1. 技術專欄
半導體廠的外氣空調箱在不同氣候區之設計與分析
Designs of MAU for Semiconductor Industries in Different
Climatic Regions
蔡俊宏、王鈞民、鍾光燿
聯華電子股份有限公司 廠務暨擴建工程部
C. H. Tsai，J.M. Wang and K.Y. Chong
UMC，Fab8E
Engineering Dept. / Facility Operation & Construction Division
摘要
半導體廠的潔淨室環境必須保持精密而穩定的
控制，使晶圓製程不受環境的干擾。在不同的
氣候區，外氣條件差異甚大，外氣空調箱的設
計也需要隨之調整。本論文研究在不同的氣候
區及世界主要城市，外氣空調箱各單元所需要
的設計容量。除了建立了外氣空調箱的設計資
料庫外，並針對不同氣候區的特性，建議出最
佳的外氣空調箱設計型式。
Abstract:
The cleanroom control systems should be designed
according to different climatic regions. This paper
investigates how the climatic difference affects the
design of the make-up-air unit, MAU, that controls
temperature and humidity in a cleanroom. We
recommend suitable designs for different climatic
regions around the world. We also establish a
database for MAU design in different climatic
regions.
前言
潔淨室的環境主要是控制溫度與溼度，其
他如靜電、氣狀污染物(AMC)也是近年來受到
重視的控制因子。潔淨室內的溫、溼度條件一
年四季均維持固定，半導體業一般的溫度設定
值為 22 或 23℃，相對溼度為 43 或 45 %RH。
但是外界環境在一年四季變化很大，夏天通常
為高溫、高溼的氣候，冬天則通常是低溫與低
溼的氣候條件。外氣空調箱(MAU)主要的功
能，就是克服外在環境的變化，使進氣可以調
整到符合潔淨室規格後，補充潔淨室新鮮而品
質穩定的進氣。
近年來，愈來愈多的企業將運轉的領域擴
充到國外，目前在日本、美國、新加坡及大陸
沿海均有屬於台灣企業的半導體廠在運轉中，
加拿大、歐洲也曾有建廠的規劃。然而，這些
地區的氣候條件與台灣差異甚大。以氣溫為
例，在新竹最冷的天氣大約是 8℃；在德國，
冬天最冷可以達到-17℃[1]！在這種狀況下，潔
淨室要保持固定的溫、溼度，外氣空調箱的設
計必須隨者氣候區的不同而調整。然而，目前
對於氣候對於空調系統影響的研究，通常侷限
於對舒適度的影響[2-3]，對潔淨室的空調系統
鮮少見到相關的研究文獻。
本論文的目的在於研究不同的氣候區中，
外氣空調箱各元件的運轉參數與最佳設計。利
2004.12 潔淨科技 21

2. 技術專欄
用世界氣候資料庫[4]中，蒐集時間長達 12 年
以上的各地氣候數據作為參考依據，依空調理
論計算出潔淨室外氣空調箱在世界各地需要的
運轉參數。本論文所建立的資料庫涵蓋了亞
洲、美洲與歐洲各主要工業城市。除此之外，
本論文也針對不同氣候區，外氣空調箱最佳的
設計型式提出建議。這些資料庫與設計建議，
對於跨國性企業在規劃籌建半導體潔淨室時，
有相當大的助益。
潔淨室的環境控制
圖一是潔淨室的環境控制基本的示意圖。
潔淨室的溫、溼度主要受外氣空調箱(Make-up
Air Unit, MAU)所控制，潔淨室內的乾盤管(dry
coil)可以針對潔淨室內的設備與人員發熱，調
整使溫度符合規格。外氣空調箱主要由除濕盤
管、加熱盤管、加溼器、風車與濾網所組成。
當外氣溼度高於潔淨室需求時，除濕盤管將外
氣溫度降到露點而達到除濕目的；除濕後空氣
溫度約 8~9℃，低於潔淨室的需求，再熱盤管
將溫度提昇到符合潔淨室進氣標準後送進潔淨
室的回風區。當冬季外氣條件低於潔淨室需求
時，加熱盤管將進氣溫度提昇，而加溼器則補
充不足的溼度。表一列出外氣空調箱的主要元
件及其功能。
Ambient
DryCoil
CleanRoom
Make-upAirUnit
Humidifier
Heatingcoil
Dehumidcoil
Air
圖一、潔淨室的環境控制基本的示意圖
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3. 技術專欄
表一、外氣空調箱的主要元件及其功能
Description Function Remark
Coils with
chiller water
1. Removing
moisture.
(About 5℃)
2. Cooling outside
air.
Coils with
hot water
1.Heating outside air
(35℃ in
Taiwan)
2.Reheating air after
dehumid coil
Fan
Fan with
speed control
Supplying fab
positive pressure
It is controlled
according to
exhaust amount
Humidifier
Water spray
or stream
injection
Supply moisture
Water spray
must add a hot
water coil
Coils with
cool water
(About 18℃)
Dry coil
Adjust the fab
temperature
It cannot
remove moisture
Dehumid coil
Heating coil
Hot water
temperature
depends on the
climate and type
of humidifier
目前外氣空調箱各元件中，除了加溼器
外，其他各元件的設計原理各廠商的差異並不
大；常用於半導體業的家溼器主要有三種型
態： 蒸氣加溼， 水霧加溼，及 Air washer。
圖二是這三種加溼器的示意圖，主要描述如下：
蒸氣加溼
蒸氣產生器示意圖如圖 2(A)，其原理是將
純水加熱產生蒸氣，再經由蒸氣分布器將需要
的蒸氣送入外氣空調箱。蒸氣產生器的熱源可
由燃氣鍋爐、燃油鍋爐或電熱器所提供。通常
溼度不足的時機是冬季寒流來襲時，加溼器前
會有加熱盤管負責提昇外氣溫度。
水霧加溼
水霧加溼的示意圖如圖 2(B)，其原理是利
用高壓的水通過噴嘴後霧化為小顆粒，這些小
液滴在空調箱中吸收空氣的熱量而氣化為蒸
氣，因而補充不足的溼度。水霧的產生方式有
高壓水通過噴嘴、高壓水及高壓空氣混合(二流
體)、超音波震盪子產生等幾種方式，但其加溼
的工作原理都是一樣的。需要補充的溼度愈大
時，補充的水霧需要愈多，且空調箱的氣流溫
度也要愈高。
Air washer
Air washer 的示意圖如圖 2(C)，其原理與水
霧加溼類似，水由噴嘴灑出而由擋水板阻礙後
流回下方的循環水池，由噴嘴灑出的液滴吸收
空氣的熱量氣化後，補充 fab 需要的溼度。與
水霧加溼不同的是 air washer 噴灑的水量大，大
量的液滴與在擋水板上形成的水膜，與空氣接
觸面積非常大，除了有加溼作用外，最大的優
點是可以將空氣中含有的化學污染物吸收下
來，使供應到潔淨室的空氣品質更好。這也是
此型加溼器稱為 air washer 的原因。
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4. 技術專欄
Air washer
Water spary
(C)
demister
3
(B) 3
demister
Heating coil
6 4
Ambient
Air
Heating coil
46 Air
Ambient
Steam
(A) 3
Heating coil
5 4
Ambient
Air
圖二、半導體廠常用的加溼器示意圖
(A) 蒸氣加溼 (B)水霧加溼 (C)Air washer
空氣線圖分析(Psychrometrics Analysis)
空氣線圖是空調設計常用的分析工具
[5]，只要有外氣與室內條件，就可以求出空調
系統應有的規劃配置與各元件的負荷。空氣線
圖有常溫、低溫、高溫與超高溫幾種[6]。各種
空氣線圖的溫度範圍如下所示，本論文會使用
到常溫與低溫兩種空氣線圖。
常溫空氣線圖 0 ~ 50 ℃
低溫空氣線圖 40 ~ 10 ℃
高溫空氣線圖 100 ~ 120 ℃
超高溫空氣線圖 100 ~ 200 ℃
圖 3 是空氣線圖的示意圖，橫軸是溫度，
縱軸則是溼度比(humidity ratio)，或稱為絕對溼
度。溼度比的意義為 1 公斤的乾空氣中所含有
的水的重量，常用的單位是 kg water/kg dry air
或是 g water/kg dry air。空氣線圖中的曲線代表
相對溼度(relative humidity)，其定義是某溫度下
定量空氣中所含有的水量，除以相同溫度與相
同空氣量下在飽和狀態所能含有的水量，單位
常 寫 為 %RH 。 圖 3 中 的 斜 直 線 代 表 焓 值
(enthalpy)，公制單位為 kJ/kg dry air。
以下利用空氣線圖與空調理論，計算出外
氣空調箱在除濕與加溼過程中，所需要的盤管
熱負荷。
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5. 技術專欄
temperature
humidityratio
relative
100%
enthalpy
humidity 50%
圖 3、空氣線圖的示意圖
除濕過程
半導體廠的潔淨室常用 23℃及 45 %RH 作
為潔淨室環境的規格。在台灣，外氣空調箱在
絕大多數的時間都需要除濕，外氣溼度比在夏
天常常高於 20 g water/kg dry air，而潔淨室內的
條件則為 8.0 g water/kg dry air，兩者的差異就是
除濕盤管需要除濕的含水量。圖 4 為除濕過程
在空氣線圖中的示意圖，圖 5 則是外氣空調箱
除濕盤管的配置。
狀態 1 代表外氣條件，狀態 2 則是除濕後
的空氣狀態。由狀態 1 到狀態 2 的能量是除濕
盤管在除濕過程所要提供的能量。
Q dehumidify ＝ hm1－hm2 (1)
混合空氣的焓值可由下式計算：
hm ＝ Cp․T＋ω․hv (2)
hm 的單位是 kJ/kg.
Cp 是乾空氣的比熱，數值是 1 kJ/kg ℃
T 代表空氣的溫度，而ω 則是混合空氣的
溼度比。hv 代表水蒸氣的焓值，數值可查熱力
學性質表[5]得到。
outside environment
design point
temperature
2 3
humidityratio
1
圖 4、除濕過程在空氣線圖中的示意圖
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6. 技術專欄
Dehumid coilHeating coil
3 2 1 Air
Ambient
圖 5、外氣空調箱除濕盤管的配置
加熱與加溼過程
在寒冷低溼的季節，外氣必須加熱且加溼
才能送進潔淨室，加溼器如圖 2 所示，圖 6 則
為空氣線圖上加溼過程的示意圖。狀態 4 是外
氣的條件，狀態 3 是潔淨室的設計規格。蒸氣
加溼的過程是由狀態 4 到狀態 5 再到狀態 3；
水霧加溼及 Air washer 的加溼過程則為狀態 4
到狀態 6 再到狀態 3。
蒸氣加溼的狀況下，低溫外氣先由加熱盤
管將溫度提昇到狀態 5，約為 23℃，之後蒸氣
噴進外氣空調箱，補充狀態 3 與 5 之間所需要
的溼度比，將混合空氣由狀態 5 改變為狀態 3。
加熱盤管所需要提供的能量如下：
Q humidify ＝ hm5－hm4 (3)
狀態 4 與 5 的焓值可由公式(2)求得，狀態
5 與 3 之間的能量是水的蒸發熱，在蒸氣加溼
的情況下，此能量是由鍋爐所提供，而非由外
氣空調箱的加熱盤管提供。
水霧/air washer 加溼的狀況下，低溫外氣先
由加熱盤管將溫度提昇到狀態 6，熱空氣將水
霧氣化後，再沿著等焓線移到狀態 3。加熱盤
管需要提供的加熱量如下：
Q humidify ＝ hm6－hm4 (4)
狀態 6 改變到狀態 3 的過程，因為並無額
外的能量加入或移出，純粹是空氣與液滴之間
的熱交換與相變化，因此此過程可視為等焓過
程。狀態 6 的溫度與外氣條件有關，在台灣的
外氣條件，狀態 6 的溫度約 35℃即可滿足加溼
需求；然而在北美洲或歐洲地區，狀態 6 的溫
度必須提昇到 45℃，方能滿足加溼的需求！在
某些氣候條件特別嚴竣的地區，如北歐地區，
狀態 6 的溫度甚至必須提昇到 53℃，方能使足
夠量的水霧蒸發。使用水霧/air washer 加溼的方
式，加熱盤管的容量必須大於使用蒸氣加溼時
的容量以提供水的蒸發熱。另外，當外氣溫度
在 0 度以下時，如何使水霧/air washer 加溼的加
水管路避免結冰也是一大挑戰。
相較於蒸氣加溼系統，水霧/air washer 加溼
系統不需要另外設置蒸氣產生器及鍋爐系統，
也避免了蒸氣傳輸管路複雜的配管與保溫問
題。結構簡單且初設成本較低是此型加溼系統
最大的好處。
temperature
4
outside environment
design point
3
5
humidityratio
6
圖 6、空氣線圖上加溼過程的示意圖
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7. 技術專欄
不同氣候區下的外氣空調箱設計
本論文的目的，在於建立全球各地不同氣
候下外氣空調箱的設計資料庫，要達成此目的
的第一步，就是先建立各地的氣候資訊。本論
文根據 ASHRAE handbook[4]的全球氣候資料，
其中共蒐集全球各地 1459 個地區，統計區間長
達 12 年以上的氣象數據，利用這些數據及前文
提到的分析方法，可以計算出各地區的外氣空
調箱的設計值。
表二列出全球幾個重要都市及其相關的氣
候資料。冬季的最低溫、夏季最高溫及溼度比
是計算外氣空調箱各元件容量的最重要氣候參
數。由表二的數據可以發現，各地氣候條件差
異甚大，尤其在冬季最低溫狀況，新加坡都可
維持 20℃以上，美國的底特律則降到零下 17
℃！
表二、全球各地區氣候條件資料庫(摘錄)
Country City
冬季
低溫
( C )
夏季
高溫
( C )
夏季
溼度比
(g water/kg air)
中華民國 新竹 8.6 31.6 22.5
日本 東京 -0.8 28.6 20.4
日本 大阪 -2 28.3 20.1
韓國 漢城 -14.1 28 21.4
新加坡 新加坡 22.8 28.9 21.7
中國大陸 北京 -10.4 28.4 20.3
中國大陸 上海 -3.1 31 23
美國 舊金山 2.7 19.4 10.8
美國 底特律 -17.8 28.2 17.8
美國 紐約 -10.7 27 18.4
加拿大 溫哥華 -7.8 21.7 11.8
德國 柏林 -11.8 22.3 12.9
法國 巴黎 -7.8 24.6 14.9
英國 倫敦 -5.6 21 12.5
半導體潔淨室的環境，一般控制在溫度 23
℃，溼度比 8.0 g water/kg air 的狀況。結合表二
的外氣條件與潔淨室控制條件，再加上進氣風
量的數據，除濕與加溼的熱負荷便可以求得。
本論文以潔淨室條件 23℃/45 %RH、潔淨室進
氣量以典型 8 吋晶圓廠的 800,000 CMH 作為計
算基準。熱負荷的單位是冷凍噸(Refrigeration
ton, RT)，單位換算如下式：
1 RT ＝ 3024 kcal/hr (5)
根據表二氣候資訊計算出的半導體外氣空
調箱設計數據列於表三。加溼的過程分別對蒸
氣加溼與水(水霧/air washer)加溼兩種方式進行
計算。除濕負荷是指除濕盤管所需要提供冰水
的冷凍能力，而加溼的負荷是指加熱盤管所需
提供熱水的能量，蒸氣產生器所提供水的蒸發
熱雖然並未計算在蒸氣加溼的熱負荷中，但其
數值大約等於水加溼所需要的能量減去蒸氣加
溼所需要的熱負荷。
由表三的數據可以看出，在夏季的高溫高
溼氣候，所有城市的外氣空調箱均需要除濕，
尤其以緯度較低、靠近海邊的都市，因為溼度
較高使空調箱除濕的熱負荷特別高。然而在冬
季的加溼狀況，各地的差異就十分顯著。新加
坡由於一年四季都處於溫暖潮濕的熱帶地區，
即使在冬季也不需要加溼；最冷的底特律，加
溼所需要的熱負荷幾乎高出新竹將近 2 倍。比
較蒸氣加溼與水(水霧/air washer)加溼所需要的
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8. 技術專欄
盤管熱負荷，水加溼比蒸氣加溼需要多出的熱
負荷，畫在空氣線圖中即是圖 6 的狀態 5 到狀
態 6 的焓值。在這些都市的氣候條件下，水加
溼所需要熱負荷約高出蒸氣加溼 50%。表三的
外氣空調箱設計資料對設計者，或規劃在這些
地區建廠的公司而言，都具有極大的參考價
值。
表三、全球各地區半導體外氣空調箱設計資料庫(摘錄)
Country City
除濕
熱負荷
( RT )
蒸氣加溼
盤管熱負荷
( RT )
水加溼
盤管熱負荷
( RT )
中華民國 新竹 5,165 1,229 1,972
日本 東京 4,203 2,316 3,442
日本 大阪 4,114 2,085 3,081
韓國 漢城 4,468 3,649 5,060
新加坡 新加坡 4,557 NA NA
中國大陸 北京 4,030 2,783 4,107
中國大陸 上海 4,911 2,349 3,792
美國 舊金山 1,117 1,917 2,793
美國 底特律 3,408 3,480 4,970
美國 紐約 3,585 2,968 4,407
加拿大 溫哥華 1,469 2,567 3,820
德國 柏林 1,822 2,775 4,496
法國 巴黎 2,525 2,565 3,820
英國 倫敦 1,646 2,314 3,434
本論文除了建立了不同氣候與地區的半導
體外季空調箱設計資料庫外，也根據潔淨室的
需求與我們的專業與經驗，提出各氣候區外氣
空調箱的設計型式建議。圖 7 為三種主要的外
氣空調箱建議型式。
Air washer
Re-heat coil
(C)
demister
3
4
Re-heat coil
Dehumid coil
2
2
3
1
1
Heating coil
Steam
Air washer(A)
(B)
Re-heat coil
4
demister
Dehumid coil
Dehumid coil
23
Heating coil
1
Ambient
Air
Air
Ambient
Ambient
Air
圖 7、三種主要的外氣空調箱建議型式
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9. 技術專欄
溫帶與亞熱帶地區
此兩大氣候區涵蓋了世界上大部分的工業
活動範圍。在這些區域，我們認為最佳的外氣
空調箱型式為圖 7(A)所示。此外氣空調箱採用
air washer 作為加溼器，如此可避免額外設置蒸
氣產生器與高溫鍋爐的需求，同時也避免了伴
隨高溫鍋爐所需要的法規、安全查核等硬體與
人員證照設置。另外，air washer 可以去除進氣
中所含有的化學污染成分，對半導體精密製程
穩定度的確保有極大的助益！尤其在 12 吋
廠，化學污染物(AMC)的去除對製程良率的影
響更遠大於 8 吋廠。
不同的季節外氣空調箱的操作行為亦有不
同：
在除濕過程，加熱盤管 1 並不運轉，除濕
盤管 2 將外氣除濕後，溫度約 8~9℃且接近飽
和狀態，因此由 air washer 所氣化的水分極少，
air washer 僅作為去除氣態污染物的作用。除濕
盤管所提供的熱負荷可由本論文建立的資料庫
中查得。再熱盤管 4 提供的熱量是將除濕後的
低溫空氣加熱到潔淨室可接受的溫度，如圖 4
的狀態 2 到狀態 3。
在冬季的加溼過程，除濕盤管 2 並未運
轉，加熱盤管 1 提供 air washer 水霧氣化所需要
的熱量，同樣，加熱盤管所需提供的熱負荷可
由本論文建立的資料庫中查得。
寒帶地區
寒帶地區管路結冰的問題嚴重，蒸氣管路
可避免水霧加溼管路結冰的問題，且在這些地
區都有方便的蒸氣系統，可作為蒸氣產生器一
次側的熱源(蒸氣加溼需以純水產生蒸氣以避
免不純物進入潔淨室)。因此我們建議採用蒸氣
加溼的方式是較佳的選擇，圖 7(B)是此型外氣
空調箱的示意圖。
熱帶地區
熱帶地區如新加坡，我們認為最佳的外氣
空調箱型式為圖 7(C)所示。外氣空調箱並不需
提供加溼功能，因此外氣空調箱前端不必裝設
加熱盤管。Air washer 在此僅作為去除外氣所含
有的化學污染物，而非作為加溼器。
結論
本論文建立了世界各地的半導體外氣空調
箱設計資料庫，提供跨國企業的運轉或設計人
員極有價值的參考。另外，針對不特氣候區，
我們建議外氣空調箱最佳的型式為：溫帶、亞
熱帶、熱帶 Air washer，寒帶 蒸氣加溼型式。
Air washer 的好處是構造簡單及反應快
速，同時又有去除空氣中化學污染物的能力，
對半導體製程的穩定性有極佳的助益，是本論
文大力推薦的外氣空調箱設計型式。
參考資料
[1] Monthly Climatic Data for The World, National
Oceanic and Atmospheric Administration, 2003.
[2] Thermal Environmental Conditions for Human
Occupancy, ASHRAE Standard 55, 1992.
[3] L. G. Berglund, Ph.D., P.E., “Comfort and
Humidity,＂ ASHRAE Journal, 1998.
[4] Climatic Design Information, ASHRAE
Handbook, 1999, Chapter 26.
[5] W. Z. Black and J. G. Hartley, Thermodynamics,
Harper & Row, 1985, pp 547-602.
[6] Psychrometrics, ASHRAE Handbook, 1999,
Chapter 6.
作者簡歷
蔡俊宏 任職於聯華電子股份有限公司擔任廠
務與擴建工程部經理，1996 年於國立
清華大學動力機械工程學系取得博士
學位。
鍾光燿 任職於聯華電子股份有限公司擔任廠
務與擴建工程部副理。
王鈞民 冷凍空調技師，目前任職於聯華電子股
份有限公司廠務與擴建工程部， 2002
年於台北科技大學冷凍空調系取得碩
士學位。
2004.12 潔淨科技 29