过滤是电气设备和半导体制造的关键

作者：Ken Sutherland

欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 过滤和分离设备在较小型终端应用领域的使用非常重要，本文作者Ken Sutherland回顾了电气和电子设备的制造及其材料。 在讨论小型行业的这篇文章中涉及到两个明显不同的工业部门：一是工业、商业和家用电气动力设备的制造；另一个是电子材料，特别是半导体器件的生产，半导体器件是从台式电脑到飞机等各类产品的心脏。 电气设备零部件涉及到下列各个子行业： ◆ 轻型和重型电气设备的制造，如变压器、发电机及其相关的电线电缆，包括备用发电机； ◆ 家用和商用“白色商品”（冰箱、冰柜等）、烤箱，以及案台电器，如烤面包机和烧烤架等； ◆ 其他家用和商用产品，如吸尘器、地毯清洁机等； ◆ 各种各样的办公设备和计算机，包括笔记本电脑和手持式设备等； ◆ 各种类型的音像设备，如收音机、电视机、音响系统和音乐播放器等； ◆ 电话交换设备和各种本地电话，包括所有移动电话的变种； ◆ 精密电气仪器仪表、卫星导航设备，等等。 这个行业的另外一半不包括设备，只包括材料，在此所指的是所有各种半导体器件的制造 （这些半导体器件不仅用于控制台式计算机，也用于控制所有需要电子控制的系统）和电磁录音材料的生产，如磁带、磁盘以及照相机和电话磁卡等。 从过滤和分离设备市场的角度来看，这个行业有以下两个非常不同的组成部分：一方面是设备制造，其要求非常类似于机械设备制造和半导体及录音材料的制造，但另外一方面，其工序又非常不同于机械设备的制造，而更接近于制药行业。同时，尽管电气设备制造标准非常高，但是，半导体业务内的制造标准更高。 电气设备制造 就重型电气产品和白色家电的制造而言，主要加工处理线上很少使用过滤器或其他分离设备（在变压器油再循环系统中，过滤器和分离设备的使用是个例外）。但是却需要压缩空气、气动和液压系统，以及机床冷却液循环等全系列机械制造公用系统。 与其他应用相比，这些公用设施的应用量非常少，但是，却在保持制造工艺连续运行方面至关重要。液压和气动系统很快会被灰尘和被腐蚀产品所污染，为了确保相关设备的继续安全运行，这些污染物必须被过滤掉。这对机床中的冷却和润滑系统也是如此，必须将金属或塑料屑过滤掉。在所有的这类应用中，为了满足制造精度日益增长的要求，对过滤精度的要求也越来越高。 过滤器作为最终产品组成部分的一个重要例子是变压器的制造；在变压器里，冷却油围绕线圈循环，并需要始终保持干净。这通常是在附属管线的清洁线路中完成的，因为磨损和油耗所产生的污染率并不高。这种应用的一个特点，是能够在无人值守的状态下长期运行。 半导体生产 诸如半导体、录音磁带、存储芯片等电子材料的生产要求超洁净环境，所以，工作空间、环境空气和所有清洗和清理液体都必须尽可能洁净。电气设备和电子零部件的制造总是要求较为干净的环境，在现代化半导体生产厂里，情况也确实如此，不仅工作空间需要干净，任何进入车间的材料或加工用液体也需要洁净。 半导体器件的生产是在像药品生产一样的净室中进行的，但是，还有额外的要求，外来的污染防治（开门时，人身上和空气带入的污染物等）与工作空间的污染防治一样重要。 半导体器件的关键特性，是其在基础半导体材料表面生成的单个零部件的尺寸。上个世纪70年代早期，这种关键尺寸是10 祄，而现在这个尺寸已经降低到10nm。尺寸随时间而减少，这遵循了摩尔定律（这个定律实际阐明，能够以并不昂贵的代价将晶体管放置于集成电路上的数量大约每两年翻一番）。对于半导体制造中的重要因素而言，相当于关键尺寸大小一样的一个污点，就可能使整个器件发生故障。 标准半导体开始时是纯度超高的单晶硅锭，直径可达300mm；然后，硅锭被切割成非常薄的硅晶片。这些晶圆片经过清洗和抛光，再经历一系列工艺，有时可多达总共300道工序；在这些工序里，材料被沉积于来自上一道工序的表面，使用的工艺方法有气相沉积的方法；或将某些地方的材料刻蚀掉；又或者通过处理，在某些区域设置保护屏障，使这些区域不被刻蚀，等等。有的工艺液体腐蚀性极强，但是所有工艺液体都必须进行过滤，去除不需要的固体颗粒，而经受处理的晶圆片通常在每道工序后，都必须用超净水进行清洗。 这些工艺中使用的液体通常都经过透彻处理，使其达到所需技术规格，因此，其造价极其昂贵，以至于其回收再利用成为了其工艺经济效益的重要组成部分。而过滤器在回收再利用系统中所起的作用与其在初期生产过程所起的作用一样重要。 市场情况 许多公司从事着与电子电气设备以及材料相关的业务，其中，GE公司（总部设在美国）或许是其中最大的一家，其2009年的销售额高达1500亿美元以上（尽管其同时涉及其他许多业务领域，特别是水业务）。以通用电子电气企业的规模计算，德国西门子公司名列第二，这家公司在水业务方面的投资也非常大。其他主要公司包括惠普、三星和日立。最大的纯半导体生产厂家是英特尔公司，此外，台积电和AMD也是大型半导体公司。 过滤和相关分离设备在2009年的全球市场总量达到了490亿美元，而其在电子电气领域内的市场总量约为17亿美元，仅略高于其全球市场总量的3.5%。2009年的市场规模仅比2008年稍大一点（以真实、未膨胀的数字计算，实际上还要更少一些），从中显示出2008-2009年市场衰退的影响，而2007年市场规模的增长接近7%。 预计2010年的市场实际增长率相比于2009年将达到4%；而到2013年，该市场将达到约7%的增长。 电气机械市场遭受经济下滑的影响颇为严重，而刚刚开始出现增长，增长速度非常缓慢。半导体生产复苏速度比较迅速，尽管发展的趋势是从台式计算机向便携式计算机转变。而这种转变的驱动力，很大程度上来自于计算机被广泛应用于许多其他产品上的发展趋势。 涉及到的设备 除了在电气设备制造中需要通用过滤设备之外，在电子材料制造中还有两个主要的分离任务需要完成： ◆ 将进入工作空间和制造区域的进口空气过滤到高标准无尘状态，以及为了保护环境，而对出口空气进行类似的过滤； ◆ 零部件清洗用的超纯度水的制备，以及晶圆片处理用液体的补充，还有这些液体的制备。 相关分离设备的需求变得越来越大，供应商需要连续不断地开发效率更高的非织造介质和薄膜来满足这些需求，特别是在水的过滤方面。 在电气机械零部件制造的主要工序中，使用工艺过滤设备的几率很低，但是，在辅助工序或通用设施上使用工艺过滤设备的几率比较大，比如，需要使用相对比较简单的过滤器，让液压和气动系统保持无尘状态。生产设备中的机床使用冷却液和润滑剂，这些液体已经变得相当复杂，所以配方非常昂贵。它们的回收已经变得非常关键，涉及到日益复杂的过滤系统或离心机的使用。 就像已经描述过的那样，诸如半导体、录音带、存储芯片等电子材料的生产，要求超洁净环境，所以工作空间的空气和所有清洗、清洁和处理液体都必须尽量地绝对干净。 需要空气过滤的地方包括：清理进入净室的空气；清除通过工作空间的循环空气中的污染物；过滤从净室往外部大气排放的任何工艺气体，或应急排空气体。板式高等级通风过滤器现在已经成为这种场所例行安装的设备，而HEPA和ULPA等级的过滤器也相当常用。另外一种正在增长的需要是复合式过滤器，用于吸附有毒组分和去除悬浮颗粒，特别是在出气口排空应用方面，情况更是如此。 半导体制造中所用的工艺用水和清洗用水在开始时是自来水管道中供应的饮用自来水，这种水被置于一系列过滤步骤中，而现在几乎无一例外均使用超过滤作为基本处理步骤。随着处理要求（过滤切入点）进入几十纳米的领域，这些过滤将使用纳米过滤技术。因此，半导体制造行业是薄膜工艺的大用户，这些过滤器不仅需要在污染物水平非常低的水平下将其去除，以便保持制造效率，而且还需要常常在腐蚀性的工艺处理液环境中工作。 市场前景 环境压力给这个行业的主要影响之一，是市场从使用汽油或柴油驱动内燃机向使用电力作为车辆动力而发生的变化非常缓慢。如果这种情况大量发生，则将对电气设备行业造成巨大影响，对电动机和燃料电池的需求将会增加。由于在使用中控制方便，因此各种各样的电气驱动设备所受到的需求量也会继续增加，尤其是在发展中国家，电气设备可以提高人们的生活水准。 半导体尺寸将继续减小，至少未来几年内会是这样，于是，对制造工艺过程的需求也会相应地增加。同样可以肯定的是，半导体生产厂对其所使用的过滤器的运行性能提出的要求将更高。这不仅意味着更加精细的过滤，而且还要求过滤器能够耐受更多种类的腐蚀性液体。生产半导体的工作空间受控于欧盟的有害物质限制令（RoHS）。目前，该指令限制6种物质（铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚）的排放，但是，这份清单有望变得更长，这增加了对控制的需求，从而也增加了对工艺过滤的要求。(end)

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