浅析半导体集成电路芯片厂房建筑设计

浅析半导体集成电路芯片厂房建筑设计

曹杰

江苏方硕电子工程设计有限公司   江苏省 常州市   213002

摘要：对某大功率半导体集成电路芯片生产厂房的设计，必须要在相关工艺的配合下完成。在具体设计中，相关人员需要熟练掌握各个生产工艺的原理和技术特点，以此保证相关工作有序进行。基于此，本文着重探究半导体集成电路芯片厂房建筑设计，以期能够保证厂房建筑设计效果达到相关要求。

关键词：半导体；电路芯片；厂房建筑；设计

半导体集成电路装置和半导体集成电路芯片，在具体应用中可在不降低温度的基础上，实现整个冷却结构的小型轻量化。为充分发挥作用，则应做好对相关厂房的设计，加强对这方面的生产和应用。

一、项目背景与设计要求

结合具体项目，某大功率半导体集成电路芯片生产厂房，是来自某工业集团开发的项目。通过对项目任务书的规定了解到本次建筑规模、生产产品的类型等。对于半导体集成电路芯片生产房在整个工业建筑中，属于洁净建筑，与其他工业建筑相比，其设计难度会更大[1]。若缺少相关工艺的有效配合，势必会增加设计者难度。在此背景下，作为建筑设计者，应深入了解当前电子类产品厂房常见的做法和发展趋势，深入分析存在的原理和技术特点，从而对其进行设计提供重要的指导作用。

二、电子类洁净厂房的技术特征

通过深入了解，关于电子类洁净厂房具有的技术特征，多表现在四个方面，分别是：电子类生产厂房所生产的产品对空间环境要求比较高、集成电路芯片生产过程中工艺流程会出现多次交叉反复、电子产品更新换代比较快及建筑空间布局方面的自由度高[2]。

（一）电子类生产厂房所生产的产品对空间环境要求比较高

在建筑平剖面空间和技术措施方面，必须要对这一要求予以重视，确保生产空间处于良好的洁净状态。另外，对需要进入到生产空间的人流、物流和设备等，必须要严格按照要求，对其进行净化和无尘处理。对这环节中涉及到的流程和空间组成，如图1所示。

图 1 流程和空间简图

（二）集成电路芯片生产过程中工艺流程会出现多次交叉反复

一般来说，集成电路芯片在生产期间的工艺流程并不是单向的，需要进行多次的交叉和重复。如在芯片生产过程中涉及到的光刻、腐蚀、扩散、蒸发等多个环节，因而在工艺流程方面会出现交叉频繁现象[3]。基于此，作为建筑设计者，在实际设计期间，首先要确保空间洁净度达到各个工序的生产要求。为此，可适当引进国外先进生产厂房的洁净生产区等级进行设计。只有做好这方面的设计，才能够确保集成电路芯片稳定生产，为其建设符合生产需求的厂房，满足当前社会经济发展需求。

（三）电子产品更新换代比较快

随着近几年我国社会经济快速发展，电子产品更新也更快，相应的生产设备也在不断更新和优化中。为此，建筑设计者是在设计中需要确保建筑空间具有良好的灵活性和可变性，从而能够较好地适应工艺和产品不断更新换代要求。

（四）集成电路芯片生产为流水作业，运输量比较小，不需要较为严格的工序进行衔接。因而设计者在建筑空间布局方面的自由度会比较高。

三、芯片厂房的建筑设计

结合对集成电路芯片生产厂房的相关技术特征，因其生产工艺具有良好的灵活性特点，因而在没有具体工艺配合的情况下，建筑设计可先行的[4]。

3.1 芯片厂房的平面设计

在具体建筑设计过程中，需要考虑到多个方面，特别是场地、建筑规模等因素，首先根据具体情况，可将建筑暂定为三层。第一层主要为动力区，化学品区和其余辅助用房；第二层为下技术夹层，同时可以布置部分洁净生产区；第三层则是核心生产区，用于产品的生产。

一层动力区应靠近生产的动力负荷的主要区域，一方面节能电缆，桥架，风管等管线的长度，另一方面能够节约动力在输送过程中的能量损耗；化学品区则应远离人员密集区域和避开重要设施设备区域。有爆炸危险品的化学品应考虑泄压和防爆措施，酸碱类化学应考虑泄漏和防渗透措施，剧毒类，强氧化类化学品都应采取相应的措施。

二层做为核心生产区的下技术夹层，汇集了从一层网上的管道，同时也放置了核心区的部分辅助设备。下技术夹层能够达到万级的洁净水平，既能和一层非洁净区相对联通，又能保证核心区的洁净度，是整个芯片生产中不可缺少的一部分。

三层是芯片生产的核心区域，也是整栋建筑最重要的地方。三层结构做抽柱处理，屋面采用桁架，最大跨度能够达到30m，在这个区域里布置设备，可以不受柱网的束缚，能最大程度的利用空间，提高生产效率。

3.2芯片厂房的剖面设计

首层层高至少要做到6.8m以上，一方面一层顶部会集中大量的化学品供应管道，消防喷淋管，桥架以及排烟管道，另一方面首层动力区的纯水罐，冷冻机，空压机都要在4m左右，太矮的层高设备都没有安装和检修空间。同时更高的高层能够储存更多的产品，减少仓库压力。

二层层高要做到7m以上，因为三层核心区还要降板，布置高架地板，挺高核心区空气的流通，地板下面同时布置电气，部分化学品和工艺设备的管道。

三层核心区的层高需要经过精确的计算获得，一方面吊顶上面要布置静压箱，太矮了空间不够，另一方面要控制能耗，层高太高会大大增加业主的运营成本。还有很重要的一点，桁架的截面高度很高，要尽可能的把整栋建筑控制在24m以内，降低业主在建设成本上的投资。

对于洁净生产厂房的人、物流净化会对洁净室能否达到洁净要求产生较大的影响。为此，建筑设计者不论是在有无工艺配合的情况下，都需要解决相关问题。通过深入了解，洁净室的人净要求具体为：在入口处需要换鞋，并进行一次更衣，洁净等级高的区域会要求进行二次更衣，之后进入风淋室，最后达到洁净生产区开展工作。而对于洁净室物流，具体为:入口-进入原料库-粗洁净-传递窗-精洁净-传递窗-进入洁净生产区-传递窗-包装-成品库。

结合整个厂房情况，对涉及到的人流、物流、消防疏散问题必须要予以重视，并进行有效解决[6]。在解决中，可在人流和物流部分分别设置出入口，但是在这有限的空间内设置多个出入口，需要比较大的成本，因而不够经济性，同时也不利于对两个区域之间的管理。通过深入研究和分析，可对建筑平面采用一字形进行布置，而中间可作为生产区，在两端各处设置一个门厅，其中在东侧门厅作为人流出入口，而西侧则作为货流出入口使用，这样人流物流不会交叉，生产流线也更加合理。

结语：

综上所述，根据厂房投入使用情况看，效果良好。在进行项目建设中，作为设计者，应对每项建筑设计都要进行深入学习和研究，对建筑各方面情况和需求有深入的了解。与此同时，建筑设计者还要积极配合相关工艺要求，不能在设计期间过于依赖工艺，需在设计中发挥自身的技术和智慧，将人文和空间因素合理融入在其中，从而更好保证建筑设计的效果。

参考文献

[1] 王莹. 创独特代工模式:从"集成电路"到"集成系统" ——访武汉弘芯半导体制造有限公司首席执行官蒋尚义[J]. 电子产品世界,2020,27(3):1-2.

[2] "芯思维—新动能"发展论坛 暨山东电子学会半导体器件与集成电路专委会换届会议成功举办[J]. 信息技术与信息化,2018(8):1-2.

[3] 5G智联世界,用芯构造未来——第十八届中国通信集成电路技术应用研讨会暨无锡集成电路创新峰会成功举办[J]. 中国集成电路,2020,29(10):18-21,30.

[4] KLA针对先进封装发布增强系统组合新设备采用AI解决方案以提高良率和质量并推动半导体封装创新[J]. 电子工业专用设备,2020,49(5):79-80.

[5] 中国集成电路设计业2018年会暨珠海集成电路产业创新发展高峰论坛(ICCAD2018)在珠海成功召开[J]. 中国集成电路,2019,28(1):17-18,73.

[6] 凸版:高端掩膜技术助力中国“芯”成长——采访凸版印刷的执行董事,电子事业本部半导体相关产品事业负责人二宫照雄[J]. 中国集成电路,2018,27(7):13-14.