潔凈室的主要目的為維持室內(nèi)空氣中的粉塵粒子、粒徑、室內(nèi)的溫濕度、壓力、流場(chǎng)、震動(dòng)、噪音、照明及有害氣體等等。因此，潔凈室的空調(diào)系統(tǒng)對(duì)IC的設(shè)計(jì)、制程、產(chǎn)品的良率及可靠性有很大的影響。另外，由于臺(tái)灣工業(yè)迅速的發(fā)展，潔凈室已經(jīng)隨著許多的GMP藥廠、高精密的電子廠及醫(yī)院的手術(shù)室增加而日益殷切。近幾年來(lái)，由于科技技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品的高精度化、細(xì)微化的需求更加迫切，如超大集成電路（VLSI）及極大型集成電路（ULSI）的制造，已經(jīng)成為世界各國(guó)在科技上發(fā)展的重要項(xiàng)目。南部科學(xué)園區(qū)的興建及國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大幅的改變，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)對(duì)于潔凈室的需求可說(shuō)是日益的增加。

然而潔凈室與通用空調(diào)最大的不同有以下幾點(diǎn)：1、溫濕度的要求比一般空調(diào)低。2、恒溫恒濕的控制。3、對(duì)空氣質(zhì)量的要求較嚴(yán)格。4、全外氣量與換氣次數(shù)大。5、潔凈室空調(diào)系統(tǒng)24小時(shí)全天運(yùn)轉(zhuǎn)。6、氣流分布需均勻。7、運(yùn)轉(zhuǎn)的成本相當(dāng)?shù)母摺?、需與鄰近的區(qū)域維持壓差。當(dāng)前潔凈室之送風(fēng)系統(tǒng)可以分為軸流風(fēng)扇型(Axial Fan Type)、風(fēng)扇-風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)機(jī)組(Fan Filter Unit)及空調(diào)風(fēng)管型(Air Conditioner Type)三種，圖一為此三種系統(tǒng)圖?？照{(diào)風(fēng)管型系統(tǒng)因?yàn)閷?duì)要求全面層流的無(wú)塵室須較高的費(fèi)用，因此對(duì)全面層流C/R當(dāng)前幾乎不被采用，故不在本研究討論范圍中。

圖一：不同形式潔凈室之系統(tǒng)圖(a)軸流風(fēng)扇型系統(tǒng)(Axial Fan Type)。(b)循環(huán)空調(diào)型系統(tǒng)(re-circulation air-conditioner Type)。(c)風(fēng)扇風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)型系統(tǒng)(FFU Type)。

軸流風(fēng)扇(Axial Fan)因?yàn)闃?gòu)造簡(jiǎn)單、安裝容易、初設(shè)費(fèi)用低并且可藉由vane pitch調(diào)整送風(fēng)量之大小。然而在設(shè)計(jì)這類(lèi)型的潔凈室須相當(dāng)?shù)淖⒁鉂崈羰抑畮缀涡螤罴帮L(fēng)扇的系統(tǒng)效率，雖然Axial Fan類(lèi)型潔凈室有高的風(fēng)扇效率(超過(guò)80%)及馬達(dá)效率(超過(guò)80%)，可是必須克服消音器(Silencer)、過(guò)濾網(wǎng)(ULPA Filter)、高架地板(Perforated floor)及冷卻管排(Coiling Coil)所生成的壓降，因此所消耗的能量將是非常得大。

FFU(Fan Filter Unit)為風(fēng)機(jī)加上過(guò)濾器( ULPA)所構(gòu)成的一個(gè)送風(fēng)組件，圖二為FFU之尺寸圖及結(jié)構(gòu)圖。FFU系統(tǒng)在1980年已經(jīng)使用在潔凈室上，一般而言，研究FFU考慮的要素有機(jī)械性能及過(guò)濾性能兩種。機(jī)械性能通常指送風(fēng)量、風(fēng)壓、電功率及效率等，過(guò)濾性能指的是濾網(wǎng)過(guò)濾的效果，風(fēng)機(jī)生成的壓力通常消耗在濾網(wǎng)上。

圖二：FFU尺寸圖及結(jié)構(gòu)圖

因此高效率、低壓損的濾網(wǎng)的選擇也是非常重要的?？諝饨逵呻x心式風(fēng)扇吸入后，在風(fēng)道中將其動(dòng)壓轉(zhuǎn)換為靜壓，目的就是使空氣經(jīng)過(guò)ULPA Filter后能夠均勻的吹出，并使得噪音降低。近年來(lái)FFU已經(jīng)替換軸流風(fēng)扇(Axial Fan)應(yīng)用在潔凈室中，其具有的優(yōu)點(diǎn)如下：1、模塊化施工，機(jī)動(dòng)性高，容易作FFU日后的增減。2、FFU風(fēng)量循環(huán)系統(tǒng)壓損小，單位循環(huán)風(fēng)量的耗電量較軸流式風(fēng)扇(Axial Fan)低。3、FFU耗電量少，相對(duì)的噪音也低，不像軸流式風(fēng)機(jī)進(jìn)出口需加裝消音器，所以成本相對(duì)的降低。4、潔凈室內(nèi)壓力高于天花板內(nèi)供氣壓力，不會(huì)有塵埃泄漏至潔凈室之虞。

潔凈室空氣循環(huán)系統(tǒng)之電力消耗通常為MAU（Make-up Air Units）及循環(huán)空氣系統(tǒng)，空氣循環(huán)系統(tǒng)之電力消耗通常占整廠電力之15％左右。電力之消耗一般為1.5kW/m2，為常規(guī)產(chǎn)業(yè)空調(diào)之?dāng)?shù)十倍，尤其當(dāng)前在晶圓的尺寸及精密度的要求越趨嚴(yán)格下，能源的消耗也將遽增，如何在節(jié)約能源方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)劃設(shè)計(jì)，將是一個(gè)很重要課題。

除了考慮能源效率之外，氣流的流場(chǎng)特性將影響潔凈室等級(jí)與氣態(tài)污染物的控制，因此兩個(gè)重要的參數(shù)將被考慮當(dāng)中：(a)ULPA Filter出風(fēng)速度之不均一性(NU)。(b)工作區(qū)域之平行度或偏移角(α)。ULPA Filter平均出風(fēng)速度之氣流不均一性通常定義如式(1)：

公式(1)

其中NU為測(cè)量各點(diǎn)之標(biāo)準(zhǔn)差（STD）與平均速度(Vface)之比，Vface為在ULPA filter下之平均出風(fēng)速度，?n?ULPA filter下之測(cè)量點(diǎn)數(shù)。IES【1】、FS-209D【2】及JIS【3】定義氣流不均一性(NU)及偏移角(α)通常小于20％及14度。

研究主題

一般而言，在垂直層流潔凈室中，氣流可接受之速度變動(dòng)范圍通常為平均風(fēng)速之±20％以?xún)?nèi)為最佳，而在Maeda【4】利用二維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)值方式分析高架地板開(kāi)孔率對(duì)氣流均一性的影響，Nishioka【5】中提出影響流場(chǎng)之均一性有出風(fēng)速度、出風(fēng)chamber的高度與寬度比及HEPA Filter之壓降，Tanaka【6】利用數(shù)值及實(shí)驗(yàn)的方法分析不同長(zhǎng)度之潔凈室及不同高架地板之開(kāi)孔率，對(duì)室內(nèi)氣流偏移角的影響，Takahashi【7】分析在不同送風(fēng)高度及送風(fēng)速度下，氣流通過(guò)ULPA Filter時(shí)之速度分布圖。李延青【8】將Axial Fan與FFU形式之潔凈室做氣動(dòng)特性方面的比較，曹芳?！?】測(cè)試不同F(xiàn)FU之耗電量及靜壓，并且針對(duì)HEPA及ULPA Filter作其組抗的測(cè)試，。

本研究擬針對(duì)Axial Fan系統(tǒng)及FFU(Fan Filter Unit)在垂直層流無(wú)塵室進(jìn)行分析，在仿真之潔凈室中并無(wú)制程設(shè)備及人員，此為建造狀態(tài)(as built)。不考慮排氣量及外氣補(bǔ)充量，并且對(duì)于耗能極高的潔凈室的溫濕度分布控制不加以考慮(即假設(shè)等溫狀態(tài))，僅針對(duì)創(chuàng)建潔凈室的所需之對(duì)象（HEPA、高架地板）、風(fēng)機(jī)、送風(fēng)高回風(fēng)高度及冷卻管盤(pán)等進(jìn)行分析比較系統(tǒng)及耗能。

研究方法
*數(shù)值方法

本研究的數(shù)值方法乃是采用Patankar(1980)所提出的SIMPLE(semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation)半隱含壓力連結(jié)法則，由英國(guó)CHAM公司所發(fā)展出的PHOENICS套裝軟件，此軟件可用于仿真流體運(yùn)動(dòng)、熱傳、質(zhì)傳及化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題。本研究乃是利用Turbulent model中的k-εmodel來(lái)計(jì)算紊流對(duì)流動(dòng)之影響，而統(tǒng)御方程序如公式(2)所示，由于此套裝軟件提供Fan-Matching的功能，它可以讓使用者根據(jù)不同的風(fēng)機(jī)性能曲線來(lái)仿真實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情行，并且可以定義風(fēng)機(jī)的吹送方式。仿真的結(jié)果將生成系統(tǒng)的流量、風(fēng)機(jī)的流量、風(fēng)扇的速度及壓差。根據(jù)流量及壓差，將可以得到風(fēng)機(jī)所消耗之電力。表一為研究之邊界條件如下所示：

公式(2)

其中

ρ=空氣密度(kg/m3)

Γψ,eff=有效擴(kuò)散系數(shù)(effective diffusion coefficient)(N.s/m2)

V=空氣速度(m/s)

S=一般流體性質(zhì)之來(lái)源項(xiàng)(source term of the general fluid property)

ψ=任何變量(1,u,v,w,k and e )

u,v,w=三維速度分量(m/s)

k=紊流動(dòng)能(turbulence kinetic energy) (m2/s2)

e=紊流動(dòng)能之發(fā)散率(dissipation rate of the turbulence kinetic energy) (m2/s3)

表一：數(shù)值仿真之邊界條件

*邊界條件

影響潔凈室運(yùn)轉(zhuǎn)特性有數(shù)個(gè)幾何參數(shù)，其中包括潔凈室之高度、送風(fēng)高度、回風(fēng)高度及潔凈室長(zhǎng)度等。然而本研究著重于不同空氣循環(huán)系統(tǒng)在能源消耗、ULPA出風(fēng)面速之不均一性(NU)及工作區(qū)氣流之平行度之影響。因此送風(fēng)高度(Hs)、回風(fēng)高度(Hr)及潔凈室高度(Hc)設(shè)置為Hs=1.9m，Hr=2.6m，Hc=2.7m，潔凈室的長(zhǎng)度(L)是一個(gè)影響系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)量及空氣在SAP中分布的重要參數(shù)。因此本研究仿真之8個(gè)CASE如表一所示：

a.假設(shè)仿真之邊界為絕熱，也就是沒(méi)有熱傳現(xiàn)象。

b.假設(shè)潔凈室為密閉的循環(huán)，不考慮排氣及新鮮空氣。

c.潔凈室尺寸：依照不同之條件分別假設(shè)潔凈室長(zhǎng)度為24m、19.2m、14.4m　及9.6m四種，潔凈室寬度及高度分別為4.8m及2.7m。

d.顯熱冷卻盤(pán)管：0.2m(L) x4.8m(W) x2.6m(H)，假設(shè)氣流通過(guò)熱

交換器面積率為0.55，則通過(guò)熱交換器的壓降為DPc＝60Vc2，其中Vc為通過(guò)管盤(pán)的正面風(fēng)速m/s。當(dāng)為FFU系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)镕FU的驅(qū)動(dòng)元件采用較低風(fēng)量風(fēng)機(jī)，所以須搭配較低壓降之顯熱冷卻盤(pán)，因此分別選用為DPc＝4Vc2、DPc＝6Vc2、DPc＝10Vc2及DPc＝2Vc2四種壓降的盤(pán)管。

e.高架地板：開(kāi)孔率分別為11％，其壓降為DPp＝80Vp2，其中Vp為通過(guò)高架地板的面速m/s。高架地板的開(kāi)孔率與壓降的關(guān)系可由式(3)得知：

公式(3)

其中β為開(kāi)孔率(%)，ΔP為壓差(Pa)，V為面速(m/s)

f.ULPA Filter :假設(shè)出風(fēng)面速為0.35m/s，對(duì)0.1um粒子補(bǔ)捉的效率為99.9995%，其壓降DPf＝300Vf。

g.Axial Fan：采用TELLUS PROGRAMME TYPE AJV and ASV-1778/630-10可變節(jié)距軸流風(fēng)機(jī)。性能曲線如圖三a所示。

h.消音器：針對(duì)Axial Fan系統(tǒng)，其目的為了減少系統(tǒng)的噪音。壓降與速度的關(guān)系為DPs=25Vs，Vs為通過(guò)消音器的面速m/s。

i.FFU:(1)1.2m(L) x0.6m(W) x0.3m(H)，SINKO KJ-2360H，性能曲線如圖三b所示。

圖三：(a)軸流風(fēng)扇性能曲線圖。(b)FFU性能曲線圖

結(jié)果討論

1.能源消耗

表二所示，在相同邊界條件之下，Axial Fan每單位流量之電力消耗(Pe/Qt)之值比FFU大。而Axial Fan與FFU平均之電力消耗分別為14.2W/CMM及7.45W/CMM。這個(gè)資料與Okuma【10】(1997)針對(duì)3200m2的潔凈室其系統(tǒng)之平均電力消耗14.11W/CMM及8.16W/CMM非常接近，其中差異性的地方可能為使用不同的風(fēng)扇性能曲線。另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)為Axial Fan形式之平均電力消耗(Pe/Qt)隨著潔凈室的長(zhǎng)度增加而增加，而FFU形式幾乎沒(méi)有改變(7.4W/CMM)。Axial Fan電力消耗較大的原因是因?yàn)楸仨毧朔蟮南到y(tǒng)壓降，結(jié)果顯示Axial Fan的操作靜壓Ps比FFU高出許多。

表二：Axial Fan與FFU系統(tǒng)性能分析比較表

表三為費(fèi)用方面比較表，一般而言分為電力費(fèi)用及熱負(fù)荷費(fèi)用兩方面。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)生成的功率轉(zhuǎn)換成熱能，這部分的熱必須由冷卻盤(pán)管所帶走。由表中可知熱負(fù)荷所花的費(fèi)用約為電力費(fèi)用20％左右。因此在初期設(shè)計(jì)潔凈室時(shí)必須將其考慮進(jìn)去。

表三：Axial Fan與FFU系統(tǒng)電力分析比較表

2.ULPA出風(fēng)速度之不均一性(NU)

為了確認(rèn)仿真與實(shí)驗(yàn)值之準(zhǔn)確性，因此將ULPA出風(fēng)速度與Nishioka【5】實(shí)驗(yàn)值相比較，如圖四所示。由圖中可知實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)期值相當(dāng)?shù)慕咏?/p>

圖四：實(shí)驗(yàn)值與仿真值之比較

由表二可知，在相同的條件下，Axial Fan之氣流不均一性(NU)比FFU大很多，且當(dāng)潔凈室長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，其氣流之不均一性明顯的增加，而FFU之NU均相當(dāng)?shù)男?CASE1 NU=39.7%，CASE5 NU=2.37%)。圖五為CASE1及CASE5之速度分布圖。Axial Fan之NU與送風(fēng)高度有相當(dāng)大的關(guān)系，若送風(fēng)高度不變時(shí)，對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的潔凈室而言，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)氣流吹程的問(wèn)題，將會(huì)使的在潔凈室遠(yuǎn)程處的風(fēng)量較小，有明顯的不足。氣流在SAP的末端明顯的不足，因此造成氣流不均一性增加。而FFU之NU則與氣流在FFU內(nèi)部風(fēng)道有關(guān)，與SAP高度無(wú)關(guān)。當(dāng)Axial Fan Clean Room風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必須克服潔凈室中所有之元件之壓降損失，可是一般在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，往往因?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)效應(yīng)的問(wèn)題，導(dǎo)致整體循環(huán)風(fēng)量常常不足，而影響整個(gè)系統(tǒng)，因此慎選一個(gè)適當(dāng)?shù)妮S流風(fēng)機(jī)將是非常重要的。

圖五：CASE1及CASE5之速度分布圖

3.氣流平行度(偏移角α)

影響氣流之偏移角包括幾個(gè)因素：ULPA Filter面速之不均一性、高架地板壓差及潔凈室高度等。在相同的邊界條件下，不論Axial Fan與FFU系統(tǒng)其偏移角(α)隨著潔凈室的長(zhǎng)度增加而增加。然而FFU系統(tǒng)為低壓降的系統(tǒng)，因此可以藉由調(diào)整馬達(dá)的轉(zhuǎn)速及高架地板壓差來(lái)改變氣流之偏移角(α)。

4.壓力分布

圖六為CASE1及CASE6之壓力之分布圖，若從施工及Filter安裝的觀點(diǎn)來(lái)分析，因?yàn)樵谝驗(yàn)樵贏xial Fan中其SAP為正壓系統(tǒng)，若更換Filter時(shí)，污染物將滲入潔凈室中，而相對(duì)FFU為負(fù)壓系統(tǒng)。因此FFU系統(tǒng)較Axial Fan系統(tǒng)容易施工。

圖六：CASE1及CASE5之壓力分布圖

結(jié)論

根據(jù)上述的研究討論可以得到以下的結(jié)論：

1.針對(duì)Axial Fan及FFU系統(tǒng)之潔凈室，其風(fēng)機(jī)的性能曲線已經(jīng)成功的應(yīng)用于CFD模式中，如此對(duì)于往后在設(shè)計(jì)潔凈室時(shí)其預(yù)期的結(jié)果將更為準(zhǔn)確。

2.FFU系統(tǒng)不論在ULPA出風(fēng)速度之不均一性、工作區(qū)域氣流之偏移角及能源消耗方面均優(yōu)于Axial Fan系統(tǒng)。因此須要進(jìn)一步的去研究摻解這兩個(gè)系統(tǒng)的性能其中包括初設(shè)費(fèi)用(initial cost)、維護(hù)費(fèi)用(maintenance cost)及彈性的空間管理….等等。

參考資料

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2.FS-209D, Clean Room and Work Station Requirements, Controlled Environment, Federal Standard, (1988).

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9.曹芳海、鄭名山、林志中、吳旭盛(1998)，「風(fēng)機(jī)-濾網(wǎng)機(jī)組(Fan-Filter Unit,FFU)研究」，中國(guó)冷凍空調(diào)雜志，1998年12月。

10.Okuma, T. Energy-saving design for air-conditioning systems in semiconductor clean rooms? Clean Technology, January, 1997.(in Japanese)