A.室內負荷：
(a)人員(顯熱＝6Okcal/h．人，潛熱＝5Okcal/h．人)
(b)燈光：30W/㎡(在黃光區此值應取較大約1.5倍的值)
(c)機器負荷：
(d)送風機的熱負荷：輸入功率X負荷係數：
B.室外負荷：
外氣輸入量X室內外空氣之焓值差，此處外氣輸入量包含排氣量加上人員換氣及維持正壓需要量。
在分析半導體無塵室之能源消耗的同時必須了解，一般工作區分為1fabrication區，即一般所謂fab區，2assembly區和test區。通常各區之清淨及要求等級會不同，而其無塵室之構造也會不同，如同一所示的A.H.U系統通常配合亂流型無塵室作為Assembly或Test區，其無塵室之設計採亂流型者，ceiling並非佈滿filter，filter的面積和ceiling面積比必須達到一定值才能確保清淨度，而且為了氣流分佈的關係，filter的出口通常會加裝diffuser，以加強filter出風空氣的擴散面積。至於fab區，無塵室目前較普通的設置有三種，即OPEN BAY SYSTEM，FAN-FILTER UNIT STSTEM及FAN－MODULESYSTEM其簡圖分別如圖二、三、四所示。通常FAB區的無塵室型式之選定必須考慮生產、維修、使用年限及初期投資能源消耗等因素，而必須作周全的考量，上述三種型式各有其優缺點，其抉擇須多方考量，最佳方案的確定目前尚無定論，研究仍需進行，目前一般認為FAN－FILTER UNIT SYSTEM及FAN－MODULE SYSTEM較OPEN-BAY SYSTEM有較大的省能空間。
就半導體無塵室之負荷特徵而言，不論上述三種FAB區之無塵室型式為何，其HVAC的熱負荷都較一般建築高出甚多，這其中經由建築物之穿透負荷，人員及燈光等負荷和一般辦公室並無太大差別，唯外氣負荷、機器負荷及送風機負荷卻佔所有HVAC負荷的90％以上，而這部份當中外氣負荷居然佔了45～45％以上(見參考資料[l])。
可見經由外氣負荷的減少確實有很大的省能空間。Sohn等人[1]的研究顯示，對同樣面積的場所而言，fab區的能源消耗較assembly區及test區高出4～5倍左右，又10～30％的無塵室供風(SUPPLY AIR)經由機台的排風浪費掉，由此可見經由改善fab區之機台排風有非常大的省能效果，非常不幸的一般的排風都有非常毒的成份，要將排風作再利用，必須有非常貴的投資，目前國內排風再利用的情形非常少。以下將再針對半導體無塵室之可能省能方法作詳細逐條說明：
A.針對送風系統省能之道(Air Side部份)
1.最佳外氣導入量之控制與確定
無塵室中，如前所述，外氣負荷量最大的因素，要求在外氣導入時，除能確保排氣之順暢及室內正壓外，也須能按排氣之變動以增減外氣的引進量。外氣導入量的控制機構以電腦和生產機台連線及室內正壓之控制以決定外氣導入量，俾能作最佳控制。另外室內生產機台裝置的負荷之實際運轉率也要能夠確定，輸入生產裝置之電力(或氣體)能源，其大部份經由排氣及冷卻水排出系統之外，或轉化成製品的一部份，造成之空調負荷一般為輸入能源值的20％～30％左右。裝置運轉後測定實際輸入電力及氣體量作為下次設計時之參考，期能達最佳之目的。
2.降低下吹氣流之速度
全面降低生產及維修區之下吹風速，可以大輻減少氣體傳送及空調之所需動力，但是降低下吹氣流之速度卻必須擔負可能的後果包括1對亂流式無塵室而言，乾淨空氣的量不夠，整體稀釋能力不足(dilution capacity reduced)2.抑止熱性氣流上升能力之不足，此點對高熱負荷之半導體生產設備尤其重要，Thermophoretic effect造成的Particle問題可能會產生，一般相信下吹氣流至少要有0.25m/s之程度方能有效抑止熱性的上升氣流[2]，3可能造成局部粒子交叉污染(cross contamination)，目前絕大部份的半導體生產設備都設計成在0.35～0.4Om/s之下吹氣流下工作，局部區域(如維修區可設計成0.25m/s之環境)，大膽地將生產區之下吹氣流降至0.3m/s以下仍在field test階段，1993年IBM的研究[3]顯示在將下吹氣流由0.45m/s降0.32m/s的生產工廠環境，其晶片上particle deposition velocity為0.003m/s左右，仍在文獻記載及實驗室理論容許之範圍內，而且發現雖然測試中發現環境較多的污染粒子，但和生產工具本身及生產過程等可能污染的機會來講仍是很低的。基於上述發現IBM決定將其VLSI之生產環境由0.45m/s之下吹氣流速度降至0.32m/s。當然由於上述的動作，一聯串之配合措施仍需進行，而其可能的回報為預期將有100萬美元的運轉成本之降低。
3.清淨度面積及清淨等級之最佳設定
高清淨度之要求會導致高捕捉效率、超高效率濾網之大量使用，從而使整個無塵室之搬運動力之要求增加，HEPA和ULPA的使用則會使送風機所需靜壓產生明顯的不同，目前有越來越多的生產機器設備以微環境(mini－environment)之觀念來設計，這種機器之使用可以有效降低對所生產環境清淨度等級及面積之要求，以往要在FS class l生產之設備，可以輕易在class 100的環境中作業即可，唯mini-environment機器的先期投資和生產維護可能較傳統機器設備貴。另外，對於清淨面積之規劃亦為重要措施，有效的生產動線規劃可以使所需清淨面積大為降低。
從空調循環風量之多少應可以令人更容易了解清淨度等級和空調耗能之關係，一般維持清淨及等級所需之空氣循環次數如表一所示：
| 清淨度 | 循環次數(次/h) |
| 100,000級 10,000級 1,000級 | 15-25 25-35 40-60 |
| 100級 10級 1級 | 200-500 500-700 700以上 |
由上表可知class 10級和class 1000級其所需循環次數相差在10倍左右，其空調空氣輸送所需之動力差由此可知，根據Rakocey[4]之研究，以class 1000之無塵室為基準，同樣面積的全面層流式無塵室若為100級者，其造價為1萬級之20－30倍，若為1級者則為30－50倍。目前由於filter捕捉效率之提昇和filter出口擴散器的良好設計，可以不用全面層流之方式(由亂流式無塵室之仔細設計)即可達到class l00之水準(As Built狀態測試)。
4.Clean Bench和Air Curtain之運用
將清淨區域圍住，藉此可以節省大量之循環風量，Air Curtain及Clean Bench之使用和Mini-Emvironment之觀念相同，唯Clean Bench和Air Curtain是指對clean room周圍區域之隔絕，而Mini-Environment是指對生產機台之空氣隔絕。Air Curtain之使用可以在非常低的投資下作到人員和機械之隔絕，有效降低人員可能造成對晶片之污染。唯Air Curtain之高度決定仍需作現場測試方能有效達到隔阻之目標，若設計不良可能反而有不良之效果。
5.室內溫濕度的最佳設計
目前台灣半導體無塵室黃光區，溫度變動範圍在0.2℃，濕度變動範圍在2％都有辦法辦到(此處的數據是在As-Built，狀態的實例結果，唯目前的高水準要求是否真的需要，通常黃光區的要求對溫濕度的要求是最嚴格的，要求高精度之溫濕度控制將會對能源的利用率降低。目前為因應作業員之要求，設計溫度有愈來愈低之趨勢。但有一點必須注意的是：若室內的露點溫度低於1O℃以下時，冷水大溫差系統則不大能夠使用，減少了一可能之省能方法。
6.低溫送風之採用
若吹出和吸入之溫差大(通常設計溫差為1O℃以內)則可以有效削減送風量，從而減少送風機之耗能。在考慮低溫送風時必須注意，出風絕對不能有結露的情況發生，由於不能有結露情況產生，故Clean Room之鹽管設計都屬於所謂的乾盤管設計，理論上儲冰系統能供應較低溫度的送風，唯參考台灣目前半導體無塵室大多為24小時運轉，儲冰系統轉移尖峰用電的優點亦無從發揮，故台灣目前半導體無塵室裝設儲冰系統並不多。另外採用冰水大溫差系統可以減少高風量的需求，吸收式冰水機為一不錯的選擇。在日本，由於電價甚貴，故有很多的半導體無塵室採用吸收式冰水主機。
7.風管系統洩漏量之減低化
無塵室之風管系統由於輸送大量之供風，管內壓力甚大，故一點之洩漏即可能造成很大的風量減少，故風管洩漏必須徹底防止，對於AHU和OPEN BAY型式的無塵室，由於天花板以上較之Clean Roon內為正壓，若天花板上一旦風管有大量洩漏，即可能造成壓力更高，從而使空氣不經filter，而直接洩入無塵室內，造成清淨度降低，故風管之洩漏宜避免。無實施密封(SEAL)之風管其洩漏量約為總送風量的5～10％左右。
8.低壓損filter之使用
目前已有所謂低壓損HEPA filter的產品，其壓損為標準HEPA filter的50％左右。而低壓損ULPA，其值為75％左右。一般filter，不論HEPA或ULPA在經久用後，其壓損會變大，雖然捕捉效率仍佳，唯壓損已較原始值高出甚多，此時可能對風量的確保會有問題，不可不慎。另外同一批filter也有可能所使用的濾材不同或貯存期間不同而有明顯的不同壓損，此時新建的無塵室系統即可能在filter下測到不同的風速值。
9.風扇最高效率運轉點之選定
一般A.H.U及OPEN BAY系統都使用Axial Fan，而FAN-FILTER UNIT(FFU)及FAN-MODULE-UNITE(FMU)則可能選用渦卷或離心扇。通常設計都將全系統空氣壓損設計得很大，因此亦選用超大的風扇，以確保靜壓及風量能夠達到，此時即可能造成風扇大部運轉都在超大風壓及風量之下運轉，造成很大的動力虛擲，精確地估算風壓損，使風扇在最高效率下運轉，是無塵室省能之第一步。而精確預估壓損則必須對各風扇會造成壓損增高的部份，作精確風壓之估算。固定空氣壓損包括： A.空調盤管之壓損，有加熱製冷及加濕之各種盤管之壓損，
B.風管迴路內壓損，
C.filter壓損，
D.吸入口各類閥的壓損。
必須注意若Clean Room內機台擺設太多太密亦會造成壓損增加，這點在半導體景氣時機台大量置入更可能造成壓損遽增，設計時直預留這部份的裕度，另外，循環風扇最好與空調風扇並列使用。因為串聯時，會造成風量平衡的困擾，而有噪音與經濟上的問題。
10.高溫排氣再利用
無塵室的排氣中常含有有毒氣體，且主要為顯熱交換，故通常不能用來作為回氣空氣。以下針對全熱交換輪之可行方案作一番探討。如圖五為排氣直接再利用系統。雖然有些排氣和無塵室內之空氣成份相差無幾，但本系統之先決條件為排氣是無毒的，才可進行。當排氣溫度高於32℃時，由於會造成回風cooilng coi1之高熱負荷，此時，本系統則無省能功效，圖六為全年排氣經全熱交換器之再熱回收系統。考慮全年運轉的無塵室，在冬天天氣較冷時，由於室內溫度高於室外溫度甚多，此時可利用全熱交換輪將高溫排氣的熱作為OA之預熱。故本系統和圖五之系統可說互補的，圖五之系統在夏季時可作為循環空氣之補充，減低OA之需要量，而圖六的系統則可以在冬季作OA之預熱。圖七為全熱交換器ON-OFF Control系統，可隨時Control全熱交換器之啟動和旁路。
关注微信公众号
