12英寸集成电路芯片厂房的防微振设计案例分析

12英寸集成电路芯片厂房的防微振设计案例分析
洪明

摘要：根据国家标准（电子工业防微振工程技术规范）编制的原则，分析12英寸集成电路芯片厂房防微振设计中的若干问题。包括地质勘探、场地填方施工、防微振测试、多工况动力分析、隔振计算。

关键词：集成电路制造，12英寸，芯片生产，微振动，建筑结构，防微振体系。

中图分类号：TN405   

文章编号：1000-0755(2019)01-0078-04

中文引用格式：洪明.12英寸集成电路芯片厂房的防微振设计案例分析`J`.电子技术, 2019, 48(01): 78-81.

Case Study on Design of Anti Micro Vibration for a 12 Inch IC Fab Building 
HONG Ming

Abstract — According to the principle of national standard (electronic industry anti micro vibration engineering specification), this paper analyzes some problems in the design of 12 inch IC chip factory. It includes geological exploration, site filling construction, micro vibration test, multi working condition dynamic analysis and vibration isolation calculation. 

Index Terms —  integrated circuit manufacturing, 12 inch, chip production, micro vibration, building structure, micro vibration proof system. 

0  引言

1950年代初期，我国电子工业厂房防微振设计是凭经验的。在一系列研究的基础上，国家标准《电子工业防微振工程技术规范》（GB51076-2015）于2015年9月在我国施行，使我国在电子工业厂房防微振设计、计算方面有了依据。

1. 概述

  1.1 工程概况

某年产12英寸芯片24万片项目一期工程，规划用地总面积约171 266m2。包括一幢四层集成电路芯片制造的主厂房、一幢三层动力中心（带地下室，含废水处理站）以及化学品库、气站、警卫室等辅助建筑，总建筑面积约为248 941m2。

  1.2 土体工程地质层的划分和评述

勘探控制深度70.0m，土层结合成因类型，按物理力学性质将本勘察深度内的土体划分4个工程地质单元层（1个工程地质亚层）；(1）耕土（Qal）：灰褐色，松散，不均，以粉土为主，含植物根茎，局部地段夹碎砖、石子等；场地均有分布。(2）粉土（Q4al）：灰黄色，稍密～中密，湿～很湿，摇震反应迅速，无光泽反应，干强度、韧性低，粘粒含量较高，局部层段含塑状薄层粉质粘土；场地均有分布。(3）粘土（Q3al）：黄褐色、褐黄色，硬塑，切面光滑有光泽，含铁锰氧化物和结核砂浆（粒径约3～8cm），局部层段砂浆富集成层，干强度、韧性高，局部层段夹有粉土薄层；场地均有分布。(3A）、中细砂（Q3al）：黄色，密实，饱和，分选性好，主要成分为石英和长石，含云母碎片，颗粒圆润；场地均有分布。(4）粘土（Q3al）：褐黄色，硬塑，切面光滑有光泽，含铁锰氧化物和钙质结核，干强度、韧性高，夹少量结核砂浆，局部层段夹中砂，局部层段粘土与砂成混合状、胶结状。在勘探深度内，未发生揭穿。

2  芯片厂房防微振设计中的若干问题 

  2.1 场地填方施工技术要求

本工程场地填方施工前应清除表层素填土、耕植土等，因场地内有鱼塘和河道分布，施工前先进行清淤工作。

回填应在场地两侧对称回填或四周同时进行。回填土应以素土为主，不应含大石块、淤泥和草、木等有机物。当利用砂、碎石、碎砖等粗细骨料时，粗骨料粒径不宜大于80mm，其中禁止混有松软的建筑垃圾。回填土应分层夯实或碾压密实。每层虚铺厚度不超过300mm，压实系数λc≥0.94。回填土应分层检验夯实土的密实度和干容重，如不符合质量要求，不得继续回填。

  2.2 地质勘探要求

地质勘探除满足常规桩基要求及天然地基要求外，尚需增加下列试验项目。（1）共振柱测试：提供土试样的动力参数，动弹性模量、动剪变模量和阻尼比及最大动剪切模量Gmax。（2）跨孔法波速测试：各土层的剪切波速VS。（3）测试深度为桩长加压缩层深度或VS≤500m/s处。遵守的规范为《地基动力特性测试规范》GB/T50269-2015。

    2.2.1 共振柱测试

土样编号、土样描述、取土深度及共振柱试验时施加的固结压力见表1。

    2.2.2 跨孔法波速测试

工作原理：跨孔波速测试是利用两只相隔一定距离的钻孔，在一只钻孔中激发，另一孔中接收波的传播，在地层的同一水平深度直接接收直达压缩波的初至和第一个直达剪切波的到达时间，从而求取某一土层波的传播速度。

结论如下：测试深度为97m范围内，J18、J18A孔各土层剪切波速度在118～490m/s之间；测试深度为98m范围内，J70、J70A孔各土层剪切波速度在120～495m/s之间。

本场地所测各岩土层纵波速度在845～2125m/s之间，剪切波速在118～495m/s之间，动弹性模量在 80.4～1434.4MPa之间，动剪切模量在27.0～487.6MPa之间，动泊松比在0.4710～0.4901之间。根据工程勘察提供的资料，本场地为轻微液化场地。建筑场地类别为Ⅲ类。

  2.3 防微振的测试与多工况动力分析及隔振计算

    2.3.1 微振动测试分析

微振动测试共计四次。

（1）第一次：工程场地微振动调查测试（即厂房未施工前环境振动测试）。在场地上设置代表性观测点，用测振设备实测正常气候条件下的X、Y、Z三个方向振动振幅、振动速度及振动加速度值。测试持续时间至少2h，连续测试（每10min采集一组数据），并从中选取足够多（如24个）的采样点作频谱分析，得到工程场地可靠、精确的微振动时域和频域实测背景数据，用于分析场地振动特性、初步确定动力分析荷载。非正常气候条件（如大风、大雨、雷电等）为可遇不可求条件，在测试期间如遭遇则应抓紧采样，以获取更为丰富的数据。

（2）第二次：工程桩基沉桩完成后的测试。在场地上设置代表性观测点，实测正常气候条件下和重载车辆运行状态下的三方向振动速度值。重载车辆可选择重载集装箱卡车、重型（15t以上）满载卡车。运行状态选取多种车速（如10km/h、20km/h、30～60km/h等）及刹车、启动、加速等状态进行模拟。运行线路为沿厂区周边市政道路及厂区内道路。选择代表性测试结果用于防微振动力分析。

（3）第三次：厂房建成后（至少结构完成），设备安装前进行防微振平台测试，同时对防微振平台周边区域进行比对测试。测点布置在平台基础、立柱、台面及设备台座等部位。测试工况为：无干扰常时振动；周边车辆行驶干扰振动；平台上人员行走振动等。测试期间应排除施工干扰。对获得的测试数据进行频谱分析，得到防微振平台在多工况下的频域实测数据，并验证防微振平台设计、施工是否满足工艺参数要求。如有缺陷，应提出应对措施。

（4）第四次：设备安装完成并运行后在生产状态下的测试，同时应对防微振平台周边区域进行比对测试。测试布置在平台面、立柱、基础及设备台座等部位。测试工况为：设备运行状态下的无干扰常时振动；周边车辆行驶干扰（设备运行状态下）振动；平台上人员行走振动等。对获得的测试数据进行频谱分析，得到防微振平台在多工况下的频域实测数据，并验证防微振平台是否满足工艺参数要求。此测试结果作为交付使用的依据，并对防微振工艺环境管理措施的制订提供依据。

    2.3.2 防微振平台多工况动力分析及隔振计算

工程场地微振动背景数据（主要是第二次测试）测得后，对防微振平台进行多方案比选（需要对整体厂房建立计算分析模型、实现结构动力分析与隔振计算）。以多工况实测振动-时间历程曲线作为输入荷载（持续时间不少于20s，步长0.01s），对防微振平台进行上、下部共同作用的三维动力有限元分析，得到满足工艺参数要求、并留有一定余地的防微振平台设计方案（结构形式及截面参数）提交土建设计。业主初步提出的防微振参数为线宽65nm，容许振动标准为：VC-D≤6μm/s。用于振动敏感设备的VC标准曲线见图1。

  2.4 某12英寸集成电路芯片厂房防微振设计

    2.4.1 建筑物平面布局及功能

集成电路芯片厂房采用12英寸晶圆生产技术，纳米集成电路生产线，月产2万片的生产能力。完整的集成电路生产包括掩膜设计、硅片制造、芯片加工（前工序）、芯片封装（后工序）、检测等工序。本项目仅涉及芯片加工（前工序），即在硅片的表面制出晶体管等半导体器件，并在相互之间和上下层之间做成连线，形成一个独立的集成电路单元，成为芯片。建筑占地面积为17 873.75m2，总建筑面积为67 433.11m2，为四层建筑物。建筑室内外高差0.300m，建筑高度为24.0m（屋面建筑完成面标高），厂房建筑体型为矩形，南北向长度为106.00m，东西向宽度为171.05m。厂房主要由生产辅助车间、回风层（下技术夹层）、生产车间和上技术夹层四部分组成，共四层。

一层为生产辅助车间，其中包含了支持辅助动力机房、仓库、化学品分配间以及气体分配间组成。支持辅助动力机房主要为变配电间、空调机房等；仓库主要为辅材以及成品仓库；化学品分配间主要包括氢氟酸、双氧水、研磨液、有机溶剂等操作分配；气体分配间包括氢气、大宗气体纯化间及腐蚀、可燃、惰性气体分配间。

二层为生产支持辅助用房以及回风层（下技术夹层，此区域为洁净区域）生产支持辅助用房包括配电室、空调机房及研磨液间；回风层（下技术夹层）主要布置工艺生产配套辅助设备，此区域为洁净区域。

三层为主要生产区域（高等级洁净区域），根据工艺要求包括WRC、CMP、CU、ETCH、WET、FUR、TF、PHOTO、IMP等操作区域。南北两侧各留一跨（6m）设置回风夹道联通下技术夹层以及上技术夹层（静压箱）。东侧与办公楼采用连廊联通，主要操作人员由此进入。

四层为结构整体桁架层，利用桁架层空间设置新风机房以及生产支持辅助用房。西侧主要包括DCM、EFA/PFA、WAT、OQA等生产辅助用房，其余部分为新风机房及其配套机房。

屋面设置电梯机房、水箱间以及新风机房取风设备间，为了外立面美观以及安全性，女儿墙高度为5.6m。其建筑效果图详见图2。 

    2.4.2 结构形式及布置 

集成电路芯片厂房基础形式为桩基础，一层楼地板为1.2m或2.0m厚筏板结构，上部结构形式为框架－支撑结构，其中一层、二层采用钢筋混凝土框架结构（带部分钢支撑），三层、四层采用钢管混凝土柱与钢梁的框架-中心支撑结构，无尘室区则采大跨度桁架钢结构系统。一层、二层为钢筋混凝土柱，三层、四层为钢管混凝土柱，采用钢桁架屋架结构，组合楼板屋面。一层层高为4.7m，二层层高为6.5m，三层层高为6.8m，四层层高为5.7m。一层核心区域混凝土柱网尺寸为6.0m×6.0m（西侧桶槽区单跨为8.0m，此区域屋面为轻质钢屋面；南侧支持辅助动力机房为单跨9.0m）。二层混凝土柱网尺寸为6.0m×6.0m。三层、四层钢管混凝土柱的柱网尺寸为18.0m×48.0m。屋面机房也采用钢管混凝土柱，柱网尺寸根据出屋面区域同下层。

    2.4.3 防微振测试和厂房设计

（1）第一次场地微振动测试。测点说明：现场尚未进行平整，保持原始地貌。基地内包括小麦田、当地作物田地、牛羊放牧区、树林及住家，其间并有水潭及干涸之沟渠。测点一侧布置，间隔约30m ，每个测试点布置一个三方向振动传感器，同时采集垂直向、东西向、南北向振动数据。本项目量测之目的即在确保施工前了解厂房所在位置现况振动情形及受周围交通影响之程度，为结构振动控制仿真分析及精密设备微振动控制设计提供依据。本项目的微振动测试仪器主要包括：振动加速度传感器、INV3060S数字采集仪、配套设备（传感器电源、多功能电源、GPS、无线路由器、数据电缆线等）。

测坑做法：本次测试所有测点处需要挖测坑。测坑平面尺寸约800mm×800mm，深度约500mm，挖至老土，底部现浇素混凝土厚30～50mm，顶面抹平，强度达到80%以上，测坑内无积水，坑侧壁做好防护措施，防止侧壁泥土脱落掉入坑底。

分析测试结果。连续24h测试：场地周边无施工及车辆行驶状态下，场地地面三方向振动水平满足容许振动标准。尖峰时间测试：场地周边有重载车辆行驶状态下，场地地面东西向振动水平符合VC-D标准，有一组测点南北向最大值与平均值+标准差两条曲线之31.5～63.0Hz超过VC-E标准，符合VC-D标准；另有一组测点南北向最大值与平均值+标准差两条曲线之50.0～80.0Hz超过 VC-E标准，符合 VC-D标准，有一组测点垂直向最大值与平均值+标准差两条曲线之8.0Hz超过VC-E标准，符合VC-D标准。

振动衰减测试：测试结果显示各方向(东西、南北、垂直)之振动量均与道路之距离呈反向趋势，距离越远，振动量越小。

（2）第二次场地微振动测试。测点说明：集成电路芯片厂房已完成桩基和基础筏板的施工。本次测试共布置9个测点，测点连线与第一次平行，测点间隔约30m，每个测试点布置一个三方向振动传感器，同时采集垂直向、东西向、南北向振动数据。本项目量测之目的为获得结构底板可靠、精确的微振动时域、频域实测数据，进一步作为厂房防微振平台设计的依据。测试仪器、测坑做法、测试项目等同第一次场地微振动测试。

分析测试结果。连续24h测试：场地周边无施工及车辆行驶状态下，三方向振动水平满足容许振动标准。尖峰时间测试：场地周边有重载车辆行驶状态下，东西向振动水平符合VC-E标准，南北向振动水平符合 VC-D标准（仅摘录一组测点的车辆行驶-1/3倍频程分析见图3），有一组测点垂直向2.5Hz处有较大振动峰值。

按测试结果，针对室外重载车辆引起的振动，采取防微振设计措施是设置减震沟和减震墙的方式进行处理。现集成电路芯片厂房工艺层正在土建施工中，待第三次、第四次微振动测试进行后根据实测结果再确认其是否有效地达到防微振目的。

集成电路芯片区域仿真计算分析：集成电路芯片工艺层为洁净生产工艺区，平面为矩形（169.0m× 96.0m），标高10.200m，柱网6.0m×6.0m，柱截面 1.0m×1.0m，井字梁楼盖，梁高1.0m，华夫板板厚 0.3m，板面均布φ340mm回风圆孔，华夫板上面布置有600mm高的高架地板。计算有限元模型全部采用实体单元对华夫板、混凝土柱进行整体建模。柱子底部为固定约束，以模拟华夫板的约束情况。分析了华夫板的振动固有特性，并使用已有设备的激励得出了华夫板测点的垂直向振动响应，评估其振动水平。使用参数调整方案，对不同板厚的华夫板的固有特性及振动响应均做了分析。根据华夫板顶面1/3倍频程振动响应（12.5Hz），模态分析的结果为离激励点越远，则振动响应就越小。增加华夫板厚可以使刚度和质量增加，但刚度增加的趋势更明显，因此垂直向固有频率增加。

集成电路芯片工艺层结构楼板设计前还进行了经济指标比较，共3个方案。方案1为单筒华夫筒结构；方案2为SMC(四筒)华夫筒结构；方案3为井格梁结构，单位面积结构构件工程量统计见表2。

最终选取了方案2为集成电路芯片工艺层结构楼板的设计形式。

不同防微振墙位置，对结构微振之影响：通过对集成电路芯片工艺层楼板动态刚度之模拟分析，防微振墙设置在华夫板下的最外侧，对于华夫板的动态刚度增益并不明显；防微振墙设置在华夫板下的内侧，对于华夫板的动态刚度才有提升。分析的结果是为减小建筑结构对环境振动的振动影响，在结构中设置的防微振墙，应在华夫板下的内侧且邻近精密设备及仪器处，墙体宜对称布置。

3  结语

微振动是影响精密设备及仪器正常运行的振动幅值较低的环境振动。建筑结构防微振体系是为保证精密设备及仪器正常运行，对建筑结构采取减弱环境振动影响的综合措施。集成电路芯片厂房内的精密仪器设备对振动十分敏感，在集成电路芯片厂房防微振设计时，为将环境振动影响控制在精密设备及仪器容许振动值范围内，在工程设计规划、建筑结构设计与隔振设计等方面采取必要隔振、减振措施，并确保厂房结构的整体刚度，满足工艺参数要求，达到业主提出的防微振容许振动标准。

参考文献

`1` GB51076-2015电子工业防微振工程技术规范 `M`.北京:中国计划出版社,2015.

`2` GB50868-2013建筑工程容许振动标准`M`.北京:中国计划出版社,2013.

`3` GB10070-1988城市区域环境振动标准`M`.北京:中国标准出版社,1988.

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