 三项负荷之和还不足总空调负荷的 10 其中 照明负荷大约 25 30W m 围护结构 负荷大约 20 30W m 作业人员负荷大约 10 15W m 这是高级别洁净室的第四个 负荷特点 3 电子工厂高级别洁净室空调净化系统的节能 研究高级别洁净室的空调净化系统节能 应首先从分析其空调负荷特点入手 抓 住空调负荷中的主要矛盾 才能事半功倍 从前面可知 高级别洁净室空调负荷中占 90 以上的负荷是 新风负荷 风机温升负荷和工艺设备和工艺过程负荷三项 这是 它的主要矛盾 1 降低新风空调负荷的节能措施 减少排风量 改进工艺和工艺设备 尽可能不排风 少排风 采取密闭式防风罩在 同等的排风效果下尽量减少排风量 减少正压漏风量 加强洁净室围护结构的密闭性 既能保持洁净室必要地正压值 又可以减少所需要的正压漏风量 精品文档 12欢迎下载 提高新风空气处理设备的效率 2 降低风机温升负荷节能措施 在确保洁净室净度的前提下 尽量减少送风量 尽量用局部高净化来替代全面高净 化 加强空调设备和空调系统的密闭性 减少漏风量 采取净化送风与空调送风分离的送分方案 使 90 的净化送风量就近循环以减少风 机温升负荷 采用 FFU 加新风机组加干盘管的送风方式以减少风机温升负荷 提高风机效率 采取变频措施 3 工艺设备和工艺过程的发热是工艺生产本身的问题 只能依靠工艺自己来解决 4 除上述措施之外 还可以采取如下措施 加强水管和风管的保温 减少冷热源的跑 冒 滴 漏 采取热回收 充分利用废热 尽量利用天然能源做空调系统的遇冷和预热 如 太阳能 地下水 土壤能等 利用蓄冰和蓄热等优惠政策 四 电子工厂高级别洁净室的消防和排烟 一 高级别洁净室消防的重要性 精品文档 13欢迎下载 1 洁净室尤其是高级别洁净室 多居于建筑的中心部位 是无外墙 无外窗 无外 门又极为密闭的无窗厂房或密闭厂房 这样的建筑一旦发生火灾给人员的疏散带来极 大地困难 处理不好会给人员和财产带来极大的损失 2 微电子和光电子用的高级别洁净室在生产过程中使用和产生大量的有毒有害 易 燃 易爆的特气 烷类 有机物质和酸碱气体 如上节所诉 这些物质不仅是助燃 爆炸的物质而且还会伤及人员的生命 一旦产生火灾 后果不堪设想 3 如前所述 高级别洁净室的初投资十分昂贵 单就其基建本身单位造价就要 25000 50000 元 其中的生产设备价格贵的更加惊人 有的设备一台就数百万美元 因此 消防对保护这样的建筑的财产损失就更加重要了 4 洁净室内的静电也是诱发火灾的隐患 因此要重视静电的消除 二 洁净室的消防措施 按 洁净产房设计规范 GB50073 2001 规定 1 在洁净室的建筑和装修上面规定 洁净产房的耐火等级不应低于二级 洁净 室的顶棚和壁板 包括夹心材料 应为不燃烧体 且不得采用有机复合材料 顶 棚的耐火极限不应低于 0 4h 疏散走道的顶棚的耐火极限不应低于 1 0h 在同一个 防火区分区内洁净区与非洁净区之间应设置不燃烧体隔断 其墙和顶棚的耐火极限不 应低于 1h 其墙上门 窗的耐火极限不应低于 0 6h 2 在消防条文中还规定 在洁净室的生产层 上技术夹层和下技术夹层均应设室 内消火栓灭火系统 消火栓用水量 10L S 洁净厂房内各场所必须设置灭火器 并且还规定 洁净厂房宜设置预作用式制动喷水灭火系统 洁净厂房的疏散走 精品文档 14欢迎下载 廊 应设置机械防排烟设施 洁净室机械防排烟系统宜与通风和净化空调系统合 用 但必须采取可靠的防火安全措施 3 还规定 洁净室使用可燃气体处于应设可燃气体的报警装置和事故排风装置 报警装置应与相应的事故排风机联锁 洁净室的地面应具有导静电性 地面表层 应采用静电耗散性材料制作 其表面电阻率应为 105 1012 欧姆 并且设置有导电泄 放和接地措施 对地的泄放电阻值应为 105 109 欧姆 洁净室的净化空调系统应 采取防静电接地措施等 三 高级别洁净室的防排烟 前面已叙述过 在 洁净产房设计规范 GB50073 2001 中明确规定 洁净厂房的疏 散走廊应设置机械防排烟设施 洁净室机械防排烟系统宜与通风 净化空调系统 合用 但必须采取可靠的防火安全措施 并应符合现行的国家标准 建筑设计防火规 范 GBJ 16 而在两规范中均没有明确要求洁净室一定要设置机械排烟系统 而 且 这样的洁净室净化级别高 顶棚满布高效过滤器 HEPA 面积很大 大多在 4000 10000 又因生产工艺的原因 不可能划分成若干个防烟分区 因此排烟 量极大 设置排烟系统的难度很大 而且各地方的消防部门对这一要求的掌握也不尽 一致 但这一类型的洁净室往往都投保于国外的保险公司 这些保险公司为了自身的 的利益都要求对洁净室设置排烟系统 否则就要提高投保费用 一般对这一的洁净室 设置排烟系统 目前常用的有下排烟和上排烟的两种方式 1 下排烟方式 下排烟一般是在洁净室的回风技术夹层 下技术夹层 或回风竖井 内设置排烟口 当洁净室发生火灾时 开启排烟口 联锁启动排烟风机进行排烟 此 时新风机组继续进行补充新风 新风由 FFU 送入洁净室 但是 采用下排烟方式时应 精品文档 15欢迎下载 特别注意 FFU 向下送风的风速应大于烟气上升的速度排烟效果好 否则烟气就会在 洁净室的顶部集聚 影响烟气的排除 一般情况下 FFU 的送风速度为 0 25 0 5m s 而火灾的热释放只要大于 3kw 时烟气的上升速度就会大于 0 5m s 故 一般下排烟的方式只有在火灾刚刚发生时排烟效果才好 下排烟方式在国外的集成电 路参数厂采用的较多 但国内的消防部门一般不容易接受 2 上排烟方式 上排烟一般是洁净室吊顶上设置排烟口 当洁净室发生火灾时 开 启排烟口 联锁启动排烟机 此时新风机组照常运行 补充新风 因排烟气流方向与 烟气上升方向一致 因此排烟效果好 但最大的问题是排烟口的设置问题 对于非单 向流洁净室高效过滤器在吊顶上不是满布的 这一问题还容易解决 但对于高级别垂 直单向流洁净室而言 吊顶上满布了高效过滤器或 FFU 排烟口的设置就成了一个大 问题 还好 目前已有一些净化设备公司已经开发了 FFU 和排烟口相结合的产品 这 就很巧妙地解决了这一难题 还有一个由于工艺的要求不能将整个大面积的洁净室划分为若干个防烟分区的问题 目前还只能将 4000 10000m 的洁净室看作一个防烟分区 因此排烟量非常大 为了减 少排烟量 通常把工艺设备的局部排风系统也兼作排烟系统来满足偌大的排烟量的要 求 4 我国某 TFT LCD 高级别洁净室消防的设计实例 1 设计前与当地消防主管部门联系 提前汇报 加强