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半導體無塵室能源節約之可行方法

半導體無塵室能源節約之可行方法


文章講解了半導體無塵室室內外能源負荷,并針對半導體無塵室之可能省能方法作詳細逐條說明。


A.室內負荷:


 (a)人員(顯熱=6Okcal/h.人,潛熱=5Okcal/h.人)


(b)燈光:30W/㎡(在黃光區此值應取較大約1.5倍的值)


(c)機器負荷:


輸入功率X負荷系數


冷卻循環水負荷=循環水流量X水溫差(此處溫差約為5℃左右)


排氣負荷=排氣量X排氣溫差,此處排氣溫差可分為三類:1酸氣,有機氣體或緊急排氣的排氣溫差一般為5℃,2不可燃氣體的排氣溫差為1O℃左右,3機臺的產生高溫機械其排氣裝置的排氣溫差為2O℃左右。


(d)送風機的熱負荷:輸入功率X負荷系數:


B.室外負荷:


外氣輸入量X室內外空氣之焓值差,此處外氣輸入量包含排氣量加上人員換氣及維持正壓需要量。


在分析半導體無塵室之能源消耗的同時必須了解,一般工作區分為1fabrication區,即一般所謂fab區,2assembly區和test區。通常各區之清凈及要求等級會不同,而其無塵室之構造也會不同,如同一所示的A.H.U系統通常配合亂流型無塵室作為Assembly或Test區,其無塵室之設計采亂流型者,ceiling并非布滿filter,filter的面積和ceiling面積比必須達到一定值才能確保清凈度,而且為了氣流分布的關系,filter的出口通常會加裝diffuser,以加強filter出風空氣的擴散面積。至于fab區,無塵室目前較普通的設置有三種,即OPEN BAY SYSTEM,FAN-FILTER UNIT STSTEM及FAN-MODULESYSTEM其簡圖分別如圖二、三、四所示。通常FAB區的無塵室型式之選定必須考慮生產、維修、使用年限及初期投資能源消耗等因素,而必須作周全的考慮,上述三種型式各有其優缺點,其抉擇須多方考慮,最佳方案的確定目前尚無定論,研究仍需進行,目前一般認為FAN-FILTER UNIT SYSTEM及FAN-MODULE SYSTEM較OPEN-BAY SYSTEM有較大的省能空間。


就半導體無塵室之負荷特征而言,不論上述三種FAB區之無塵室型式為何,其HVAC的熱負荷都較一般建筑高出甚多,這其中經由建筑物之穿透負荷,人員及燈光等負荷和一般辦公室并無太大差別,唯外氣負荷、機器負荷及送風機負荷卻占所有HVAC負荷的90%以上,而這部份當中外氣負荷居然占了45~45%以上。


可見經由外氣負荷的減少確實有很大的省能空間。Sohn等人[1]的研究顯示,對同樣面積的場所而言,fab區的能源消耗較assembly區及test區高出4~5倍左右,又10~30%的無塵室供風(SUPPLY AIR)經由機臺的排風浪費掉,由此可見經由改善fab區之機臺排風有非常大的省能效果,非常不幸的一般的排風都有非常毒的成份,要將排風作再利用,必須有非常貴的投資,目前國內排風再利用的情形非常少。以下將再針對半導體無塵室之可能省能方法作詳細逐條說明:


A.針對送風系統省能之道(Air Side部份)


1.最佳外氣導入量之控制與確定


無塵室中,如前所述,外氣負荷量最大的因素,要求在外氣導入時,除能確保排氣之順暢及室內正壓外,也須能按排氣之變動以增減外氣的引進量。外氣導入量的控制機構以計算機和生產機臺聯機及室內正壓之控制以決定外氣導入量,俾能作最佳控制。另外室內生產機臺裝置的負荷之實際運轉率也要能夠確定,輸入生產裝置之電力(或氣體)能源,其大部份經由排氣及冷卻水排出系統之外,或轉化成制品的一部份,造成之空調負荷一般為輸入能源值的20%~30%左右。裝置運轉后測定實際輸入電力及氣體量作為下次設計時之參考,期能達最佳之目的。


2.降低下吹氣流之速度


全面降低生產及維修區之下吹風速,可以大輻減少氣體傳送及空調之所需動力,但是降低下吹氣流之速度卻必須擔負可能的后果包括1對亂流式無塵室而言,干凈空氣的量不夠,整體稀釋能力不足(dilution capacity reduced)2.抑止熱性氣流上升能力之不足,此點對高熱負荷之半導體生產設備尤其重要,Thermophoretic effect造成的Particle問題可能會產生,一般相信下吹氣流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止熱性的上升氣流,3可能造成局部粒子交叉污染(cross contamination),目前絕大部份的半導體生產設備都設計成在0.35~0.4Om/s之下吹氣流下工作,局部區域(如維修區可設計成0.25m/s之環境),大膽地將生產區之下吹氣流降至0.3m/s以下仍在field test階段,1993年IBM的研究[3]顯示在將下吹氣流由0.45m/s降0.32m/s的生產工廠環境,其芯片上particle deposition velocity為0.003m/s左右,仍在文獻記載及實驗室理論容許之范圍內,而且發現雖然測試中發現環境較多的污染粒子,但和生產工具本身及生產過程等可能污染的機會來講仍是很低的?;谏鲜霭l現IBM決定將其VLSI之生產環境由0.45m/s之下吹氣流速度降至0.32m/s。當然由于上述的動作,一聯串之配合措施仍需進行,而其可能的回報為預期將有100萬美元


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