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淨化車間工程
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百級至三十萬級淨化車間
作者:山東淨化廠房 | 發布時間:2018/11/10 11:33:24 | 點擊量: |來源:http://www.budapesthoteldesk.com/

無塵室(Clean Room),亦稱為無塵室或清淨室或淨化車間。它是汙染控製的基礎。沒有無塵室,汙染敏感零件不可能批量生產。在 FED-STD-2裏麵,無塵室被定義為具備空氣過濾、分配、優化、構造材料和裝置的房間,其中特定的規則的操作程序以控製空氣懸浮微粒濃度,從而達到適當的微粒潔淨度級別。

  無塵室是指將一定空間範圍內之空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等之汙染物排除,並將室內之溫度、潔淨度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音振動及照明、靜電控製在某一需求範圍內,而所給予特別設計之房間。亦即是不論外在之空氣條件如何變化,其室內均能俱有維持原先所設定要求之潔淨度、溫濕度及壓力等性能之特性。

  無塵室***主要之作用在於控製產品(如矽芯片等)所接觸之大氣的潔淨度日及溫濕度,使產品能在一個良好之環境空間中生產、製造,此空間我們稱之為無塵室。按照國際慣例,無塵淨化級別主要是根據每立方米空氣中粒子直徑大於劃分標準的粒子數量來規定。也就是說所謂無塵並非***沒有一點灰塵,而是控製在一個非常微量的單位上。當然這個標準中符合灰塵標準的顆粒相對於我們常見的灰塵已經是小的微乎其微,但是對於光學構造而言,哪怕是一點點的灰塵都會產生非常大的負麵影響,所以在光學構造產品的生產上,無塵是必然的要求。

  如表所示,每立方米將小於0.5微米粒徑的微塵數量控製在3500個以下,就達到了國際無塵標準的A級。目前應用在芯片級生產加工的無塵標準對於灰塵的要求高於A級,這樣的高標主要被應用在一些等級較高芯片生產上。微塵數量被嚴格控製在每立方米1000個以內,這也就是業內俗稱的1K級別。

  二、無塵室控管之項目

  1. 能除去空氣中飄遊之微塵粒子。

  2. 能防止微塵粒子之產生。

  3. 溫度和濕度之控製。

  4. 壓力之調節。

  5. 有害氣體之排除。

  6. 結構物與隔間之氣密性。

  7. 靜電之防製。

  8. 電磁幹擾預防。

  9. 安全因素之考慮。

  10. 節能之考量。

  三、無塵室之分類

  1.亂流式(Turbulent Flow):

  空氣由空調箱經風管與無塵室內之空氣過濾器(HEPA)進入無塵室,並由無塵室兩側隔間牆板或高架地板回風。氣流非直線型運動而呈不規則之亂流或渦流狀態。此型式適用於無塵室等級1,000-100,000級。

  優點:構造簡單、係統建造成本,無塵室之擴充比較容易,在某些特殊用途場所,可並用無塵工作台,提高無塵室等級。

  缺點:亂流造成的微塵粒子於室內空間飄浮不易排出,易汙染製程產品。另外若係統停止運轉再激活,欲達需求之潔淨度,往往須耗時相當長一段時間。

  2.層流式(Laminar):

  層流式空氣氣流運動成一均勻之直線形,空氣由覆蓋率***之過濾器進入室內,並由高架地板或兩側隔牆板回風,此型式適用於無塵室等級需定較高之環境使用,一般其無塵室等級為Class 1~100。其型式可分為二種:

  (1)水平層流式:水平式空氣自過濾器單方向吹出,由對邊牆壁之回風係統回風,塵埃隨風向排出室外,一般在下流側汙染較嚴重。

  優點:構造簡單,運轉後短時間內即可變成穩定。

  缺點:建造費用比亂流式高,室內空間不易擴充。

  (2)垂直層流式:房間天花板完全以ULPA過濾器覆蓋,空氣由上往下吹,可得較高之潔淨度,在製程中或工作人員所產生的塵埃可快速排出室外而不會影響其它工作區域。

  優點:管理容易,運轉開始短時間內即可達穩定狀態,不易為作業狀態或作業人員所影響。

  缺點:構造費用較高,彈性運用空間困難,天花板之吊架相當占空間,維修更換過濾器較麻煩。

  3.複合式(Mixed Type):

  複合式為將亂流式及層流式予以複合或並用,可提供局部超潔淨之空氣。

  (1)潔淨隧道(Clean Tunnel):以HEPA或ULPA過濾器將製程區域或工作區域***覆蓋使潔淨度等級提高至10級以上,可節省安裝運轉費用。

  此型式需將作業人員之工作區與產品和機器維修予以隔離,以避免機器維修時影響了工作及品質,ULSI製程大都采用此種型式。

  潔淨隧道另有二項優點:A.彈性擴充容易; B.維修設備時可在維修區輕易執行。

  (2)潔淨管道(Clean Tube):將產品流程經過的自動生產線包圍並淨化處理,將潔淨度等級提至100級以上。因產品和作業員及發塵環境相互隔離,少量之送風即可得到良好之潔淨度,可節省能源,不需人工的自動化生產線為***適宜使用。藥品、食品業界及半導體業界均適用。

  (3)並裝局部無塵室(Clean Spot):將無塵室等級10,000~100,000之亂流無塵室內之產品製程區的潔淨度等級提高為10~1000級以上,以為生產之用;潔淨工作台、潔淨工作棚、潔淨風櫃即屬此類。

  潔淨工作台:等級Class 1~100級。

  潔淨工作棚:為在亂流式之無塵室空間內以防靜電之透明塑料布圍成一小空間,采用獨立之HEPA或ULPA及空調送風機組而成為一較高級之潔淨空間,其等級為10~1000級,高度在2.5米左右,覆蓋麵積約10m2以下,四支支柱並加裝活動輪,可為彈性運用。

  四、無塵室氣流之流動

  無塵室的潔淨度往往受到氣流的影響,換言之,即人、機器隔間、建築結構等所產生的塵埃之移動、擴散受到氣流的支配。

  無塵室係利用HEPA、ULPA過濾空氣,其塵埃的收集率達99.97~99.99995%之多,因此經過此過濾器過濾的空氣可說十分幹淨。然而無塵室內除了人以外,尚有機器等之發塵源,這些發生的塵埃一旦擴散,即無法保持潔淨空間,因此必須利用氣流將發生的塵埃迅速排出室外。

  無塵室內的氣流是左右無塵室性能的重要因素,一般無塵室的氣流速度是選0.25~0.5m/s之間,此氣流速度屬微風區域,易受人、機器等的動作而幹擾趨於混亂、雖提高風速可抑製此一擾亂之影響而保持潔淨度、但因風速的提高,將影響運轉成本的增加,所以應在滿足要求的潔淨度水準之時,能以***適當的風速供應,以達到適當的風速供應以達到經濟性效果。

  另一方麵欲達到無塵室潔淨度之穩定效果,均一氣流之保持亦為一重要因素,均一氣流若無法保持,表示風速有異,特別是在壁麵,氣流會延著壁麵發生渦流作用,此時要實現高潔淨度事實上很困難。

  垂直層流式方向要保持均一氣流必須:(a)吹出麵的風速不可有速度上的差異;(b)地板回風板吸入麵之風速不可有速度上的差異。速度過低或過高(0.2m/s,0.7m/s)均有渦流之現象發生,而0.5m/s之速度,氣流則較均一,目前一般無塵室,其風速均取在0.25~0.5m/s之間。

  影響無塵室的氣流因素很多,如製程設備、人員、無塵室組裝材、照明器具等,同時對於生產設備上方氣流的分流點,亦應列入考慮因素。

  一般操作台或生產設備等表麵的氣流分流點,應設於無塵室空間與隔牆板間距2/3之處,如此可使作業人員工作時,氣流可從製程區內部流向作業區,而將微塵帶走;若分流點配置在製程區前方,將成為不當的氣流分流,此時大部份的氣流將流至製程區之後,作業員操作所引起的塵埃將被帶到設備後麵,工作台因而將受到汙染,良率也勢必降低。

  無塵室內的工作桌等障礙物,在相接處均會有渦流現象發生,相對地在其附近之潔淨度將會較差,在工作桌麵鑽上回風孔,將使渦流現象減少***低;組裝材料之選擇是否恰當、設備布局是否完善,亦為氣流是否成為渦流現象之重要因素。

  五、無塵室之構成

  無塵室的構成是由下列各項係統所組成(在所組成的係統分子中是缺一不可的),否則將無法構成一完整且品質良好的無塵室:

  (1)天花板係統:包括吊杆(Ceiling rod)、綱梁(I-Beam或U-Beam)、天花板格子梁(Ceiling grid或Ceilingframe)。

  (2)空調係統:包括空氣艙、過濾器係統、風車等。

  (3)隔牆板(Partitional wall):包括窗戶、門。

  (4)地板:包括高架地板或防靜電舒美地板。

  (5)照明器具:包括日光燈、黃色燈管等。

  無塵室之建築主體構造,一般是用鋼筋或骨水泥,但無論是何種構造,必須滿足如下之條件:

  A.不會因溫度變化與振動而發生裂痕;

  B.不易產生微塵粒子,且很難附著粒子;

  C.吸濕性小;

  D.為了維持室內之濕度條件,熱絕緣性要高;

  六、無塵室按用途分類(可分為兩大類)

  (1)、工業無塵室——以無生命微粒的控製為對象。主要控製空氣塵埃微粒對工作對象的汙染,內部一般保持正壓狀態。 它適用於精密機械工業、電子工業(半導體、集成電路等)宇航工業、高純度化學工業、原子能工業、光磁產品工業(光盤、膠片、磁帶生產)LCD(液晶玻璃)、電腦硬盤、電腦磁頭生產等多行業。

  (2)、生物無塵室,主要控製有生命微粒(細菌)與無生命微粒(塵埃)對工作對象的汙染。又可分為; A、 一般生物無塵室,主要控製微生物(細菌)對象的汙染。同時其內部材料要能經受各種滅菌劑侵蝕,內部一般保證正壓。實質上其內部材料要能經受各種滅菌處理的工業無塵室。例:製藥工業、醫院(手術室、無菌病房)食品、化妝品、飲料產品生產、動物實驗室、理化檢驗室、血站等。

  B、 生物學安全無塵室:主要控製工作對象的有生命微粒對外界和人的汙染。內部要保持與大氣的負壓。例:細菌學、生物學、潔淨實驗室、物物工程(重組基因、疫苗製備)

  第8樓亂流無塵室的原理和特性

  1、定義:亂流無塵室的定義是氣流以不均勻速度、不平行流動、伴有回流或渦流的無塵室.

  2、原理:亂流無塵室靠送風氣流不斷稀釋室內空氣,將汙染空氣逐漸稀釋,來實現潔淨的(亂流無塵室一般設計在千級以上至30萬級淨化級別)。

  3、特性:亂流無塵室是靠多次換氣來實現潔淨與潔淨級別。換氣次數決定定義中的淨化級別(換氣次數越多,淨化級別越高)

  (1)、自淨時間:是指無塵室按設計換氣次數開始送風到無塵室,室內含塵濃度達到所設計的淨化級別的時間。 1,000級希望不超過20min(分鍾) (可取15min計算) 10,000級希望不超過30min(分鍾) (可取25min計算) 100,000級希望不超過40min(分鍾) (可取30min計算)

  (2)、換氣次數(按上述自淨時間要求設計)1,000級 43.5—55.3次/小時 (規範:50次/小時) 10,000級 23.8—28.6次/小時 (規範:25次/小時) 100,000級 14.4—19.2次/小時 (規範:15次/小時)

  七、無塵室汙染源知識

  1、發塵量

  無塵室內的發塵量,來自設備的可考慮通過局部排風排除,不流入室內;產品,材料等在運送過程中的發塵與人體發塵量相比,一般極小,可忽略;由於金屬半壁(彩鋼夾心板)的應用來自建築表麵的發塵也很少,一般占10%以下,發塵主要來自人,占90%左右。在人的發塵量上,由於服裝材料和樣式的改進,發塵***量也不斷減少。

  A、材質:棉質發塵量***大,以下依次為棉、的確良、去靜電純滌綸、尼龍。

  B、樣式:大掛式發塵量***大,上下分裝型次之,全罩型***少;

  C、活動:動作時的發塵量一般達到靜止時間3-7倍;

  D、清洗:用溶劑洗滌的發塵量降至用一般水清洗的五分之一。

  室內維護結構表麵發塵量,以地麵為準,大約相應8平方米地麵時的表麵發塵量與一個靜止的人的發塵量相當。

  2、發菌量

  工作人員產生的汙染:

  1)皮膚:人類通常每四天完成一次皮膚的完全脫換,人類每分鍾脫落約1000片皮膚(平均大小為30*60*3微米)

  2)頭發:人類的頭發(直徑約為50~100微米)一直在脫落。

  3)口水:包括鈉、酶、鹽、鉀、氯化物及食品微粒。

  4)日常衣物:微粒、纖維、矽土、纖維素、各種化學品和細菌。

  5)人類靜止和坐立每分鍾將產生10000個大於0.3微米的微粒。

  6)人類在頭部和軀幹做動作時每分鍾將產生1000000個大於0.3微米的微粒。

  7)人類以0.9m/s的速度行走時每分鍾將產生5000000個大於0.3微米的微粒。

  分析國外試驗資料可以認為:

  (1) 無塵室內當工作人員穿無菌服時:

  靜止時的發菌量一般為10-300個/min.人

  軀體一般活動時的發菌量為 150-1000個/min.人

  快步行走時的發菌量為 900-2500個/min.人

  (2) 咳嗽一次一般為 70~700個/ min.人

  噴嚏一次一般為 4000~62000個/ min.人

  (3) 穿平常衣服時發菌量 3300~62000個/ min.人

  (4) 無口罩發菌量:有口罩發菌量 1:7~1:14

  (5) 發菌量:發塵量 1:500~1:1000 據國內事例:

  (6) 手術中人員發菌量 878個/ min.人

  所以,可知無塵室內無菌衣人員的靜態發菌量一般不超過300個/ min.人,動態發菌量一般不超過1000個/ min/人,以此作為計算依據是可行的。

  八、無塵室有五個特性 :

  (l)耐久性;(2)成本; (3)適應性; (4)可維護性;(5)清洗 。

  (1) 耐久性:

  無塵室要有符合環境、無塵室內部的清洗溶液及振動、設備、空氣過濾係統的耐久材料。而耐久性,同時也依賴無塵室等級來建造。半導體 Fabs 傾向選擇鋁,基於它的耐久性,然而,它不是便宜的物質。

  (2) 清洗:

  在製藥和生物工學工業,無塵室的牆壁需要有容易被清洗和擦拭,直到防止濾過性病毒或細菌的汙染之特性。在 biotech 市場,清洗真正地是一個***重要的企業。

  (3) 成本:

  微電子 C/R 建設費可能花費到億。fab 能更快的被建造起來,產品也就能更快達到這市場。 許多半導體公司的口號是較便宜和較好的。然而 "錢" 將成為一個很重要的考慮因素。

  (4) 適應性:

  一些廠商認為適應性可節省一筆金錢,而適應性意指係統可任意移動或改變而不會招致極大的損失。C/R 的擁有者和設計者的能力為改變一 C/R的關鍵,所以他們從不將***初的設計定型。

  (5) 維護性:

  對無塵室 C/R 而言,較嚴格要求的部分為地板、天花板,以及牆壁的部分。 至於維修的問題,對材料的選擇是否容易清潔性及維修性都應有其優先級。在應用力麵、天花板、地板及牆壁三者之中***重要的為天花板,其包含 HEPA 及 ULPA 等濾網,其可過濾掉房間的微粒子,且其常會因各個不同的需要,便其分開來,供應各個不同區域的小房間,曾有人說 :若建造之預算因某種原因被限製,除了少數的小錢外,其天花板將趨於更貴的地步,其實天花板是一個頗複雜的係統其必須嚴格地過濾粒子,故其設計必須***。

  許多了解無塵室的人都讚同,***次擁有無塵室的擁有者,應使用較好之C/R 建築或工程設計公司或了解建築 C/R 設計之建築承包商若假設他們不了解, 則必會浪費一大筆不必要花的錢,故選擇一建造C/R 的公司也是非常重要的。

  對 C/R 而言,其選擇地板的材料也是很重要的。低廉的 C/R 地板覆蓋著一層乙烯基在薄板上,若太硬的地板覆蓋會引起塵埃,而太軟的地板會造成地板彎曲甚致破裂,但並不是所有 C/R 的地板,都會覆蓋,乙烯基。有些地板是衝孔式、格子式,而全麵層流都是衝孔式。

  乙烯基有一作用即脫氧,但高濃度乙烯基與其它物若混合的話將會有減低脫氧的效果,而無塵室的牆若以鋁作為材料則將會非常昂貴,但鋁卻可以保護牆麵不被空氣所氧化,可是卻易受酸性氣體的侵蝕,而避免的方法是使用電鍍,便鋁表麵增厚,不易氧化,再在鋁表麵上再塗上一層亮光漆即可防止金屬氧化。

  對於半導體工業而言,無塵室是一必要且不可缺之設備,其對空氣中的粒子要求非常之嚴格,故對天花板、牆壁、地板的要求亦非常嚴格。地板是人員、台車及重量的運輸,而清除地板所用者大部分為消毒藥品及化學藥品,當我們看見地板磨損時,也就是使用期已太久,快破裂了,不僅會使得清靜度的降級,也會因地板的磨損而發生空氣中粒子的增加。

  另外,C/R***怕的就是粒子泄漏。天花板中的濾網有很多種。例如層流式 C/R 而花板的組成組件包含了HEPA/ULPA 濾網組燈光組亦有可能包含空白的嵌板,這類型的天花板優點為,放置方式並沒有嚴格的限製。

  C/R 之牆壁還有一種是以薄鋼製成,但必須在表層塗上一層保護層,否則亦會腐蝕,它並不容易電鍍,而在表層塗上的保護層會變得易碎,很容易剝落,但若選擇高質量的不鏽鋼,就不必塗上保護層7,而使用玻璃作的 C/R 會使得房間的光線大增,以及美觀,但必須塗上一抗紫外線的障礙物,且可以視覺互通,較不會產生幽閉恐懼症。

  無塵室用空調箱選用時應注意的事項

  本篇文章所討論到問題就是選用清淨室之 AHU 所應考慮到的問題。對每個工程師或設計師而言,選用清淨室的空調係統大概是***複雜的問題之一,因為清淨室之空調條件要比平常的空調區間來的複雜且較嚴格,人都用於醫院、藥品製造、精密電子零件製造場等。

  選用正確的設備是設計者應盡的義務。本篇文章將其分成幾個部份作討論,吾將其作為整理後作成下列報告。

  (一) 就政府法令而言

  各個國家政府對清淨式的設計條件要求不同,應注意設計時政府之時令。 設計清淨室之 AHU 應府合 FDA 法規或 EPA 排放空氣法則。 IAQ 已漸漸被重視,設計時應注意 IAQ 之法規。 視使用場合而定,過濾方法又可分成機械過濾法與化學過濾法。 初級過濾,中級過濾,高效過濾與無菌的環境以機械過濾法即能達成。 為達到排氣之環境要求化學洗滌器 (scrubber) ,焚化爐或更多的機械及化學過濾設備必需被應用。 活性碳或高錳酸鹽能有效達到化學過濾的要求。

  (二) 就成本而言

  在一些外表特殊的建築物中,那些增加的設計和設備使用的費用在長期的利益中須作正確的判斷。 在一些特別的應用上,通常都習慣設計兩至三次的過濾以達到所要求的狀態。 傳統的清淨室若遇上要求較為嚴格的部份時,設計必須有許多額外加價的部份。 清淨室應盡量避免停機的現象,在建造的成本裏必須注意耐久性及可*度。 在風門調整上,設計者設計時,對溫度及濕度的要求不同,就像是在設計人們的居住環境一般。 在居住環境中,停機期和溫濕度上的要求較放置設備上來得高。所以質量上及所提供的服務成果是不能忽視的。 在特殊的清淨室傳送或接收的設備,在錯誤修改應用上費用是比 較昂貴的,且若不能與設計圖上一樣,可能會無法執行。 在設計特殊的清淨室時,建築的成本中包括運轉成本,而運轉成本又包括須能持續運轉的馬達成本及修護成本。 成本的歸納有裝置費,持續運轉費,維修費。 計算運轉成本必須考慮到能量的消耗及效率的高低。 就高效率或新機台啟動前,會先引進外氣,這樣對旋轉的原動力、交流板、排氣的管路和空氣回流混合係統中,長期使用可保持較高的效率。 在操作上和持續運轉費用上必須考慮是否提高整個的設備費用。

  (三) 就工作參數設定而言

  特有的溫度、濕度噪音、振動及運作的環境要求下,大部份將影響到設備的選用。 就某些實例而言,溫濕度的設定 點在可接受的範圍內必須要維持在一個長時期或較完整的環境及過程。 清淨室的加熱力法可用熱水、水蒸氣瓦斯和電能,可用冰水,乙醇或冷媒冷卻。 使用水蒸氣、注射器、噴霧器及滲透的方法可以加濕。 當評估加濕的來源時,特別要注意的是加濕過程和加濕的方法是否保證清潔。 典型的清淨室通風管理裝置使用一個有吸收力或吸附力的物質去除大氣中的濕氣或使用低溫乙醇螺管係統去濕。 溫濕度設定後,就必須考慮空氣流量參數是否滿足所需。 典型的清淨室必須維持在大氣常壓下。因此房內之壓力及體積之值必須適當予以控製。 風扇的噪音與震動必須被考慮上去。 適當的裝配器材及馬達轉速可避免不必要的噪音和振動。 風扇結構可使用皮帶驅動或直接驅動。 風速控製及可變頻率控製可以依體積需要來決定噪音及振動的限度。 ***普通的減振方法為裝置彈簧基座、固定基座及將空調箱遠離。 常用的聲音衰減器有可動式地板、緩衝機和風扇彎曲度及伸縮度控製。 聲音衰減器隔離風扇和設計成薄的特性,可降低幾度音階結合。 除了粒子的控製之外,特別要考慮的有(a)帶細菌的操作過程,(b)腐蝕物或有毒的化學物品,(c)揮發性或易爆發的藥劑,(d)還有室內及排氣的空氣質量,(e)安全,(f)設備壽命和保養能力等。

  (四) 就建築考慮方麵

  空間的使用率會影響 AHU 的實際大小。 保養門和通路儀表板的位置必須謹慎地決定,特別是位於小空間的設備。 應防止表麵凝結,除了涉及濕氣作用和凝結在設備的外部之外,濕氣對於空氣傳遞設備內部構成要素也有不利的影響,混氣對內部構成也有不利影響,將使壽命縮短,成本提高。 濕氣作用將會散布弊病和汙染物,便得效率低的令人害怕。 減低建築物的腐蝕物質和鋁、不鏽鋼或塗上一層合金,可以使用上列物質使清淨室壽命增加。 設計設備空間時,應保留適當的通路,以備打掃或維修用。 對於銅製的、不鏽鋼製和鋁製的盤管,應注意那種場合適用那些盤管。

  (五) 就管理合成物的規格方法

  詳述一 C/R 的 AHU 是一個極大的工作,並完全增加探討和了解這加工方法能夠提供其範圍於 C/R環境,可使用的操作上和地理性的參數運用上也必須被估量。

  有專業和有經驗的 AHU 廠商能夠協助使用者在使用上的複雜細節以使機器不會過量設計,此項重點在 C/R 設計階段即應詳加注意。

  其要求是否容易對材料的選擇而言天花板中的濾網有許多種,其***怕的就是粒子泄漏。

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