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半导体厂洁净室之节能措施
壹、        前 言# C0 O' t0 ^& n5 O5 w
贰、        国内半导体厂洁净室耗能之现况
) D! ~+ r5 u! A7 Z. O参、        节约能源技术4 E/ |4 }) w7 X9 h% Y! X
肆、        结 论) x7 n2 j% R8 E' `0 E& R
伍、        参考文献
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■ 台北科技大学冷冻空调研究所/萧复文、胡石政、蔡炳煌 ■
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; F/ |) x4 N4 z洁净室耗能为一般空调系统之5~10倍，在国内自产能源匮乏且面临能源消耗日益严重的情况下，如何提升无尘室空调系统的节能技术，以提升生产力与竞争力，是我们必须面对的课题。- c8 D' f# k( n1 f! I( V

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0 i; ~% U/ h5 c近年来，尖端科技产业快速发展，使得晶圆制造或光电技术层级从微米、次微米到奈米，这些产业的制程作业环境，若非于无尘室中进行，其产品即无法达于精密尺度要求。
# \" P+ z$ k6 x9 T7 A' |目前半导体产业的集积度提高，晶圆直径大型化，而洁净室耗能又为一般空调系统之5~10倍，因此能源消耗日益严重。为了维护地球环境生态与永续发展，我们应善尽人类能源与资源之利用，努力提升无尘室空调系统节能技术，以增加生产力、竞争力并灭少能源使用量。以下针对国内半导体厂洁净室耗能之现况以及节约能源技术作探讨。【参考文献1～6】
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  一般电子厂用电总设备容量约为数万马力，契约容量亦为数千乃至数万瓦，全年电费总额更高达数亿元以上，可见半导体厂的耗能相当惊人。为配合==之节能措施，并确切了解国内半导体厂之实际耗能状况，特别针对国内厂家进行研究分析。一般半导体厂耗能流程示意图如图1。
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* k. C* ~9 ^) T 图1. 一般半导体厂耗能流程示意图7 D7 x* W( B: f$ x/ f! v$ q) t+ ?. {7 i6 Z

; u6 g" O5 n, w5 Q- K笔者【参考文献1、2】针对国内九家制造厂实际运转所消耗的电力，做深入统计研究报告，得到平均单位生产晶圆面积电力消耗为2.18kW/m2，平均冷冻负荷0.434 RT/m2，晶圆产量平均耗能1.432 kWh/m2。以整厂耗能分布而言，厂务系统占全厂耗电分布达56.6%，其中含冰水机系统（27.2%）、外气处理系统、空气循环系统、空压系统、排气系统、氮气系统、制程冷却、真空和超纯水系统。制程机台占全厂耗电40.4%、办公室占3%。半导体厂的电力消耗和冷气负荷分布如图2、3及4所示。
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图2. 半导体厂电力消耗分布图【参考文献1】
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* C6 I5 s" c! L! m7 c7 w7 e3 ^图3. 半导体厂之冷气负荷【参考文献1】0 L$ k1 S# X  S' j
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图4. 半导体厂冷气消耗概述2 Y3 @) w! q0 z0 K4 U7 X, o
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半导体厂洁净室之节能措施主要项目分为冰水主机、冰水系统、冷却水系统、外气空调箱、排气系统、照明系统、电力系统及人员、设备操作维护之管理等八类，经专业评估进行规划、施工改善及验证，以达节能之最佳效益。兹将要点概述如下：" A: P8 B& ^, z4 I; O

* x# u, I6 X% K2 Y% g- Y: B) x一、冰水主机: P/ w- |  U' L+ k

8 e: m0 A$ L  t  [( C, N1.        汰换COP值低之往复式主机，改用合乎EER值高效率之涡螺旋或离心式冰水主机。  C/ U" |. O: ]/ K$ |
2.        配合空调负载之变化，规划最佳化之运转台数控制、容量控制与耗能的匹配控制，使每部主机在最佳效率下运转，避免多台主机在低负载、低效率下运转。
! C: [2 @! [- d3 ^. ^+ \; P. T3.        适当调整冰水主机之冰水设定温度，增加1℃约可提高3%之冰水主机效率。
. K7 s* ]+ k9 B/ G- s4.        降低主机之冷凝温度，以提高主机效率。
4 f. M7 m/ }1 W8 }- l5.        定期清洗冷凝器与蒸发器，保持最佳之热传效率，降低压缩机之消耗电力。
& o$ a; F  |% \8 e0 S9 l, q6.        冰水机组之容量控制采无段卸载或变频控制，来降低耗电量。 8 K+ z8 V1 }- q& \' m+ [9 Y% N
二、冰水系统. D% z# P% s, g

- Z+ p9 g' K! Q8 p0 ]0 ~1.        冰水管路系统应力求短截，避免逆回水装置，以减少管路压损而耗功。
$ P) c- A' a4 L5 R  G3 \; n2.        冰水各区域及各设备应设置多功能平衡阀，俾利平衡调整流量，以达设计之水量。
: z- Z5 a4 d  U6 L: H. o" R9 R) I3.        因为流量变小时较省能，故空调箱之冰水流量控制应以二通阀之变流量定温差控制，取代三通阀之定流量定温差控制。
+ i; b9 Z. {( o" |; {4.        当负载变化时，冰水泵应以变频控制其冰水量。由于冰水泵耗功率可按水量三次方的比例降低，因此，变流量控制可以大量的节能，如图5。. G, z, v- ]5 p, {; d8 S
5.        中大型空调系统倾向使用P-S系统（Primary Secondary System）。【参考文献6】
( g! w1 W3 `1 B% d" U(1)        传统之P-S冰水系统：- G# G: A, o* r) X
通常设计时冰水温度和负载的温差相同，使得一次侧冰水流量大于二次侧冰水流量，多余之冰水将自共通管道与回水混合后流回冰水主机；若设计错误或操作不当，则可能造成二次侧冰水流量大于一次侧冰水流量，冰水自共通管逆流而回，使冰水温度升高，造成冷却能力不足。4 F, I; [- m( I9 m: w
为了避免此情况，当共通管的冰水发生逆流时，即应启动一组冰水主机和冰水泵浦，使一次侧冰水流量加大，当共通管的冰水流量大于一组冰水机的流量时，才停止一组冰水主机的运转。换言之，共通管的冰水流动方向应正确，且共通管至少需要5~10倍管径的长度。
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(2)        节能之P-S冰水系统：) ]  [2 y* w* ]3 a' P
多台主机并联时，其共通管之设计应为各主机总回水之共通管，使冰水主机能依不同的设定温度，作最佳化之控制运转模式，提高节能效益。
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; P9 ~8 W+ }. T4 J) T! b, }. Z! j图5. 消耗电力与变流量转速之关系曲线
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  N/ [1 }" A9 q, |; H1 ?三、冷却水系统. u: f3 Q* w1 P' P, }& }( ?

( H8 G, H( x" H/ ]. F* f1.        以多组冷却水塔并联运转，并由冷却水送水温度回馈至变频器，控制水塔风车运转。7 Z6 `5 c! k; r, U' C% @
2.        多台冷却水塔并联运转，水量需平衡才能充分发挥冷却效果。0 L7 r$ ]+ s3 }7 i. c
3.        水塔洒水头水量应分布均匀，使散热片与冷空气充分热交换。
) _, V% k) @; A( J6 _1 V$ m4 R4.        水塔之散热片及水盘、滤网应定期清洗保养，防止结垢及生苔，影响冷却效果。
9 a; }$ O. d" w/ e) ]# @5.        冷却水设定应随外气、湿球温度重置（Reset），亦即以平均湿球温度加上3~5℃为冷却水的出水口温度，则风扇之耗电可大为减少。【参考文献6】
- c. D' x3 A( a, p  m. j+ v3 u6.        当冰水主机冷媒高压压力于正常范围内，其冷却水入口温度每降1℃可省电1.5%～2%。
8 |- ]' n; f4 i# Y5 G* f) ]四、外气空调箱【参考文献5】 + j- j" x: f. q+ y4 a$ M9 n1 j
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1.        外气空调箱风车以变频器控制：
: S' v4 i  L$ Y! V+ W6 t. I充分利用备用空调箱加入运转，将每台风量比例降低。依风车定律，耗电量与风量三次方成正比，如此一来整体外气空调箱可节省44%能源。
4 S9 p+ K; t7 A2 X2.        冷凝水回收利用：
5 y6 {* p& d, Y6 k当引进外气经除湿盘管冷却，达于露点温度即冷凝成低温之水，可作为空气洗涤或冷却水塔补充水，降低冷却水温。* P1 z6 E$ @8 ]$ U8 Z" ~
3.        配合一般排气：
8 R  m0 L; Y- Y利用全热交换器降低引入外气之焓值，大大减少外气空调箱冷却除湿盘管之负荷，相对降低冰水主机耗电量。7 I. L/ `0 E1 P9 u6 _2 a0 T0 g
4.        以热管做冷却除湿盘管前后之热交换：7 L9 z% B1 Z" ^! Z: Q0 |
利用第二道冷却除湿盘管下游之低温空气与引入之高温外气进行热交换，藉以降低引入外气之焓值，并提高再热盘管上游之空气温度，同时降低冷却除湿负荷与再热负荷，达到双重节能目的，如图6。# M, I; a+ |" V6 D+ r+ d
5.        MAU (Make-Up Air Unit)以双冰水温度设计：
0 R" z1 F$ ^. f  b$ B7 ]在第一道冷却除湿盘管，以较高温之冰水供应，而第二道冷却除湿盘管，则供应低温冰水，如此可提高CHU(Chilled Water Unit)系统冰水温度，减少主机耗电量，达到节能目的。
) F6 U! U5 Q9 l6.        冷却除湿盘管串联冰水管路低温设计：
5 [5 S9 q  K) \. }# z& H将低温冰水用于第二道冷却除湿盘管之进水，离开之冰水再进入第一道冷却除湿盘管，最后才回到CHU系统，如此冰水温度可获提高，且冰水流量减少，相对冰水主机及冰水泵之消耗电力大幅减少。
1 T1 l5 A  F" M6 S( s  o* y' `7.        选择高效率之风车：4 o7 Q3 ~& l$ {) E8 X. g* u! m
MAU风车之选定，不应只考虑全数满载运转之性能，应评估实际运转之效率，避免在低效率下运转。
+ T! N3 I( W) s4 o/ Q6 T7 ~8.        冰水主机热回收：
5 ]7 i8 p/ D/ r3 _3 r利用可热回收之冰水主机，应用于外气空调箱之加热盘管所需要的热水。
/ W* I( R+ j  G; j% \* Q$ L9.        减少外气量：
. G0 ~7 _9 l( r+ h% p0 b6 G除维持正压及制程所需之排气需求外，外气之引入量尽可能减少，并防止从逆止风门、门缝及空调箱之泄漏。! [7 m$ v; m# g, W, L) @' t3 I
10.        清除污染物：
- L; S& X8 i" O% |9 G以空气洗涤器清除气状污染物，水量宜少并要雾化，可减少泵浦之消耗能力。! o# I+ [# H4 |, e; D) @6 o
11.        防止冷凝水蒸发：( \4 A# M6 {4 g5 s, R' y* l
冷却除湿盘管之冷凝水应防止其再蒸发，否则易增加盘管之负荷，提高耗能量。因此可于冷却除湿盘管与再热盘管间设置挡水帘，防止冷凝水被风带走而蒸发。 & Q5 ^7 f; q4 n6 ?! O3 s
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图6. 装配热管的外气空调箱之盘管示意图2 ~, K) p6 t% g
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五、排气系统2 C4 f+ M* }( \$ f! ?1 z- j# T
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1.        洁净室内之温度，夏季比外气低，冬季比外气高，在制程排气应用可藉由热管热交换器回收显热，作为外气之预冷及预热，如图7、8。; t- B& h- b, N& `( K
2.        一般热排气，可藉由全热交换轮回收空潜热、显热，予以应用。0 n7 k5 I5 Y5 O7 c
3.        检讨评估最佳化之排风量，避免过大之排风量造成冷气浪费，并可减少风车耗电。
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图7. 热管结构与动作示意图) F- i! [. H$ G! B
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图8. 全热交换器原理构造5 h$ c( @5 \" C7 j0 v& g8 k5 c
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六、照明系统# g! \; \0 W! i# l

* h, g; X2 f0 A+ U1 Z* W' s' N9 ?$ \1.        配电系统设计应符合安全规范标准，配电容量不足时，电能负载加大，电压降亦大，形成电压不足、电能及发光效率降低，造成能源浪费。. \; ?; W7 n, m/ v9 ?- |! B/ `* T
2.        选用省能之高功率电子式安定器，汰换低功率之照明器具。 4 `6 W: I- I0 _" d% M
七、电力系统
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& s) h* C" \( t, u8 M1.        分别自高、低压及负载侧并联进相电容器，提高功率因子，改善电功率，减少耗能。; x% z1 g/ |" M0 B- @
2.        对负载率太低的变压器，应考虑合并负载的可能，使变压器的效率能维持在50~60%之最佳负载。
; X9 h# k7 m4 f, q" d八、储冰系统$ H+ l4 |! R- }
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半导体厂的空调负载尖、离峰变化不大，因冰水主机皆有备用，故可将备用系统利用作为储冰主机，于离峰时段制冰，储存冷能，可转移部份尖峰用电，或作为台电限电时之备用系统。3 Y& J+ J( s# }+ a1 q

" y6 k$ J) w6 o2 y九、吸收式冰水主机+ T0 U- M% Q5 X

, y8 N# u  L) B" L- \吸收式冰水主机所耗电力仅数马力之溶液泵，耗电力小，可作为台电停电或限电时之备用紧急空调系统，以减少紧急发电机容量，若有既设之蒸发锅炉余热或废热作为热源，其COP值可更为提高。
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/ s0 D* e8 X: X. D1 F  S# o) \# I十、C / R内循环送风系统【参考文献3】
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5 B7 R2 l# n7 W* P采用高效率（≧35%）FFU（Fan Filter Unit）系统，用以取代传统洁净室风量循环系统中之大型可变距轴流风机或空调箱（Air handling Unit，AHU）系统，其优点如下：
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1.        天花板可模块化施工，工期短，有利制程调整FFU之弹性安装。
6 `" N* K( ?. q0 R2.        天花板内气压低于C / R之气压，尘埃不易进入无尘室，天花板面密封简5 }7 W8 y1 g- a% h/ v; R
单，滤网更换及维修方便，不影响制程。
# c  `' v4 V! Q3.        FFU循环系统压损小，马达耗电小。9 k  |7 |( _2 h! P
4.        FFU噪音与耗电皆较小，不像轴流风机或AHU系统，出入口需加装消音器。
9 p* G+ B" ~$ e5 y( J1 S" |6 h0 Q5.        对FFU、轴流风机、空调箱循环系统之耗能比较，以FFU消耗电力最低【参考文献4】，如图9。 ! T0 S& i" U( b5 j; t* _# v

3 P" u+ N) C* u图9. 循环送风系统电力消耗比较
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8 U+ s, W' z! V& W2 Z' `十一、微环境系统【参考文献1】( f4 V. J( h# l% e! a9 m/ l& r
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微环境是针对高洁净度要求之制程作特别隔离措施，配合机台加装特殊设备，使特定区域机台达到严格的环境要求，另外较不严格的环境即采宽松标准，可节省巨大的初置费用和大量的空调耗电量。# e5 \# e# }" B  T2 c  Y

2 z2 P5 F# V2 d* M十二、最省能配置【参考文献3】
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利用Filter水平与垂直出风量不同变化，找出最省能配置。若定义DR＝水平方向风量：垂直方向风量，在DR＝6：4、 Filter覆盖率35%时，其效果与DR＝0：10、 Filter覆盖率100%时效果相当。由此可知，最佳化之风量方向比，不仅可省能亦能省钱，如图10。% _7 c7 U- K! n/ H- r% Y
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图10. 最佳化风量方向比6 [% b: X6 [2 m) x4 r" b3 W

) T3 R! [: q4 u% |' S十三、人员、设备操作维护之管理
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  Z+ X& x' i1 F1.        加强人员操作维护的培训及认证，藉以 提高技术人员之素质，以利执行最佳化 的操作、运转与维护。
! t4 P) |/ }8 V2.        定期检测各系统设备之控制功能及平衡调整，使各项机器设备能发挥最大之效率。
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+ m+ D  t, w  Q! Y$ [9 k一、        目前经济部能源委员会正积极倡导节约能源，提供加速折旧、投资抵减及优惠贷款等措施，鼓励厂商购置节能设备，进而改善能源，并做最佳应用与管理，可见==对能源与资源有效利用之重视。6 B/ z4 M! T' z9 e) t9 i
         7 h( \) |( d, ]. s
二、        半导体厂洁净室在追求高洁净度与低成本原则下，从建厂设计至量产运转维护，为提升其生产竞争力，对系统能源消耗的状况平时皆能建立完整的检测与运转记录，作为节能规划的评估参考，进而执行改善方案之程序、步骤，并经检测、认证及效益分析，使得各项设备的性能与系统效益发挥至最大，达成节能目标，提升国际竞争力。+ W/ q) [" z, X& O3 v! q$ R' _

# ?6 n' g& b; N  |  @5 x三、        节能措施方案应谨慎评估其效益，于不影响产能及良率下，其对长期降低生产成本之贡献度值得考虑。) ~8 j) @8 M5 U* g8 k. z6 u. g, J

' G- H1 W" g  H2 q: r" t6 ~" W6 P1.        胡石政,"高科技产业耗能耗电研究"，国科会89年度委托研究计划。
* ]) C$ Y" i- H2.        S. C. Hu and Y. K. Chuah, Power Consumption of semiconductor fabs in Taiwan, Energy, 28(2003) p.895-907
0 a2 F' Y  c  m/ N- c3.        胡 石 政 :Cleanroom Design Lecture Note. Department of Airconditioning and Refrigeration, National Taipei University of Technology.2002.。
' O$ C6 K0 x. O9 K2 E; |  f* B4.        李文锦「半导体厂房洁净室的节能空调设计之探讨」，中国冷冻杂志_1997年12月。0 c. H9 }; L% A
5.        陈良铜、王文博「电子厂外气空调箱可能与可行的节能」方式，冷冻与空调_2001年6月。4 v. p% @0 \  {& {8 h8 R5 Q
6.        中技社王文伯等人"半导体制造厂能源利用之查核与分析",冷冻与空调_1998年10月。

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