無塵室技術及計算流體力學之應用

— 智能事業群 益鼎 機械部工程師 吳銘福

無塵室建置的目的是為了滿足生產環境要求，因而被廣泛應用於對環境汙染特別敏感的行業，如電子產業、製藥、生物技術、精密機械、醫院、食品等。尤其在競爭激烈的半導體產業，為了開創契機，全球科技大廠皆無不積極投入經費進行更先進製程的研發；隨著生產技術及製程的不斷進步，其所搭配的相關生產設備與生產環境需求，也不斷在進化，而如何在極短時間內創造符合先進製程並提高生產良率的無塵生產環境，就是工程公司建置無塵室的最大挑戰。

在科技的發展下，塵粒控制對無塵室工程而言，已非困難工項，現代的高階無塵室，除了塵粒的要求，對溫度、濕度、震動及化學污染等要求也逐漸提升；其中，半導體產業對於氣態分子汙染物（AMC, Airborne Molecular Contaminants）、溫濕度及震動等要求更是特別嚴格。本文特別以CTCI旗下益鼎與上鼎公司所執行的8K TFT-LCD面板工廠一案為例，探討無塵室工程的未來趨勢，以及各項即時監控、自動化系統與CFD（計算流體力學）於此案中的實際應用。

無塵室簡介與產業現況

「無塵室」為一特別設計的房間，可將一定空間範圍內空氣中的微粒子、有害空氣、細菌等污染物排除，並將室內的溫濕度、潔淨度、室內壓力、氣流速度與氣流分佈、噪音振動及照明、靜電控制在某一需求範圍內。以有效避免產品製造過程中，空氣中的微粒附著，而造成品質降低，影響原始設計功能等情形。

因此，「潔淨室」可定義為在有限空間下，將污染物質（氣浮微粒、氣浮微生物及化學物質）控制在訂定的範圍內，並控制限定進入該空間內的物質（如水、化學品、材料等），保持不大於該範圍的潔淨度，並維持該空間恆定的溫濕度、壓力，並防治靜電、抑制震動及電磁波至一定程度。

無塵室的無塵（潔淨）等級之定義標準有ISO-14644、美國聯邦209E、日本的JIS B9920、德國的VDI 2083、俄國的Gost-R 50766，一般最常用的標準是美國聯邦209E，其空氣懸浮粒子的等級規定如圖1，就是常常聽到的Class10、Class100、Class1000等無塵等級名稱，雖然美國早已正式宣佈廢止209E，改用ISO-14644。但在產業界，除了部份歐洲公司外，美國、日本、台灣、與中國大陸，都還沿用209E。因此新規範ISO-14644還未能完全取代Fed 209E。ISO-14644其空氣懸浮粒子的等級規定如圖2。

無塵室潔淨度的形成在於內裝及空調系統架構，因此，無塵室初步規劃，主要依據生產製程的潔淨度需求來選擇所需的架構與氣流型式。無塵室依循環氣流型式，可分類為：層流式及紊（亂）流式無塵室。層流式的特性與原理，為單一氣流方向，利用此氣流方向來帶走塵粒，由於單一氣流方向可以避免塵粒亂竄、擴散，並迅速帶走塵粒，避免塵粒在無塵室累積越來越多的塵粒，故無塵需求潔淨度等級較高的無塵室，一般採用層流式，而相對潔淨度要求較低的，則選擇紊流式，如圖3。

而高科技廠的無塵室內部機電架構，為滿足產品的生產需求，除了生產機台及自動化生產輸送系統外，內部需規劃高潔淨度空調系統、抗靜電內裝、符合當地及UL的消防系統、供應生產的電力、純水、製程冷卻水、無油潔淨的乾燥壓縮空氣、真空系統、化學品供應系統、特殊氣體供應系統，並設置FMCS（廠務監控系統），以保持無塵室內的微塵粒子、溫度、濕度得以精密的控制。無塵室所需支援系統之項目，如圖4。

依照用途及功能，無塵室大致可分為：高科技工業型無塵室及生物醫藥無塵室，其依循的規範標準也有所不同，說明如下：

(1) 高科技工業型無塵室

常見的用途包含電子產業、化學產業相關工業生產或研發使用。對於生產環境的微粒子、氣態化學汙染物、空間溫度、濕度、微振動、電磁干擾、光線波長、靜電等相關電氣特性的影響極為敏感，其建築一般採用抗震RC鋼構結構建立，外牆經常採用三明治夾芯板金屬外牆方式建造。為保護無塵室生產不受外環境影響，生產區域會盡可能佈置於建築物中間，而無塵生產靠近外牆或一般區域時，採用高氣密及不發塵的金屬壁板材料來做為無塵室外層，並與外界再做一次隔離，以保護無塵室不受外界干擾。

(2) 生物醫藥無塵室

常見的用途包含針劑、錠劑、口服藥物生產研發，生物實驗研究及手術醫療等相關用途。

目前製藥業界最常參考的設計基準，最廣被採用的是由歐洲聯盟（EU）制定稱為 “European Union Guide to Good Manufacturing Procedure”（EU GGMP）的規章，其空氣懸浮粒子的等級規定如圖5所示，該等級的微生物污染的建議限量如圖6所示。

無塵室工程的趨勢與展望

高科技製程工藝的專業領域甚廣，無塵室工程為因應產業發展需求，也有了許多嶄新挑戰。就本文提及的8K TFT_LCD面板工廠領域而言，隨尺寸結構更小、能更加精細調光的Mini-LED陸續導入市場，未來LED微縮化和矩陣化發展，讓LED單元將小於100微米的Micro LED，至於半導體產業早已進入奈米線徑，可見無塵室工程的未來挑戰已不僅只是微塵粒及AMC的控制。

無塵室工程的發展趨勢，除常見的奈米需求及節能需求議題以外。在廠務設備上，也朝即時監控及自動化系統的方向發展，以期建立高效率且降低人力需求的管理系統。就現況而言，初級濾網更換的自動化流程應用已普及，可即時監控壓差並自動更換乾淨濾網，有效節省人力；當新濾網存量較低時，監控系統也會通知廠務人員補充，目前幾家科技大廠已應用工業4.0概念並結合AI Learning mechanical 來實現冰水系統全自動化智能控制。

除了自動化趨勢，無塵室工程的施工工法也在持續演進。以2018年CTCI在中國大陸執行的某面板大廠 8K TFT_LCD面板工廠為例，在與業主研討施工工法的更新上，我們針對「自動風速檢測濾網掃描機器」、「自動地面清潔機器」、「FFU（Fan Filter Unit）檢測濾網掃描」進行深度討論；其中，因FFU檢測濾網掃描必須在無塵室建置後期才能進行，因此承包商必須徹底檢查無塵室內所有的HEPA及ULPA濾網，不容許一絲漏洞；而因電子廠規模龐大，施工時程較短，待進入此階段時已近完成階段，在製程設備機台進駐前，須完成數萬台濾網洩漏等相關測試，時程因而更加緊迫；以往都須靠大量且密集的人力24小時趕工，逐一針對濾網表面進行全面掃描，卻仍難免有疏漏情形。

本案中，針對「FFU洩漏風速檢測機器人」，在當時與業主進行的研發中，已開發出已具備下列功能的產品：

1.視覺辨識：通過圖像處理，自動辨識及手動標識FFU設備四個角。
2.自動檢測：對於自動辨識及手動辨識的角位，通過座標換算為風速及洩漏測試軌跡，控制檢測設備執行檢測及數據錄入。
3.CAD/BIM管控：獲取CAD檔所有FFU的訊息，篩選或框選任務提交系統，由系統派遣至相應機器人，在機器人檢測完成後，更新系統上FFU的檢測狀態。
4.後臺監控：當機器完成分配作業檢測任務後，透過4G/WIFI傳輸至雲端後臺。

隨著科技的進步，工程工法亦突飛猛進，上述協助業主研發的FFU機器人案只是冰山一角；其餘針對「自動清潔機器人」、「地板塗裝機器人」、「搬運機器人」等自動化工程施工工法，雖尚無實際產品，不過隨人力成本逐漸提高，這些自動工法也將有機會陸續實現。

CFD在無塵室的實際應用

除以上各項自動工法外，本案中，CFD（Computational Fluid Dynamics，計算流體力學，以下簡稱CFD）的應用亦是一大助力。在無塵室領域，從電子產品到半導體的生產過程，都能應用到CFD；在一般工程建築設計施工案，會做建築外部流場分析及室內氣流流場分析，而無塵室在建築物規劃初期，為避免外界或本身排放的空汙進入建築物，可採用建築物外部氣流流場分析，評估較為適合的廢氣排放及外氣引入位置；就無塵室內而言，CFD一般會針對產品敏感或有疑慮的區域，進行氣流及熱傳遞模擬。

本案中，因無塵室內蝕刻區（Etching）的空調架構原本為RCU+FFU (Recycled air handling unit + Fan Filter Unit)系統，建議變更為單純RCU系統（取消FFU），如圖7，左邊為原規劃系統，右側為建議變更系統架構；新方案的生產設備與氣流環境位置關係如圖8。

蝕刻區變更方案於2018/05/15進行CFD模擬，我們與北科大合作，採用ANSYS Fluent軟體工具進行CFD環境氣流溫度模擬，第一次CFD模擬結果發現變更方案的氣流流場並不平順、流暢，同時有嚴重的氣流漩渦產生，如圖9、10。

後續檢討氣流不順暢及漩渦的原因後，以增加設置回風道及增加通往SUB FAB的樓板開孔方式來導引改善氣流，調整方式如圖11、12。

於2018/06/20提出CFD改善版之模擬結果如圖13、14、15，加入回風道及開孔之導引方式，使原本的建議變更方案的氣流更佳，使得變更方案變得更加完整，後續經業主及技術單位評估模擬結果後，最終成立此項變更方案。

結論

高科技製程工藝專業領域甚廣，隨著科技的進步，無塵室建置工程的技術也不斷在演進。由於不同類型產業，如光電、晶圓、太陽能板、製藥等，有不同的生產流程，惟有了解其製程需求與特性，並持續跟進先進製程變化，才能成功設計並建置出符合產業使用需求的工程。

而本文所介紹的CFD實際應用案例，除可從模擬結果，預先評估設計或變更建議的成效，也能在模擬過程中，將被忽略的細節呈現出來。透過CFD的協助，預先評估未來系統運作的狀況，讓設計更加嚴謹與周密，提供業主最值得信賴的工程服務品質。

參考資料
美國聯邦標準Fed-Std-209E
國際標準化組織ISO14644
PIC/S：Guide to Good Manufacturing Practice for Medicinal Products