电子工厂高级别洁净室建造的重点

张利群

目录

一、高级别洁净室在电子工厂中的应用

二、电子工厂高级别洁净室的建造特点

（一）电子工厂生产工艺对洁净室生产环境的要求非常严格；

（二）电子工厂高级别洁净室的建造投资费用非常高；

（三）电子工厂高级别洁净室的运行管理费用非常贵；

（四）电子工厂高级别洁净室的适应性、灵活性要非常强；

（五）电子工厂高级别洁净室的安全性、可靠性要非常好。

三、电子工厂高级别洁净室空调负荷的特点和节能

（一）洁净室的空调负荷

（二）高级别洁净室空调负荷的特点

（三）高级别洁净净化空调系统的节能

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

（二）洁净室的消防措施

（三）高级别洁净室的防排烟

（四）某TFT-LCD高级别洁净室的消防设计实例

一、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-1、2、3、4、5级），生产环境温湿度的精度高，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（LS1）、超大规模集成电路（VLS1）等微电子产业的电子工厂；彩色薄膜液晶显示器（TFT-LCD）；发光二级管（LED）；等离子技术（PDP）光电子产业的电子工厂以及新兴的纳米技术等高科技产业之中。

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”规划中也明确指出“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、导波光学、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。

二、电子工厂高级别洁净室的建造特点

（一）电子工厂生产工艺对洁净室生产环境的特点

电子工厂尤其是微电子和光电子产业电子工厂洁净室的生产环境有以下特点：

第一，生产工艺对单体洁净室面积的要求越来越大，例如，五代线TFT单体洁净室的面积为38000m2,而六代线单体洁净室的面积为50000m2,到了八代线单体洁净室的面积就高达80000m2。

第二，生产工艺对洁净室洁净度的要求越来越高，随着工艺的发展洁净室的洁净度由ISO5级提到ISO4级,ISO3级,有的部分甚至要求到ISO2级,ISO1级(>0.1nm的粒子数,<10Pc/m3)。

第三，生产工艺对洁净室内温度，相对湿度的精度的要求越来越精，温度精度从+0.5c提高到+0.2c或+0.1c，而相对湿度从+5%提高到+3%或+2%。第四，生产环境不仅仅对建筑围护、结构、空气、水以及气体、溶剂等原材料有要求，而且对声、光、电、磁、振等各种环境都有严格的要求。

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、静电、c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”、“净”、“纯”、“大”来描写。第五，电子工业的迅猛发展，还进一步要求为其服务的洁净室要有极好的另活性，能适应电子工业飞速发展的需要。

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应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

超大规模集成电路对生产环境污染控制的要求

电子、光电子产品生产对生产环境的要求

注：此表摘自《电子工业洁净厂房设计规范》

（二）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/m2；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/m2。

现以1998年已建成投产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10000m2，其中4000m23级（1级）、4级（10级）高洁净度垂直单向流洁净室，另外6000m2为6级（1000级）、7级（10000级）非单向流洁净室。总净化送风量约6400000m3/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10000m2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6000美元/m2，大约折合人民币50000元/m2。

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800m2，其中3级（1级）、4级（10级）垂直单向流洁净室的面积约200m2；其余为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、废水废气的排放系统、纯水纯气的制备和输配系统、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/m2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。

（三）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，温、湿度要求严格，所以送风的空气热湿处理的冷量、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10000m2洁净室总送风量为6400000m3/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/m2。

而深圳某精密光电的基板生产线高级别洁净室面积约800m2，净化送风量1200000m3/h，新风量90000m3/h，空调冷量约2000kw。其净化空调系统空气输配风机（新风机组风机和FFU风机）总耗电量约为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约760kw/h，（其中：冷冻机电量为400kW，冷冻水泵电量为本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/m2。

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/m2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。

（四）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进步的要求。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，从洁净室的灵活性角度可将洁净室分为三个层次，第一个是不可变的部分，无论怎样变化这部分是不能变化的。这就是基础、柱、梁等结构部分；第二个层次是可变便不易改变的部分。如洁净室的围护、装修等；第三个层次是可变且容易改变的部分。如：电气、动力、空气、水、气体、溶剂等的供给系统和废气、废水、废液、废料和排放系统。因此，建造电子工厂的高级别洁净室时必须考虑到它们对生产工艺不断发展的灵活性和可变性。这是第四个特点。

（五）电子工厂高级别洁净室的安全性、可靠性要非常好

从前面叙述可以得出这样一个看法和结论，即建造和使用高级别洁净室是要付出极高的代价。但是，为了生产出高可靠、高质量、高成品率的高科技电子产品还必须具备这样的生产环境。因此，为了满足生产工艺对生产环境的严格要求，设计和建造洁净室时必须把安全可靠放在第一位，即保证所建造的洁净室的全部生产环境：洁净度、温湿度、风速、压力、噪声、照度以及静电微振、电磁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。

三、电子工厂高级别洁净室的空调负荷特点和节能

（一）洁净室的空调负荷

洁净室的净化空调负荷由下面几部分组成：

1、室内负荷

主要包括：

①室内作业人员的散热、散湿负荷。

②室内照明灯具的散热负荷。

③洁净室围护结构（墙、顶、地、门、窗）的传热、传湿负荷。

④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。

（二）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℃，仅此一项的负荷就是500~700W/m2；如果采用FFU送风方式，风机温升的负荷也要150~250W/m2。因此，风机温升的负荷大是其一个负荷特点。

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为400~800W/m2；个别工艺的排风量更大，固新风负荷也还会更大。因此新风负荷大是其第二个负荷特点。

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/m2；围护结构负荷大约20~30W/m2；作业人员负荷大约10~15W/m2），这是高级别洁净室第四个负荷特点。

（三）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

①减少排风量。改进工艺和工艺设备，尽可能不排风，少排风。采取密闭式排风罩在同等的排风效果下尽量减少排风量。

②减少正压漏风量。加强洁净室围护结构的密封性，既能保持洁净室必要的正压值，又可减少所需的正压漏风量。

③提高新风空气处理设备的效率。

2、降低风机温升负荷的节能措施

①在确保洁净室洁净度的前提下，尽量减少送风量，尽量用局部高净化来替代全面高净化。

②加强空调设备和空调系统的密闭性，减少漏风量。

③采取净化送风与空调送风分离的送风方案，使90%的净化送风量就近循环以减少风机温升负荷。

④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。

⑤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，还可采取如下措施

①加强水管和风管的保温。

②减少冷热源的跑、冒、滴、漏。

③采取热回收，充分利用废热。

④尽量利用天然能源作空调系统的预冷和预热，如：太阳能、地下水、土壤能等。

⑤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

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的困难，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（如上节所述），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要25000~50000元/m2；其中的生产设备价格贵得更加惊人，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“洁净厂房设计规范”GB50073-2001规定：

1、在洁净室的建筑和装修上面规定：“洁净厂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自动喷水灭火系统”。“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“洁净厂房设计规范”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4000m2~10000m2），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。一般对这样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生产厂采用的较多，但国内的消防部门一般不容易接受。

2、上排烟方式：上排烟一般是在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4000~10000m2的洁净室看做一个防烟分区。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。

（四）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，加强沟通，介绍工程情况和消防设计方案并申诉道理，征求消防主管部门意见，如有困难，分析原因，取得理解，找到出路，保证安全。消防的设计原则是以防为主，及时发现火情，将火灾消灭在初期，尽量减少损失。

2、具体消防措施

①报警措施：

●重要的工艺设备本身自带消防设备和温感、烟感探头，能做到及时报警，及时灭火。

●实现早期报警。采用空气采样器和温感探头联合报警，能作到对明火和阴火都能早期预测，早期报警。

因为，采用空气采样器的探测来采集空气中的粒子来进行分析，对于阴火要比烟感和温感早预知、早报警。对于明火温感探头要比空气采样器和烟感探头早预知、早报警。

②采用自动喷淋灭火系统和消火栓灭火系统

●在洁净室和上下技术夹层内均设消火栓灭火系统。

●在洁净室和上下技术夹层内均设预作用自动喷淋灭火系统。

③设防排烟系统

●疏散走廊设置机械防排烟系统，保证人员疏散安全。

●利用工艺设备的局部排风兼作火灾时的排烟系统，并采用双速排风机。

④对于工艺生产用的易燃易爆的火灾危险物品（特气、烷类、有机物质……）做到火灾时能迅速撤离现场，有毒有害的全部迅速排空，一般排风不间断运行，及时启动事故排风系统。

⑤对于易燃易爆、有毒有害气体而言，在气源和使用气体的生产设备之间设中间分配箱。分配箱与气源和设备之间均设有切断阀门。在正常状态下，分配箱内的气体与气源是断开的，即使发生事故也不致于造成危险气体的大量泄漏。火灾时还要切断分配箱与使用设备之间的联系，以利灭火和排空。

⑥火灾时的自动控制程序

●早期工作一切正常

●火灾发生，即空气采样器和温感探头提前感知和报警后：

▲组织人员立即疏散。

▲关闭着火处的FFU，防止火灾时烟气顺气流到处漫延。非着火处的FFU继续运行，HEPA可过滤烟尘冷盘管可降低烟气温度。

▲预作用喷淋灭火系统排气、充水，但不立即喷淋，当着火处的玻璃泡碎后，自动喷淋灭火，这样可提早作用2分钟，以保护不着火处的生产设备。

▲停止新风机组的运行。

▲启动排烟系统，有助人员疏散。

▲火灾起来了，明火出现了，停止全部通风、空调、净化设备运行，采用其他方法救火，此时人员已全部疏散完毕。

原文来源：http://www.iwuchen.com/