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，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)的興建及國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大幅的改變，導(dǎo)致國內(nèi)對(duì)于潔凈室的需求可說是日益的增加。

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類型潔凈室有高的風(fēng)扇效率(超過80%)及馬達(dá)效率(超過80%)，可是必須克服消音器(Silencer)、過濾網(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，過濾性能指的是濾網(wǎng)過濾的效果，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。空氣藉由離心式風(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ULPA Filter后能夠均勻的吹出，并使得噪音降低。近年來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％以內(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)在垂直層流無塵室進(jìn)行分析，在仿真之潔凈室中并無制程設(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)等問題。本研究乃是利用Turbulent model中的k-εmodel來計(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.顯熱冷卻盤管：0.2m(L) x4.8m(W) x2.6m(H)，假設(shè)氣流通過熱

交換器面積率為0.55，則通過熱交換器的壓降為DPc＝60Vc2，其中Vc為通過管盤的正面風(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，因此分別選用為DPc＝4Vc2、DPc＝6Vc2、DPc＝10Vc2及DPc＝2Vc2四種壓降的盤管。

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

公式(3)

其中β為開孔率(%)，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

1.IES-RP-CC-006-84T, Recommended Practice for Testing Clean Rooms, Institute of Environmental Science (IES), (1984).

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

3.JIS B 9920-1989, Measuring Method for Airborne Particles in Clean Room and Evaluating Methods for Air Cleanliness of Clean Room, (1989).

4.Maeda, M., Toshihito, T. and Akira, T. Studies on Rationalizing Air Flow in Clean Room(Part1) : Air Flow Pattern in a Vertical Laminar Flow Type Clean Room, proceedings of the 5th annual technical meeting of Japan Air Cleaning Association (JACA), April 9th to 11th , 1986 (in Japanese).

5.Nishioka, T. and Xie, G. Studies on the Flow in a Full Down flow Clean room and the Ceiling Chamber Configuration, proceedings of the 10th International Symposium on Contamination Control (ICCCS 92), September 1992.

6.Tanaka, A., Masayuki, M. and Atushi, S. Studies on Rationalizing Air Flow in Clean Room(Part2) : Simulation Technique of Predicting Air Flow in a Vertical Laminar Flow Type Clean Room by Porous Medium Formulation, proceedings of the 5th annual technical meeting of Japan Air Cleaning Association (JACA), April 9th to 11th , 1986 (in Japanese).

7.Takahashi, A., and Okada, T. Configuration of vertical laminar flow (VLF) type clean room and non-uniformity in airflow profile, proceedings of the 10th International Symposium on Contamination Control (ICCCS 90) Zurich, Switzerland, 19-14 September 1990.

8.李延青（1999），「FFU與軸流風(fēng)機(jī)在垂直層流無塵室氣動(dòng)特性之比較(上)、(下)」，冷凍空調(diào)雜志，第8卷，第1期，1999年4月、7月。

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)