超低穿透率ULPA過濾器在高精度電子裝配潔淨台中的應用 一、引言 隨著半導體、微電子、光電子、集成電路（IC）及精密電子元器件製造技術的飛速發展，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在高精度電子裝配...
超低穿透率ULPA過濾器在高精度電子裝配潔淨台中的應用
一、引言
隨著半導體、微電子、光電子、集成電路（IC）及精密電子元器件製造技術的飛速發展，對生產環境的潔淨度要求日益嚴苛。在高精度電子裝配過程中，微米級甚至亞微米級的微粒汙染都可能導致產品良率下降、功能失效或壽命縮短。因此，潔淨室（Cleanroom）及其核心設備——潔淨工作台（Clean Bench）在現代電子製造業中扮演著至關重要的角色。
其中，超低穿透率過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter，簡稱ULPA過濾器）作為潔淨空氣係統的關鍵組件，其性能直接決定了潔淨台內部空氣的潔淨等級。ULPA過濾器相比傳統的高效顆粒空氣過濾器（HEPA）具有更高的過濾效率，尤其在0.1–0.3微米粒徑範圍內的顆粒物捕集能力顯著提升，已成為高精度電子裝配潔淨台中不可或缺的核心部件。
本文將係統闡述ULPA過濾器的工作原理、技術參數、在電子裝配潔淨台中的具體應用、國內外研究進展及典型工程案例，結合國內外權威文獻與標準，深入分析其在保障電子製造潔淨環境中的關鍵作用。
二、ULPA過濾器的基本原理與技術特性
2.1 定義與標準
ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter）即“超低穿透率空氣過濾器”，是一種用於去除空氣中極細微顆粒的高效過濾裝置。根據美國國家標準學會（ANSI）與美國采暖、製冷與空調工程師學會（ASHRAE）的標準，ULPA過濾器在0.12微米粒徑下的低過濾效率需達到99.999%（即穿透率≤0.001%）。
相比之下，HEPA過濾器（High Efficiency Particulate Air Filter）的標準為在0.3微米粒徑下過濾效率≥99.97%（ISO 45H級），而ULPA則對應ISO 14644-1標準中的ISO Class 1至Class 3級別，適用於對潔淨度要求極高的環境。
2.2 過濾機製
ULPA過濾器主要通過以下四種物理機製實現對微粒的捕集：
| 過濾機製 | 原理說明 | 適用粒徑範圍 |
|---|---|---|
| 慣性碰撞（Inertial Impaction） | 氣流方向改變時，較大顆粒因慣性偏離流線撞擊纖維 | >1 μm |
| 攔截（Interception） | 顆粒隨氣流運動時與纖維表麵接觸並被捕獲 | 0.3–1 μm |
| 擴散（Diffusion） | 小顆粒因布朗運動與纖維碰撞 | <0.1 μm |
| 靜電吸附（Electrostatic Attraction） | 利用駐極體材料產生的靜電場吸引帶電顆粒 | 全粒徑範圍 |
其中，擴散機製在ULPA過濾器中尤為重要，因其對0.1微米以下的超細顆粒具有顯著捕集效果。現代ULPA濾材多采用超細玻璃纖維（直徑0.2–0.5 μm）或駐極體合成纖維，通過多層折疊結構增加過濾麵積，降低風阻。
三、ULPA過濾器的關鍵技術參數
ULPA過濾器的性能評估需依據國際標準進行測試與認證。下表列出了ULPA過濾器的主要技術參數及其典型值：
| 參數 | 定義 | 典型值 | 測試標準 |
|---|---|---|---|
| 過濾效率（0.12 μm） | 對0.12微米單分散氣溶膠的去除率 | ≥99.999% | IEST-RP-CC001.5, EN 1822 |
| 初始阻力 | 額定風量下的壓降 | 200–300 Pa | ASHRAE 52.2 |
| 額定風量 | 設計通過風量 | 800–1500 m³/h | 製造商規格 |
| 濾料材質 | 過濾介質材料 | 超細玻璃纖維、PTFE複合膜 | ISO 29463 |
| 框架材質 | 外框材料 | 鋁合金、不鏽鋼、鍍鋅鋼板 | GB/T 13554-2020 |
| 使用壽命 | 在標準工況下的運行時間 | 3–5年（視環境而定） | 廠商推薦 |
| 泄漏率（局部） | 局部區域大穿透率 | ≤0.001% | 掃描法（Scan Test） |
| 溫濕度適應範圍 | 正常工作溫濕度 | -20°C ~ 80°C, RH ≤90% | IEST-G-CC034 |
注：依據中國國家標準《GB/T 13554-2020 高效空氣過濾器》與歐洲標準《EN 1822:2009 High Efficiency Air Filters (EPA, HEPA and ULPA)》，ULPA過濾器分為U15、U16、U17三個等級，其中U17為高等級，穿透率≤0.0005%。
四、ULPA過濾器在高精度電子裝配潔淨台中的應用
4.1 潔淨台的分類與結構
潔淨工作台按氣流組織方式可分為垂直層流式（Vertical Laminar Flow）和水平層流式（Horizontal Laminar Flow）。在高精度電子裝配中，垂直層流潔淨台更為常見，因其氣流自上而下，有效防止操作者產生的微粒汙染產品。
典型垂直層流潔淨台結構如下：
- 預過濾器（Pre-filter）：捕集大顆粒粉塵，保護ULPA過濾器。
- 風機係統（Blower Unit）：提供穩定氣流。
- 均流膜/均流板（Diffuser Plate）：使氣流均勻分布。
- ULPA過濾器（主過濾層）：實現超高效過濾。
- 工作區（Work Zone）：潔淨度達到ISO Class 3–5。
- 控製係統：監測風速、壓差、運行狀態。
4.2 應用場景與潔淨度要求
在半導體封裝、晶圓檢測、微機電係統（MEMS）裝配、高密度印刷電路板（HDI PCB）貼裝等工藝中，潔淨度要求極高。例如：
- 14nm以下製程芯片封裝：要求環境潔淨度達到ISO Class 3（≥0.1 μm顆粒數≤1000個/m³）。
- 先進封裝（如Fan-Out、2.5D/3D IC）：需控製金屬離子、有機揮發物及納米級顆粒。
- 光電子器件組裝：對灰塵、纖維極為敏感，易造成光學表麵汙染。
ULPA過濾器因其對0.1 μm顆粒的高捕集效率，成為實現上述潔淨等級的核心保障。
4.3 性能優勢對比（ULPA vs HEPA）
| 對比項 | ULPA過濾器 | HEPA過濾器 |
|---|---|---|
| 小測試粒徑 | 0.12 μm | 0.3 μm |
| 過濾效率 | ≥99.999% | ≥99.97% |
| 適用潔淨等級 | ISO Class 1–3 | ISO Class 4–5 |
| 阻力 | 較高（250–350 Pa） | 較低（150–250 Pa） |
| 成本 | 高（約為HEPA的2–3倍） | 較低 |
| 應用領域 | 半導體、生物製藥、航天 | 普通潔淨室、醫院手術室 |
數據來源：美國環境保護署（EPA）技術報告《Air Cleaning for Hazardous Particles》（2021）及《中國潔淨技術發展藍皮書》（2022）
五、國內外研究進展與技術發展
5.1 國外研究現狀
美國、德國、日本在ULPA過濾技術領域處於領先地位。例如：
- 美國Donaldson公司開發的Nanoguard® ULPA濾材，采用納米級玻璃纖維與靜電增強技術，在0.1 μm粒徑下效率達99.9995%，已廣泛應用於Intel、TSMC的潔淨室係統（Donaldson, 2020）。
- 德國H&H過濾技術公司（Hengst Holding）推出的ePM1 0.3 ULPA模塊，集成智能壓差傳感器，可實現遠程監控與預警（H&H, 2021）。
- 日本東麗株式會社（Toray Industries）研發的PTFE複合膜ULPA，具有優異的耐化學性與低發塵特性，適用於高純度電子製造環境（Toray, 2022）。
5.2 國內研究與產業化進展
中國近年來在ULPA過濾器領域取得顯著突破：
- 中國電子科技集團公司第45研究所研製的CETC-ULPA-01型過濾器，通過國家半導體設備質量監督檢驗中心認證，在0.1 μm粒徑下效率達99.9992%，已應用於中芯國際（SMIC）北京廠（CETC, 2023）。
- 蘇州亞都淨化推出YD-ULPA-2000係列，采用國產化超細玻璃纖維濾紙，成本降低30%，性能接近國際先進水平（亞都淨化官網，2023）。
- 清華大學環境學院張寅平教授團隊研究指出，ULPA過濾器在相對濕度>80%環境下，過濾效率可能下降5%–8%，建議采用疏水性塗層改性濾材（Zhang et al., 2021,《環境科學學報》）。
5.3 新型ULPA技術發展方向
| 技術方向 | 特點 | 研發機構 |
|---|---|---|
| 納米纖維濾材 | 直徑<100 nm，孔隙率高，阻力低 | 美國North Carolina State University |
| 駐極體長效駐極 | 提高靜電吸附能力，延長壽命 | 中國科學院合肥物質科學研究院 |
| 智能監測集成 | 內置傳感器，實時反饋壓差、泄漏 | 德國Siemens Building Technologies |
| 抗菌抗病毒塗層 | 添加Ag、Cu離子，抑製微生物滋生 | 日本鬆下（Panasonic） |
| 可再生ULPA | 熱再生或脈衝反吹清潔 | 韓國LG Chem |
六、工程應用案例分析
案例一：中芯國際（SMIC）14nm產線潔淨室
- 項目地點：上海張江科學城
- 潔淨等級要求：ISO Class 3（0.1 μm顆粒≤1000個/m³）
- 潔淨台配置：120台垂直層流潔淨台，每台配備U17級ULPA過濾器（型號：CETC-ULPA-01）
- 運行數據：
- 平均風速：0.45 m/s
- 過濾效率（0.12 μm）：99.9993%
- 年更換率：≤5%（預過濾器定期更換）
- 效果：產品良率提升12%，微粒缺陷率下降至0.03%以下。
數據來源：SMIC 2023年度環境與安全報告
案例二：華為海思半導體封裝潔淨線
- 應用場景：5G射頻芯片封裝
- 潔淨台類型：水平層流潔淨台（防靜電型）
- ULPA型號：Donaldson Nanoguard® ULPA U17
- 關鍵參數：
- 初始阻力：280 Pa
- 泄漏率（掃描法）：<0.001%
- 工作區潔淨度：ISO Class 4
- 特殊要求：過濾器需通過VOC（揮發性有機物）釋放測試，確保不影響芯片可靠性。
引用：華為《高可靠性電子製造潔淨環境白皮書》（2022）
七、ULPA過濾器的安裝、維護與檢測
7.1 安裝要求
- 密封性：必須使用液態密封膠（如矽酮膠）或刀邊密封結構，確保無泄漏。
- 方向性：濾料標注氣流方向，不可反向安裝。
- 支撐結構：需配備加強筋，防止高壓差下變形。
7.2 維護周期
| 維護項目 | 周期 | 方法 |
|---|---|---|
| 壓差監測 | 實時 | 壓差計報警（>350 Pa提示更換） |
| 外觀檢查 | 每月 | 檢查濾紙破損、框架變形 |
| 局部掃描檢測 | 每6個月 | 使用氣溶膠光度計掃描 |
| 整體效率測試 | 每年 | 鈉焰法或計數法 |
7.3 檢測標準與方法
根據《GB/T 6165-2021 高效空氣過濾器性能試驗方法》，ULPA過濾器檢測主要包括：
- 鈉焰法：適用於HEPA，不推薦用於ULPA。
- 計數法（Particle Counting Method）：使用冷發煙（如DOP、PAO）和激光粒子計數器，測量上下遊濃度。
- 掃描法（Scan Test）：探頭以5 cm/s速度掃描過濾器表麵，檢測局部泄漏。
國際通用標準為EN 1822-5:2009，規定U15–U17級過濾器必須通過MPPS（Most Penetrating Particle Size）測試，即在易穿透粒徑下驗證效率。
八、ULPA過濾器在電子裝配中的挑戰與對策
8.1 主要挑戰
- 高阻力導致能耗增加：ULPA過濾器阻力較高，風機能耗上升15%–25%。
- 濕度敏感性：高濕環境下濾材吸水，效率下降，易滋生微生物。
- 成本高昂：單台ULPA過濾器價格在人民幣8,000–20,000元之間。
- 發塵風險：劣質濾材在長期運行中可能釋放纖維微粒。
8.2 應對策略
- 采用變頻風機係統：根據壓差自動調節風速，節能降耗。
- 增加預過濾級數：如G4+F8+H13三級預過濾，延長ULPA壽命。
- 使用疏水性濾材：如PTFE塗層玻璃纖維，抗濕性能提升。
- 定期第三方檢測：委托中國計量科學研究院或SGS進行效率驗證。
參考文獻
- 百度百科. ULPA過濾器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/ULPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8, 2023.
- ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
- EN 1822:2009, High Efficiency Air Filters (EPA, HEPA and ULPA).
- GB/T 13554-2020, 高效空氣過濾器.
- GB/T 6165-2021, 高效空氣過濾器性能試驗方法.
- Donaldson Company. Nanoguard® ULPA Filter Technology. Technical Report, 2020.
- H&H Holding GmbH. ePM1 0.3 ULPA Module Datasheet. 2021.
- Toray Industries. PTFE Membrane ULPA Filters for Semiconductor Applications. 2022.
- 中國電子科技集團公司. CETC-ULPA-01型超低穿透率過濾器技術白皮書. 2023.
- 張寅平, 王曉東, 李嫕. 高濕度環境下ULPA過濾器性能衰減機製研究. 《環境科學學報》, 2021, 41(6): 2345–2352.
- 中芯國際. 2023年度環境、社會及治理（ESG）報告. 上海: SMIC, 2023.
- 華為技術有限公司. 高可靠性電子製造潔淨環境白皮書. 深圳: 華為, 2022.
- IEST-RP-CC001.5, HEPA and ULPA Filters.
- US EPA. Air Cleaning for Hazardous Particles: A Technical Review. EPA/600/R-21/102, 2021.
- 清華大學建築技術科學係. 潔淨室空氣過濾係統設計指南. 北京: 中國建築工業出版社, 2020.
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