無塵室（Cleanroom）技術自 1960 年代由美國聯邦標準 209 系列確立以來，已成為半導體、光電、醫藥及生技產業不可或缺的基礎設施。2001 年 ISO 14644 系列正式取代 Fed-Std-209E[1]，成為全球無塵室設計與驗證的權威標準。本文將從工程師的視角，深入解析無塵室空調系統設計的核心考量。

一、ISO 14644-1 潔淨度分級體系

ISO 14644-1:2015 定義了九個潔淨度等級（ISO Class 1 至 ISO Class 9），以空氣中大於或等於特定粒徑之微粒濃度為分級依據[2]。其核心公式為：

Cn = 10N × (0.1/D)2.08

其中 Cn 為最大允許微粒濃度（particles/m³），N 為 ISO 等級數，D 為考量粒徑（μm）。此公式的指數 2.08 係基於微粒粒徑分布的經驗迴歸[3]。

以半導體前段製程常見的 ISO Class 5 為例：在 0.5 μm 粒徑下，最大允許濃度為 3,520 particles/m³，相當於舊制 Fed-Std-209E 的 Class 100。而先進的 EUV 微影製程區域甚至要求 ISO Class 3 或更高等級，對空調系統的過濾效率與氣流均勻度提出了極為嚴苛的要求。

二、氣流模式：單向流與非單向流

無塵室的氣流模式直接決定了微粒排除效率，也是空調系統設計的核心決策。ISO 14644-4 將氣流模式分為兩大類[4]：

單向流（Unidirectional Airflow）

又稱層流（Laminar Flow），空氣以均勻、平行的方式流經整個潔淨區域，微粒隨氣流方向被帶至回風口排出。適用於 ISO Class 5 及以上等級。典型的天花板送風方式要求 FFU（Fan Filter Unit）覆蓋率達 60% 至 100%，氣流速度約 0.3 至 0.5 m/s[5]。

在半導體晶圓廠的實務中，我們通常將 FFU 覆蓋率設計在 80% 以上，以確保在設備運轉產生熱擾動的情況下，仍能維持穩定的單向流場。高覆蓋率意味著巨大的送風量與能耗——一座典型的 12 吋晶圓廠無塵室，其空調系統的電力消耗可佔全廠總用電量的 30% 至 40%[6]。

非單向流（Non-unidirectional Airflow）

即傳統的亂流（Turbulent Flow）方式，以較少的送風口將潔淨空氣送入室內，透過混合稀釋原理降低微粒濃度。適用於 ISO Class 6 至 ISO Class 8 等級，換氣次數依等級從每小時 20 次至 60 次不等[7]。雖然潔淨度表現不如單向流，但建置成本與運轉能耗均大幅降低。

三、過濾系統設計：HEPA 與 ULPA

高效微粒空氣過濾器（HEPA）與超低穿透率空氣過濾器（ULPA）是無塵室空調系統的核心元件。依據 EN 1822-1:2019 與 ISO 29463 標準[8]：

  • HEPA H13：對 MPPS（最易穿透粒徑，約 0.12–0.25 μm）之過濾效率 ≥ 99.95%
  • HEPA H14：MPPS 過濾效率 ≥ 99.995%
  • ULPA U15：MPPS 過濾效率 ≥ 99.9995%
  • ULPA U16：MPPS 過濾效率 ≥ 99.99995%

ISO Class 5 以上的無塵室通常採用 HEPA H14 濾網，而 ISO Class 3 以下則需配置 ULPA 等級。過濾器的選型除了效率外，還必須考量初始壓損與終期壓損——HEPA H14 的初始壓損約 120–250 Pa，終期壓損上限一般設定在 450–600 Pa[9]。此壓損直接影響 FFU 或空調箱的風機選型與能耗。

四、壓差控制策略

無塵室的壓差控制是防止外部微粒入侵的第一道防線。ISO 14644-4 建議不同潔淨度等級之間維持至少 5 至 20 Pa 的正壓差，且潔淨度較高的區域壓力應高於較低的區域[10]。

在工程實務中，壓差控制的穩定性往往比絕對數值更為關鍵。人員進出、設備搬運、門扇開關等動態變化都會造成壓差波動。我們通常採用以下策略：

  • 氣閘室（Airlock）的設置，作為不同潔淨度區域之間的緩衝
  • 變頻送風系統搭配高精度壓差感測器，實現動態壓差補償
  • 門扇聯鎖控制（Interlock），防止相鄰氣閘門同時開啟
  • 餘壓閥（Pressure Relief Damper）的配置，防止壓差過大導致門扇難以開啟

五、溫濕度控制精度

半導體製程對溫濕度的控制精度要求極高。以先進製程的微影區為例，典型的溫度控制要求為 23 ± 0.1°C，相對濕度控制為 45 ± 2% RH[11]。

這對空調系統的設計帶來多重挑戰：冷卻除濕後的再熱控制必須精確、送風溫度的均勻性必須良好、且控制迴路的響應速度必須夠快以抑制製程設備散熱所造成的瞬間擾動。實務上，我們會在空調箱（AHU/MAU）的下游設置再熱盤管（Reheat Coil）或乾式冷卻盤管（Dry Cooling Coil），搭配 PID 控制器進行精密調節。

六、驗證與監控：從設計到運轉

依據 ISO 14644-3:2019，無塵室的驗證分為三個狀態[12]：

  • 竣工狀態（As-built）：設施完成，設備及人員尚未進駐
  • 靜態（At-rest）：設備已安裝並運轉，但無人員作業
  • 動態（Operational）：正常運轉狀態，包含人員與製程活動

竣工驗證與靜態驗證確認空調系統的設計性能，而動態驗證則反映實際使用條件下的潔淨度表現。三者之間的落差往往是工程設計需預留的安全裕度——業界慣例通常要求竣工狀態的潔淨度至少優於目標等級一個級距[13]。

此外，ISO 14644-2:2015 規定了潔淨度的定期監測要求，ISO Class 5 以下等級建議每六個月進行一次完整的微粒計數驗證[14]。持續監控系統（Continuous Monitoring System）的導入，已成為先進製造設施的標準配置。

結語

無塵室工程是冷凍空調領域中技術門檻最高的範疇之一。從 ISO 14644 標準的理解與應用，到氣流模式、過濾系統、壓差控制與溫濕度精度的整合設計，每一個環節都需要深厚的工程理論基礎與豐富的實務經驗。隨著半導體製程持續微縮、生技醫藥法規日趨嚴格，無塵室空調系統的設計標準只會越來越高。唯有持續精進，才能因應這些挑戰。