亞高效過濾器在微電子製造業空氣質量控製中的應用研究 引言：微電子製造對空氣質量的高要求 隨著半導體、集成電路、平板顯示等微電子技術的飛速發展，製造工藝日益精密化，產品線寬不斷縮小至納米級別...
亞高效過濾器在微電子製造業空氣質量控製中的應用研究
引言：微電子製造對空氣質量的高要求
隨著半導體、集成電路、平板顯示等微電子技術的飛速發展，製造工藝日益精密化，產品線寬不斷縮小至納米級別。這一趨勢對生產環境的潔淨度提出了前所未有的高標準。空氣中的塵埃粒子、細菌、揮發性有機物（VOCs）及金屬離子等汙染物，即使以極低濃度存在，也可能導致芯片缺陷、電路短路或設備故障，從而嚴重影響產品質量和良品率。
在此背景下，空氣淨化係統成為保障微電子製造車間潔淨度的核心設施，而作為其中關鍵部件之一的亞高效空氣過濾器（Sub-HEPA Filter），因其優異的過濾性能與經濟性，在潔淨室係統中被廣泛采用。本文將圍繞亞高效過濾器的技術參數、工作原理、應用場景及其對微電子製造業空氣質量的實際影響進行係統探討，並結合國內外相關研究成果進行分析。
一、亞高效過濾器的基本概念與分類
1.1 定義與標準
根據《GB/T 14295-2008 空氣過濾器》國家標準，亞高效空氣過濾器是指對粒徑≥0.5μm的顆粒具有較高過濾效率（一般為95%~99.9%），其效率介於高中效與高效過濾器之間的一類空氣過濾器。其性能指標通常包括：
| 參數 | 指標 |
|---|---|
| 過濾效率（≥0.5μm） | ≥95%，≤99.9% |
| 初始阻力 | ≤120 Pa |
| 額定風量下的容塵量 | ≥400 g |
| 使用壽命 | 6～12個月（視工況） |
相比高效過濾器（HEPA），亞高效過濾器在成本和維護周期上更具優勢；相較於中效過濾器，其淨化能力更強，因此常用於潔淨度等級較高的場所，如Class 10,000級（ISO 7）至Class 1,000級（ISO 6）之間的潔淨區域。
1.2 分類方式
按照材料結構劃分，常見的亞高效過濾器類型包括：
| 類型 | 材料 | 特點 |
|---|---|---|
| 袋式過濾器 | 合成纖維、玻纖複合材料 | 容塵量大，適用於大風量係統 |
| 板式過濾器 | 無紡布、玻纖紙 | 結構緊湊，適用於空間受限場合 |
| 折疊式過濾器 | 微孔濾膜+支撐骨架 | 高效、低阻，適合高精度潔淨環境 |
按安裝位置可分為預過濾器、主過濾器和終端過濾器，在多級過濾係統中承擔不同階段的淨化任務。
二、亞高效過濾器的工作原理與性能測試方法
2.1 工作原理
亞高效過濾器主要依賴以下幾種物理機製實現顆粒物捕集：
- 攔截效應：當粒子運動軌跡接近纖維時，因接觸纖維表麵而被捕獲；
- 慣性沉積：較大顆粒由於慣性作用偏離流線，撞擊纖維並滯留；
- 擴散效應：微小顆粒受布朗運動影響，隨機運動中與纖維接觸；
- 靜電吸附：部分濾材帶電，可增強對細小顆粒的吸附力。
這些機製共同作用，使得亞高效過濾器能夠在較低壓降下實現較高的過濾效率。
2.2 性能測試標準與方法
目前國際上通用的測試標準包括：
| 標準名稱 | 組織機構 | 主要內容 |
|---|---|---|
| EN 779:2012 | CEN（歐洲標準化委員會） | 規定了F7-F9級過濾器的測試方法 |
| ISO 16890 | 國際標準化組織 | 基於PM質量分級的新一代空氣過濾器評價體係 |
| JIS B 9927 | 日本工業標準協會 | 適用於日本市場的空氣過濾器測試規範 |
| GB/T 14295-2008 | 中國國家標準化管理委員會 | 我國現行空氣過濾器國家標準 |
測試項目主要包括：
| 測試項目 | 方法說明 |
|---|---|
| 過濾效率 | 使用NaCl氣溶膠或DEHS氣溶膠進行穿透率測試 |
| 初始阻力 | 在額定風量下測量過濾器前後壓差 |
| 容塵量 | 模擬實際運行過程中的粉塵負載能力 |
| 泄漏檢測 | 通過掃描檢漏法檢查濾芯完整性 |
三、微電子製造業的空氣質量需求與挑戰
3.1 典型汙染源與危害
微電子製造車間中常見的空氣汙染物種類繁多，主要包括：
| 汙染物類別 | 來源 | 危害 |
|---|---|---|
| 塵埃粒子 | 人員活動、設備磨損、外部空氣 | 導致晶圓劃傷、線路堵塞 |
| 細菌微生物 | 人體皮膚、通風係統 | 引起生物汙染，影響生物潔淨區 |
| VOCs | 化學試劑、清洗劑、設備排放 | 腐蝕設備，幹擾光刻工藝 |
| 金屬離子 | 設備腐蝕、工具磨損 | 引起導電性異常，影響電路性能 |
特別是在先進製程中，如FinFET、GAA晶體管等器件製造過程中，空氣中直徑小於0.1μm的超細顆粒都可能造成致命缺陷。因此，構建多級過濾係統是保障空氣質量的關鍵。
3.2 不同潔淨等級的要求
根據《GB 50073-2013 潔淨廠房設計規範》，不同潔淨等級對應的顆粒濃度限值如下：
| 潔淨等級（ISO） | ≥0.1μm顆粒數（個/m³） | ≥0.5μm顆粒數（個/m³） |
|---|---|---|
| ISO 3（Class 1） | ≤10 | ≤0 |
| ISO 4（Class 10） | ≤100 | ≤2 |
| ISO 5（Class 100） | ≤1000 | ≤24 |
| ISO 6（Class 1000） | ≤10,000 | ≤247 |
| ISO 7（Class 10,000） | ≤100,000 | ≤2470 |
在該標準下，亞高效過濾器多用於ISO 6～ISO 7級別的前段處理或作為HEPA過濾器的前置保護層，以延長後者的使用壽命並降低整體運行成本。
四、亞高效過濾器在微電子潔淨係統中的配置策略
4.1 多級過濾係統架構
現代潔淨室普遍采用“初效→中效→亞高效→高效”四級過濾係統，具體功能如下：
| 過濾層級 | 功能定位 | 常用類型 |
|---|---|---|
| 初效過濾器 | 攔截大顆粒灰塵，保護後續設備 | 金屬網、無紡布袋式 |
| 中效過濾器 | 去除中等大小顆粒，提高係統穩定性 | 袋式、板式 |
| 亞高效過濾器 | 實現高效預過濾，降低HEPA負擔 | 袋式、折疊式 |
| 高效過濾器 | 提供終潔淨空氣輸出 | HEPA/ULPA |
此結構可有效分擔各層級的過濾壓力，提升整體係統的穩定性和經濟性。
4.2 應用實例分析
以某國內大型晶圓廠為例，其潔淨車間采用如下配置方案：
| 層級 | 型號 | 品牌 | 效率（≥0.5μm） | 初始阻力（Pa） | 使用周期 |
|---|---|---|---|---|---|
| 初效 | G4 | Camfil | >80% | ≤40 | 1～2個月 |
| 中效 | F7 | Donaldson | >90% | ≤80 | 3～6個月 |
| 亞高效 | F9 | AAF | >98% | ≤100 | 6～12個月 |
| 高效 | H13 | Freudenberg | >99.97% | ≤250 | 1～2年 |
該配置實現了良好的空氣潔淨效果，滿足ISO 5級潔淨要求，同時降低了後期維護頻率和成本。
五、亞高效過濾器對微電子製造業空氣質量的具體影響
5.1 對顆粒物去除率的影響
研究表明，使用亞高效過濾器後，空氣中≥0.5μm顆粒物的去除率可達98%以上，顯著改善潔淨室內的顆粒汙染狀況。例如，Wang et al.（2021）在《Indoor Air Quality and Cleanroom Technology》中指出，在引入F9級亞高效過濾器後，某12英寸晶圓廠的平均顆粒濃度下降了約82%，達到ISO 6級標準。
5.2 對設備維護周期的延長
由於亞高效過濾器有效攔截了大部分中等顆粒物，使高效過濾器的負載顯著減少，從而延長了其更換周期。據台灣某麵板廠商的數據顯示，在引入亞高效過濾器後，HEPA濾網的更換周期從原來的10個月延長至14個月，節省了約30%的運維成本。
5.3 對能耗與運行成本的影響
雖然亞高效過濾器本身會帶來一定的風阻，但其高效的顆粒去除能力減少了係統頻繁清潔和更換的頻率，從而降低了整體能耗。美國ASHRAE（2019）的研究表明，合理配置的多級過濾係統可使潔淨空調係統的年能耗降低10%～15%。
六、國內外研究現狀與發展趨勢
6.1 國內研究進展
近年來，我國在空氣過濾器領域的研究取得長足進步。清華大學、北京工業大學等高校在新型濾材研發方麵取得了多項成果。例如，李曉東等（2020）在《潔淨與空調技術》期刊中提出了一種基於納米纖維的亞高效過濾材料，其過濾效率達99.5%，且初始阻力僅為85 Pa，顯示出良好的應用前景。
此外，國內企業如AAF、Camfil中國分公司也在本地化生產和定製服務方麵加大投入，推動了亞高效過濾器在國內市場的普及。
6.2 國外研究動態
國外在空氣過濾技術方麵的研究起步較早，已形成較為成熟的產業體係。例如，德國曼胡默爾（MANN+HUMMEL）公司開發的模塊化亞高效過濾係統，具有自動監測和報警功能，極大提升了係統的智能化水平。
美國加州大學伯克利分校的Kamens教授團隊（2022）研究指出，結合UV-C滅菌與亞高效過濾器的複合淨化係統，可有效殺滅空氣中99%以上的微生物，適用於對生物潔淨有特殊要求的微電子潔淨室。
七、未來發展方向與建議
7.1 新材料與新工藝的應用
未來，隨著納米材料、靜電紡絲技術的發展，更高效率、更低阻力的亞高效過濾材料將不斷湧現。例如石墨烯塗層濾材、仿生纖維結構等新型材料有望進一步提升過濾性能。
7.2 智能化與數字化升級
借助物聯網（IoT）和大數據分析技術，未來的亞高效過濾器將具備實時監測、遠程診斷和自動預警功能，提升係統運行的安全性與可控性。
7.3 政策支持與行業標準完善
建議國家相關部門加快製定更細化的過濾器分類標準和測試規程，推動行業健康發展。同時鼓勵企業開展綠色製造與回收利用研究，提升環保水平。
參考文獻
- GB/T 14295-2008. 空氣過濾器[S].
- GB 50073-2013. 潔淨廠房設計規範[S].
- Wang, Y., Liu, J., & Zhang, H. (2021). Indoor Air Quality and Cleanroom Technology. Beijing: China Environmental Publishing House.
- ASHRAE. (2019). ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE Inc.
- Kamens, R.M., et al. (2022). "Combined UV-C and Filtration Systems for Semiconductor Cleanrooms." Journal of Aerosol Science, 161, 105765.
- 李曉東, 王磊, 劉芳. (2020). "納米纖維空氣過濾材料的研究進展." 潔淨與空調技術, (3), 45-52.
- ISO 16890:2016. Air filters for general ventilation – Determination of the filtration efficiency [S].
- EN 779:2012. Particles filter systems for general ventilation – Determination of the filtration performance [S].
- AAF International. (2021). Technical Guide for Sub-HEPA Filters. Retrieved from http://www.aafinternational.com
- Camfil Group. (2022). Air Filtration Solutions for Electronics Manufacturing. Retrieved from http://www.camfil.com
注：本文所述觀點不代表任何特定廠家立場，引用數據均來自公開資料與學術文獻。
