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半導體廠耗能指標及節能方案之研究

半導體廠耗能指標及節能方案之研究. 指導教授 : 胡石政 博士. 簡介. 台灣高科技產業，以半導體晶圓製造及光電產業為主，高科技. 產業之能源需求量相當龐大。. 希望建立半導體廠耗能指標 , 與各相關半導體廠做相對應比較. 建立更良好的能源使用模式，在能源使用上更有效率. 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計. 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計，一個節能化的潔淨室設計雖然有些會增加初設成本的支出，但總體而言，經過了二、三年運轉後其減少的電費，往往可大於當初初設成本的費用；其潔淨室的節約能源技術主要項目約分為十八類：

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半導體廠耗能指標及節能方案之研究

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  1. 半導體廠耗能指標及節能方案之研究 指導教授:胡石政 博士

  2. 簡介 • 台灣高科技產業，以半導體晶圓製造及光電產業為主，高科技 產業之能源需求量相當龐大。 • 希望建立半導體廠耗能指標,與各相關半導體廠做相對應比較 建立更良好的能源使用模式，在能源使用上更有效率

  3. 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計 • 潔淨室最佳化設計包含系統節能的設計，一個節能化的潔淨室設計雖然有些會增加初設成本的支出，但總體而言，經過了二、三年運轉後其減少的電費，往往可大於當初初設成本的費用；其潔淨室的節約能源技術主要項目約分為十八類： • (一)、冰水主機系統 (二)、冰水系統(三)、冷卻水系統 • (四)、外氣空調箱(五)、排氣系統(六)、照明系統 • (七)、電力系統 (八)、儲冰系統 (九)、吸收式冰水主機 • (十)、C / R內循環送風系統 (十一)、微環境系統 • (十二)、終級過濾器最省能配置 (十三)、MAU出風口位置選擇 • (十四)、檢討排氣系統洩漏旁通問題 (十五)、空調箱再熱 • (十六)、外氣引進控制 (十七)、空調負荷確定 • (十八)、人員、設備操作維護之管理

  4. 負荷計算

  5. System Specification Clean Room 一. Clean Room Area ： 11,182 m2 ( 8,717m2 MAIN FAB) 二. Re. Humidity ： Photo : 43±3% , Production : 43±5% 三. Temperature ： Photo : 22±0.3℃ , Production : 22±2℃ 四. Room Pressurization ： Class1 : 5±1mmAq , Class1000 : 3±1mmAq

  6. construction of FAB

  7. Fab內部負荷計算(設備部分)

  8. Fab內部負荷計算

  9. Fab內部負荷計算 Exhaust 風量 Q e = Q acid + Q alkaline +Q sol + Q general = 5,590 + 509 + 1,076 + 8,302 = 15,477 (CMM) Fresh 風量 Q m = Q photo + Q prod +Q imp + Q supp + Q gowning = 3,518 + 6,000 + 3,218 + 2,915 + 816 = 16,467 (CMM)

  10. Fab內部負荷計算 INPUT: 設備用電為7367kW = 6,335,620 kcal =2095.1 RT INTERNAL LOAD: LIGHITING LOAD =317.1kW =272,706kcal/hr =90.1 RT FFU LOAD =160W * 7,270 =1,163.2 kW =1,000,352 kcal =330.8 RT

  11. OUTPUT:1 排氣負荷Σq =ρQC△T • q GENERAL = 1.19* 498,120 * 2.2 =1,304,078 kJ/hr =1,304,078 ÷ 4.186 (kJ/Kcal) ÷ 860 (Kcal/kW) = 362.2 kW • q ACID = 1.19* 335,400 *0.3 =1,19737.8 kJ/hr = 33.26 kW • q ALKALINE = 1.19* 30,540 *0.3 =10,902.78 kJ/hr = 3.02 kW • q SOLVENT = 1.19* 59,880 *4.9 =349,160.26 kJ/hr = 96.9 kW

  12. OUTPUT:2 PCW (q) =18,700 LPM Δ T = 3.2℃, IN=21. ℃ , OUT = 17.8 ℃ 冷卻容量為18,700 LPM *3.2*60 = 3,590,400 Kcal/hr =1,187.3 RT EXHAUST帶走的熱量 = 140.77 RT 設備對FAB提供負荷= 2,095.1 – 1,187.3 –140.77 = 767.03 RT

  13. DRY COIL帶走熱量(q): q =1.19 * 109,050 * (41.87- 40.65) * 60 =9,499,127.4 kJ/hr = 2,269,261.2 kcal/hr =750.4 RT MAU提供RT:(無塵室溫度-出風口溫度) =1.19* 16467 * (41.46- 34.75)* 60 = 7,889,240.8 kJ/hr= 623.2 RT

  14. 無塵室負荷 • 無塵室總負荷為1,373.6 RT(MAU + DRY COIL) • 無塵室人員,滲透負荷及其他負荷 =1,373.6 – 767.03(設備) – 90.1(照明) – 330.8(FFU) = 185.67RT

  15. 能源換算係數 • 設備發熱的空調能源

  16. 冷卻負荷的電力能源 每冷卻負荷(kW)所須要的電力能源(KWH) 冷凍機0.193 KWH / kW 冷卻塔，冷水/冷卻水pump 0.064 KWH / kW 合計0.257 KWH / kW

  17. ◎( circulating Air System ) Dry coil 24 unit Dry coil (average load) 2,094 kWh/Day Dry coil (average volume) 41,167 m3/hr FFU 7,270 Unit FFU (average load) 27,916 kWh/Day FFU (average volume) 900 m3/hr FFU (static pressure ) 153 Pa 內部負荷計算表

  18. Energy Consumption Of Cleaning (FFU) -- Circulating Times (Times / hr) -- (1) Moving Energy (kW) 926.93 (2) Cooling Energy (kW) 1,163.17 (3) Total Consumption (kW) (1) + (2) 2,090.09 (4) (6) / Internal Loads 0.77 fan efficiency η=0.3 內部負荷計算表

  19. Energy Consumption Of FFU Type For Class 1 and 1000 CLASS 1 (0.1 um) CLASS 1000 (0.1 um) FFU input (W) 160 160 FFU quantity (SETS) 3117 4153 Floor area (M2) 2341 8841 Energy Consumption (kW/M2) 0.213 0.075 內部負荷計算表

  20. TYPE VOLUME (CMH) ENERGY CONSUMPTION (KWH/DAY) SYSTEN STATIC PRESSURE (Pa) kWH/m3 CMM/m2 ACID 335,400 6,885 -980 0.0009 0.500 GENERAL 498,120 8,599 -1,009 0.0007 0.742 ALKALINE 30,540 1,843 -882 0.0025 0.046 SOLVENT 59,918 3,087 -300 0.0021 0.089 排氣處理的能源

  21. Energy consumption of PCW (flow) Chiller (1) Cooling Loads (kW) 4,173.00 (2) Pump Energy (kW) 447.21 (3) Total Cooling Loads (kW) (1)＋(2) 4,620.21 (4) Cooling Energy (kW) 1,071.39 (5) Energy Consumption of Pump (kW) 447.21 (6) (4)＋(5) 1,518.6 (7) Energy of Per unit (6)/ Volume (kW/m3) 1.35 (8) Energy of Per Cooling Loads (6)/(1) (kW/kW) 0.36 (9) PCW Consumption of Per Square (LPM /M2) 1.67 製程冷卻水的製造及運送能源

  22. Per Square Area Energy Consumption of FAB 1 Average power consumption (kW) 16,793.4 2 FAB total area (M2) 11,182.0 3 Production area of FAB (M2) 8,717.0 4 (1) /(3) (kW/ M2) 1.5 5 (1) /(4) (kW/ M2) 1.9

  23. Item REMARK Device cooling (kW /kW) 0.7750 FFU Fresh air (kW / m3) 0.0042 INCLUDING FAN POWER EXHAUST (kW / m3) 0.0007 GENERAL 0.0021 SOLVENT 0.0010 ACID 0.0021 ALKALINE Nitrogen (kW / m3) 0.2209 Compressor (kW / m3) 0.2250 PCW (kW / m3) 1.3535 CHILLER UPW (kW / m3) 9.1502 CHILLER (kW/kW) 0.1927 COOLING TOWER + CHILLED PUMP +COOLIN WATER PUMP (kw/kw) 0.0640 Energy consumption benchmark

  24. 外氣處理節能設計

  25. Energy consumption of Fresh Air Energy consumption of Fresh Air(max) kW / m3 Loads Energy per unit kWh/kW Average Loads Per year Total consumption of Fresh Air kWh/m3 Cooling 0.0136 0.2567 1 0.00350 Heating 0.0032 0.0147 1 0.00005 Humidity 0.0024 0.0287 0.3 0.00002 Consumption of Per Square (CMM / m2) 1.4726 Total Average of year 0.0036 外氣處理能源

  26. 外氣空調箱MAU最佳化設計 潔淨評估比較如下： (一)、風機位置:鼓風式及抽風式 (二)、冰水系統:單冰水及雙冰水 (三)、加熱系統:電熱及熱回收系統 (四)、出風溫度

  27. 外氣處理能源 在計算外氣空調箱耗電時，必須以能量及質量的平衡來分析； 能量平衡及質量平衡如下方程式所示： QOA+QFan+QAW+QHC +QW+QE =QCC1+QCC2+QMA MOA+MAW+MW=MCC1+MCC2+MMA+MP

  28. 外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇

  29. 外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇 能量平衡及質量平衡如下方程式所示：同樣的外氣空調箱100,000 CMH出風風量，其風車進風風量可減少49.18 %((145584-97587) / 97587 * 100 % = 49.18 %)，這對風車馬力隨著風車風量成正比關係來講，所減少的風車馬達購買成本及外氣空調箱的外觀尺寸將相形變小。 外氣空調箱各組合系統日平均風量比較圖

  30. MAU風機位置:鼓風式及抽風式 • 空調箱風機採抽風發熱可不成為盤管負荷並為再熱熱源。 • 每年可節約電力達750,000kWH (1,500,000元) 。 • 每年節約達17%。 外氣空調箱風機位置能量比較圖

  31. MAU冰水系統:單冰水及雙冰水 • 冰水溫度提高1℃ 主機效率可提高6%。 • 可減少的冰水主機購買成本。 • 每年可節約電力達97,000kWH (194,000元) 。 • 每年節約達2.3%。 外氣空調箱單/雙冰水溫度能量比較圖

  32. MAU加熱系統:電熱及熱回收系統 • 採冰水主機冷凝溫度回收供加熱使用，不須燃料或電力。 • 可減少鍋爐購買成本。 • 每年可節約電力達957,000kWH (1,914,000元) 。 • 每年節約達29%。 外氣空調箱加熱系統能量比較圖

  33. 外氣空調箱(MAU)系統元件最佳化的選擇 總耗電能隨著系統剛開始採用鼓風式單冰水電熱水鍋爐加熱系統慢慢改成最後的抽風式雙冰水冰機熱回收加熱系統而減少，其耗電量亦隨著外氣溫度的升高而提升。 外氣空調箱各組合系統整年總耗電能比較圖

  34. 節能方面 降低外氣空調箱出風溫度的效益 已知無塵室的負荷為: q infiltration + q clean room + q FFU + q Lighting + q people + q其他= q MAU + q Dry coil 調降出風口1℃的效益 q MAU =ρQC△T = 1.19 *16,467 * 60= 1,175,743.8 kJ/hr =1,175,743.8 ÷ 4.186 (kJ/kcal) ÷ 3024 (kcal/RT) = 92.8 RT 先前計算每冷卻負荷所須要之電力能源是0.257 , 換算一日節省的電費為: = 92.8( RT )*3,024(kcal/RT) ÷860(kcal/kW)*1.7(平均購電成本)*24 = $13,313.4 NTD

  35. 外氣空調箱(MAU) 出風溫度 • 出風溫度降低1℃一年可減少加熱量300,000kW-hr(36.2%)。 • 出風溫度降低1℃一年可減少乾盤管能力300,000kW-hr。 外氣空調箱出風溫度變化能量比較圖

  36. PCW節能設計

  37. 製程冷卻水的節能(1) Open system change to close system Open system 冷卻水溫度差△T為3.2℃，揚程為56M 冷卻水量則為(18,700 L/min)。 冷卻容量為18,700 LPM *3.2*60 = 3,590,400 KCAL/Hr =1187.3 RT 每日總耗電量為10,733 KWH

  38. 製程冷卻水的節能(2) Close system 冷卻水溫度差△T為4℃，揚程為34M 冷卻水量則為(14,640 L/min)。 冷卻容量為14,640 LPM *4*60 = 3,590,400 Kcal/hr =1161.9 RT 每日總耗電量為6,816 KWH

  39. 製程冷卻水的節能(3) Open system change to close system 節省電費: (10,733 – 6,816) * 365 * 1.7 NTD/KWH (2002年平圴購電成本) =NTD 2,430,498 Per year 節約電力折算二氧化碳減少量: (10,733 – 6,816) * 365*0.65/1000=929.3噸/年

  40. Energy consumption of PCW(new) (flow) Chiller (1) Cooling Loads (kW) 4,174.8 (2) Pump Energy (kW) 284.00 (3) Total Cooling Loads (kW) (1)＋(2) 4,458.8 (4) Cooling Energy (kW) 1,071.85 (5) Energy Consumption of Pump (kW) 284.00 (6) (4)＋(5) 1,355.85 (7) Energy of Per unit (6)/ Volume (kW/m3) 1.44 (8) Energy of Per Cooling Loads (6)/(1) (kW/kW) 0.32 (9) PCW Consumption of Per Square (LPM /M2) 1.40

  41. 排氣處理節能設計

  42. Exhaust靜壓調整 • 設備在安裝時往往將EXHAUST所需風量的安全係數加大， 造成安裝與實際運轉有很大的差距 • 為達到降低運轉成本，必須配合實際狀況逐步調整 EXHAUST風量

  43. Exhaust靜壓調整 調整前: • 酸性排氣的管末端靜壓值為86 mm A q 排風量為5,590 CMM 每日耗電量為6,885KWH • 鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為86.1 mm A q 排風量為509 CMM 每日耗電量為1,843.2KWH。

  44. Exhaust靜壓調整 調整後: • 酸性排氣的管末端靜壓值為79 mm A q 排風量為4,564 CMM 每日耗電量為6,833.5KWH • 鹼性排氣調整前的管末端靜壓值為79 mm A q 排風量為450 CMM 每日耗電量為1,344.5KWH。

  45. 改善效益: • 降低排氣量: ACID: (5,590-4,564)*60 = 61,560 CMH AKALINE: (509-450)*60 = 3,540 CMH • 以MAU外氣平均耗能為0.0042kW/m3計算 (61,560+3,540)*24*365*.0042=2,395,159.2 kW/年 折算二氧化碳減少量為: 2,395,159.2 kW/年*0.65/1000=1,334.4噸/年

  46. TYPE VOLUME (CMH) ENERGY CONSUMPTION (KWH/DAY) SYSTEN STATIC PRESSURE (Pa) KWH/ m3 CMM / m2 ACID 273,840 6,834 -744 0.0010 0.408 GENERAL 498,120 8,599 -1,009 0.0007 0.742 ALKALINE 27,000 1,334.50 -775 0.0021 0.040 SOLVENT 59,918 3,087 -300 0.0021 0.089 ENERGY OF EXHAUST (NEW)

  47. 降低GENERAL EXHAUST(1) • 酸，鹼性及有機溶劑等排氣系統，是考量設備與人員作業安全 • 一般排氣(GENERAL EXHAUST)，則是將設備的發熱源帶出 • 由於外氣是經過冷卻除溼，加溼，加熱等的大量能源處理後 ，方可供生產使用，如果只因為將機台的發熱排出室外 而增加的外氣空調箱的處理風量，則不符合能源的使用效率

  48. 降低GENERAL EXHAUST(2) • 上述的資料可計算出外氣空調箱，平均處理1CMH的外氣 大約耗能為0.0042kW ，而GENERAL EXHAUST所帶出 的熱量每CMH為0.00072kW，由此可知適度降低 GENERAL EXHAUST，則可節省大量能源。 • 因降低GENERAL EXHAUST而對無塵室增加的負荷， 則可藉由降低MAU的出風溫度來補償。 預估可減少二氧化碳量為: 498,120*(0.0042 -0.00072)*24*365=1,5185,088 kW/年 1,5185,088 kW/年*.65/1000 = 9,870.3噸/年

  49. SOLVENT熱能回收: (1) VOC系統分為 1.排氣風車 2.吸附槽內裝特殊沸石(ZEOLITE)之吸附槽 3.燃燒爐 一.為直接將生產線所排出之有機溶劑氣體，經沸石吸附槽吸附後 排出乾淨空氣。 二.為將吸附槽中吸附飽合之高濃度有機物質(濃縮24倍)，利用 200℃高溫空氣脫附出高濃度有機物質，與瓦斯混合燃燒後 排放至大氣中，在燃燒溫度大於650℃時即可去除VOC

  50. SOLVENT熱能回收: (2) 改善前狀況: 將吸附槽中吸附飽合之高濃度有機物質，脫附後溫度為39℃ 與瓦斯混合燃燒到725℃後排放至大氣中，由於經熱交換器後 排放到大氣的溫度仍高達492℃ 而脫附後的氣體，與新鮮空氣熱交換後溫度降為39℃， 仍需加熱到725℃後，其中溫差達686℃，造成大量的能源浪費

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