半导体洁净室的节能对策与分析.docVIP

半導體廠房的潔淨室建造成本極為昂貴，建造一座8吋晶圓廠(不含製程機台)動輒三、四十億元。除此之外，潔淨室的運轉成本也相當昂貴，光是運轉所需的電費一年就可高達2億元甚或更高。如此高的運轉成本是否都能有效利用？是否有節能的空間？這方面的討論長久以來就是廠務人員與空調界相當重視的課題。尤其在半導體產業獲利率不再居高不下時，如何將能源有效運用而達到costreduction之目的，就成為不得不做且相當重要的工作了。

潔淨室的特性是溼、度設定點低，而且溫、溼度需要控制在精準規格內，再加上外氣補充量與循環氣量非常龐大，這都是造成潔淨室空調巨額耗能的原因。另外，在潔淨室設計階段對於熱負荷並無法準確估計，又同時考量潔淨室是24小時運轉，空調設備必須有足夠的備載容量才能應付偶發的意外，因此設計上的安全係數都會取得比較寬裕。這些都造成了潔淨室在剛蓋好運轉時，通常都不會是在最佳與最省能的運轉條件，必須日後針對潔淨室運轉狀況發展出適合的節能方案，進一步的執行節能措施與追蹤分析。

潔淨室的耗能分布與節約能源策略的訂定

圖一的半導體廠耗能比例圖是根據胡石政教授針對九家半導體廠耗能調查所做的統計(1)，平均而言廠務系統的耗能佔了整廠號能的56.6%，而空調系統約佔了全部耗能的40%是最大的部分。空調系統中又以冰水主機的耗能佔了全廠的27.2%最為可觀，這顯示外氣除濕與潔淨室循環氣流的冷卻是最耗能的部分。圖二是本廠對各系統耗能統計所做的耗能分配圖，大致上與圖一的分布狀況相近，唯製程機台用電的比例較高。

[圖一、半導體廠各系統用電分布狀況(9廠統計)]

各系統用電分布統計圖

[圖二、UMC8E廠各系統用電分布狀況]

既然空調系統是全廠耗能的最主要來源，因此也是進行節約能源最有潛力的部分，值得對空調系統作進一步的分析與探討，進而找出可以節能的環節，對這些地方擬定相對應的節約能源措施來改善高耗能的狀況。

在前人的文獻中曾探討在潔淨室建造時的節能考量，例如使用FFU系統、變頻器的使用、熱回收冰水主機、高效率pump與低壓損濾網的使用等等(2,3,4,5)，這些都是對節能相當有助益的設計，也是最容易達成目標的方法。然而目前園區建廠時通常已經將這些都納入考慮了，FFU與變頻器、高效率冰機與pump都是建廠的首選配備，熱回收冰水主機也都已佔有一定比例；本文的重點將放在建廠完成後，如何調整各系統的運轉模式以達成節約能源之目的，這也是目前廠務人員所追求的目標。此外，在工廠的運轉上，節約能源也就是降低生產成本，本文也將就本廠所推動的一些節能方案及其成效，與各讀者分享與討論。

潔淨室熱負荷的計算

在潔淨室的空調設計中，對於熱負荷的計算是設計潔淨室所需冷凍能力的一個重要考量，也是在進行節能考量時所需要的基本數據。潔淨室的熱負荷主要來自設備機台的發熱，如機台本體、真空pump、電盤等，另外，送風機與FFU的運轉發熱甚或氣流的摩擦壓損等也都是熱負荷的來源。由於其來源複雜，機台的facilitydata中的耗電量又無法直接與熱負荷畫上等號，以往通常是根據經驗值或以其他類似廠區的資料來作推估。在實際運轉的fab中，計算出潔淨室的實際熱負荷是管理與節約能源的首要步驟。以下為計算fab實際熱負荷的方法，由此也可推論出fab所需drycoil的冷凍能力，依此步驟求出的潔淨室實際熱負荷，可當成潔淨室運轉參數檢討與節能方案擬定的依據。

以一個常見的三層式潔淨室(Truss/Cleanrooms/subfab)來作說明：外氣是由外氣空調箱所提供，潔淨室內部的循環氣流則是由循環風車或FFU的風扇所構成。通常潔淨室內的溫溼度維持在22(或23)℃與43(或45)%RH，空氣吸收部份機台的熱量流入subfab，又吸收了pump、機台與電盤等的發熱，與外氣風管送進的低溫氣流混合後，由循環送入潔淨室上方truss再進入潔淨室。在循環風道上有冷卻盤管(drycoil)控制氣流溫度，使進入潔淨室內氣流的溫濕度可以符合規格的要求。

上述的流程可以簡化為圖三：

[圖三：潔淨室氣流循環與能量平衡圖示意圖]

A的狀態為truss的氣流，氣流量為潔淨室的循環氣量。氣流由此進入潔淨室，由於潔淨室的狀態是控制不變的，truss的氣流狀態也是幾乎固定不變，如此在增加摩擦熱後，進入潔淨室可以達到所要控制的狀態點。

B為exhaust由潔淨室抽出的氣流，其熱力學狀態與潔淨室內狀態相同，氣流量可以視為與外氣補充量相等(在此先忽略潔淨室的洩漏量，如此才可達到質量平衡)。

C為外氣空調箱所供應進subfab的氣流，氣流量為外氣補充量，狀態接近空調箱的送氣狀態(會由於風管內的摩擦而使溫度些微增高，約0.5℃)。

D為循環風車進風口的氣流狀態，這是氣流吸收機台散熱與外氣混合後的狀態。通常溫