半导体是电子工业的基石，是现代信息技术的重要基础。半导体芯片的广泛应用催生了大规模集成电路，而集成电路的发展又对半导体芯片的性能提出了更高的要求。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。由于工艺的特殊性，半导体对生产环境条件有非常苛刻的要求，一般的工业厂房生产环境是无法满足半导体生产工艺的。为了保证半导体的生产质量，目前普遍采用洁净厂房来生产半导体产品。而洁净厂房常年需要采用暖通空调系统控制室内的温湿度和空气洁净度，这必然会产生较高的能耗，无形中提高了生产成本。实际上，通过洁净厂房的节能设计是可以显著降低能耗水平的。为此，本文对半导体洁净厂房的节能设计技术进行了深入的探讨。

1.工业洁净技术概述

洁净室（Clean Room，CR）是一种对洁净等级有特殊要求的专用生产或试验空间，这里的洁净不仅仅是指卫生干净，而且还对温度、湿度、照度、噪声、静电、微振动等指标有着相当严格的要求，因此洁净室的设计通常会涉及到建筑装饰、净化空调、纯水、纯净气体、动力电、照明电、工艺管道等多门专业学科，是一门相当复杂的技术。

规模较大的洁净建筑空间又称为洁净厂房，根据其用途的不同，洁净厂房可以分为工业洁净厂房和生物洁净厂房。其中工业洁净厂房要求无任何生命微粒的存在，尤其是空气尘埃微粒，因此厂房内部通常会保持正压状态。工业洁净厂房在精密机械工业、电子工业、宇航工业、高纯度化学工业、原子能工业、光磁产品工业、液晶玻璃、电脑配件等多个行业中均有广泛的应用。

2.半导体工艺对洁净厂房的要求

在半导体的生产工艺中，最为关键的工序就是提纯。所谓提纯就是将硅基中的杂质去除，使硅基的纯度达到特定的标准。在生产提炼环节中，空气洁净度是一个至关重要的指标，会直接影响到高纯度硅的质量高低。集成电路中广泛应用半导体器件，而在集成电路的生产工艺中，半导体芯片的质量则直接关系到集成电路的质量。半导体产品的缺陷与空气中粒子个数直接相关，只有严格控制空气粒子浓度与粒径，才能保证半导体芯片和集成电路的成品率。所以半导体工艺对洁净厂房的洁净度提出了很高的要求。

半导体工业洁净厂房的关键技术在于空气洁净技术，该技术主要包括净化系统、管路输送系统和洁净室环境三个组成部分，其中净化系统的功能是消除空气微尘颗粒，输送系统的功能是输送净化空气，洁净室则用于微粒污染的控制。其工作原理如图1所示。

新鲜空气经中央空调机组进行过滤和温湿调节后，由风机的送风口注入室内，经过中效过滤器后与室内的旧空气进行混合交换，交换后的旧空气由回风口排出室外，从而完成空气的更新。为了减少室内空气扰动，整个过程还需要进行有规律的气流组织，在较小的风量和系统能耗下尽快达到半导体生产工艺要求的半导体洁净厂房节能设计要点为了达到半导体生产工艺要求的洁净程度，工业洁净厂房中的空调系统、通风系统、排水系统、净化系统、照明系统和消防系统等大量设备都需要持续运行，这也是一般的半导体洁净厂房能耗水平较高的主要原因。本文通过对建筑结构、围护结构、采光和遮阳、供暖和空调、余热利用等方面的科学设计，使半导体洁净厂房能耗水平得到有效控制。

3.1建筑布局设计

半导体工业厂房在结构上与一般的电子生产厂房类似，受到流水线的影响，厂房的平面结构通常为长方形，当多个厂房并列布置时就会在厂房之间形成一条条狭长的通道，通道中的风速将明显提高，导致外围护结构外表面温度过低而增加室内能耗。因此，半导体工业厂房在布局设计时要充分考虑当地的气候条件、太阳辐射角、主导风向、兼顾半导体生产工艺要求，让厂房之间相互遮挡、互相遮阳。考虑到采暖和空调能耗是工业厂房的主要能耗，因此要尽量缩小厂房的体型系数，减少向外突出的小体块，使工业厂房的体形尽量简单、凹凸面尽量少，这样可以使围护结构的表面积变得更小，能耗损失也会相应减小，提高建筑的整体热工性能，从而达到建筑节能的目的。

3.2围护结构设计

围护结构是指厂房建筑空间四周用于保护和隔断作用的实体结构，围护结构的热工性能对厂房整体能耗水平有很大影响。围护结构的热工性能主要与墙体材料和结构、围护结构的颜色、门窗尺寸和布局等因素有关。

半导体工业洁净厂房的墙体应采用复合式构造，例如外保温、内保温、夹心保温等形式，多采用预制装配式结构，外墙面采用压型钢板聚氨酯复合墙体，如图2所示，可以有效抵抗室内外的压差，抵御空气渗透和雨水渗透，对于冬季气温比较低的洁净厂房，一般采用外保温构造来满足节能要求。但随着材料科学的进步，在许多半导体工业洁净厂房，夹心保温构造开始逐步替代外保温结构，由于保温层处于内、外墙之间，基本上不会受到环境变化的影响，从而提高保温层的使用寿命。

光辐射与不同颜色的表面相互作用后会产生不同的热效应，因此围护结构的设计还要考虑颜色的影响。有研究表明，围护结构的表面温度随着颜色的加深而升高，所以对于太阳辐射较强的地区应采用浅色。

3.3采光和遮阳设计

在严寒地区或寒冷的冬季，采暖能耗通常在建筑总能耗中占据了很大的比例，如果可以使阳光充分进入室内，将有助于提高室内的温度，降低供暖能耗。相反，对于炎热地区或炎热的夏季，如果过多的太阳辐射进入房间又会增加空调系统的能耗，因此需要适当的遮阳处理。在半导体洁净厂房中，最好的方式就是在满足采光的条件下尽量使室内维持一个相对恒定的温度，以保证半导体生产工艺的需求。

3.4供暖和空调节能

工艺设备在运行过程中的发热量对于工业厂房的能耗是有一定影响的，但长期以来半导体工业洁净厂房的设计都没有充分考虑这一点。在复杂的半导体生产工艺中，不同的工艺需要采用不同的设备，而不同的设备又会产生不同的热量，因此不同的生产车间可以分别采用不同型号的供暖和空调设备，提高运行的经济性和建筑的节能性。

在供暖方面，由于室内温度随高度增加而减小，如果按照传统的方式直接加热整个工业厂房，空间必然会造成巨大能源浪费，因此可以采用地面辐射供暖系统或者天棚辐射供暖系统来控制室内垂直温度梯度。对于空调的选用，为了满足室内空气洁净度的需求，必须采用洁净空调系统，半导体洁净厂房可以采用中央空调系统，在空调系统中设置热回收装置，采用变频控制，使空调始终处于最佳的运转状态，提高空调能效比。

3.5余热再利用

余热是指由室内人员、照明和生产工艺设备产生并发散到室内空间的热能。半导体洁净厂房的余热较多，在严寒地区或冬季可以有效降低采暖能耗，回收余热用于其他房间供暖可使各车间的温度更加均匀。

此外，还可以通过光伏发电技术将太阳能转化为电能，再通过用电设备转化为热量，减少能耗成本。在炎热的夏季则需要将余热排出室外以降低空调能耗，排风口离新风的进风口要足够远，防止排出室外的暖风直接回到进风口。

4.结语

洁净厂房是半导体器件生产的重要场所，是保证半导体产品质量的重要措施。随着超大规模集成电路技术的发展，半导体器件的应用更加广泛，这对半导体的提纯效率提出了新的挑战。本文通过对半导体洁净厂房的节能设计，降低了能耗水平、提高了经济效益、提升了产品质量，这对于半导体洁净厂房的设计具有重要的参考价值。