半导体芯片厂Fab无尘室空调的节能方法设计_王伯圣.pdf

Application 创新应用396 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月动阀、变频器等自控系统，自动调降工艺排气风机频率及MAU空调风机频率，降低运行排风送风量，相应节省用电量及减少空调制冷量。减少正压风量、MAU新风量节能。保持无尘室正压目的，是为防止室外空气由无尘室缝隙泄漏进无尘室，将室外污染颗粒带入无尘室。要保持无尘室正压，必须保持室外新风量大于工艺排气量。一般洁净度与正压值成正比，即洁净度越高正压值越大，正压风量越大。半导体Fab无尘室面积大，吊顶高，排气量大，无尘室排气量与正压风量之和一定大于人员所需新风量。所以采取措施减少正压风量，即减少MAU空调机组新风量，达到节能目的。由MAU空调机组送新风，弥补无尘室泄漏风量，维持洁净生产区正压。计算正压风量，一般采用缝隙法计算渗漏风量。无尘室压差对应围护结构单位长度缝隙的渗漏风量参考指标，见GB50073-2013，洁净厂房设计规范6.2.3表7，正压风量=a(qL)，见规范说明。减少渗漏风量，即减少正压风量。计算正压风量，也可采用换气次数估算法。正压风量=无尘室体积正压换气次数。减少无尘室体积、减少正压换气次数，即减少正压风量。减少渗漏风量、无尘室体积、正压换气次数，方法有：（1）0 引言半导体芯片厂Fab无尘室工艺机台数量多、生产时散热量大、工艺排气量大。Fab车间无尘室面积大，如12英寸晶圆厂月产量30k片，无尘室面积一般达到40 000m2左右，无尘室内冷负荷大，能耗高。产量越大，能耗指标越高。处理无尘室工艺机台等散热、补充工艺排气、过滤颗粒，一般采用MAU新风空调+FFU单元式过滤机组+DCC干盘管空气处理模式，运行风量大、用电量大、制冷量大、空调水流量大，能耗高。无尘室空调系统节能设计意义重大。1 空调节能分析方法针对半导体芯片厂Fab车间无尘室空调节能设计，从以下方面进行节能分析：工艺排气、正压、MAU空调等风量控制；风压、变频控制；优化设备选型、空间布局。2 风量控制节能减少工艺排气量、MAU新风量节能。半导体芯片厂制程机台排气量很大，由于无尘室必须保持正压，因此排出多少气体必须补充更多的外气以防止无尘室变为负压。室外新风经由空调箱的除湿过程耗能高。如降低制程的排气量，相应可减少室外新风补充量，节约能耗大。机台产量降低或待机运行时，采用PLC控制器、压差传感器、风速传感器、气作者简介：王伯圣，上海精泰机电系统工程有限公司；研究方向：集成电路制造的暖通空调设计技术。收稿日期：2022-05-05；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述半导体芯片厂Fab无尘室风量、风压、进出风温度、变频控制、空调水、空间布局的节能设计途径，探讨Fab优化空间布局的节能方法，节能计算和分析。关键词：半导体芯片制造，无尘室设计，节能优化。中图分类号：TN405文章编号：1000-0755(2023)06-0396-02文献引用格式：王伯圣.半导体芯片厂Fab无尘室空调的节能方法设计J.电子技术,2023,52(06):396-397.半导体芯片厂Fab无尘室空调的节能方法设计王伯圣（上海精泰机电系统工程有限公司，上海 200136）Abstract This paper expounds the design specifications for the air volume,air pressure,inlet and outlet air temperature,variable frequency control,air conditioning water,and spatial layout of the Fab clean room in a semiconductor chip factory.It explores the energy-saving methods,energy-saving calculations,and analysis of Fabs optimized spatial layout.Index Terms semiconductor chip manufacturing,clean room design,energy-saving optimization.Design of Energy-saving Methods for Fab Cleanroom Air Conditioning in Semiconductor Chip FactoriesWANG Bosheng(Shanghai KEE Electromechanical System Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 397增加每块吊顶隔墙壁板板面宽度、长度，减少缝隙总长度。（2）除必要的人物流口、救援口，减少围护结构门窗、管道洞口等，减少正压换气次数。（3）无尘室吊顶、隔墙采用密闭性好的材料。（4）满足工艺需求，尽量降低吊顶标高，机台高的位置局部抬高吊顶标高，减少无尘室体积。（5）附属机台移至非洁净区域，减少无尘室面积、体积。（6）增加无尘室围护结构洞口、壁板缝隙密封等措施，减少正压换气次数；减少MAU风量，相应减少用电量。3 降低MAU进风温度节能MAU空调机组制冷量=风量1.23(T新风-T室内)/3 600。T室内室内环境温度需求固定，降低T新风即可降低新风制冷量。降低T新风的方法有：（1）利用建筑阴阳侧温差。MAU空调机组新风进口，夏季可以从建筑阴侧（光照时间短或光照弱）采新风，冬季从建筑阳侧（光照时间长、光照强）采新风。MAU进风主管，设计两路进风口，分别接阴侧、阳侧新风口，冬夏季采用气动阀切换控制。（2）利用地下冷热源（冬暖夏凉）。Fab厂房建2.5m高地下室，地下室地面至室外地坪1m高，室外地坪至地下室顶棚1.5m高，外墙（室外地坪以上）进新风，由地下冷源降低T新风温度。地下室中间位置用土建墙建新风井道直通空调机房。MAU空调机组进风口经新风井道采地下室冷新风，节能效果很好。4 降低MAU空调送风温度节能夏季MAU空调箱将外界高温高湿气体降温至机器露点除湿，除湿后空气温度约11左右，因低温送风，风管、风口表面及其周边空气易结露冷凝，所以低温空气不能直接送至无尘室，必须经热水盘管再热后方能送至无尘室，一般送风温度为18左右，送至FFU吊顶上部静压箱层与循环气流混合。无尘室内冷负荷Q0一般包含工艺机台、照明、FFU、人员等散热，围护结构传热等。无尘室内冷负荷Q0=Q1（干盘管制冷量）+Q2（低温送风吸收室内散热量Q2），Q0固定，如增加Q2，即减少干盘管制冷量Q1，达到节能目的。假如MAU空调系统可以低温送风，就可节约再热能源，也节约干盘管处理内负荷制冷量。低温送风主要须防冷凝，方法有：（1）将FFU吊顶上静压箱层内MAU送风管道全部做30mm橡塑保温，外加薄镀锌钢板外保护，既保温又防尘；（2）所有末端送风口设防结露风口；（3）增加送风口数量且均匀布置，单个送风口风量控制在1 000CMH以内，且出风口风速控制在1.5m/s内，实现静压箱层均匀送新风，防止冷凝。5 降低风压节能降低MAU空调风系统、FFU单元式过滤机组压损方法有：（1）增加次干管，缩短路径，减少风管配件（弯头、三通等）、阀件，降低风阻。（2）选用压损小的空调设备、空气过滤器等，降低局部阻力。（3）一般设23台备用MAU空调，空调系统运行时，可开启全部备用机组。空调系统总送风量不变，增加开启空调机组数量，降低每台机组送风量，即降低每台空调机组风压（当然送风风压需满足末端送风量）。（4）将洁净度等级高的无尘区域离空调机房就近布置，前段风管管路短，就近送出大风量空调风；后段风管管路长，送风量大大减小。大大减少MAU风机风压。（5）FFU单元式过滤机组，可采用多档调速、集成化控制系统，根据工艺需求，自动调降循环风量，降低风压，减少用电能耗。（6）当然根据工艺需求，自动调节FFU开启比例，增强节能效果。6 采用变频控制节能设计在线洁净度、温湿度、压差等检测系统、空调自动控制系统，根据无尘室实时环境参数，自动调节工艺排气风机频率、MAU空调系统风机频率，节约用电能耗，达到节能目的。7 优化空调水系统设计节能（1）选型设计COP值高的制冷机组，节能效果明显；（2）制冷机组制中温冰水比低温冰水COP值高。工艺冷却水、干盘管、MAU空调预冷采用中温冰水。假设制冷量3 000冷t，中温冰水冷冻机组COP值6.4，低温冰水冷冻机组COP值5.7，大约中温冰机每小时节约用电功率202kW。（3）优化管路布局，增加次干管、减少管配件、阀件，选型低水阻设备，降低水泵扬程，节能水泵能耗。（4）正常采用5温差设计，改为7大温差空调水系统设计，降低水流量，节约能耗。（5）采用中温热回收制冷机组。将PCW工艺冷却水、DCC干盘管、MAU空调预冷中温冰水温升热量回收，夏季可用于MAU再热、生活热水等，节约能耗。8 优化空间布局的节能方法（1）微环境节能设计方法。（2）满足工艺需求时，尽量降低吊顶标高，高机台部位可局部抬高吊顶，降低无尘室体积，减少FFU循环送风量，节约能耗。（3）Fab工艺主机的辅机较多，产尘、散热较大，满足工艺需求时，可将工艺辅机布置在无尘室之外区域，减少无尘室面积，节约能耗。9 结语本文根据半导体芯片厂Fab无尘室风量、风压、进出风温度、变频控制、空调水、空间布局等方面的节能设计途径，探讨节能计算和分析。参考文献1 GB 50073-2013,洁净厂房设计规范S.2013.2 GB 50472-2008,电子工业洁净厂房设计规范S.2008.3 陆耀庆.实用供热空调设计手册M.北京:中国建筑工业出版社，2008.