KERNANALYSE VAN CLEANROOM

Invoering

Een cleanroom vormt de basis voor vervuilingsbeheersing. Zonder een cleanroom kunnen onderdelen die gevoelig zijn voor vervuiling niet massaal worden geproduceerd. In FED-STD-2 wordt een cleanroom gedefinieerd als een ruimte met luchtfiltratie, -distributie, -optimalisatie, bouwmaterialen en -apparatuur, waarin specifieke reguliere werkprocedures worden gebruikt om de concentratie van zwevende deeltjes te beheersen en zo het juiste niveau van deeltjesreinheid te bereiken.

Om een ​​goed reinigingseffect in een cleanroom te bereiken, is het niet alleen noodzakelijk om te focussen op het nemen van redelijke maatregelen voor de zuivering van airconditioning, maar ook om proces, constructie en andere specialismen te verplichten om overeenkomstige maatregelen te nemen: niet alleen een verstandig ontwerp, maar ook zorgvuldige constructie en installatie in overeenstemming met de specificaties, evenals correct gebruik van de cleanroom en wetenschappelijk onderhoud en beheer. Om een ​​goed effect in een cleanroom te bereiken, is er veel binnen- en buitenlandse literatuur vanuit verschillende perspectieven gepresenteerd. In feite is het moeilijk om een ​​ideale coördinatie tussen verschillende specialismen te bereiken, en het is moeilijk voor ontwerpers om de kwaliteit van constructie en installatie, evenals het gebruik en beheer, met name dat laatste, te begrijpen. Wat betreft zuiveringsmaatregelen in cleanrooms, besteden veel ontwerpers, of zelfs bouwpartijen, vaak niet genoeg aandacht aan de noodzakelijke voorwaarden, wat resulteert in een onbevredigend reinigingseffect. Dit artikel bespreekt slechts kort de vier noodzakelijke voorwaarden voor het bereiken van de reinheidseisen voor zuiveringsmaatregelen in cleanrooms.

1. Reinheid van de luchttoevoer

Om ervoor te zorgen dat de zuiverheid van de luchttoevoer aan de eisen voldoet, zijn de prestaties en installatie van het eindfilter van het zuiveringssysteem essentieel.

Filterselectie

Het eindfilter van het zuiveringssysteem bestaat doorgaans uit een HEPA-filter of een sub-HEPA-filter. Volgens de normen van mijn land wordt de efficiëntie van HEPA-filters onderverdeeld in vier klassen: Klasse A is ≥ 99,9%, Klasse B is ≥ 99,9%, Klasse C is ≥ 99,999%, Klasse D is (voor deeltjes ≥ 0,1 μm) ≥ 99,999% (ook bekend als ultra-HEPA-filters); sub-HEPA-filters zijn (voor deeltjes ≥ 0,5 μm) 95-99,9%. Hoe hoger de efficiëntie, hoe duurder het filter. Daarom moeten we bij het kiezen van een filter niet alleen rekening houden met de eisen voor luchtzuiverheid, maar ook met economische rationaliteit.

Vanuit het perspectief van reinheidseisen is het principe om filters met een lage prestatie te gebruiken voor cleanrooms met een laag niveau en filters met een hoge prestatie voor cleanrooms met een hoog niveau. Over het algemeen geldt: filters met een hoge en gemiddelde efficiëntie kunnen worden gebruikt voor het niveau van 1 miljoen; sub-HEPA- of klasse A HEPA-filters kunnen worden gebruikt voor niveaus onder klasse 10.000; filters van klasse B kunnen worden gebruikt voor klasse 10.000 tot 100; en filters van klasse C kunnen worden gebruikt voor niveaus van 100 tot 1. Het lijkt erop dat er voor elk reinheidsniveau twee soorten filters zijn om uit te kiezen. Of er filters met een hoge prestatie of een lage prestatie moeten worden gekozen, hangt af van de specifieke situatie: wanneer de milieuvervuiling ernstig is, of de afzuigverhouding binnenshuis groot is, of de cleanroom bijzonder belangrijk is en een grotere veiligheidsfactor vereist, in deze of een van deze gevallen moet een filter van hoge klasse worden gekozen; anders kan een filter met een lagere prestatie worden gekozen. Voor cleanrooms die een beheersing van 0,1 μm deeltjes vereisen, moeten filters van klasse D worden gekozen, ongeacht de gecontroleerde deeltjesconcentratie. Het bovenstaande is alleen vanuit het perspectief van het filter. Om een ​​goed filter te kiezen, moet u ook rekening houden met de kenmerken van de cleanroom, het filter en het zuiveringssysteem.

Filterinstallatie

Om de zuiverheid van de luchttoevoer te garanderen, is het niet voldoende om alleen gekwalificeerde filters te hebben, maar ook om ervoor te zorgen dat: a. Het filter niet beschadigd raakt tijdens transport en installatie; b. De installatie luchtdicht is. Om het eerste punt te bereiken, moeten het bouw- en installatiepersoneel goed opgeleid zijn, met zowel kennis van het installeren van zuiveringssystemen als vakkundige installatievaardigheden. Anders zal het moeilijk zijn om ervoor te zorgen dat het filter niet beschadigd raakt. Hier zijn belangrijke lessen uit te trekken. Ten tweede hangt het probleem van de installatiedichtheid voornamelijk af van de kwaliteit van de installatiestructuur. De ontwerphandleiding beveelt over het algemeen aan: voor een enkel filter wordt een open installatie gebruikt, zodat zelfs bij lekkage deze niet in de ruimte lekt; met een afgewerkte HEPA-luchtuitlaat is de dichtheid ook gemakkelijker te garanderen. Voor de lucht van meerdere filters worden de laatste jaren vaak gelafdichtingen en negatieve drukafdichtingen gebruikt.

Gelafdichting moet ervoor zorgen dat de verbinding tussen de vloeistoftank en het frame in hetzelfde horizontale vlak ligt. Negatieve drukafdichting zorgt ervoor dat de buitenomtrek van de verbinding tussen het filter en de statische-drukbox en het frame in een negatieve druktoestand verkeert. Net als bij een open installatie zal er, zelfs bij lekkage, geen lekkage in de ruimte ontstaan. Zolang het installatieframe vlak is en het filteruiteinde gelijkmatig contact maakt met het installatieframe, zou het eenvoudig moeten zijn om het filter te laten voldoen aan de dichtheidseisen voor elk installatietype.

2. Luchtstroomorganisatie

De luchtstroomorganisatie van een cleanroom verschilt van die van een algemene ruimte met airconditioning. Het vereist dat de schoonste lucht eerst in de werkruimte wordt gebracht. De functie hiervan is om de vervuiling van de te verwerken objecten te beperken en te verminderen. Daarom moeten de volgende principes in acht worden genomen bij het ontwerpen van de luchtstroomorganisatie: minimaliseer wervelstromen om te voorkomen dat vervuiling van buiten de werkruimte naar de werkruimte wordt gebracht; probeer te voorkomen dat secundair stof rondvliegt om de kans te verkleinen dat stof het werkstuk verontreinigt; de luchtstroom in de werkruimte moet zo gelijkmatig mogelijk zijn en de windsnelheid moet voldoen aan de proces- en hygiëne-eisen. Wanneer de luchtstroom naar de retourlucht stroomt, moet het stof in de lucht effectief worden afgevoerd. Kies verschillende luchttoevoer- en retourmodi op basis van verschillende reinheidseisen.

Verschillende luchtstroomorganisaties hebben hun eigen kenmerken en reikwijdte:

(1). Verticale unidirectionele stroming

Naast de gemeenschappelijke voordelen van het verkrijgen van een uniforme neerwaartse luchtstroom, het vergemakkelijken van de opstelling van procesapparatuur, een sterk zelfreinigend vermogen en het vereenvoudigen van gemeenschappelijke faciliteiten zoals persoonlijke zuiveringsfaciliteiten, hebben de vier luchttoevoermethoden ook hun eigen voor- en nadelen: volledig bedekte HEPA-filters hebben de voordelen van een lage weerstand en een lange filtervervangingscyclus, maar de plafondstructuur is complex en de kosten zijn hoog; de voor- en nadelen van aan de zijkant bedekte HEPA-filters met boventoevoer en volledige gatplaattoevoer zijn tegengesteld aan die van volledig bedekte HEPA-filters met boventoevoer. Onder hen is de volledige gatplaattoevoer gemakkelijk stofophoping op het binnenoppervlak van de orificeplaat wanneer het systeem niet continu draait, en slecht onderhoud heeft enige invloed op de reinheid; dichte diffuserboventoevoer vereist een menglaag, dus het is alleen geschikt voor hoge cleanrooms boven 4 m, en de kenmerken zijn vergelijkbaar met volledige gatplaattoevoer; de retourluchtmethode voor de plaat met roosters aan beide zijden en de retourluchtuitlaten gelijkmatig verdeeld aan de onderkant van de tegenoverliggende wanden is alleen geschikt voor cleanrooms met een netto afstand van minder dan 6 m aan beide zijden; de retourluchtuitlaten die aan de onderkant van de enkelzijdige wand zijn aangebracht, zijn alleen geschikt voor cleanrooms met een kleine afstand tussen de wanden (zoals ≤ < 2~3 m).

(2). Horizontale unidirectionele stroming

Alleen de eerste werkruimte kan een reinheidsniveau van 100 bereiken. Wanneer de lucht naar de andere kant stroomt, neemt de stofconcentratie geleidelijk toe. Daarom is het alleen geschikt voor cleanrooms met verschillende reinheidseisen voor hetzelfde proces in dezelfde ruimte. De lokale plaatsing van HEPA-filters op de luchttoevoerwand kan het gebruik van HEPA-filters verminderen en de initiële investering besparen, maar er zijn wel wervelingen in lokale gebieden.

(3). Turbulente luchtstroom

De kenmerken van de bovenafvoer van orifice plates en de bovenafvoer van dichte diffusers zijn dezelfde als hierboven vermeld: de voordelen van zijafvoer zijn de eenvoudige aanleg van leidingen, er is geen technische tussenlaag nodig, de lage kosten en de mogelijkheid om oude fabrieken te renoveren. De nadelen zijn dat de windsnelheid in het werkgebied hoog is en de stofconcentratie aan de loefzijde hoger is dan aan de loefzijde. De bovenafvoer van HEPA-filteruitlaten heeft de voordelen van een eenvoudig systeem, geen leidingen achter het HEPA-filter en een schone luchtstroom die rechtstreeks naar het werkgebied wordt geleid. De schone luchtstroom diffundeert echter langzaam en de luchtstroom in het werkgebied is gelijkmatiger. Wanneer echter meerdere luchtuitlaten gelijkmatig zijn verdeeld of HEPA-filterluchtuitlaten met diffusers worden gebruikt, kan de luchtstroom in het werkgebied ook gelijkmatiger worden gemaakt. Wanneer het systeem echter niet continu in bedrijf is, is de diffuser gevoelig voor stofophoping.

De bovenstaande bespreking is in een ideale staat en wordt aanbevolen door relevante nationale specificaties, normen of ontwerphandleidingen. In daadwerkelijke projecten is de luchtstroomorganisatie niet goed ontworpen vanwege objectieve omstandigheden of subjectieve redenen van de ontwerper. Veelvoorkomende redenen zijn: verticale unidirectionele stroming gebruikt retourlucht uit het onderste deel van de aangrenzende twee muren, lokale klasse 100 gebruikt bovenste aanvoer en bovenste retour (d.w.z. er wordt geen hangend gordijn onder de lokale luchtuitlaat geplaatst), en turbulente cleanrooms gebruiken een HEPA-filter voor luchtuitlaat met bovenste aanvoer en bovenste retour of eenzijdige onderste retour (grotere afstand tussen muren), enz. Deze methoden voor luchtstroomorganisatie zijn gemeten en de meeste van hun reinheid voldoet niet aan de ontwerpvereisten. Vanwege de huidige specificaties voor lege of statische acceptatie bereiken sommige van deze cleanrooms nauwelijks het ontworpen reinheidsniveau in lege of statische omstandigheden, maar het vermogen om vervuiling te bestrijden is zeer laag, en zodra de cleanroom in de werkende staat komt, voldoet deze niet aan de eisen.

De juiste luchtstroomorganisatie moet worden ingesteld met gordijnen die tot aan de hoogte van het werkgebied in de lokale omgeving hangen, en de klasse 100.000 mag geen gebruik maken van boveninlaat en boveninlaat. Bovendien produceren de meeste fabrieken momenteel hoogrendementsluchtuitlaten met diffusers, en deze diffusers zijn slechts decoratieve orificeplaten en spelen geen rol bij het verspreiden van de luchtstroom. Ontwerpers en gebruikers moeten hier speciale aandacht aan besteden.

3. Luchttoevoervolume of luchtsnelheid

Voldoende ventilatievolume is nodig om vervuilde binnenlucht te verdunnen en te verwijderen. Afhankelijk van de verschillende reinheidseisen moet de ventilatiefrequentie bij een hoge netto hoogte van de cleanroom dienovereenkomstig worden verhoogd. Hierbij wordt het ventilatievolume van een cleanroom met 1 miljoen niveaus beschouwd als een hoogrendementszuiveringssysteem, en de rest als een hoogrendementszuiveringssysteem. Wanneer de HEPA-filters van een cleanroom van klasse 100.000 geconcentreerd zijn in de machinekamer of de sub-HEPA-filters aan het einde van het systeem worden gebruikt, kan de ventilatiefrequentie met 10-20% worden verhoogd.

Voor de bovenstaande aanbevolen waarden voor het ventilatievolume is de auteur van mening dat: de windsnelheid door het kamergedeelte van de cleanroom met unidirectionele stroming laag is en dat de turbulente cleanroom een ​​aanbevolen waarde heeft met een voldoende veiligheidsfactor. Verticale unidirectionele stroming ≥ 0,25 m/s, horizontale unidirectionele stroming ≥ 0,35 m/s. Hoewel aan de reinheidseisen kan worden voldaan bij testen in lege of statische omstandigheden, is het antivervuilingsvermogen slecht. Zodra de ruimte in de werkstand komt, voldoet de reinheid mogelijk niet aan de eisen. Dit type voorbeeld is geen op zichzelf staand geval. Tegelijkertijd zijn er geen ventilatoren geschikt voor zuiveringssystemen in de ventilatorserie van mijn land. Over het algemeen maken ontwerpers vaak geen nauwkeurige berekeningen van de luchtweerstand van het systeem, of merken ze niet op of de geselecteerde ventilator zich op een gunstiger werkpunt op de karakteristieke curve bevindt, waardoor het luchtvolume of de windsnelheid de ontwerpwaarde niet bereikt kort nadat het systeem in gebruik is genomen. De Amerikaanse federale norm (FS209A~B) bepaalt dat de luchtstroomsnelheid van een unidirectionele cleanroom door de doorsnede van de cleanroom doorgaans wordt gehandhaafd op 90 ft/min (0,45 m/s), en dat de snelheidsafwijking binnen ±20% ligt, mits er geen verstoring in de gehele ruimte plaatsvindt. Elke significante afname van de luchtstroomsnelheid vergroot de kans op zelfreiniging en vervuiling tussen werkposities (na de afkondiging van FS209C in oktober 1987 werden er geen voorschriften vastgesteld voor alle parameterindicatoren, behalve voor de stofconcentratie).

Om deze reden is de auteur van mening dat het passend is om de huidige binnenlandse ontwerpwaarde van unidirectionele stroomsnelheid op passende wijze te verhogen. Onze eenheid heeft dit in daadwerkelijke projecten gedaan en het effect is relatief goed. Turbulente cleanrooms hebben een aanbevolen waarde met een relatief voldoende veiligheidsfactor, maar veel ontwerpers zijn er nog steeds niet zeker van. Bij het maken van specifieke ontwerpen verhogen ze het ventilatievolume van een klasse 100.000 cleanroom tot 20-25 keer/u, een klasse 10.000 cleanroom tot 30-40 keer/u en een klasse 1000 cleanroom tot 60-70 keer/u. Dit verhoogt niet alleen de apparatuurcapaciteit en de initiële investering, maar ook de toekomstige onderhouds- en beheerkosten. Sterker nog, dit is niet nodig. Bij het samenstellen van de technische maatregelen voor luchtreiniging in mijn land werden meer dan klasse 100 cleanrooms in China onderzocht en gemeten. Veel cleanrooms werden onder dynamische omstandigheden getest. De resultaten toonden aan dat ventilatievolumes van klasse 100.000 cleanrooms ≥ 10 keer/u, klasse 10.000 cleanrooms ≥ 20 keer/u en klasse 1000 cleanrooms ≥ 50 keer/u aan de eisen voldoen. De Amerikaanse federale norm (FS2O9A~B) bepaalt: niet-unidirectionele cleanrooms (klasse 100.000, klasse 10.000), kamerhoogte 8~12 ft (2,44~3,66 m), gaan er doorgaans van uit dat de hele kamer minstens één keer per 3 minuten wordt geventileerd (d.w.z. 20 keer/u). Daarom is in de ontwerpspecificatie rekening gehouden met een grote surpluscoëfficiënt, zodat de ontwerper veilig kan kiezen op basis van de aanbevolen ventilatievolumewaarde.

4. Statisch drukverschil

Het handhaven van een bepaalde positieve druk in een cleanroom is een van de essentiële voorwaarden om ervoor te zorgen dat de cleanroom niet of minder vervuild is en zo het beoogde reinheidsniveau te handhaven. Zelfs voor cleanrooms met negatieve druk moeten aangrenzende kamers of suites een reinheidsniveau hebben dat niet lager is dan het beoogde niveau om een ​​bepaalde positieve druk te handhaven, zodat de reinheid van de cleanroom met negatieve druk gehandhaafd kan blijven.

De positieve drukwaarde van de cleanroom verwijst naar de waarde wanneer de statische druk binnen hoger is dan de statische druk buiten, wanneer alle deuren en ramen gesloten zijn. Dit wordt bereikt door de methode waarbij het toevoerluchtvolume van het zuiveringssysteem groter is dan het retourluchtvolume en het afvoerluchtvolume. Om de positieve drukwaarde van de cleanroom te garanderen, zijn de toevoer-, retour- en afzuigventilatoren bij voorkeur gekoppeld. Wanneer het systeem wordt ingeschakeld, start eerst de toevoerventilator en vervolgens de retour- en afzuigventilatoren; wanneer het systeem wordt uitgeschakeld, start eerst de afzuigventilator en vervolgens de retour- en toevoerventilatoren om te voorkomen dat de cleanroom wordt verontreinigd wanneer het systeem wordt in- en uitgeschakeld.

Het luchtvolume dat nodig is om de positieve druk in de cleanroom te handhaven, wordt voornamelijk bepaald door de luchtdichtheid van de onderhoudsconstructie. In de beginjaren van de cleanroombouw in mijn land was er, vanwege de slechte luchtdichtheid van de behuizing, 2 tot 6 keer per uur luchttoevoer nodig om een ​​positieve druk van ≥ 5 Pa te handhaven; tegenwoordig is de luchtdichtheid van de onderhoudsconstructie aanzienlijk verbeterd en is er slechts 1 tot 2 keer per uur luchttoevoer nodig om dezelfde positieve druk te handhaven; en slechts 2 tot 3 keer per uur luchttoevoer om een ​​druk van ≥ 10 Pa te handhaven.

De ontwerpvoorschriften van mijn land [6] bepalen dat het statische drukverschil tussen cleanrooms van verschillende klassen en tussen schone en niet-schone ruimtes niet minder mag bedragen dan 0,5 mm H₂O (~5 Pa), en dat het statische drukverschil tussen de schone ruimte en de buitenlucht niet minder mag bedragen dan 1,0 mm H₂O (~10 Pa). De auteur is van mening dat deze waarde om drie redenen te laag lijkt:

(1) Positieve druk verwijst naar het vermogen van een cleanroom om binnenluchtvervuiling via de kieren tussen deuren en ramen te onderdrukken, of om de verontreinigingen die de kamer binnendringen wanneer de deuren en ramen kortstondig worden geopend, te minimaliseren. De grootte van de positieve druk geeft de sterkte van het vermogen tot vervuilingsonderdrukking aan. Hoe groter de positieve druk, hoe beter (dit wordt later besproken).

(2) Het luchtvolume dat nodig is voor positieve druk is beperkt. Het luchtvolume dat nodig is voor een positieve druk van 5 Pa en een positieve druk van 10 Pa verschilt slechts ongeveer 1 keer per uur. Waarom niet? Het is uiteraard beter om de ondergrens van de positieve druk op 10 Pa te stellen.

(3) De Amerikaanse federale norm (FS209A~B) bepaalt dat wanneer alle in- en uitgangen gesloten zijn, het minimale positieve drukverschil tussen de cleanroom en een aangrenzende ruimte met een lage reinheid 0,05 inch waterkolom (12,5 Pa) bedraagt. Deze waarde is door veel landen overgenomen. Maar de positieve drukwaarde van de cleanroom is niet: hoe hoger, hoe beter. Volgens de daadwerkelijke technische tests van onze unit gedurende meer dan 30 jaar, is het moeilijk om de deur te openen wanneer de positieve drukwaarde ≥ 30 Pa is. Als u de deur onvoorzichtig sluit, zal het een knal maken! Het zal mensen afschrikken. Wanneer de positieve drukwaarde ≥ 50~70 Pa is, zullen de kieren tussen deuren en ramen een fluitsignaal laten horen, en zullen zwakkeren of mensen met ongepaste symptomen zich ongemakkelijk voelen. De relevante specificaties of normen van veel landen in binnen- en buitenland specificeren echter geen bovengrens voor positieve druk. Als gevolg hiervan proberen veel units alleen te voldoen aan de eisen van de ondergrens, ongeacht hoe hoog de bovengrens is. In de cleanroom die de auteur daadwerkelijk aantrof, liep de positieve druk op tot wel 100 Pa of meer, wat zeer nadelige effecten tot gevolg had. Het is niet moeilijk om de positieve druk aan te passen. Het is heel goed mogelijk om deze binnen een bepaald bereik te houden. Er was een document waarin werd vermeld dat een bepaald land in Oost-Europa de positieve druk voorschrijft als 1-3 mm H2O (ongeveer 10-30 Pa). De auteur is van mening dat dit bereik geschikter is.