集成電路芯片工業(yè)潔凈廠房潔凈室設計建設分析

       隨著芯片技術的發(fā)展，晶圓尺寸已由3英寸逐步發(fā)展到12英寸，且仍在往更大尺寸努力推進。制程工藝早已從原來的微米級提升到了納米級，最先進的工藝甚至已經(jīng)達到5nm，越發(fā)靠近原子之間的間距(約0.5nm)。隨著工藝要求越來越嚴苛，對工廠建設要求也不斷提高。

       集成電路芯片工廠對生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度、潔凈度、防微振等均有著嚴格的控制要求，且各種配套系統(tǒng)繁多復雜。因此集成電路芯片工廠的設計也被業(yè)內公認為電子行業(yè)潔凈工程設計的皇冠。近幾年，合景凈化工程公司EPC承建了多個集成電路芯片工廠項目。本文以“某12英寸集成電路芯片工廠”為例，通過建筑布局和建筑消防兩個方面對于此類工廠建筑設計的要點進行探討。業(yè)內的Semiconductors通常將集成電路芯片生產(chǎn)工廠稱為Fab工廠（Fabrication Plant，F(xiàn)ab）。

1 Fab建筑布局

       本文首先從Fab工廠的建筑布局開始探討，并從“豎向”和“水平”兩個維度進行分析。

1.1 豎向布置

       通過多年的實踐總結，目前國內已建的12英寸Fab工廠基本均采用四層結構，從上至下分別為：上技術夾層，潔凈生產(chǎn)層，潔凈下技術夾層和非潔凈下技術夾層。本項目對生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度控制要求很高（溫度控制在22℃±1℃，相對濕度控制在43%±3%），生產(chǎn)大環(huán)境的空氣潔凈等級為千級（ISO6級），光刻等特殊區(qū)域的空氣凈化等級十級（IS04級）。規(guī)范要求空氣凈化等級（ISO1-4級）的凈化室應采用垂直層流。

       本項目潔凈室全部采用垂直層流即：上技術夾層（送風靜壓箱）中的空氣通過FFU（風機過濾機組）輸送至潔凈生產(chǎn)層，氣流通過高架地板及華夫板孔洞送至潔凈下技術夾層，再經(jīng)過回風夾道中的DCC(干冷盤管)回到上技術夾層，循環(huán)往復。Fab工廠這種特有的三層結構保證了潔凈空氣氣流的均勻性和穩(wěn)定性。底層的非潔凈技術夾層用于設置原材料庫房（中間倉庫）、成品庫房（中間倉庫）,純水終端間以及SB支持區(qū)域；因此，從豎向布置來看，F(xiàn)ab工廠的各層職責分工明確，為創(chuàng)造高級別的潔凈環(huán)境奠定了良好的基礎。

1.2 平面布置

       本文認為Fab工廠的平面布置重點首先是確定柱網(wǎng)尺寸，其次是確定“SB支持區(qū)”和“新風機房”區(qū)域的位置。

1.2.1 底層柱網(wǎng)的確定

       工藝生產(chǎn)需要大空間，而微振控制需要結構有較大的剛度（本項目防微振等級為VC-E）。因此本工廠的潔凈生產(chǎn)層樓面以上采用大柱網(wǎng)，生產(chǎn)層樓面以下的兩個技術夾層均采用小柱網(wǎng)。此外，規(guī)范亦要求Fab工廠的柱網(wǎng)尺寸宜為600mm的模數(shù)，以便后期各種標準構件（如：高架地板）的安裝。

       總結近年國內已建多個12英寸Fab工廠柱網(wǎng)的常用尺寸為：7.2m×7.2m，6.0m×6.0m，4.8m×4.8m；柱網(wǎng)越小建筑剛度越大，對于抗微振越有利，但對于主體結構的抗震不利，且空間的利用率也隨之降低。綜合考慮上述因素，并結合多次防微振測試及結構專業(yè)的有限元計算分析，最終選擇了6.0m×6.0m的柱網(wǎng)。此柱網(wǎng)尺寸，不僅較好地滿足各功能用房的布置，且完美兼顧解決了防微振和結構抗震的矛盾。

1.2.2 SB支持區(qū)的布置

       SB支持區(qū)是Fab工廠的重要支持服務區(qū)，主要用于大宗氣體、特氣、酸類、堿類、有機化類等化學品的存放、分配與收集，方案初期考慮布置方式如圖2所示的3種方式。

       Fab工廠會使用大量的易燃易爆、毒性化學品，且種類繁多。不同類別或同種類別但相互禁忌的化學品均應分開存放。此外，根據(jù)規(guī)范要求甲乙類氣體、危險化學品，甚至惰性氣體的存放和分配間應靠外墻布置，且酸性，堿性，有機類化學品存放收集間相對應的室外還應預留足夠的槽罐車裝卸場地面積。

       （1）方式1，SB區(qū)域沿建筑物的短邊布置，沒有足夠的外墻長度，難以滿足所有需靠外墻布置房間的建設需求。

       （2）方式2，雖有足夠的外墻長度，但凈深度的尺寸不足。經(jīng)過研究，并且綜合了方式1、方式2的優(yōu)缺點。

       （3）最終形成了方式3，很好地滿足了本項目的所有建設需求。

集成電路潔凈車間 合景凈化工程公司

1.2.3 新風機房的布置

       新風機房通常設置在Fab工廠的屋面，常見的設置方式有圖3所示的3種方式。

       （1）方式1，新風機房設置在建筑物長邊的一端，新風送風距離最長，適用于產(chǎn)能小，建筑體量小的芯片工廠。

       （2）方式2，新風機房設置在建筑物短邊的兩側，每側的機房負擔鄰近區(qū)域的空調負荷，送風距離最短。但因空調機房高于大屋面，導致中間屋頂區(qū)域排水被阻，造成一定的漏水隱患；此外較高的兩側機房對于外觀的設計也帶來一定的困難。

       （3）方式3，新風機房設置在建筑物的中央，處理后的新風可直接送至下方的上技術夾層（送風靜壓箱）內。中間高，兩側低的布局既有利于屋頂排水的通暢，更能較好地控制女兒墻的高度。

       通過比選，本項目最終選擇了方式3。但值得注意的是：此類布置，新風機房的底部會減少下方上技術夾層（靜壓箱）的高度。為了確保空氣氣流的平穩(wěn)運行及日后FFU日常維護，必須保證一定的凈高，筆者建議的最小凈高為1.5m。

2 建筑消防

       消防設計Fab工廠設計的另一難點，只有做好消防設計才能確保人員和生產(chǎn)的安全。

2.1 火災危險性分類的確定

       Fab工廠會使用大量的甲乙類特氣和危險化學品，早期大家對于此類工廠的火災危險性分類的理解各不相同?，F(xiàn)有《硅集成電路芯片工廠設計規(guī)范》中5.3.1條明確：“硅集成電路芯片廠房的火災危險性分類應為丙類，耐火等級不應低于二級”。規(guī)范的發(fā)行使各部門（設計單位、政府職能部門、圖紙審查機構等）對此問題達成了良好的共識。

2.2 防火分區(qū)設計

       Fab工廠的二層、三層、四層在空間上是連通的，防火分區(qū)的面積遠超《建筑設計防火規(guī)范》的相應規(guī)定。《硅集成電路芯片工廠設計規(guī)范》5.3.3條規(guī)定：“潔凈區(qū)的上技術夾層、下技術夾層和潔凈生產(chǎn)層，當按其構造特點和用途作為同一防火分區(qū)時，上、下技術夾層的面積可不計入防火分區(qū)的建筑面積，但應分別采取相應消防措施”。

       《電子工業(yè)潔凈廠房設計規(guī)范》中明確“丙類生產(chǎn)的電子工業(yè)潔凈廠房的潔凈室（區(qū)），在關鍵生產(chǎn)設備設有火災報警和滅火裝置以及回風氣流中設有靈敏度嚴于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災報警系統(tǒng)后，其每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積可按生產(chǎn)工藝要求確定”。

       綜上所述，本項目按規(guī)范要求采取了所有的消防安全措施，故將生產(chǎn)層與其上、下技術夾層合并為同一防火分區(qū)。上下技術夾層不計入防火分區(qū)的建筑面積，但是計入建筑物的建筑面積。

2.3 防泄爆設計

       Fab工廠會使用到可燃、有毒氣體以及甲乙類化學品，例如：氫氣（H2）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）、丙酮、異丙醇、氫氟酸等。根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》的要求，此類房間需要考慮防泄爆措施。因此，本項目將此類房間集中靠外墻設置，并將該區(qū)域設成獨立的防火分區(qū)，與其他功能區(qū)域采用防火、防爆墻體隔離，聯(lián)通處采用門斗形式。

       不同類別或同種類別但相互禁忌的化學品均亦應分開存放，各存放區(qū)之間用防火墻隔開。有防爆要求的每個隔間均設有獨立對外的安全出口，鄰近疏散口的間距大于5m。

       房間外墻均需采用小于60kg/m2輕質材料作為泄爆墻，同時這些房間的外墻應保證離開廠區(qū)次要道路5m及以上，廠區(qū)主要道路10m及以上。

       泄爆面積應通過計算獲得，不同化學品的泄爆面積相差很大，現(xiàn)以“硅烷”的泄爆面積計算為例進行計算。

       實際泄爆面積A1計算為式（1）。

A1＝10×3.375＋93.7－8×0.8＝121.05 m2

滿足規(guī)范最小泄爆面積A2為式（2）。

A2＝10CV2/3

其中，V 廠房容積（m3）C，泄壓比m2/m3（硅烷取值 0.11）。

10×0.11×(100×4.5)2/3＝64.6m2 （３）

A1>A2 結論：實際泄爆面積滿足規(guī)范要求。

2.4 專用消防口的設置

       《建筑設計防火規(guī)范》7.2.4、7.2.5條規(guī)定：“廠房的外墻應在每層適當位置設置可供消防救援人員進入的窗口，且窗口間距不宜大于20m”。但是《潔凈廠房設計規(guī)范》5.2.10條規(guī)定：“潔凈廠房同層潔凈室（區(qū)）外墻應設可供消防人員通往廠房潔凈室（區(qū)）的門窗，其門窗洞口間距大于80m時，應再該段外墻的適當位置專用消防口”。兩本規(guī)范對專用消防口的設置間距要求不一致。

       本項目所在地的消防部門并不認可按80m的間距設置，理由是《建筑設計防火規(guī)范》最新版的發(fā)行時間更新。

       Fab工廠的室內環(huán)境潔凈度、溫濕度控制要求高。窗戶的密閉性和隔熱性能均無法與實體墻體相比，陽光輻射透過外窗進入室內會直接造成局部區(qū)域溫度波動，無法滿足環(huán)境控制要求，嚴重時甚至導致產(chǎn)品良品率的下降。

       本文認為工業(yè)建筑在保障人員安全的同時，亦應充分尊重工藝布置及其環(huán)境控制要求。經(jīng)過多方專家論證及與消防部門多次溝通，最后消防部門同意：“潔凈層按40m間距設置專用消防口，其他樓層按《建筑設計防火規(guī)范》嚴格執(zhí)行。

       本工廠沿外墻設置回風夾道，消防救援人員從消防口進入建筑物后需穿越豎井才能到達潔凈室。為確保救援人員可以安全、迅速到達火情發(fā)生點，本項目在回風夾道上設置了聯(lián)系通道，該通道的樓板滿足耐火極限1.5h。

       Fab電子工廠的建筑設計極其復雜，由于篇幅有限不能面面俱到。上述內容僅為本文的一些經(jīng)驗之談。

參考文獻

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