液體濾心濾效怎麼定義？從常規到奈米級的測試方法差異

為什麼濾效定義差很多？同一支濾心可以說 99.9% 也可以說 99.99%

濾心規格書最容易讓人誤會的一件事就是：「99.9%」這個數字，本身沒有意義。它必須搭配三個前提才能比較──挑戰粒子大小、測試方法、單次通過或循環。換掉任何一個變數，同一支濾心可以從 99% 跳到 99.999%，差了三個數量級。

舉個極端例子：一支標稱 5 µm 名義級的不織布袋，廠商可以挑「拿 50 µm 大顆粒做測試」，輕鬆寫上「99.99% 過濾效率」。但你真的拿 5 µm 玻璃微珠去打它，可能只剩 60% 攔截率。這不是廠商造假，而是「測試條件」這件事根本沒有強制揭露。

這篇文章想做的事情是──把「濾效」這個模糊概念，拆成五個可驗證的座標軸：rating 類型（名義 / 絕對）、效率指標（β / LRV / %）、挑戰粒子（玻璃珠 / 細菌 / 金奈米）、測試流程（單次 / 多次通過）、產業驗證（ISO 16889 / ASTM F838 / 自家方法）。看完之後，下一次拿到規格書你就知道該問廠商什麼問題。

名義 vs 絕對：兩個數字差在哪

濾心 rating 最古老的兩派分類就是名義（nominal）和絕對（absolute）。這兩個詞翻成中文都叫「微米級數」，但實質意義差很多。

名義級（Nominal Rating）

名義級的定義是「能攔截 50% 該尺寸顆粒」的能力指標。換句話說，5 µm 名義級濾心代表：丟 5 µm 顆粒進去，大約有一半會被攔住，另一半會穿過。聽起來很糟，但這是工業標準。

名義級沒有統一測試方法──A 廠用玻璃珠、B 廠用 AC test dust、C 廠可能直接用自家流程數據估算。所以兩家「同樣標 5 µm 名義級」的濾心，實測可能差三倍以上。常見於 PP 熔噴、繞線、不織布等深度型濾芯。

絕對級（Absolute Rating）

絕對級則嚴格得多，定義是「能攔截 99.9% 以上該尺寸顆粒」的最小孔徑。也就是 0.22 µm 絕對級濾膜，意思是 0.22 µm 顆粒至少有 99.9% 被攔住。對應 β-ratio 就是 β ≥ 1000。

絕對級必須搭配標準測試方法才有意義──常見的是 ISO 16889 多次通過（液壓油）、ASTM F838 細菌挑戰（製藥），或廠商自家的 latex bead / gold sol challenge（半導體）。

名義 vs 絕對對照表

β-ratio 與 LRV：工業界的「考試成績單」

名義 / 絕對只是粗分。真正能精準比較濾心效率的，是β-ratio（β 值）和LRV（log reduction value，對數遞減值）。這兩個指標是工業界的成績單──同樣是「99.9% 過濾」，可以拆得更細。

β-ratio 是什麼

β-ratio 的定義非常單純：上游粒子數 ÷ 下游粒子數，在指定粒徑下測量。例如 β10(c) = 1000 代表上游每 1000 顆 10 µm 顆粒，下游只剩 1 顆。換算成效率就是 (β−1)/β × 100% = 99.9%。

這個 (c) 不是裝飾，是 ISO 16889:2008 的標誌，代表用 ISO 11171 NIST 可追溯的標準粉塵測試。沒有 (c) 標示的舊式 β 值（ISO 4572 時代的 β10 = 1000）並不等於現行 β10(c) = 1000──新標準更嚴格。

β-ratio 與效率對照

LRV：製藥業偏愛的指標

製藥與生技領域不太愛用 β 值，而是用 LRV（Log Reduction Value）：

LRV = log₁₀(上游 / 下游)

所以 LRV = 3 就是 99.9%、LRV = 6 就是 99.9999%、LRV = 9 就是 99.9999999%。每多一個 log，下游污染就少一個零。

製藥除菌過濾的最低法規門檻是LRV ≥ 7──也就是上游 10 億顆細菌，下游不得超過 100 顆。0.22 µm 除菌濾心拿 ASTM F838（10⁷ B. diminuta/cm²）做挑戰，下游必須完全無菌（0 CFU），對應 LRV ≥ 7。

從常規（µm）到奈米級的測試方法

不同粒徑要用不同挑戰物，因為沒有任何一種「標準粒子」能涵蓋從 25 µm 到 1 nm 的尺寸範圍。實務上分四個層級：

常規（µm 級）：液壓 / 食品 / 工業水

液壓油與工業水主要用 ISO 16889:2022 多次通過測試。把 ISO Medium Test Dust 不斷打進系統循環，由雷射粒子計數器同步監控上下游粒徑分佈，計算 β7(c) ~ β25(c) 各粒徑的攔截效率。這是工業界最具公信力的方法，因為它模擬真實使用情境（隨時間累積 / 漏失），而不是一次靜態測試。

食品與工業水較常用單次通過 latex bead challenge──取單一粒徑（5、10、20 µm）的乳膠標準珠，做一次性挑戰，計算 β 值。簡單、便宜，但無法反映長期使用後效率衰退。

除菌級（µm 等級）：製藥

製藥業認 ASTM F838 一個方法。用 Brevundimonas diminuta（ATCC 19146）──這是業界公認最小的測試菌，培養後菌體尺寸 0.3–0.4 × 0.6–1.0 µm，可以鑽過稍微撐開的 0.22 µm 孔。

挑戰流程是：每 cm² 有效過濾面積打入 10⁷ 顆 B. diminuta，下游液體通過 0.45 µm 收集膜培養，必須 0 CFU 才算通過。LRV ≥ 7 是基本要求。FDA 把這個方法寫進「無菌過濾濾心」的定義裡。

奈米級（nm 等級）：半導體

當孔徑下到 50 nm 以下，B. diminuta 就太大了，必須改用金奈米粒子（Gold sol）或螢光奈米珠。Entegris 在 2017 年發表的方法，用 3 nm、5 nm、10 nm 的 UPE 膜做 gold nanoparticle challenge，能測到 sub-10 nm 的真實效率。

EUV 化學增幅光阻（CAR）的過濾就是這個層級的應用。Pall、Entegris、Cobetter 都有自家的 1 nm / 3 nm UPE 點對點過濾器，挑戰物從金奈米到 polystyrene latex 1.8 nm 都有。注意：這個層級沒有像 ASTM F838 一樣的統一公開標準，每家廠的方法略有不同。

四種測試法總覽

製藥 vs 半導體：兩個世界的不同要求

同樣標 0.22 µm 的濾心，製藥和半導體要的不是同一支濾心。兩個產業的「濾效」字面相同，背後評分標準完全不同。

完整性測試（Bubble Point / Diffusion Flow）速覽

濾效是出廠前實驗室數據，完整性測試則是現場驗證──確認這支濾心在使用前後沒有破洞、針孔、組裝瑕疵。

Bubble Point（氣泡點）

原理：完全潤濕的膜孔被表面張力鎖住氣體，逐步加壓直到氣體把最大孔的液體擠出來，那個壓力就是 bubble point。孔越小，BP 越高。

Diffusion Flow（擴散流）

BP 是「破壞性」的──要達到才知道。Diffusion Flow 是「非破壞性」的，在 BP 的 75–80% 壓力下，量測氣體穿過濕潤膜的擴散流量。如果擴散流量超過廠商規格，代表有針孔或裝配漏洞，但這個壓力下還沒有把膜推爆。

BP 不等於濾效

很多新進工程師會誤把 BP 當成濾效指標──「BP 越高，濾心越好」。這是錯的。BP 只反映「最大孔徑」，但濾效要看孔徑分佈、整體面積、深度結構等。一支 BP 通過的濾心，還是必須由廠商提供 F838 / β-ratio 驗證資料，BP 只是出貨前確認沒有壞掉而已。

常見誤區 / 行銷話術

常見問題 FAQ

β1000 = 99.9%，那 β5000 = 99.98% 真的「強很多」嗎？

數字上看起來強 5 倍，但效率只多 0.08%。對一般工業流體沒差，但對 EUV 光阻、注射劑這種「下游一顆雜質就出大事」的應用，這 0.08% 就是良率與報廢的分界線。所以高階半導體與生技廠願意花更高的錢買 β5000 等級的絕對級濾心。

絕對級 0.22 µm 是不是一定能除菌？

不一定。「0.22 µm 絕對級」只是物理孔徑指標，「除菌級（sterilizing-grade）」是 ASTM F838 LRV ≥ 7 的法規認證。市售 0.22 µm 絕對級膜濾如果沒做 F838 驗證，不能用於製藥除菌。買的時候要看廠商有沒有提供細菌挑戰報告，不只是孔徑規格。

為什麼半導體不用 ASTM F838 測試？

因為 B. diminuta 大小是 0.3–0.4 µm，對於 sub-50 nm 的 UPE 膜根本「太大」，丟下去 100% 全部攔截，測出來都是無限大 LRV，沒有鑑別力。半導體只能改用金奈米粒子（3–30 nm）或 polystyrene latex（5–20 nm）做挑戰，才能看出膜與膜之間的差異。

diffusion flow 和 bubble point 哪個比較準？

看膜面積。小膜（< 0.5 m²）BP 比較直觀──針孔對 BP 的影響大。大膜（> 1 m²）改用 diffusion flow──因為大面積濾心的小針孔不會明顯改變 BP，但會推高擴散流量。FDA / EU GMP 兩種都接受。

規格書沒寫測試方法，可以信嗎？

不行。請追問三件事：(1) 哪個標準？ASTM F838 / ISO 16889 / 廠商自家？(2) 挑戰物是什麼？標準粉塵 / B. diminuta / latex bead？(3) 是 single pass 還是 multipass？。任何一點不答的廠商，數字可信度自動歸零。

為什麼同一支濾心 LRV = 6 但 β 值寫 1000？

因為這是不同挑戰物的結果。LRV = 6 代表用 B. diminuta（0.3–0.4 µm）做挑戰，10⁶ 倍下降；β1000 可能是用 0.5 µm latex bead 做的單次通過。同一支濾心對不同顆粒的攔截效率本來就不同。讀規格時務必把指標 + 挑戰物配對著看。

UPE 1 nm 和 3 nm rating 真的有差嗎？

有。Entegris 與 Pall 對 EUV CAR 光阻過濾的實打資料顯示，1 nm UPE 比 3 nm UPE 在 EUV 曝光後的defect density 平均低 10–20%。對於 3 奈米製程的良率影響顯著，但成本也高 1.5–2 倍。要不要升級看晶圓廠的良率損益曲線。

名義級的濾心是不是該全面淘汰？

不必。名義級在「預濾、保護下游昂貴絕對級膜」的角色上仍非常重要──5 µm PP 熔噴可以擋掉 80–90% 大顆粒，讓下游 0.22 µm 絕對級膜的壽命延長 5–10 倍。整體成本最佳化下，名義級 + 絕對級的「兩段式設計」反而比單段絕對級更划算。

參考資料

• ISO 16889:2022 — Hydraulic fluid power Filters Multi-pass method（β-ratio 標準）
• ASTM F838-20 — Bacterial Retention of Membrane Filters（製藥除菌標準）
• Lösungsfabrik — Bacterial Retention Test according to ASTM F838-20（B. diminuta 細節）
• Pall — Understanding Liquid Particle Removal Performance（β-ratio 與名義 / 絕對級對比）
• Entegris — Sub-10 nm Filter Retention 測量方法
• Entegris — UPE Membrane Technology for POU EUV CAR Photoresist Filtration
• SPIE — Updated UPE Filter Design for POU EUV CAR Photoresist Filtration
• PMC — Defect Detection Sensitivity of Bubble-Point-Type Tests for Sterilizing-Grade Filters
• Critical Process — Integrity Testing of Hydrophilic Membrane Filters: Diffusive Flow
• Machinery Lubrication — Understanding Filter Beta Ratios
• ScienceDirect — Gold Nanoparticle Mixture Retention Test for UF Membrane Functional Pore Sizes