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技术文章
洁净技术概述
2021-07-09
洁净技术概述

一、净化技术概述

洁净室就是洁净的室,是悬浮粒子浓度受控的房间,是进入、产生、滞留于室内的粒子最少,而且室内其他参数,如温度、湿度、压差等按产品生产的需要受控的房间。

洁净技术及污染控制技术(Contamination Control),其全面的概念应是:对加工或处理对象在加工处理过程中,由于污染物质的存在,影响对象的成功率,而对到达对象表面的污染物质进行控制后,能提高对象的成功率,此有效控制污染物质(亦包括加工或处理对象带有对人体有害的污染物质需进行处理及隔离)的技术称为洁净技术或污染控制。

洁净技术与污染物质的控制方法因加工处理的对象而异。如精密机械加工要求控制工件表面的粒子尺寸及浓度,一般都以控制空气中的粒子尺寸及其浓度来解决;医疗、卫生、制药等以控制空气中的粒子尺寸及其浓度和微生物数来解决;而IC 生产随着集成度的提高,线宽的减少,当前要求严格控制硅表面的粒子尺寸及其浓度、有机物质、金属物质、吸附的某些分子以及硅片本身的氧化。因此除了控制洁净室空气中的粒子尺寸及其浓度并有机物质外,还须控制工艺介质如高纯水、高纯气体、特种气体及化学品(液)内的粒子尺寸及其浓度、金属物质、有机物质及某些气体不纯物质。

因此,洁净技术涉及的内容范围是很广的,可以是洁净室技术的研究、开发;洁净室各系统(壁板系统、吊顶系统、地板系统、空气净化及空调系统)以及其它服务系统(如洁净工作服、洁净室专用抹布等消耗品)的研究、开发、设计、应用设计、安装、运行及管理等的介绍及经验总结;洁净厂房施工技术仅为此领域内容之一。

国内外洁净技术的发展是随着科学技术的发展、工业产品的日新月异,特别是军事工业、航天、电子和生物医药等工业的发展而不断发展;是按照产品生产对“洁净生产环境”中的污染物的控制要求、控制方法以及控制设施的日益严格而不断发展。洁净厂房的设计与施工,是一门跨专业、跨部门、跨学科的综合性的新兴分支学科,它与许多行业、很多学科有着千丝万缕的联系,又有着自己独特的特点。在洁净厂房内生产的相关产品即象征着它的高品质与其高科技。此项施工技术适用于制药、医疗、核电站、微电子、化妆品、食品与饮料、实验室、航空、生物工程、精密机械加工、印刷等有洁净等级要求的工程施工。近 20 年来,中国洁净技术蕴藏着巨大的市场空间,每年有不少于 165 亿人民币(约 20 亿美元)的市场份额,归纳起来在各个领域的分布大致如下:



信息产业微电子 30 亿人民币/年

信息产业光电子 20 亿人民币/年

医药、生物工程 45 亿人民币/年

医疗卫生 60 亿人民币/年

其他 10 亿人民币/年


总之,洁净技术正日益被相关行业越来越多的有识之士所重视和广泛研究。

二、洁净室(厂房)及相关设施的内容

洁净室的建造和使用应减少室内诱入、产生及滞留粒子,即应不引入或少引入微粒,应不产生或少产生微粒,应不滞留或少滞留微粒等;应对洁净室内的温度、湿度、压力等参数按产品生产要求进行控制;根据产品生产要求还需对洁净室内的气流分布、气流速度以及噪声、振动、静电等进行控制。所以,洁净室(厂房)及相关设施大致可以分为八类:

(1)空气净化设备(制冷设备、空调机组、洁净台⋯);

(2)洁净室系统(地面/地板、吊顶/FFU、金属壁板、门、传达窗/观察窗、灯具);

(3)工艺介质供应系统(含设备)(纯水、纯气、特气、化学品⋯);

(4)微振控制及静电防护;

(5)洁净服系统、洁净室用品(台、椅、柜、架、吸尘器⋯)、洁净室消耗品;

(6)检测仪器;

(7)环保设施(废气处理系统、废水处理系统);

(8)专用设备(生物隔离装置、微环境⋯)。

电子产品生产对生产环境的控制要求,不仅对房间的空气洁净程度有严格要求,而且还对与电子产品生产过程直接接触的各种高纯介质——高纯水、高纯气体、高纯化学品等的纯度杂质含量等要求控制得十分严格;某些电子产品对振动、静电、电磁干扰、电力供应等也有较为严格的要求等。


三、洁净室(厂房)与一般空调房间的区别

项目

一般空调房间

洁净室

目的

对温、湿度、风速空气成分等要进行控制

除空调房间参数以外重点要控制空气中的粒子浓度

手段

采用粗、中效过滤和热湿交换
设备

除空调房间手段外还要进行高效超高效过滤器过滤,对活的粒子还要灭菌、消毒

送风量

一般降温 8-10 次/h 换气

单向流洁净室 400-600 次/h 换气

恒温房间 10-15 次/h 换气

非单向流洁净室 15-60 次/h 换气

室内压力

室内应有正压,但不是重要的
指标

室内必须有正压,防止外部灰尘渗入;生物安全须维持负压

维护管理

定期检测温度、湿度

除温、湿度检测以外还要检测洁净度

能量消耗

冷量 100-200w/m2
电量 50-100w/m2

冷量 400-1500w/m2
电量 150-1500w/m2

人物进出的控制

没有特别控制手段

人进入要换鞋、更衣、吹淋有时还要淋浴;
物进入要擦拭,吹淋等
人流、物流分开、洁污分流


四、洁净室(厂房)的建造程序

按照国际标准 ISO14644-4,洁净厂房的建造应经过工程设计、工程施工安装、工程验收等过程,具体的建造程序如下图 1-1 所示:
  

五、洁净厂房建造的特点

1、洁净厂房对室内的温度、相对湿度、洁净度、压力、噪声等环境参数都有严格的要求。生产工艺不同对温湿度及其精度、洁净度等参数的要求也不同。例如某集成电路前工序的洁净厂房中要求的参数是温度 23±0.2℃,相对湿度 45±3%,洁净度 1 级(0.1μm);一般要求的参数是温度 23±1℃,相对湿度 50±5%,洁净度 100 级、1000 级、10000 级。

2、洁净厂房建造的初投资高
为满足生产工艺对环境的要求,建造洁净厂房时要在空调恒温恒湿和空气净化方面采取必要的措施,再加上防静电、防微振、防电磁等在洁净建筑上的特殊处理同时还要为洁净厂房提供高纯水、高纯气和高纯溶剂,因此洁净厂房的投资很高。以前述的集成电路前工序的洁净厂房为例,12000m2的洁净厂房,其建厂的基建费用大约为 20 亿人民币,而核心部分洁净厂房单位面积的建造费高达 50000 元/m2 ,十分昂贵。

3、洁净厂房的运行费用高
洁净厂房的温、湿度、洁净度要求高,新风量和送风量大。因此,洁净厂房运行时空气的输送和制冷、制热消耗的能量很大,运行费很高。
还是上述的洁净厂房,送风量高达 6400000m3 /h,其中单向流洁净厂房换气量约 450 次/h,非单向流的换气量约 42 次/h,就其输送空气的耗电量约 3840kw/h,全年按 300 天,每天按 24 小时,每度电按 0.6 元/度计算,全年输送空气所花费用约 1659 万元。
洁净厂房的空调冷量消耗很大,对于电子工业的洁净厂房而言,由于设备产热量高,排风量大,单位面积耗冷量高,对于 1 级和 100 级洁净厂房的单位面积耗冷量超过 1000w/m2 ;1000 级和 10000 级洁净厂房的单位面积耗冷量大约为500-700w/m2 。由于洁净厂房内发热量大,大多数情况下冬季也要开冷冻机,如果冬季按 120 天,冬季耗冷量为夏季的 1/3 计算,上述洁净厂房供冷所耗电量10000kw/h,全年供冷的电费为 4000 万元-5000 万元。从上可见,洁净厂房的空调、净化的运行费用是非常高的。

4、洁净厂房的设计、建造要安全、可靠,还应具有一定的灵活性。
如前所述建造洁净厂房要投入巨大的资金,使用洁净厂房还要花费昂贵的运行费用,其目的是洁净厂房能为生产提供可靠的高成品率的环境条件,能创造更大的经济和社会效益。同时当前科学技术发展非常迅速,产品的更新换代频繁,尤其微电子工业更加突出,每两年上一个台阶,这就要求设计和建造洁净厂房时要考虑到工艺生产的发展,使洁净厂房能适应工艺的变化,具有很好的灵活性。



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