洁净室气流组织模拟

洁净室气流组织模拟同济大学吴利瑞您是否看过浮游于空气中的异物？您知道空气中的异物，将决定产品品质与成品率吗？您知道这些异物从何而来吗？闲谈各种微粒子尺寸大小比较粒径（μｍ）０．００１０．０１０．１１１０１００油烟香烟的烟尘碳粉病毒皮肤屑毛发涂料花粉撕纸粉尘细菌可视粒子10mｍ常出现的污染源皮肤屑化纤棉花纤维头发/羊毛纤维灰尘洁净技术的必要性电子产品生产车间若洁净技术不过关，将容易使产品上附着灰尘或异物，会造成产品配线短路、断路，进而造成低良品率不良制品短路断路缺陷50μｍ～100μｍ半导体20μｍ～30μｍ喷墨点•研究表明LCD次品中70%是由于粉尘、污染物的原因造成的.洁净技术的必要性污染物・下吹气流将人体上黏附的污染物四处扩散.。・人体产生的污染物含有很多碱性物质，其中含有Na粒子的污染物对半导体产品影响很大.0.0015mm洁净技术的必要性对于半导体产品生成用的洁净室,最怕含钠粒子,因为一旦被沾染上这种粒子,就会产生程度是其粒径几十倍的缺陷.例如0.1um的NaCL粒子,在硅片表面因潮解而能扩散为50um的圆面积,相当于64K的40位存储单元一半的面积集成电路的发展年份DRAM硅片直径mm芯片面积平方毫米最细光刻线条um元件数个19701K102×104197516K5198064K7531983256K1004025×10519861M1255012×10619894M150900.88×106199216M2001300.5107～109199564M2002000.3107～1091998256M2003000.2107～10920011G3007000.18107～10920044G30010000.113可能2×109200716G0.10201064G0.07集成电路发展对控制粒径的要求年份集成度控制尘粒的最小粒径um加工次数洁净度级别（50％成品率）19701K2100100197516K0.4~1.3100100198064K0.25~0.81001001983256K0.12~0.4140~16010019861M0.08~0.26160~2001019894M0.05~0.17200~3001199216M0.05300~4000.1或10(0.1um)199564M0.035400~50010(0.1um)1998256M0.025500~60010(0.1um)20011G0.018530~7001(0.1um)20044G0.013600~7000.1(0.1um)200716G0.01201064G0.007洁净室的起源随着电子工业与精密工业的发展而发展起来的。虽然当时并不称之为洁净室，不过却发挥着类似洁净室的功能，实际上是为了去除工厂内的污染物，以控制工厂或实验室里的尘埃。由于空气中的浮游微粒子，会造成飞机内所用的小型轴承或齿轮等发生故障，因而必须控制附着于产品上的尘埃。今日所言的洁净室，是因开发出被称为HEPA过滤器，而得以实现。这种过滤器是在第二次大战中，在美国开发出曼哈顿计划的原子弹时，为了捕捉会危害人体的有害放射性粉尘为目的，而由军方所开发而成。何谓HEPA、ULPA过滤器HEPA(highefficiencyparticulateair-filter:0.3mm微粒子捕捉效率至少为99.97%)ULPA(ultralowpenetrationair-filter:0.15mm微粒子捕捉效率至少为99.9995%)ULPAHEPA注意:效率为计数效率『将空气中尘埃、微粒、压力、温湿度、气流的分布、形状与速度等控制在一定范围内，而特别积极采取措施的区域』。只控制温湿度的房间则称为恒温恒湿室。洁净室：①必须保证难以附着尘埃、微粒且具平滑表面的清净区域，②需要大风量的循环空气（考量到局部排气）与高性能ＨＥＰＡ过滤器，③视其需要而配置温湿度控制专用空调设备(静电问题)④为了避免从室外带入尘埃，需备有空气吹淋室、沐浴室等设备。洁净室的定义洁净室洁净度的标示方法洁净度是以单位体积中的大于某个特定粒径以上的灰尘个数予以表示。例如:CleanRoomClass100即代表于一立方英呎中,有100个大于0.5mm的尘埃美国联邦标准209E级别级别的浓度上限0.1um0.2um0.3um0.5um5um单位体积单位体积单位体积单位体积单位体积国际单位制英制m3ft3m3ft3m3ft3m3ft3m3ft3M13509.9175.72.1410.60.87510.00.283……M1.51124035.02657.5030.93.0035.31.00……M2350099.175721.41068.751002.83……M2.51012400350265075.030930.035310.0……M3350009917570214106087.5100028.3……M3.5100……2650075030903003530100……M4……7570021401060087510000283……M4.51000………………3530010002477.00M5………………100000283061817.5M5.510000………………35300010000247070.0M6………………1000000283006180175M6.5100000………………355300010000024700700M7………………10000000283000618001750ISO/TC209级别级别限制0.1um0.2um0.3um0.5um1.0um5.0umm3m3m3m3m3m311022100241043100023710235841000023701020352835100000237001020035208322961000000237000102000352008320293735200083200293083520000832000293009352000008320000293000淋浴室无尘区吹淋室ー新风更衣室空调机HEPA高架地板区洁净室的基本结构1楼气流循环区2楼设备摆放3楼空气过滤区备注：高等级的洁净室最少都需要3层楼的高度洁净室的种类S．AR．A垂直单向流（级数１～１００）S．AR．AR．A乱流（级数１、０００～１００、０００）（级数１００～１００、０００）S．AR．A混流方式R．AS．A水平单向流（级数１００）隧道方式S．AR．A（级数１～１００）洁净室气流组织模拟条件假设几何模型依据洁净室种类有所不同,边界条件相同环境系数:空气密度为0.0228kg/22.4公升=1.01786E-6kg/m3，粘滞系数=0空气流速Y(s)由实际测量数据推算公式求得出口处不设定压力，使空气自然流出S=0S=1Y(s)Y(s)Y(s)Y(s)OutputPressureP=0OutputPressureP=0AIRXY空气流速测量长1m的HEPA过滤器出口各点风速,拟合后得到经验公式乱流式洁净室(MixedAirflowCleanRoom)（级数１００～１００、０００）S．AR．A乱流方式分析结果(一)典型的乱流洁净室结构地板上有效利用高度为3.5m，排气口高度3m，总结构高度(不含HEPA)7m。高架地板摆放的位置这个区域流速较低，不易带走污染粒子，但因为在高架地板下，所以不会导致产品污染在高架地板以上0.75m处，流速很均勻，方向一致，风速也不偏低。分析结果(二)这个区域由于排气孔缩小，气流比较混乱，但对于工作区域影响不大乱流洁净室结构，将排气孔缩小。地板上有效利用高度为3.5m，排气口高度1.5m，总结构高度(不含HEPA)7m。比起結果(一)，风速不太稳定，但是在大小差距仍在容忍范围內，是可以使用的方案。分析结果(三)在这个区域气流紊乱,有引起尘粒漂浮的可能乱流洁净室结构，将右边排气口去掉。地板上有效利用高度为3.5m，排气口高度3m，总结构高度(不含HEPA)7m。明显看出左方的气流速度偏大,右方气流速度偏小，且整体不稳定，速度大小落差太大，可以使用的稳定气流工作区域非常小，不适合使用。垂直单向流洁净室(VerticalAirflowCleanRoom)S．AR．A垂直单向流方式（级数１～１００）分析结果(一)典型的垂直单向流结构，为成本和运行费用最高的设置高架地板上有效利用高度为4m，排气口高度3.25m，总结构高度(不含HEPA)7.5m。因为过滤器布满天花板,所以整体洁净室流向顺畅且风速高,能将污染物减少到最低,属于高等级的洁净室配置.由于天花板均是出风口，整体流速提高，大部分的区域风速在一定范围内，两旁有高速气流但流向仍稳定分析结果(二)垂直单向流结构，将排气口缩小。高架地板上有效利用高度为4m，排气口高度2.5m，总结构高度(不含HEPA)7.5m。在这个区域有少量气流回旋，但在工作范围高度下，且向下流速快，不致有太大影响。流速不太穩定，但是仍在一定范围內，流向整体来说算顺畅，也是可行的方案结论保留两端排气口而缩小排气口高度(节省成本)，会造成流速不稳定，但一直都在一个范围(任两点流速差距±20%)，且空气流动顺畅，若能妥善实施人员管理，仍可在节省费用的情况下维持清净度。