微電子廠房結構體振動特性之分析與減振

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 微電子廠房結構體振動特性之分析與減振 ※

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計畫類別：▓個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC89－2218－E－006－090

執行期間： 89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日 計畫主持人： 蕭樂群 教授

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立成功大學航空太空工程學系

中 華 民 國 90 年 07 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

微電子廠房結構體振動特性之分析與減振 Vibr ation Analysis of Micr oelectr onic Plants

計畫編號：NSC 89-2218-E-006-090 執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日 主持人：蕭樂群 教授 國立成功大學航太系

計畫參與人員：林俊利、郭仕堯 國立成功大學航太系

一、

中文摘要

本文以位於南科之台灣積體電路公司 晶圓六廠為研究對象，透過以有限元素法 作數值分析的結構分析軟體 SAP2000，來 模擬及分析微電子廠房的整體結構，了解 其結構振動特性與各種動態行為之特徵，

再加入高鐵通車所產生的振動源來分析傳 至光學平台的振動分貝數。

關鍵詞：微電子廠房、高速鐵路、振動

Abstr act

The vibration of microelectronic plant located at Southern Science Park was investigated by Finite Element Method using SAP2000 computer code. The free vibration characteristics of the FAB plant were obtained. Load Dependent Ritz Vectors method was employed for the time history analysis. Results show that the max.

vibration speed at the wafer plant is about 80 dB at undamped condition.

Keywor ds: Microelectronic Plants, high speed railway, vibration 二、緣由與目的

目前國內規劃之高速鐵路已確定通過 台南科學園區，所造成為電子廠房振動過 大的問題，已經引起了產官學各界的重視 與討論，從高鐵振動源的減振到廠房本身 的減振也開始進行各方面的研究。本文將 利用建立微電子廠房之電腦模型來探討振

因其靈敏度極高之特性是無法容忍超過一 般背景值之振動發生，欲滿足如此要求所 需之處理技術與以往工業界評估容許之較 大振動值極為不同。因此目前國內在設計 興建晶圓廠時需符合環境振動需求的設計 理念及評估技術，仍需外國顧問公司提 供，故如何在國內建立一套屬於自己的評 估技術與模型，作為減振設計時之參考依 據，是國內防振技術提昇之關鍵。

三、分析模型

本文以位於南科之台灣積體電路公司 晶圓六廠為研究對象，透過以有限元素法 作數值分析的結構分析軟體 SAP2000，來 模擬及分析微電子廠房的整體結構，了解 其結構振動特性與各種動態行為之特徵，

再加入高鐵通車所產生的振動源來分析傳 至光學平台的振動分貝數。研究流程如下；

1. 建立微電子廠房之電腦模型。

2. 建立模型作為簡化三樓格子樑之依據。

3. 將 光 學 平 台 重 量 均 佈 加 載於三樓樓板 上。

4. 輸入外界振動源所產生的加速度值進行 歷時反應分析，並利用三分之一八音幅 頻帶分析，求得晶圓平台的振動分貝值。

電腦模型之建構

台機電在南科六廠的主體結構可分成 公用廠房、辦公大樓、生產廠房三大部份。

三個部份間皆有分隔縫隔開，故不考慮結

構物之間的相互影響。生產廠房是我們主

要研究的結構物，該結構為一棟四層樓之

鋼筋混凝土建築，其中三樓部份為光學平

台。因其生產作業需要，在三樓部份為一

寬大無柱之空間，但由於此結構物之跨距

四樓之柱，以減少屋頂桁架跨距，有別於 新竹科學園區的光學平台上都無柱子與外 結構相連以減少振動之傳遞。

3-1 三樓樓版之模擬

原本三樓樓版為格子樑系統，主要構 造有大樑、小樑及樓版空洞，其中大樑及 小樑的尺寸相同但配筋量不同，形狀為梯 形，上寬 35 公分，下寬 25 公分，高 95 公 分，樓版空洞直徑為 35 公分，在每一根橫 向樑與縱向樑所圍成的方形樓版中有 4 格 樓版空洞，用來放置晶圓平台之用，洞與 洞的間隔為 15 公分，此間格可視為寬 15 公分高 15 公分的小樑。因此三樓可視為佈 滿了大大小小的樑，如果將此格子樑實際 建構並以有限元素法的理論來分析，不只 因為自由度過多運算極為耗時而且在電腦 模型也過於複雜難以建構。因此我們必須 找出另一種結構特性與格子樑極為相近的 樓版結構，來取代格子樑在電腦分析上使 用。根據開孔樓版的實驗分析[1、2]，我們 擬採用等值彈性樓版來取代格子樑系統，

其理論為在靜力作用下，使模擬樓版與實 際樓版有相同之變位；在動力分析上，模 擬樓版應與實際樓版有相近的頻率。

因此，如果將四根大樑所圍成的區域 視為一塊樓版的話，我們取 3×3 的樓版面 積作為模型大小，分別建構不同的樓版系 統；一為格子樑系統，另一為等值樓版系 統，如圖一所示。同時，依據有限元素法 理論，為了求兩系統上同一節點的變位，

我們必須將等值樓版建構成同格子樑一樣 型式，使得兩系統有相同位置的節點以用 來比較變形量。除此之外，並在兩樓版系 統之中央樓版部分加載 100kg/m

的均佈載 重作靜力分析，此時我們需將加載於格子 樑上的均佈載重轉換為加載於節點上之集 中載重，並對兩樓版系統中同一位置節點 之變形量加以比較，分析得到兩系統在相 同節點處產生相同變形量時，等值彈性樓 版厚度為 51 公分。據此我們得到了三樓樓 版的參數，即在 E 值不變下樓版厚度設為 51 公分。

圖一 格子梁樓版模型 3-2 加載晶圓設備質量

晶圓設備與光學平台設置均集中於廠 房三樓中央區域，範圍約 33.6m×19.2m，

而在範圍內之晶圓平台總質量為 1206.88

×10

㎏，因此在廠房中央區域晶圓平台範 圍內的樓版平均承受了 787.05 ㎏/m

的質 量，所以我們便將此區域內的儀器質量加 入樓版質量中。

3-3 基礎振動源

在評估廠房的振動量方面，我們以高 鐵列車行經時對高鐵軌道基樁所造成的振 動 為 振 動 源 ， 以 9.0112sec 為總歷時 ， 0.0044sec 為間隔時間，分別量測出 Vx，

Vy，Vz 三方向之速度，再將原先軌道基樁 尺寸放大經過模擬振動實驗，量測得另一 組振動源速度 Vx，Vy，Vz 進行比較分析。

而在量測振動源的指向時以軌道方向為 Y 軸，指向廠房方向為 X 軸。除此之外我們 仍需考慮振動源量測點與廠房之間所包含 的土壤減振影響，因此我們所使用之數據 即為已經考慮振動源經過土壤層減振後所 傳遞至廠房地表的振動速度值。為了敘述 方便稱原始振動速度為數據一；模擬振動 實驗速度為數據二。

四、結果與討論

進行歷時反應分析，即可得到每個節 點三方向的位移、速度及加速度等資料。

在這些數據資料中，我們利用 1/3 八音階之

寬頻表示法來量測振動大小並以 dB 表

示。由於晶圓平台設置於三樓，所以三樓

的振動值大小是我們最關切的。我們共取 9

個點來說明樓層振動值的分布情況。

圖二 結構體模型三樓點位分布 4-1 頻率與 mass ratio 之模態分析

在模態分析方面，我們總共使用了 400 個 mode 進行自由振動分析，分析結果如圖 三所示：

0 5 10 15 20 25

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 mode

frequency(Hz)

圖三 400mode 之頻率曲線

由圖三中可看出在 400 個 mode 時頻率仍有 明顯緩步上升的趨勢，顯示需要使用更多 的 mode 數進行分析才可使頻率趨近收斂 狀態。

另外，圖四顯示了 X、Y 方向的有效 質量(mass participation ratio)在約第

35mode 時大幅的增加，在第 160mode 已經 累積到 90%，而 Z 方向的有效質量卻只有 在第 189 mode 到第 241 個 mode 的區間有 明顯的增加，到第 400 個 mode 時也只累積 到 62%左右，若以第 250 mode 到第 400 mode 只上昇了 12%的趨勢看來預估約需

達到 90%以上。

0 20 40 60 80 100 120

1 41 81 121 161 201 241 281 321 361 mode

mass ratio(%)

UX UY UZ

圖四 mass ratio 累積曲線 4-2 振動源在電腦模型中之分析

在作振動分析時我們以 Load

Dependent Ritz Vectors 方法進行歷時反應 分析，共使用了 200 mode 分別對不同的阻 尼值作分析比較，如表二所示。

表二 三樓各點之振動值分布

振動 值 (dB)

數據一 數據二

Joint undamp damp3% damp7% undamp damp3% damp7%

1 79.1 67.4 63.2 76.2 61.1 55.0

2 79.2 67.7 63.4 76.4 61.2 55.0

3 79.0 67.6 63.3 76.4 60.9 54.9

4 79.7 68.1 63.8 76.9 61.7 55.5

5 79.8 68.2 63.8 77.0 61.7 55.5

6 79.8 68.1 63.8 77.1 61.7 55.5

7 78.8 67.5 63.2 76.1 60.7 54.7

8 79.0 67.6 63.4 76.3 61.1 55.0

9 78.9 67.3 63.1 76.2 61.0 54.9

從數據一分析中發現到阻尼值 3﹪會

比無阻尼系統降低振動值 11dB 左右，阻尼

值 7﹪比阻尼值 3﹪降低 5dB 左右，顯示阻

尼的提高對減振有一定的效果但若再增加

對減低振動效用則越來越小。而從數據二

分析中發現到阻尼值 3﹪會比無阻尼系統

降低振動值 15dB 左右，阻尼值 7﹪比阻尼

值 3﹪降低 6dB 左右。除此之外，還可看

出在低阻尼結構中以數據二分析之振動值

的降低幅度大於數據一。另外，結構最大

最大，但與周圍點位相差僅約 1~2dB。

4-3 放大 E 值進行減振分析

我們將原本所有鋼筋混凝土柱之 E 值 2.1×10

/m

加大為 2.8×10

/m

來進行 分析，結果如表三所示。比較表二與表三 發現在無阻尼系統中振動值並不會減少，

阻尼值 3﹪系統振動值則分別相差 2.5dB 及 1.5dB 左右，阻尼值 7﹪系統振動值則分別 相差 1.5dB 及 1dB 左右。

表三 三樓各點 E 值放大之振動值分佈

振動 值 (dB)

數據一 數據二

Joint undamp damp3% damp7% undamp damp3% damp7%

1 79.1 64.8 61.7 76.7 59.8 52.4 2 79.4 65.1 61.9 77.2 59.8 53.2 3 79.3 65.0 61.9 77.1 59.5 53.2 4 79.8 65.5 62.3 77.1 60.2 54.1 5 79.8 65.5 62.4 77.0 60.3 54.2 6 79.3 65.5 62.3 77.6 60.3 54.2 7 78.7 64.8 61.7 76.4 59.2 52.5 8 79.0 65.0 61.9 76.9 59.7 53.2 9 78.1 64.7 61.6 77.0 59.7 53.2 五、計畫成果自評

本計劃應用有限元素法探討微電子廠 房結構之振動特性與各種動態行為的特 徵，再加入高鐵通車所產生的振動源來分 析傳至光學平台的振動分貝數。並利用結 構阻尼來分析振動值的降低情況，發現振 動值降低的幅度會隨著阻尼的增加而減 少。此外，將高鐵基樁尺寸加大，確實能 降低廠房的振動值，但效果並不顯著。材 料 E 值的加大對於振動值的降低也並不明 顯，且振動值降低幅度也會隨著阻尼值的 增加而減少。從不同的阻尼值分析數據可 以知道提高系統的阻尼值會比提高材料 E 值有更大的減振效果。

六、參考文獻

1. O’Donnell, N. J. ”Effective Elastic Constants for the Bending of Thin Perforated Plates with Triangular and Square Penetration Patterns”, J. of Engineering for Industry, ASME Trans. ,Series B. ,February, 1973, pp121-128.

2. Slot, T. and O’Donnell, N. J. ”Effective

Elastic Constants for Thin Perforated

Plates with Square and Triangular

Penetration Patterns”, J. of Engineering

for Industry, ASME Trans. ,Series

B. ,November, 1971, pp935-942