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電子工廠高級別凈化無塵車間的建造

15-02-04


電子工廠高級別凈化無塵車間的建造

一、高級別凈化無塵車間在電子工廠中的應用 

本文所指的高級別無塵車間是指無塵車間的潔凈度高(ISO-2、3、4、5級),生產環境溫濕度的精度高,其他一些環境參數,例如:靜壓差、靜電、微振、電磁、噪聲、照度等參數都必須按生產工藝的要求進行嚴格控制的無塵車間。這類面積大、環境參數要求高的凈化無塵車間廣泛地應用在電子工業廠房中,如:大規模集成電路(LS1)、超大規模集成電路(VLS1)等微電子產業的電子工廠以及彩色薄膜液晶顯示器(TFT-LCD);發光二級管(LED)以及等離子技術(PDP)等光電子產業的電子工廠之中。 

當今世界,微電子和光電子產業已成為一個國家、一個地區國民經濟和科學技術發展的基礎和平臺,也是衡量一個國家和地區經濟發展和科學技術水平的重要標志。發達國家(美國、日本以及歐洲各國)都極為重視,紛紛投入大量的人力、物力、財力進行開發、研究和生產。我國在“十五”規劃中也明確指出“重點發展集成電路、新型元件、器件、計算機和通信設備。”爭取用10~15年的時間,把我國建設成為世界電子信息產業的強國。 

以超大規模集成電路為代表的微電子產業,在今后十年中全世界年平均增長率高達15%。到2010年全世界微電子產品的銷售額將高達6 000~8 000億美元。到那時我國將成為全球第二大半導體市場。而光電子是繼微電子技術之后近十年內迅速崛起的新興高科技產業,它是集固體物理、導波光學、材料力學、微細加工和微電子技術為一體,是微電子技術和光電子技術的結合和擴展。光電子產業以液晶顯示器(LCD)、等離子技術(PDP)和發光二極管(LED)為代表,尤其是彩色薄膜液晶顯示器(TFT-LCD)它是微電子技術與透射式彩色液晶顯示器技術的完美結合。它對生產環境的參數,原材料的純度以及生產設備和技術都等同甚至超過大規模集成電路的生產要求。到2010年以光電子產業為代表的信息產品的總產值將突破50 000億美元。 

我國在微電子產業方面,“八·五”、“九·五”“十。五”期間發展很快,繼“華越”和“華虹”之后又有“中芯”、“宏力”、“貝嶺”、“先進”等超大規模集成電路生產線相繼建成投產。在光電子產業方面“LCD”、“PDP”、“LED”、“TFT-LCD”已成為我國光電子產業的新的增長點,隨著“吉林通海高科”TFT-LCD生產線建成投產后又有更大規模的“上廣電”、“京東方”等TFT-LCD生產線相繼建成投產。深圳的“深超”和具有第六代TFT-LCD生產線的“京東方”也在建設之中。  

二、電子工廠高級別凈化無塵車間的建造特點 

(一)電子工廠生產工藝對無塵車間生產環境的要求非常嚴格 

電子工廠尤其是微電子和光電子產業的電子工廠,工藝生產對大面積高潔凈度潔凈室所要求的生產環境不僅僅有:建筑圍護、結構、空氣、水以及氣體、溶劑等原材料,而且還有聲、光、電、磁、振等各種環境。例如:建筑形式、層高承重、圍護的裝修材料;空氣的潔凈度、溫濕度、靜壓力;水和氣體的純度和重金屬等含量以及噪聲、照度、靜電、電磁波、微振動等等。總的來說,微電子和光電子對生產環境的要求可用“精”、“凈”、“純”、“大”來描寫。 

建造電子工廠的高級別無塵車間最重要的是要使建造的無塵車間應能滿足生產工藝對生產環境的嚴格要求,使之能高效率、高成品率地生產出高質量的電子產品。這是建造高級別無塵車間最根本的目的。下表給出了微電子、光電子生產工藝對生產環境所要求的條件和參數:


電子廠凈化車間/SMT凈化車間/光電廠凈化車間/電子廠無塵車間

(二)電子工廠高級別無塵車間的建造投資費用非常高 

高級別無塵車間建造投資的費用很高。一般來說,4級(10級)`5級(100級)垂直單向流潔凈室,其室內建筑圍護裝修(包括墻、頂、地、門窗等)和凈化空調系統(包括制冷和空調、凈化設備、管道和配件)其建設初投資大約為10 000~15 000元/m2;如果再加上純水制備設備和系統管線配件,純氣的發生設備和系統管線配件、廢水廢氣排放設備和系統管線配件;消防系統設備管線配件;供配電和自動控制系統的設備管線配件以及集中式真空清掃系統設備配件管線等等,其單位面積的初投資可高達25 000~30 000元/m2。 

現以1998年已建成投產的上海某超大規模集成電路前工序生產線舉例來說,其月投片(8"硅片)30000片,有無塵車間面積約10 000 m2,其中4000 m2 3級(1級)、4級(10級)高潔凈度垂直單向流無塵車間,另外6000 m2為6級(1 000級)、7級(10 000級)非單向流無塵車間。總凈化送風量約6 400 000 m3/h。 

該項目總投資約100億人民幣,其中動力設備和土建部分投資約為20億人民幣。占總投資的20%。其核心部分10 000 m2高級別潔凈室建造投資費高達6000萬美元(不含土建結構部分)折合單位面積投資為6000美元/m2,大約折合人民幣50000元/m2。 

再舉目前正在建造即將竣工的深圳某精密光電有限公司建造的TFT-LCD基板生產線,其總面積約800 m2,其中3級(1級)、4級(10級)垂直單向流潔凈室的面積約200 m2;其余為5級(100級)垂直單向流潔凈室。 

除了土建結構以外潔凈室的建筑圍護裝修、冷凍和凈化空調系統、廢水廢氣的排放系統、純水純氣的制備和輸配系統、供配電和自動控制系統等的總投資約3200萬元人民幣,折合單位面積約40000元/ m2人民幣。 

由上述兩個實例說明建造這樣的微電子、光電子工廠高級別無塵車間的建造投資費用是非常高的。這是另一個特點。 

(三)電子工廠高級別無塵車間的運行管理費用非常貴 

因為電子工廠高級別潔凈室的凈化送風量大、工藝設備局部排風量大、新風量大,溫、濕度要求嚴格,所以送風的空氣熱濕處理的冷量、熱量、加濕量也大,空氣輸配的能量消耗量大,運行費用很貴。 

電子廠凈化車間/SMT凈化車間/光電廠凈化車間/電子廠無塵車間

還拿上述兩個項目為例來說明: 

上海某超大規模集成電路前工序生產線10 000 m2無塵車間總送風量為6 400 000 m3/h,空氣輸配的風機總耗電量為3840 kw/h,全年電費為1659萬元(每度電按0.6元/度計),空氣熱濕處理耗電量約8000 kw/h,全年電費為3456萬元。全年凈化空調系統本身的運行費用高達5115萬元人民幣。折合單位面積凈化空調系統運行費用為5115元/ m2。 

而深圳某精密光電的基板生產線高級別無塵車間面積約800 m2,凈化送風量1 200 000 m3/h,新風量90 000 m3/h,空調冷量約2 000 kw。其凈化空調系統空氣輸配風機(新風機組風機和FFU風機)總耗電量約為300 kw/h,全年電費約130萬元人民幣(每度電按0.6元/度計),而空氣熱濕處理的耗電量約760kw/h,(其中:冷凍機電量為400kW,冷凍水泵電量為本130kW,冷卻水泵電量為160kW,干冷水泵電量為44kW,冷卻塔電量為22kW)全年電費約為330萬元人民幣。全年凈化空調系統運行總費用高達約460萬元,折合單位面積年運行費用約為5750元/ m2。 

由上述兩個例子來看,電子工廠高級別無塵車間僅僅保持室內的潔凈度、溫濕度每平方米所花的運行費用就要高達5000~6000元/ m2人民幣。由此可見它的運行管理費用相當貴。這是第三個特點。 

(四)電子工廠高級別無塵車間的適應性、靈活性要非常強 

微電子集成電路的發展規律告訴我們,每隔2~3年就上一個臺階,其芯片的集成度就要增加4倍,特征尺寸(線寬)就要縮小30%,年銷售價格就要下降30%。因為,集成電路又是發展速度十分迅速的產業,隨之而來的為其服務的生產環境技術和高級別潔凈室技術也必須隨之發展而發展,才能適應微電子產業的飛速發展。 

繼微電子之后發展起來的光電子產業的發展速度比微電子產業還快。如TFT-LCD技術每1~2年就更新一代,去年前年還是第五代TFT-LCD;今年就發展到第六代產品了。因此,為其服務的生產環境技術、高級別潔凈室技術必須具有極大適應性、靈活性以滿足微電子、光電子技術不斷發展進步的要求。因為,建一個廠房,建造一個高級別潔凈室是百年大計,不是一年二年就能拆掉重建。因此,在設計和建造這樣高級別潔凈室時,就應考慮到生產工藝的發展、變更,使潔凈室具有很好的適應性和靈活性。多年建造經驗告訴我們,從潔凈室的靈活性角度可將潔凈室分為三個層次,第一個是不可變的部分,無論怎樣變化這部分是不能變化的。這就是基礎、柱、梁等結構部分;第二個層次是可變便不易改變的部分。如潔凈室的圍護、裝修等;第三個層次是可變且容易改變的部分。如:電氣、動力、空氣、水、氣體、溶劑等的供給系統和廢氣、廢水、廢液、廢料和排放系統。因此,建造電子工廠的高級別潔凈室時必須考慮到它們對生產工藝不斷發展的靈活性和可變性。這是第四個特點。 

(五)電子工廠高級別潔凈室的安全性、可靠性要非常好 

從前面敘述可以得出這樣一個看法和結論,即建造和使用高級別潔凈室是要付出極高的代價。但是,為了生產出高可靠、高質量、高成品率的高科技電子產品還必須具備這樣的生產環境。因此,為了滿足生產工藝對生產環境的嚴格要求,設計和建造潔凈室時必須把安全可靠放在第一位,即保證所建造的潔凈室的全部生產環境:潔凈度、溫濕度、風速、壓力、噪聲、照度以及靜電微振、電磁等等都必須百分之百的滿足生產工藝的要求。保證環境參數可靠,穩定不出差錯。另外,從安全角度上講,即建筑結構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“以人為本”的方針,保證人員的生命安全和保護工廠財產的安全更是設計、建造和使用潔凈室時應注意的頭等大事。 

因此,努力降低高級別潔凈室的建造投資和運行費用;努力提高潔凈室的靈活性和適應性以滿足生產工藝不斷發展的要求和保證高級別潔凈室的安全、可靠是給潔凈室的設計和建造者提出的重要課題。 


三、電子工廠高級別無塵車間的空調負荷特點和節能 

(一)潔凈室的空調負荷 

潔凈室的凈化空調負荷由下面幾部分組成: 、

1、室內負荷 

主要包括: 

① 室內作業人員的散熱、散濕負荷。 ② 室內照明燈具的散熱負荷。 

③ 潔凈室圍護結構(墻、頂、地、門、窗)的傳熱、傳濕負荷。 ④ 生產設備和生產過程的散熱、散濕負荷。 

2、潔凈室新風處理的熱、濕負荷。夏季是降溫去濕;冬季是加熱、加濕。 3、空氣輸配時風機(或FFU)的溫升和水泵的溫升負荷。 

(二)高級無塵車間的空調負荷特點 

1、高級別潔凈室(100級,10級,1級)是垂直單向流潔凈室,其送風機的風量非常大,高達400~500次/h換氣,而且風機的壓頭也很高,一般多在1000~1500Pa,因此風機溫升的負荷大。按理論計算:在集中送風方式的系統中,風機的溫升為1.5℃,僅此一項的負荷就是500~700W/m2;如果采用FFU送風方式,風機溫升的負荷也要250~350 W/m2。因此,風機溫升的負荷大是其一個負荷特點。 

2、服務于微電子和光電子的高級別潔凈室因工藝排風量大,所以新風量也很大,新風量一般在10~20次/h換氣;因此,處理如此多新風的負荷大約為400~800 W/m2;個別工藝的排風量更大,固新風負荷也還會更大。因此新風負荷大是其第二個負荷特點。 

3、生產設備和生產過程的散熱、散濕負荷大,是高級別潔凈室的第三個負荷特點。生產負荷的大小是與工藝生產本身的性質、生產設備的密閉、保溫、通風以及水冷卻的情況有關。 

4、圍護結構的傳熱、照明燈具的散熱以及作業人員的發熱這三項負荷相對比較小,三項負荷之和還不足總空調負荷的10%(其中:照明負荷大約25~30 W/m2;圍護結構負荷大約20~30 W/m2;作業人員負荷大約10~15 W/m2),這是高級別潔凈室第四個負荷特點。 


(三)電子工廠高級別無塵車間空調凈化系統的節能 

研究高級別無塵車間的空調凈化系統節能,應首先從分析其空調負荷特點入手,抓住空調負荷中的主要矛盾,才能事半功倍。從前面可知,高級別潔凈室空調負荷中占90%以上的負荷是:新風負荷、風機溫升負荷和工藝設備和工藝過程負荷三項。這是它的主要矛盾。 

1、降低新風空調負荷的節能措施 

① 減少排風量。改進工藝和工藝設備,盡可能不排風,少排風。采取密閉式排風罩在同等的排風效果下盡量減少排風量。 

② 減少正壓漏風量。加強潔凈室圍護結構的密封性,既能保持潔凈室必要的正壓值,又可減少所需的正壓漏風量。 

③ 提高新風空氣處理設備的效率。 2、降低風機溫升負荷的節能措施 

① 在確保潔凈室潔凈度的前提下,盡量減少送風量,盡量用局部高凈化來替代全面高凈化。 

② 加強空調設備和空調系統的密閉性,減少漏風量。 

③ 采取凈化送風與空調送風分離的送風方案,使90%的凈化送風量就近循環以減少風機溫升負荷。 

④ 采用FFU加新風機組加干盤管的送風方式以減少風機溫升負荷。 ⑤ 提高風機效率,采取變頻措施。 

3、工藝設備和工藝過程的發熱是工藝生產本身的問題,只能依靠工藝自己來解決。 4、除上述措施之外,還可采取如下措施

① 加強水管和風管的保溫。 

② 減少冷熱源的跑、冒、滴、漏。 

③ 采取熱回收,充分利用廢熱。 

④ 盡量利用天然能源作空調系統的預冷和預熱,如:太陽能、地下水、土壤能等。 

⑤ 利用蓄冰和蓄熱等優惠政策。 


四、電子工廠高級別無塵車間的消防和排煙 

(一)高級別潔凈室消防的重要性 

1、潔凈室尤其是高級別潔凈室,多居于建筑的中心部位,是無外墻、無外窗、無外門又極為密閉的無窗廠房或密閉廠房。這樣的建筑一旦發生火災給人員的疏散帶來極大的困難,處理不好會給人員和財產帶來極大的損失。 

2、微電子和光電子用的高級別潔凈室在生產過程中使用和產生大量的有毒有害、易燃、易爆的特氣、烷類、有機物質和酸堿氣體(如上節所述),這些物質不僅是助燃、爆炸的物質而且還會傷及人員的生命。一旦產生火災,后果不堪設想。

3、如前所述,高級別潔凈室的初投資十分昂貴,單就其基建本身單位造價要25000~50000元/m2;其中的生產設備價格貴得更加驚人,有的設備一臺就數百萬美元,因此,消防對保護這樣建筑的財產損失就更加重要了。 

4、潔凈室內的靜電也是誘發火災的隱患,因此要重視靜電的消除。  

(二)無塵車間的消防措施 

按“潔凈廠房設計規范”GB 50073-2001規定: 

1、在潔凈室的建筑和裝修上面規定:“潔凈廠房的耐火等級不應低于二級”。潔凈室的頂棚和壁板(包括夾心材料)應為不燃燒體,且不得采用有機復合材料”。“頂棚的耐火極限不應低于0.4h,疏散走道的頂棚的耐火極限不應低于1.0h,在同一個防火分區內潔凈區與非潔凈區之間應設置不燃燒體隔斷,其墻和頂棚的耐火極限不應低于1h,其墻上門、窗的耐火極限不應低于0.6h。” 

2、在消防條文中還規定,“在潔凈室的生產層、上技術夾層和下技術夾層均應設室內消火栓滅火系統。消火栓用水量≥10 l/S,潔凈廠房內各場所必須設置滅火器”。并且還規定,“潔凈廠房宜設置預作用式自動噴水滅火系統”。“潔凈廠房的疏散走廊,應設置機械防排煙設施。”“潔凈室機械防排煙系統宜與通風和凈化空調系統合用,但必須采取可靠的防火安全措施。” 

3、還規定,“潔凈室使用可燃氣體處應設可燃氣體的報警裝置和事故排風裝置,報警裝置應與相應的事故排風機聯鎖”,“無塵車間的地面應具有導靜電性,地面表層應采用靜電耗散性材料制作,其表面電阻率應為105~1012歐姆,并且設置有導電泄放和接地措施。對地的泄放電阻值應為105~109歐姆”。“潔凈室的凈化空調系統應采取防靜電接地措施”等。 

(三)高級別無塵車間的防排煙 

前面已敘述過,在“潔凈廠房設計規范”GB 50073-2001中明確規定:“潔凈廠房的疏散走廊應設置機械防排煙設施”。“潔凈室機械防排煙系統宜與通風、凈化空調系統合用,但必須采取可靠的防火安全措施,并應符合現行的國家標準“建筑設計防火規范(GBJ-16)”。而在兩規范中均沒有明確要求潔凈室一定要設置機械排煙系統。而且,這樣的潔凈室凈化級別高,頂棚滿布高效過濾器(HEPA),面積很大(大多在4000m2 ~ 10000m2),又因生產工藝的原因,不可能劃分成若干個防煙分區,因此排煙量極大,設置排煙系統的難度很大。而且各地方的消防部門對這一要求的掌握也不盡一致。但這一類型的潔凈室往往都投保于國外的保險公司,這些保險公司為了自身的利益都要求對潔凈室設置排煙系統,否則就要提高投保費用。一般對這樣的潔凈室設置排煙系統,目前常用的有下排煙和上排煙的兩種方式: 

1、下排煙方式:下排煙一般是在潔凈室的回風技術夾層(下技術夾層)或回風豎井內設置排煙口,當潔凈室發生火災時,開啟排煙口,聯鎖啟動排煙風機進行排煙。此時新風機組繼續進行補充新風,新風由FFU送入潔凈室。但是,采用下排煙方式時應特別注意,FFU向下送風的風速應大于煙氣上升的速度排煙效果好,否則煙氣就會在潔凈室的頂部集聚,影響煙氣的排除。一般情況下,FFU的送風速度為0.25~0.5m/s,而火災的熱釋放只要大于3Kw時煙氣的上升速度就會大于0.5m/s。故一般下排煙的方式只有在火災剛剛發生時排煙效果才好。下排煙方式在國外的集成電路生產廠采用的較多,但國內的消防部門一般不容易接受。 

2、上排煙方式:上排煙一般是在潔凈室吊頂上設置排煙口,當潔凈室發生火災時,開啟排煙口,聯鎖啟動排煙機,此時新風機組照常運行,補充新風。因排煙氣流方向與煙氣上升方向一致,因此排煙效果好。但最大的問題是排煙口的設置問題,對于非單向流潔凈室高效過濾器在吊頂上不是滿布的,這一問題還容易解決,但對于高級別垂直單向流潔凈室而言, 吊頂上滿布了高效過濾器或FFU,排煙口的設置就成了一個大問題。還好,目前已有一些凈化設備公司已經開發了FFU和排煙口相結合的產品,這就很巧妙地解決了這一難題。 

還有一個由于工藝的要求不能將整個大面積的潔凈室劃分為若干個防煙分區的問題,目前還只能將4000~10000m2的潔凈室看做一個防煙分區。因此排煙量非常大,為了減少排煙量,通常把工藝設備的局部排風系統也兼作排煙系統來滿足偌大的排煙量的要求。 

(四)我國某TFT-LCD高級別無塵車間消防的設計實例 

1、設計前與當地消防主管部門聯系,提前匯報,加強溝通,介紹工程情況和消防設計方案并申訴道理,征求消防主管部門意見,如有困難,分析原因,取得理解,找到出路,保證安全。消防的設計原則是以防為主,及時發現火情,將火災消滅在初期,盡量減少損失。 

2、具體消防措施 

① 報警措施: 

 重要的工藝設備本身自帶消防設備和溫感、煙感探頭,能做到及時報警,及時滅火。 

 實現早期報警。采用空氣采樣器和溫感探頭聯合報警,能作到對明火和陰火都能早期預測,早期報警。 

因為,采用空氣采樣器的探測來采集空氣中的粒子來進行分析,對于陰火要比煙感和溫感早預知、早報警。對于明火溫感探頭要比空氣采樣器和煙感探頭早預知、早報警。 

② 采用自動噴淋滅火系統和消火栓滅火系統 

 在潔凈室和上下技術夾層內均設消火栓滅火系統。 在潔凈室和上下技術夾層內均設預作用自動噴淋滅火系統。

③ 設防排煙系統 

 疏散走廊設置機械防排煙系統,保證人員疏散安全。 

利用工藝設備的局部排風兼作火災時的排煙系統,并采用雙速排風機。 

④ 對于工藝生產用的易燃易爆的火災危險物品(特氣、烷類、有機物質??)做到火災時能迅速撤離現場,有毒有害的全部迅速排空,一般排風不間斷運行,及時啟動事故排風系統。 

⑤ 對于易燃易爆、有毒有害氣體而言,在氣源和使用氣體的生產設備之間設中間分配箱。分配箱與氣源和設備之間均設有切斷閥門。在正常狀態下,分配箱內的氣體與氣源是斷開的,即使發生事故也不致于造成危險氣體的大量泄漏。火災時還要切斷分配箱與使用設備之間的聯系,以利滅火和排空。 

⑥ 火災時的自動控制程序 

 早期工作一切正常 

火災發生,即空氣采樣器和溫感探頭提前感知和報警后: 

 組織人員立即疏散。 

 關閉著火處的FFU,防止火災時煙氣順氣流到處漫延。非著火處的FFU

繼續運行,HEPA可過濾煙塵冷盤管可降低煙氣溫度。 

預作用噴淋滅火系統排氣、充水,但不立即噴淋,當著火處的玻璃泡碎后,

自動噴淋滅火,這樣可提早作用2分鐘,以保護不著火處的生產設備。 

停止新風機組的運行。 

啟動排煙系統,有助人員疏散。 

火災起來了,明火出現了,停止全部通風、空調、凈化設備運行,采用其

他方法救火,此時人員已全部疏散完畢。




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