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1、技術專技術專 半導體廠的外氣空調箱在同氣候區之設計與分析 半導體廠的外氣空調箱在同氣候區之設計與分析 Designs of MAU for Semiconductor Industries in Different Climatic Regions 蔡俊宏、王鈞民、鍾光燿 華電子股份有限公司 廠務暨擴建工程部 C. H. Tsai，J.M. Wang and K.Y. Chong UMC，Fab8E Engineering Dept. / Facility Operation & Construction Division 摘要 摘要 半導體廠的潔淨室環境必須保持精密而穩定的 控制，使晶圓製程
2、受環境的干擾。在同的 氣候區，外氣條件差甚大，外氣空調箱的設 計也需要隨之調整。本文研究在同的氣候 區及世界主要城市，外氣空調箱各單元所需要 的設計容。除建外氣空調箱的設計資 庫外，並針對同氣候區的特性，建議出最 佳的外氣空調箱設計型式。 Abstract: Abstract: The cleanroom control systems should be designed according to different climatic regions. This paper investigates how the climatic difference affects the design
3、 of the make-up-air unit, MAU, that controls temperature and humidity in a cleanroom. We recommend suitable designs for different climatic regions around the world. We also establish a database for MAU design in different climatic regions. 前言前言 潔淨室的環境主要是控制溫與溼，其 他如靜電、氣污染物(AMC)也是近受到 重視的控制因子。潔淨室內的溫、溼條件
4、一 四季均維持固定，半導體業一般的溫設定 值為 22 或 23，相對溼為 43 或 45 %RH。 但是外界環境在一四季變化很大，夏天通常 為高溫、高溼的氣候，冬天則通常是低溫與低 溼的氣候條件。外氣空調箱(MAU)主要的功 能，就是克服外在環境的變化，使進氣可以調 整到符合潔淨室規格後，補充潔淨室新鮮而品 質穩定的進氣。 近，愈愈多的企業將運轉的域擴 充到國外，目前在日本、美國、新加坡及大 沿海均有屬於台灣企業的半導體廠在運轉中， 加拿大、歐洲也曾有建廠的規劃。然而，這些 地區的氣候條件與台灣差甚大。以氣溫為 ，在新竹最的天氣大約是 8；在德國， 冬天最可以達到-171！在這種況下，潔 淨室
5、要保持固定的溫、溼，外氣空調箱的設 計必須隨者氣候區的同而調整。然而，目前 對於氣候對於空調系統影響的研究，通常侷限 於對舒適的影響2-3，對潔淨室的空調系統 鮮少到相關的研究文獻。 本文的目的在於研究同的氣候區中， 外氣空調箱各元件的運轉與最佳設計。2004.12 潔淨科技 21 技術專技術專 用世界氣候資庫4中，蒐集時間長達 12 以上的各地氣候據作為考依據，依空調 計算出潔淨室外氣空調箱在世界各地需要的 運轉。本文所建的資庫涵蓋亞 洲、美洲與歐洲各主要工業城市。除此之外， 本文也針對同氣候區，外氣空調箱最佳的 設計型式提出建議。這些資庫與設計建議， 對於跨國性企業在規劃籌建半導體潔淨室時
6、， 有相當大的助益。 潔淨室的環境控制潔淨室的環境控制 圖一是潔淨室的環境控制基本的示意圖。 潔淨室的溫、溼主要受外氣空調箱(Make-up Air Unit, MAU)所控制，潔淨室內的乾盤管(dry coil)可以針對潔淨室內的設備與人員發熱，調 整使溫符合規格。外氣空調箱主要由除濕盤 管、加熱盤管、加溼器、風與網所組成。 當外氣溼高於潔淨室需求時，除濕盤管將外 氣溫到點而達到除濕目的；除濕後空氣 溫約 89，低於潔淨室的需求，再熱盤管 將溫提昇到符合潔淨室進氣標準後送進潔淨 室的回風區。當冬季外氣條件低於潔淨室需求 時，加熱盤管將進氣溫提昇，而加溼器則補 充足的溼。表一出外氣空調箱的主要
7、元 件及其功能。 A m bientD ry CoilClean RoomM ake-up A ir U nitH um idifierH eating coil D ehum id coilA ir圖一、潔淨室的環境控制基本的示意圖 2004.12 潔淨科技 22 技術專技術專 表一、外氣空調箱的主要元件及其功能 DescriptionFunctionRemarkCoils with chiller water1. Removingmoisture.(About 5)2. Cooling outsideair.Coils with hot water1.Heating outside air
8、(35 in Taiwan)2.Reheating air afterdehumid coilFanFan with speed controlSupplying fab positive pressureIt is controlled according to exhaust amountHumidifierWater spray or stream injectionSupply moistureWater spray must add a hot water coil Coils with cool water(About 18)Dry coilAdjust the fab tempe
9、ratureIt cannot remove moistureDehumid coilHeating coilHot water temperature depends on the climate and type of humidifier目前外氣空調箱各元件中，除加溼器 外，其他各元件的設計原各廠商的差並 大；常用於半導體業的家溼器主要有三種型 態：?蒸氣加溼，?水霧加溼，及?Air washer。 圖二是這三種加溼器的示意圖 ， 主要描述如下 ： ?蒸氣加溼 蒸氣產生器示意圖如圖 2(A)，其原是將 純水加熱產生蒸氣，再經由蒸氣分布器將需要 的蒸氣送入外氣空調箱。蒸氣產生器的熱源可 由
10、燃氣鍋、燃油鍋或電熱器所提供。通常 溼足的時機是冬季寒襲時，加溼器前 會有加熱盤管負責提昇外氣溫。 ?水霧加溼 水霧加溼的示意圖如圖 2(B)，其原是 用高壓的水通過噴嘴後霧化為小顆，這些小 液滴在空調箱中吸收空氣的熱而氣化為蒸氣，因而補充足的溼。水霧的產生方式有 高壓水通過噴嘴、高壓水及高壓空氣混合(二 體)、超音波震盪子產生等幾種方式，但其加溼 的工作原都是一樣的。需要補充的溼愈大 時，補充的水霧需要愈多，且空調箱的氣溫 也要愈高。 ?Air washer Air washer 的示意圖如圖 2(C)，其原與水 霧加溼似，水由噴嘴灑出而由擋水板阻礙後 回下方的循環水池，由噴嘴灑出的液滴吸收
11、 空氣的熱氣化後，補充 fab 需要的溼。與 水霧加溼同的是 air washer 噴灑的水大 ， 大 的液滴與在擋水板上形成的水膜，與空氣接 觸面積非常大，除有加溼作用外，最大的優 點是可以將空氣中含有的化學污染物吸收下 ，使供應到潔淨室的空氣品質好。這也是 此型加溼器稱為 air washer 的原因。 2004.12 潔淨科技 23 技術專技術專 Air washerWater spary(C)demister 3(B)3demisterHeating coil64AmbientAirHeating coil46AirAmbientSteam(A)3Heating coil54Ambie
12、ntAir圖二、半導體廠常用的加溼器示意圖 (A) 蒸氣加溼 (B)水霧加溼 (C)Air washer 空氣線圖分析(Psychrometrics Analysis) 空氣線圖分析(Psychrometrics Analysis) 空氣線圖是空調設計常用的分析工具 5，只要有外氣與室內條件，就可以求出空調 系統應有的規劃配置與各元件的負荷。空氣線 圖有常溫、低溫、高溫與超高溫幾種6。各種 空氣線圖的溫範圍如下所示，本文會使用 到常溫與低溫種空氣線圖。 常溫空氣線圖 0 50 低溫空氣線圖 40 10 高溫空氣線圖 100 120 超高溫空氣線圖 100 200 圖 3 是空氣線圖的示意圖，橫
13、軸是溫， 縱軸則是溼比(humidity ratio)，或稱為絕對溼 。溼比的意義為 1 公斤的乾空氣中所含有 的水的重，常用的單位是 kg water/kg dry air 或是 g water/kg dry air。空氣線圖中的曲線代表 相對溼(relative humidity)，其定義是某溫下 定空氣中所含有的水，除以相同溫與相 同空氣下在飽和態所能含有的水，單位 常寫為%RH。圖 3 中的斜直線代表焓值 (enthalpy)，公制單位為 kJ/kg dry air。 以下用空氣線圖與空調，計算出外 氣空調箱在除濕與加溼過程中，所需要的盤管 熱負荷。 2004.12 潔淨科技 24 技
14、術專技術專 temperaturehumidity ratiorelative100%enthalpyhumidity 50%圖 3、空氣線圖的示意圖 除濕過程 除濕過程 半導體廠的潔淨室常用 23及 45 %RH 作 為潔淨室環境的規格。在台灣，外氣空調箱在 絕大多的時間都需要除濕，外氣溼比在夏 天常常高於 20 g water/kg dry air，而潔淨室內的 條件則為 8.0 g water/kg dry air ， 者的差就是 除濕盤管需要除濕的含水。圖 4 為除濕過程 在空氣線圖中的示意圖，圖 5 則是外氣空調箱 除濕盤管的配置。 態 1 代表外氣條件，態 2 則是除濕後 的空氣態
15、。由態 1 到態 2 的能是除濕 盤管在除濕過程所要提供的能。 Q dehumidify hm1hm2 (1) 混合空氣的焓值可由下式計算： hm CpThv (2) hm 的單位是 kJ/kg. Cp 是乾空氣的比熱，值是 1 kJ/kg T 代表空氣的溫，而 則是混合空氣的 溼比。hv 代表水蒸氣的焓值，值可查熱 學性質表5得到。 outside environmentdesign pointtemperature23humidity ratio1圖 4、除濕過程在空氣線圖中的示意圖 2004.12 潔淨科技 25 技術專技術專 Dehumid coilHeating coil321AirAmbient圖 5、外氣空調箱除濕盤管的配置 加熱與加溼過程加熱與加溼過程 在寒低溼的季節，外氣必須加熱且加溼 才能送進潔淨室，加溼器如圖 2 所示，圖 6 則 為空氣線圖上加溼過程的示意圖。態 4 是外 氣的條件，態 3 是潔淨室的設計規格。蒸氣 加溼的過程是由態 4 到態 5 再到態 3； 水霧加溼及 Air washer 的加溼過程則為態 4 到態 6 再到態 3。 蒸氣加溼的況下，低溫外氣先由加熱盤 管將溫提昇到態 5，
