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一种半导体厂房中温湿度高精度控制的洁净空调方式--辽净净化

2019-04-25

0 引言

近年来,随着半导体、显示面板等微电子行业的发展,生产工艺对房间的温度、湿度及洁净度的要求逐渐提高。在一些半导体生产厂房及实验室里,存在温度精度要求±0.1℃,湿度精度要求±3%及洁净等级为 5 级的洁净房间。对于这些房间的空调处理方案,我们采用了 MAU+FFU+DCC(两级)空调系统,二级 DCC 冷冻水供水温度与室温相差不大且供回水小温差的精调方式来满足洁净室的温度、湿度高精度控制要求,节能且控制精度较高。

1 空调方案介绍

北京某微电子实验室项目的一个洁净恒温恒湿间,面积 30 m2,吊顶下净高需求 3.5m。洁净恒温恒湿间内放置两台电子束光刻工艺设备,每台设备发热量为 800W,工艺排风风量 300 m3/h,工艺设备附属设备放置下夹层,发热量共计 7489.5W。洁净恒温恒湿间外围环境温度 23℃±1℃,湿度 43%±5%,洁净度为 5 级,控制粒径为 0.1 μm;内部温度要求23℃±0.1℃,湿度 43%±3%,洁净度为 5 级,控制粒径为 0.1 μm,保证室内相对于外围洁净室≥5 Pa 正压。为保证洁净恒温恒湿间的温度、湿度及洁净度要求,采用 MAU+FFU+DCC(两级)空调系统。洁净恒温恒湿间空调原理图如图 1 所示。

MAU 系统送风温湿度点与室内相同,通过改变送风露点温度控制室内湿度,同时为保证室内湿度控制要求,MAU 风量取 12 次/h 换气次数与排风量+正压风量******值。MAU 系统通过调节新风管及回风管上的电动调节风阀,保证室内正压;通过 MAU 机组末端高效压差控制风机变频,保证送到室内风量恒定。MAU机组组段设置初中高三级过滤段 , 热水(45℃~35℃)加热段,一级表冷段(12℃~19),二级表冷段(5℃~12℃),电热加湿段、风机段、均流段、电加热再热段,如图 2 所示。FFU 系统控制室内洁净度,过滤效率MPPS效率≥99.9995% @0.12μm,采用 PTFE 过滤材料,以减少 FFU 运行阻力。为保证室内温度精度及洁净度的控制,FFU 设计断面风速为 0.40 m/s,布置率为100%。FFU 系统风量大于房间 12 次/h 换气次数的风量,送风温差小于 1℃,满足恒温恒湿房间的换气次数及送风温差的要求。

一级 DCC 位于下夹层,用来消除下夹层较大发热量设备的发热,采用 12℃~19℃中温水,用一级DCC 后的温度传感器控制一级 DCC 空调水管的电动两通调节阀,使得二级 DCC 前的温度趋于稳定,为满足室内温度高精度控制提供前提条件。

二级 DCC位于上静压箱,分区布置。根据各个区域室内温度传感器控制对应的二级 DCC 空调水管的电动三通调节阀,得到不同的送风温度,用以消除室内不同区域发热量,满足室内高精度温度控制要求。二级 DCC 采用 12℃中温水供水与恒温恒湿间 22℃回水进行混水,混水后供水温度为 20℃。中温水回水管上设置电动两通调节阀,一用一备,供回水管之间设置止回阀,由设置在混水后 20℃中温水供水管上的温度传感器控制电动两通调节阀的开度,同时混水泵一用一备设置,保证混水温度供水温度恒定。即采用二级DCC 冷冻水供水温度与室温相差不大且供回水小温差的精调方式来满足室内温度控制要求。二级 DCC混水系统图如图 3 所示。

2 与传统精密空调对比

以往传统恒温恒湿型空气调节系统,采用新风和回风先混合,然后经降温去湿处理,实行露点温度控制加再热方式控制。这种空调方式冷热量大量抵消,造成能量的浪费。MAU+FFU+DCC 空调方式中,MAU系统将新风单独处理,MAU 风量控制室内正压,MAU送风参数控制湿度,DCC 控制室内温度,采用简易的解耦手段,实现了温湿度独立控制。末端 DCC 采用了冷冻水供水温度与室温相差不大且供回水小温差的精调方式,除 MAU 新风再热不可避免外,回风系统中未使用再热,避免了传统恒温恒湿型空调冷热量抵消的现象,取得了较好的节能效果。同时电动水阀的控制精度高于电加热再热的控制精度,较好地满足了室内温湿度控制精度。

3 DCC 干表冷器校核计算

根据房间负荷情况对洁净恒温恒湿间进行分区,在 6 个分区上静压箱及恒温恒湿间下夹层分别布置DCC 干表冷器。通过对 DCC 干表冷器校核参数与需求的性能参数对比,某厂商的 DCC 干表冷器校核参数均可以大大满足需求的性能参数,即设计的 DCC 干表冷器各项性能参数可以满足的制作生产需求。

4 气流模拟

对洁净恒温恒湿间进行气流模拟,房间 1m 高度的温度分布如图 4 所示,气流分布如图 5 所示,正压分布如图 6 所示。通过对洁净恒温恒湿间气流模拟结果分析,可以看出:(1)无设备发热的区域整场温度分布均匀,几乎无温度梯度;(2)有设备发热的区域存在温度梯度,可以满足工艺对温度梯度的要求,工艺对温湿度的波动范围要控制在精度要求的范围内;(3)遇设备气流会有扰动,工艺房间内气流整体为垂直流,未出现严重的偏流的现象,可以满足房间洁净度要求;(4)工艺房间及下夹层的正压相对于外围洁净室均大于5Pa,可以满足房间对正压的要求。


5 结论

(1)对于温湿度高精度控制的洁净空调的设计,要了解工艺对洁净恒温恒湿间控制的具体要求;减少房间内外负荷对房间温湿度、洁净度及正压的影响;洁净恒温恒湿间不能设置外围护结构,外围环境温湿度尽量稳定;洁净恒温恒湿间内设备发热量尽可能的减少,发热量较大且控制精度不高的设备移出洁净恒温恒湿间;同时减少设备发热的波动性,使得洁净恒温恒湿间在稳态下平稳运行。

(2)MAU+FFU+DCC 空调系统在温湿度高精度控制的洁净空调中应用,将温度、湿度、洁净度独立控制,末端采用电动水阀精调代替末端风管电加热精调,******限度减少了冷热抵消的现象,且控制精度高于末端风管电加热精调方式。

(3)从DCC选型及气流模拟的结果可以看出,DCC 设 备 选 型 可 以 满 足 的 制 作 生 产 需 求 ,MAU+FFU+DCC 空调系统作为温湿度高精度控制的洁净空调方式,可以满足工艺对洁净恒温恒湿间各项指标要求。

(4)温度精度要求±0.1℃,湿度精度要求±3%及洁净等级为 5 级的洁净恒温恒湿间,可以采用MAU+FFU+DCC(两级)空调系统,运用二级 DCC冷冻水供水温度与室温相差不大且供回水小温差的精调方式来满足洁净室的温度、湿度高精度控制要求,节能且控制精度较高。

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