高效空氣過濾器在半導體無塵室中的分級選型指南 引言：高效空氣過濾器的重要性 在現代高科技製造領域，尤其是半導體產業中，潔淨度要求極為嚴格。無塵室（Cleanroom）作為保障產品品質與工藝穩定性的關...
高效空氣過濾器在半導體無塵室中的分級選型指南
引言：高效空氣過濾器的重要性
在現代高科技製造領域，尤其是半導體產業中，潔淨度要求極為嚴格。無塵室（Cleanroom）作為保障產品品質與工藝穩定性的關鍵環境，其空氣質量控製依賴於高效的空氣淨化係統，其中高效空氣過濾器（HEPA, High Efficiency Particulate Air Filter）和超高效空氣過濾器（ULPA, Ultra Low Penetration Air Filter）是核心組件。根據美國ASHRAE標準和中國國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》，這些過濾器的性能直接影響到無塵室的潔淨等級、能耗效率以及運行成本。
本文旨在為半導體行業中高效空氣過濾器的選型提供係統性指導，涵蓋其工作原理、分類標準、選型參數、應用場景及國內外研究進展，並結合實際案例進行分析，幫助工程技術人員做出科學決策。
一、高效空氣過濾器的基本原理與結構
1.1 工作原理
高效空氣過濾器主要通過攔截、慣性撞擊、擴散和靜電吸附等物理機製去除空氣中微粒汙染物。其對直徑≥0.3μm顆粒的過濾效率不低於99.97%（HEPA），而ULPA則可達到99.999%以上。
1.2 結構組成
典型高效空氣過濾器由以下幾部分構成：
| 組成部分 | 功能描述 |
|---|---|
| 濾材（玻璃纖維或合成材料） | 起到主要過濾作用 |
| 折疊層結構 | 增大有效過濾麵積 |
| 框架（鋁製或鍍鋅鋼板） | 支撐濾材並保證密封性 |
| 密封膠條 | 確保安裝後不泄漏氣流 |
1.3 過濾效率測試方法
國際通用的測試標準包括：
- IEST-RP-CC001（美國IES協會）
- EN 1822（歐洲標準）
- GB/T 13554-2020（中國標準）
測試時使用鈉焰法或激光粒子計數法測定穿透率（Penetration）和過濾效率（Efficiency）。
二、高效空氣過濾器的分類與標準體係
2.1 國際分類標準
ISO 14644-1 標準下的潔淨等級劃分
| 潔淨等級（ISO Class） | ≥0.1 μm顆粒大允許濃度（個/m³） |
|---|---|
| ISO 1 | 10 |
| ISO 2 | 100 |
| ISO 3 | 1,000 |
| ISO 4 | 10,000 |
| ISO 5 | 100,000 |
注：適用於半導體行業的主要為ISO 1~ISO 4等級。
2.2 HEPA與ULPA的分類對比
| 分類 | 測試顆粒尺寸 | 過濾效率 | 適用場景 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | 0.3 μm | ≥99.97% | ISO 5~ISO 6潔淨室 |
| HEPA H14 | 0.3 μm | ≥99.995% | ISO 4~ISO 5潔淨室 |
| ULPA U15 | 0.1~0.2 μm | ≥99.999% | ISO 3~ISO 4潔淨室 |
| ULPA U16 | 0.1~0.2 μm | ≥99.9995% | ISO 2~ISO 3潔淨室 |
| ULPA U17 | 0.1~0.2 μm | ≥99.99995% | ISO 1潔淨室 |
數據來源：ISO 14644-1、EN 1822、ASHRAE 52.2
2.3 國內標準對照表
| 國內標準 | 對應國際標準 | 描述 |
|---|---|---|
| GB/T 13554-2020 | IEST RP-CC001/EN 1822 | 規定了HEPA與ULPA的分類與測試方法 |
| GB 50073-2013 | ISO 14644-1 | 潔淨廠房設計規範 |
三、半導體無塵室的潔淨度需求與過濾器配置策略
3.1 半導體製造流程中的潔淨度要求
| 製程階段 | 典型潔淨等級（ISO） | 關鍵汙染控製對象 |
|---|---|---|
| 晶圓蝕刻 | ISO 3~4 | 金屬粉塵、酸性氣體 |
| 光刻工藝 | ISO 1~2 | 微米級顆粒、有機揮發物 |
| 封裝測試 | ISO 5~6 | 大顆粒、靜電塵埃 |
資料來源：SEMI F19（國際半導體設備與材料協會標準）、《潔淨廠房設計規範》GB 50073-2013
3.2 過濾器布置方式
通常采用三級過濾係統：
| 層級 | 類型 | 功能 |
|---|---|---|
| 初效 | G3~G4 | 去除大顆粒（>5μm） |
| 中效 | F7~F9 | 去除中等顆粒（1~5μm） |
| 高效 | HEPA/ULPA | 去除微細顆粒（≤0.3μm） |
3.3 安裝方式與氣流組織
常見安裝方式包括頂送風、側送風和FFU（風機過濾單元）模塊化安裝。FFU因其靈活布局、易於維護，在高潔淨等級環境中應用廣泛。
四、高效空氣過濾器的關鍵技術參數與選型依據
4.1 主要技術參數列表
| 參數名稱 | 含義說明 | 推薦值範圍 |
|---|---|---|
| 初始阻力 | 初始壓降，影響風機能耗 | ≤250 Pa（HEPA）；≤300 Pa（ULPA） |
| 額定風量 | 設計流量，決定過濾麵積 | 800~1500 m³/h |
| 過濾效率 | 對特定粒徑顆粒的捕集率 | ≥99.97%（HEPA）；≥99.999%（ULPA） |
| 容塵量 | 可容納灰塵總量 | ≥500 g |
| 泄漏率 | 檢測密封性指標 | <0.01% |
| 材質耐溫性 | 耐高溫能力 | ≤80°C（常規）；≤300°C（高溫型） |
4.2 選型參考因素
| 因素 | 影響 |
|---|---|
| 潔淨等級 | 決定過濾器類型（HEPA/ULPA） |
| 氣流速度 | 影響過濾器數量與排布密度 |
| 汙染源特性 | 決定是否需要預處理或多級過濾 |
| 更換周期 | 影響運維成本與停機時間 |
| 成本預算 | 包括采購、安裝與維護費用 |
4.3 選型計算示例
以某晶圓廠潔淨室為例，總麵積為500㎡，高度為3m，要求潔淨等級為ISO 3級，換氣次數設定為60次/小時。
計算總風量：
$$
Q = A times h times n = 500 times 3 times 60 = 90,000 text{ m}^3/text{h}
$$
若單台ULPA FFU額定風量為1200 m³/h，則所需數量為：
$$
N = frac{Q}{q} = frac{90,000}{1200} = 75 text{ 台}
$$
五、國內外主流廠商與產品對比分析
5.1 國外知名廠商
| 廠商 | 國家 | 代表產品 | 特點 |
|---|---|---|---|
| Camfil（康斐爾） | 瑞典 | Hi-Flo MSA係列 | 低阻高容塵，適用於FFU係統 |
| Donaldson（唐納森） | 美國 | Ultra-Web® HEPA | 納米纖維增強濾材 |
| Freudenberg（弗勞恩霍夫） | 德國 | Viledon ULPA | 極低泄漏率，適合光刻間 |
| Pall Corporation | 美國 | Aerex ULPA | 耐高溫、化學腐蝕性強 |
5.2 國內主要品牌
| 品牌 | 所屬企業 | 代表產品 | 應用特點 |
|---|---|---|---|
| 蘇州安泰空氣技術有限公司 | 清潔科技企業 | AT-H14係列 | 國產替代主力，性價比高 |
| 上海亞核淨化設備有限公司 | 淨化設備製造商 | YH-ULPA-U16 | 適用於高端封裝線 |
| 廣東艾科技術股份有限公司 | 智慧建築服務商 | AK-HEPA-13 | 智能監控功能集成 |
| 深圳市金鼎環保科技有限公司 | 環保科技公司 | JD-ULPA-U15 | 耐腐蝕、抗老化 |
5.3 產品參數對比表（節選）
| 品牌 | 類型 | 效率 | 初始阻力(Pa) | 容塵量(g) | 價格(元/台) |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil Hi-Flo MSA | HEPA H14 | ≥99.995% | 220 | 600 | ￥8000 |
| Pall Aerex ULPA | ULPA U16 | ≥99.9995% | 280 | 550 | ￥12000 |
| 蘇州安泰AT-H14 | HEPA H14 | ≥99.995% | 230 | 580 | ￥5500 |
| 亞核YH-ULPA-U16 | ULPA U16 | ≥99.9995% | 290 | 520 | ￥9000 |
注：數據來源於各廠商官網與公開招標文件。
六、高效空氣過濾器的應用實例與效果評估
6.1 實例一：某12英寸晶圓廠潔淨室改造項目
背景：原潔淨室使用HEPA H13過濾器，潔淨等級為ISO 4，因光刻工藝升級需提升至ISO 2級。
解決方案：
- 更換為ULPA U17過濾器；
- 增設FFU數量至每平方米1.2台；
- 加裝VOCs預處理模塊。
效果評估：
- 潔淨度達標ISO 2；
- 運行能耗降低8%；
- 濾芯更換周期延長至18個月。
6.2 實例二：某先進封裝廠潔淨車間建設
背景：新建潔淨車間，目標潔淨等級為ISO 4。
選型方案：
- 選用國產ULPA U15過濾器；
- 搭配中效F8+初效G4預處理；
- 采用智能控製係統實現壓力差與風量自動調節。
運行結果：
- 潔淨度穩定在ISO 4級；
- 年均維護成本較進口方案下降30%；
- 係統響應速度快，適應多班次生產需求。
七、發展趨勢與前沿技術展望
7.1 智能化與數字化趨勢
隨著工業4.0推進，越來越多的高效空氣過濾係統開始集成傳感器與物聯網模塊，實現實時監測與遠程控製。例如：
- 壓差報警係統；
- 顆粒計數反饋；
- 自動清潔與更換提醒。
7.2 新型材料的研發
近年來，納米纖維、碳納米管、石墨烯塗層等新型材料被引入高效過濾器研發，顯著提升了過濾效率與耐久性。例如：
- 美國Donaldson公司的Ultra-Web®納米纖維技術；
- 中國清華大學研發的石墨烯增強複合濾材。
7.3 綠色節能方向
通過優化結構設計、降低初始阻力、提高使用壽命等方式減少能耗。如Camfil推出的Hi-Flo係列，比傳統HEPA節省約20%能耗。
八、結論與建議（略）
參考文獻
- GB/T 13554-2020. 高效空氣過濾器 [S]. 北京: 中國標準出版社, 2020.
- GB 50073-2013. 潔淨廠房設計規範 [S]. 北京: 中國計劃出版社, 2013.
- ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification and monitoring of air cleanliness by particle concentration [S].
- EN 1822:2009. High efficiency air filters (HEPA and ULPA) – Testing, classification and marking [S].
- ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size [S].
- SEMI F19-1103. Guide for Classification of Semiconductor Manufacturing Facility Cleanrooms Based on ISO 14644-1 [S].
- Camfil. Product Catalogue – Hi-Flo MSA Series [EB/OL]. http://www.camfil.com/
- Pall Corporation. Aerex ULPA Filters [EB/OL]. http://www.pall.com/
- 蘇州安泰空氣技術有限公司. AT係列高效過濾器說明書 [Z]. 蘇州, 2022.
- 清華大學環境學院. 新型納米材料在高效過濾器中的應用研究 [J]. 環境科學與技術, 2021, 44(5): 123-130.
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