集成電路芯片工業(yè)潔凈廠房潔凈室設(shè)計建設(shè)分析

       隨著芯片技術(shù)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(shè)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(fù)雜。因此集成電路芯片工廠的設(shè)計也被業(yè)內(nèi)公認為電子行業(yè)潔凈工程設(shè)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(shè)計的要點進行探討。業(yè)內(nèi)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(jié)，目前國內(nèi)已建的12英寸Fab工廠基本均采用四層結(jié)構(gòu)，從上至下分別為：上技術(shù)夾層，潔凈生產(chǎn)層，潔凈下技術(shù)夾層和非潔凈下技術(shù)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(yīng)采用垂直層流。

       本項目潔凈室全部采用垂直層流即：上技術(shù)夾層（送風(fēng)靜壓箱）中的空氣通過FFU（風(fēng)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(shù)夾層，再經(jīng)過回風(fēng)夾道中的DCC(干冷盤管)回到上技術(shù)夾層，循環(huán)往復(fù)。Fab工廠這種特有的三層結(jié)構(gòu)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(shù)夾層用于設(shè)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(zé)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(chǔ)。

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(fēng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（如：高架地板）的安裝。

       總結(jié)近年國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)合多次防微振測試及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wù)區(qū)，主要用于大宗氣體、特氣、酸類、堿類、有機化類等化學(xué)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(xué)品，且種類繁多。不同類別或同種類別但相互禁忌的化學(xué)品均應(yīng)分開存放。此外，根據(jù)規(guī)范要求甲乙類氣體、危險化學(xué)品，甚至惰性氣體的存放和分配間應(yīng)靠外墻布置，且酸性，堿性，有機類化學(xué)品存放收集間相對應(yīng)的室外還應(yīng)預(yù)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(shè)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(shè)需求。

集成電路潔凈車間 合景凈化工程公司

1.2.3 新風(fēng)機房的布置

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

       （1）方式1，新風(fēng)機房設(shè)置在建筑物長邊的一端，新風(fēng)送風(fēng)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(fēng)機房設(shè)置在建筑物短邊的兩側(cè)，每側(cè)的機房負擔(dān)鄰近區(qū)域的空調(diào)負荷，送風(fēng)距離最短。但因空調(diào)機房高于大屋面，導(dǎo)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(cè)機房對于外觀的設(shè)計也帶來一定的困難。

       （3）方式3，新風(fēng)機房設(shè)置在建筑物的中央，處理后的新風(fēng)可直接送至下方的上技術(shù)夾層（送風(fēng)靜壓箱）內(nèi)。中間高，兩側(cè)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(fēng)機房的底部會減少下方上技術(shù)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(shè)計Fab工廠設(shè)計的另一難點，只有做好消防設(shè)計才能確保人員和生產(chǎn)的安全。

2.1 火災(zāi)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(xué)品，早期大家對于此類工廠的火災(zāi)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(shè)計規(guī)范》中5.3.1條明確：“硅集成電路芯片廠房的火災(zāi)危險性分類應(yīng)為丙類，耐火等級不應(yīng)低于二級”。規(guī)范的發(fā)行使各部門（設(shè)計單位、政府職能部門、圖紙審查機構(gòu)等）對此問題達成了良好的共識。

2.2 防火分區(qū)設(shè)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(shè)計防火規(guī)范》的相應(yīng)規(guī)定?！豆杓呻娐沸酒S設(shè)計規(guī)范》5.3.3條規(guī)定：“潔凈區(qū)的上技術(shù)夾層、下技術(shù)夾層和潔凈生產(chǎn)層，當(dāng)按其構(gòu)造特點和用途作為同一防火分區(qū)時，上、下技術(shù)夾層的面積可不計入防火分區(qū)的建筑面積，但應(yīng)分別采取相應(yīng)消防措施”。

       《電子工業(yè)潔凈廠房設(shè)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(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備設(shè)有火災(zāi)報警和滅火裝置以及回風(fēng)氣流中設(shè)有靈敏度嚴于0.01%obs/m的高靈敏度早期火災(zāi)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(shù)夾層合并為同一防火分區(qū)。上下技術(shù)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(shè)計

       Fab工廠會使用到可燃、有毒氣體以及甲乙類化學(xué)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(shè)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(shè)置，并將該區(qū)域設(shè)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(xué)品均亦應(yīng)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(shè)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(zhì)材料作為泄爆墻，同時這些房間的外墻應(yīng)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(yīng)通過計算獲得，不同化學(xué)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(jié)論：實際泄爆面積滿足規(guī)范要求。

2.4 專用消防口的設(shè)置

       《建筑設(shè)計防火規(guī)范》7.2.4、7.2.5條規(guī)定：“廠房的外墻應(yīng)在每層適當(dāng)位置設(shè)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(shè)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(yīng)設(shè)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(yīng)再該段外墻的適當(dāng)位置專用消防口”。兩本規(guī)范對專用消防口的設(shè)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(shè)置，理由是《建筑設(shè)計防火規(guī)范》最新版的發(fā)行時間更新。

       Fab工廠的室內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(yīng)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(shè)置專用消防口，其他樓層按《建筑設(shè)計防火規(guī)范》嚴格執(zhí)行。

       本工廠沿外墻設(shè)置回風(fēng)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(fēng)夾道上設(shè)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(shè)計極其復(fù)雜，由于篇幅有限不能面面俱到。上述內(nèi)容僅為本文的一些經(jīng)驗之談。

參考文獻

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