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電子制造進入低成本高品質時代 潔凈技術亟待優化

來源:admin 發布時間:2018/6/22

潔凈室系統的設計與施工是電子信息產品制造過程中的重要環節,尤其是對于超大規模集成電路、高世代TFT-LCD而言,潔凈室系統設計及建造的水平不僅決定了工廠運營成本的高低,而且還決定了產品質量和可靠性的高低。在滿足生產需求及確保生產安全的前提下,如何科學地進行潔凈室系統的設計與施工,以降低建設投資和運行費用,是擺在我國企業面前的重要課題。今年7月1日,《電子工業潔凈廠房設計規范》(GB50472)正式實施,這是我國專門針對電子工業領域的潔凈廠房設計推出的首個國家標準,它將幫助企業優化潔凈室的設計與建造。
 
    潔凈室設計要降低能耗與成本
 
    在我國,潔凈廠房的能源消耗是相當大的。能源消耗主要用于生產設備用電和用熱、凈化空調系統的耗電/耗熱和冷負荷、冷凍機組的耗電、排氣裝置的耗電和耗熱、超純水和氣體的制取和輸送以及公用設施和照明的用電等。為達到潔凈室要求的空氣潔凈度等級,潔凈室的循環風量很大。一般空調房間的每小時換氣次數只需要幾次,而潔凈室每小時換氣次數達到10次~600次。由于技術的原因,我國的潔凈室在能耗方面又高于歐美發達國家。
    “據不完全統計,潔凈室的能耗是一般寫字樓的10倍-30倍。我國的8英寸集成電路芯片制造廠,其潔凈室單位面積能耗達到1.48千瓦/平方米~1.93千瓦/平方米,比美國同類型工廠高15%。”上海市室內環境凈化協會秘書長王芳告訴《中國電子報》記者,“以上海某知名芯片廠為例,其全年耗電量的51%用于潔凈室運行維護。如果能將這51%的能耗合理降低,對企業來說就意味著利潤的增長。”
    不僅如此,潔凈室的建造費用也十分驚人。《電子工業潔凈廠房設計規范》主要起草人之一、世源科技工程有限公司總工程師秦學禮在接受《中國電子報》記者采訪時表示,ISO6級(相當于美國標準FS2091000級)潔凈室單位面積建造成本約為3000元/平方米~4000元/平方米,而ISO4級(相當于美國標準FS20910級)潔凈室單位面積建造成本則高達1萬元/平方米。由于潔凈室建設費用很高且不同潔凈等級的建設費用相差較大,因此,在潔凈室設計過程中,設計師不僅需要合理布置工藝設備以盡量減少潔凈區的面積,而且也要針對不同的生產環節設置不同的潔凈等級。目前,12英寸集成電路芯片制造工廠普遍采用“開放式潔凈室加微環境”的方式,將芯片制造過程中對空氣潔凈度要求十分嚴格的硅片加工過程布置在1級-4級的微環境裝置內,而開放式潔凈室的潔凈度等級只需5級-6級,這樣就有效地降低了建設/運營投資以及能耗。
 
    潔凈室系統控制對象范圍廣
 
    潔凈室系統所控制的對象不僅是室內的空氣潔凈度,還包括在生產過程中與產品密切接觸的水、氣體和其他化學品。
    在集成電路和TFT-LCD的生產過程中,硅片和玻璃基板的清洗需要大量的超純水。《電子工業潔凈廠房設計規范》主要起草人之一李錦生告訴《中國電子報》記者,電阻率是衡量超純水純度的重要指標。超純水的電阻率越高,其純度也就越高。一般來講,在25℃時,理論純水的電阻率是18.24MΩ·cm。據了解,當集成電路特征尺寸為0.18微米時,對超純水的電阻率要求已經達到18.2MΩ·cm。而TFT-LCD對超純水要求略低,但也要求電阻率在18MΩ·cm以上。據李錦生介紹,在超大規模集成電路生產過程中,清洗設備用水點的排水幾乎全部可以回收,經回收處理后的水一部分可以作為冷卻塔和廢氣洗滌塔的補水,另一部分可以與超純水制備預處理系統的出水一起進入預處理水池,作為超純水制備的補充水。目前,集成電路潔凈廠房的超純水回收率可以達到70%。
    《電子工業潔凈廠房設計規范》的條文說明顯示,電子工業用高純氣體種類很多,高純常用氣體和特種氣體達數十種。根據電子產品生產工藝要求和氣源的品質,潔凈廠房內常常設有不同類型的氣體純化裝置,如電子產品生產工藝要求氣體中雜質含量達到10-9時,即使管道供應或外購氣瓶的氣體純度達99.99%或99.999%,也需要采用金屬吸氣劑法、低溫吸附法或鈀膜擴散法等氣體純化方法對氣體進行提純。
 
    新國標滿足設計新要求
 
    隨著工藝技術的提升,集成電路對生產環境潔凈度的要求也越來越高。特征尺寸為45納米的極大規模集成電路已于兩年前投入商用。根據摩爾定律,32納米產品將在今年投入商用。日前,英特爾還向業界展示了22納米產品。《電子工業潔凈廠房設計規范》主編、中國電子工程設計院前副總工程師陳霖新在接受《中國電子報》記者采訪時表示,45納米的極大規模集成電路的生產要求潔凈室的空氣潔凈度為ISO1級或ISO2級,微粒粒徑為30納米。
    集成電路和TFT-LCD潔凈廠房的體積也不斷增大。陳霖新表示,以微電子產品生產為代表的大面積、大空間、大體積的潔凈廠房相繼建成,并日漸增多。一個8英寸集成電路芯片生產用的潔凈廠房,其潔凈生產區面積可達數千平方米到1萬平方米,廠房高度20米左右;第6代TFT-LCD生產用潔凈廠房的潔凈生產區面積達3萬多平方米,廠房高度接近30米,其中僅潔凈室(區)及其貫通的上下技術夾層的高度就可達15米~18米,而且TFT-LCD8代線,潔凈廠房面積已接近9萬平方米。
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