半導體無塵車間對高效空氣除菌過濾器的效率標準探討 引言：潔淨室技術在半導體製造中的重要性 隨著半導體產業的快速發展，芯片製造工藝不斷向納米級邁進，對生產環境的要求也日益嚴苛。特別是對於超大...
半導體無塵車間對高效空氣除菌過濾器的效率標準探討
引言：潔淨室技術在半導體製造中的重要性
隨著半導體產業的快速發展，芯片製造工藝不斷向納米級邁進，對生產環境的要求也日益嚴苛。特別是對於超大規模集成電路（ULSI）和先進製程節點（如7nm、5nm及以下），微小顆粒汙染物可能導致電路短路、斷路或性能下降，因此，維持潔淨度極高的生產環境成為保障產品質量的關鍵。其中，高效空氣除菌過濾器（HEPA/ULPA）作為空氣淨化係統的核心組件，其過濾效率直接影響到整個潔淨室係統的穩定性與可靠性。
本文將圍繞半導體無塵車間中高效空氣除菌過濾器的應用需求，重點探討其效率標準體係，包括國際標準ISO 29463、美國IEST RP-CC001、歐洲EN 1822以及中國國家標準GB/T 13554等，並結合典型產品參數進行分析比較。同時，文章還將引用國內外權威文獻資料，深入剖析不同等級過濾器在實際應用中的表現及其影響因素。
一、高效空氣除菌過濾器的基本原理與分類
1.1 過濾機製概述
高效空氣過濾器主要依賴三種物理作用來捕獲空氣中懸浮粒子：攔截（Interception）、慣性撞擊（Impaction）和擴散（Diffusion）。當氣流通過由玻璃纖維或其他合成材料構成的過濾介質時，粒徑大於0.3 μm的顆粒被有效截留，而更小的粒子則依靠布朗運動增加被捕獲的概率。
根據國際標準化組織ISO 29463標準，高效空氣過濾器可分為以下幾類：
| 分類 | 名稱 | 易穿透粒徑（MPPS） | 效率要求 |
|---|---|---|---|
| E10 | 高效預過濾器 | >1.0 μm | ≥85% |
| E11 | 高效初效過濾器 | >0.4 μm | ≥95% |
| E12 | HEPA H12 | >0.3 μm | ≥99.5% |
| E13 | HEPA H13 | >0.3 μm | ≥99.95% |
| E14 | HEPA H14 | >0.3 μm | ≥99.995% |
| U15 | ULPA U15 | >0.12 μm | ≥99.9995% |
| U16 | ULPA U16 | >0.12 μm | ≥99.99995% |
| U17 | ULPA U17 | >0.12 μm | ≥99.999995% |
注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）即易穿透粒徑，是衡量高效過濾器性能的重要指標。
1.2 常見類型與應用場景對比
| 類型 | 英文縮寫 | 粒徑範圍 | 應用領域 |
|---|---|---|---|
| HEPA | High Efficiency Particulate Air | ≥0.3 μm | 醫療、製藥、實驗室、半導體 |
| ULPA | Ultra Low Penetration Air | ≥0.12 μm | 超淨車間、高精度電子製造 |
從上表可見，ULPA過濾器具有更高的過濾效率，適用於對潔淨度要求更高的場所，如IC製造廠、光刻間等。
二、國際與國內高效過濾器標準體係對比分析
2.1 國際主流標準
（1）ISO 29463係列標準
ISO 29463是目前全球範圍內廣泛采用的高效空氣過濾器測試與分級標準，涵蓋了測試方法、分級體係及性能評估等方麵。該標準將過濾器分為E、H、U三個等級，分別對應不同效率區間。
（2）IEST-RP-CC001（美國）
IEST（Institute of Environmental Sciences and Technology）製定的RP-CC001標準是美國潔淨技術領域的權威指南，特別強調對HEPA和ULPA過濾器現場安裝後的性能驗證。其測試流程包括完整性測試（DOP測試）、風速均勻性測試等。
（3）EN 1822（歐洲）
歐洲標準EN 1822同樣以MPPS為核心測試點，提出“局部效率”概念，即對過濾器表麵不同區域的過濾效率進行精確測量。該標準還規定了ULPA過濾器應達到的小效率為99.999%。
2.2 中國國家標準GB/T 13554-2020
中國現行國家標準《高效空氣過濾器》（GB/T 13554-2020）於2020年更新發布，取代舊版GB/T 13554-2008。新標準與ISO 29463保持一致，在分類、測試方法、性能指標等方麵均實現了國際化接軌。
| 標準 | 版本 | 發布機構 | 主要內容 |
|---|---|---|---|
| ISO 29463 | 2017 | ISO | 分類、測試方法、效率分級 |
| IEST-RP-CC001 | 2020 | IEST | 安裝後測試、完整性檢測 |
| EN 1822 | 2019 | CEN | 局部效率測試、ULPA分級 |
| GB/T 13554 | 2020 | SAC | 分類、測試方法、效率分級 |
此外，中國還有行業標準如《潔淨廠房設計規範》（GB 50073-2021）、《醫藥工業潔淨廠房設計規範》（GB 50457-2019）等，對潔淨室內的空氣處理係統提出了明確的技術要求。
三、半導體無塵車間對高效過濾器的具體要求
3.1 潔淨等級劃分與過濾器選型
根據ISO 14644-1標準，潔淨室按每立方米空氣中≥0.5 μm粒子數量劃分為Class 1至Class 9九個等級。半導體製造通常要求達到Class 1~3級別，對應的空氣過濾係統需采用HEPA H14或ULPA U15以上級別的過濾器。
| 潔淨等級（ISO 14644-1） | ≥0.5 μm粒子數（個/m³） | 推薦使用過濾器 |
|---|---|---|
| Class 1 | ≤10 | ULPA U15-U17 |
| Class 2 | ≤100 | ULPA U15 |
| Class 3 | ≤1,000 | HEPA H14 / ULPA U15 |
| Class 4 | ≤10,000 | HEPA H13-H14 |
3.2 典型半導體製造場景中的過濾器配置
在典型的晶圓製造廠（Fab）中，空氣處理係統通常采用多級過濾結構，包括：
- 初效過濾器（G級）：用於去除大顆粒灰塵；
- 中效過濾器（F級）：進一步去除細小顆粒；
- 高效過濾器（HEPA/ULPA）：終實現超淨空氣輸出。
例如，台積電TSMC在其5nm產線中采用ULPA U16級別過濾器，確保潔淨度達到ISO Class 1水平，滿足EUV光刻設備對空氣質量的極高要求。
四、高效空氣除菌過濾器的主要產品參數與性能指標
以下為幾種常見高效過濾器產品的技術參數對比（數據來源：Camfil、AAF Flanders、Airtech China等廠商公開資料）：
| 參數 | HEPA H13 | HEPA H14 | ULPA U15 | ULPA U16 |
|---|---|---|---|---|
| 過濾效率（MPPS） | ≥99.95% | ≥99.995% | ≥99.9995% | ≥99.99995% |
| 初始阻力（Pa） | ≤220 | ≤250 | ≤280 | ≤300 |
| 終阻力（Pa） | ≤450 | ≤450 | ≤450 | ≤450 |
| 工作溫度（℃） | -30 ~ 80 | -30 ~ 80 | -30 ~ 80 | -30 ~ 80 |
| 材質 | 玻璃纖維、聚丙烯 | 玻璃纖維、聚丙烯 | 玻璃纖維、納米膜 | 玻璃纖維、納米膜 |
| 尺寸（mm） | 可定製 | 可定製 | 可定製 | 可定製 |
| 壽命（h） | 15,000~25,000 | 15,000~25,000 | 10,000~20,000 | 10,000~20,000 |
說明：
- 初始阻力是指新過濾器投入使用時的壓力損失；
- 終阻力是建議更換過濾器時的大允許壓差；
- 使用壽命受工作環境、氣流速度、前級過濾效果等因素影響。
五、影響高效過濾器效率的因素分析
5.1 氣流速度與壓降關係
高效過濾器在運行過程中，氣流速度的變化會直接影響其壓降和過濾效率。一般推薦的工作風速為0.45 m/s左右，過快會導致壓降升高，增加能耗；過慢則可能降低過濾效率。
5.2 溫濕度控製
相對濕度對某些類型的過濾材料（如紙基或有機材料）會產生影響，過高可能導致纖維膨脹甚至黴變，影響過濾性能。因此，潔淨室內部應嚴格控製溫濕度在設定範圍內。
5.3 安裝與維護質量
安裝不當（如密封不嚴、方向錯誤）會導致氣流短路或泄漏，從而影響整體潔淨度。定期進行完整性測試（如DOP測試、PAO測試）是確保過濾器正常工作的關鍵措施。
六、國內外研究現狀與案例分析
6.1 國外研究成果綜述
據美國潔淨技術協會（IEST）2021年發布的報告指出，ULPA過濾器在高端半導體製造中已逐漸替代傳統HEPA產品，尤其在EUV光刻等極端環境下，ULPA U16/U17級別成為主流選擇。
日本東京大學的研究團隊（Kawamura et al., 2020）在《Journal of Aerosol Science》發表論文，通過模擬實驗發現ULPA U16在0.1 μm粒徑下的過濾效率可達99.9999%，顯著優於HEPA H14。
6.2 國內研究進展
清華大學潔淨技術研究所聯合中科院過程所，在《暖通空調》期刊（2022年第5期）中發表關於ULPA過濾器在潔淨廠房中的應用研究，指出我國ULPA過濾器國產化率已超過60%，部分企業產品性能接近國際先進水平。
此外，華虹半導體在建設14nm產線時，選用國產ULPA U15過濾器配合智能監控係統，成功將潔淨度穩定控製在ISO Class 2級別。
七、結論（略）
參考文獻
- ISO 29463:2017, Air filters for general ventilation — Classification, testing and marking.
- IEST-RP-CC001.10:2020, Testing HEPA and ULPA Filters.
- EN 1822:2019, High efficiency air filters (HEPA and ULPA) — Part 1 to 5.
- GB/T 13554-2020, High efficiency particulate air filter.
- Camfil Product Catalogue 2023.
- AAF Flanders Technical Guide, 2022 Edition.
- Airtech China, Cleanroom Solutions Handbook, 2021.
- Kawamura, T., et al. (2020). "Performance evalsuation of ULPA Filters in Semiconductor Cleanrooms." Journal of Aerosol Science, Vol. 148, pp. 105601.
- 清華大學潔淨技術研究所. (2022). "ULPA過濾器在我國潔淨廠房中的應用研究." 《暖通空調》，第5期。
- 華虹集團官網技術白皮書. (2021). 《14nm工藝潔淨車間空氣處理係統優化方案》.
