Invoering
Een cleanroom vormt de basis van milieubescherming. Zonder cleanroom kunnen onderdelen die gevoelig zijn voor vervuiling niet in massaproductie worden genomen. In FED-STD-2 wordt een cleanroom gedefinieerd als een ruimte met luchtfiltratie, -distributie, -optimalisatie, constructiematerialen en -apparatuur, waarin specifieke, regelmatige werkprocedures worden gebruikt om de concentratie van zwevende deeltjes te beheersen en zo het gewenste niveau van deeltjesreinheid te bereiken.
Om een goede reinheid in een cleanroom te bereiken, is het niet alleen nodig om redelijke maatregelen te nemen voor de luchtzuivering via de airconditioning, maar ook om van de proces-, constructie- en andere specialisten te eisen dat zij de juiste maatregelen treffen: niet alleen een redelijk ontwerp, maar ook een zorgvuldige constructie en installatie conform de specificaties, evenals correct gebruik van de cleanroom en wetenschappelijk onderhoud en beheer. Om een goed resultaat in een cleanroom te bereiken, zijn er in de literatuur, zowel nationaal als internationaal, veel verschillende perspectieven beschreven. In de praktijk is het echter moeilijk om een ideale coördinatie tussen de verschillende specialisten te bereiken, en is het voor ontwerpers lastig om zowel de kwaliteit van de constructie en installatie als het gebruik en beheer, met name dat laatste, te overzien. Wat betreft de reinheidsmaatregelen in cleanrooms, besteden veel ontwerpers, of zelfs bouwers, vaak onvoldoende aandacht aan de noodzakelijke voorwaarden, wat resulteert in een onbevredigend reinheidsresultaat. Dit artikel bespreekt slechts kort de vier noodzakelijke voorwaarden voor het behalen van de reinheidseisen bij reinheidsmaatregelen in cleanrooms.
1. Zuiverheid van de luchttoevoer
Om te garanderen dat de luchtkwaliteit aan de eisen voldoet, zijn de prestaties en de installatie van het eindfilter van het zuiveringssysteem cruciaal.
Filterselectie
Het laatste filter van een luchtzuiveringssysteem is doorgaans een HEPA-filter of een sub-HEPA-filter. Volgens de normen in mijn land is 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 wel ultra-HEPA-filters genoemd); sub-HEPA-filters zijn (voor deeltjes ≥0,5 μm) 95-99,9%. Hoe hoger de efficiëntie, hoe duurder het filter. Daarom moeten we bij de keuze van een filter niet alleen rekening houden met de eisen aan de luchtkwaliteit, maar ook met de economische haalbaarheid.
Vanuit het oogpunt van reinheidseisen is het principe om filters met een lage efficiëntie te gebruiken voor cleanrooms met een lage reinheidsgraad en filters met een hoge efficiëntie voor cleanrooms met een hoge reinheidsgraad. Over het algemeen geldt: filters met een hoge en gemiddelde efficiëntie kunnen worden gebruikt voor niveaus van 1 miljoen; sub-HEPA- of klasse A-HEPA-filters kunnen worden gebruikt voor niveaus onder klasse 10.000; klasse B-filters kunnen worden gebruikt voor klassen van 10.000 tot 100; en klasse C-filters kunnen worden gebruikt voor niveaus van 100 tot 1. Het lijkt erop dat er voor elk reinheidsniveau twee soorten filters beschikbaar zijn. Of er gekozen moet worden voor filters met een hoge of lage efficiëntie hangt af van de specifieke situatie: wanneer de milieuvervuiling ernstig is, de afvoer van lucht binnenshuis hoog is, of de cleanroom bijzonder belangrijk is en een grotere veiligheidsfactor vereist, moet in deze of een van deze gevallen een filter met een hoge efficiëntie worden gekozen; anders kan een filter met een lagere efficiëntie worden gekozen. Voor cleanrooms waar de beheersing van deeltjes van 0,1 μm vereist is, moeten filters van klasse D worden gekozen, ongeacht de te beheersen deeltjesconcentratie. Bovenstaande is slechts vanuit het perspectief van het filter. Om een goed filter te kiezen, moet je in feite ook rekening houden met de kenmerken van de cleanroom, het filter zelf en het reinigingssysteem.
Filterinstallatie
Om de reinheid van de luchttoevoer te garanderen, is het niet voldoende om alleen gekwalificeerde filters te gebruiken. Ook is het belangrijk om te zorgen voor: a. Onbeschadigde filters tijdens transport en installatie; b. Een luchtdichte installatie. Om het eerste punt te bereiken, moeten de bouw- en installatiemedewerkers goed opgeleid zijn en beschikken over kennis van de installatie van luchtreinigingssystemen en vakkundige installatievaardigheden. Anders is het moeilijk te garanderen dat de filters niet beschadigd raken. Hieruit zijn belangrijke lessen te trekken. Ten tweede hangt de luchtdichtheid van de installatie voornamelijk af van de kwaliteit van de installatieconstructie. De ontwerphandleiding adviseert over het algemeen: voor een enkel filter een open installatie, zodat eventuele lekkage niet in de ruimte terechtkomt; het gebruik van een afgewerkte HEPA-luchtuitlaat maakt luchtdichtheid ook gemakkelijker te garanderen. Voor lucht met meerdere filters worden tegenwoordig vaak gelafdichtingen en onderdrukafdichtingen gebruikt.
Gelafdichting moet ervoor zorgen dat de verbinding van de vloeistoftank luchtdicht is en dat het gehele frame zich op hetzelfde horizontale vlak bevindt. Onderdrukafdichting zorgt ervoor dat de buitenomtrek van de verbinding tussen het filter, de statische drukkast en het frame onderdruk staat. Net als bij een open installatie zal er, zelfs bij lekkage, geen vloeistof in de ruimte lekken. In principe is het, zolang het installatieframe vlak is en het filteruiteinde gelijkmatig contact maakt met het installatieframe, eenvoudig om aan de eisen voor luchtdichtheid te voldoen, ongeacht het type installatie.
2. Organisatie van de luchtstroom
De luchtstroom in een cleanroom verschilt van die in een gewone ruimte met airconditioning. Het is essentieel dat de schoonste lucht eerst naar de werkruimte wordt geleid. De functie hiervan is om de vervuiling van de te bewerken objecten te beperken en te verminderen. Daarom moeten de volgende principes in acht worden genomen bij het ontwerpen van de luchtstroom: minimaliseer wervelstromen om te voorkomen dat vervuiling van buiten de werkruimte de werkruimte binnendringt; probeer secundaire stofverspreiding te voorkomen om de kans op stofverontreiniging van het werkstuk te verkleinen; de luchtstroom in de werkruimte moet zo uniform mogelijk zijn en de windsnelheid moet voldoen aan de proces- en hygiëne-eisen. Wanneer de luchtstroom naar de retourluchtuitlaat stroomt, moet het stof in de lucht effectief worden afgevoerd. Kies verschillende luchttoevoer- en retourmethoden afhankelijk van de verschillende reinheidseisen.
Verschillende luchtstroomorganisaties hebben hun eigen kenmerken en toepassingsgebieden:
(1). Verticale unidirectionele stroming
Naast de algemene voordelen van een uniforme neerwaartse luchtstroom, een vereenvoudigde opstelling van procesapparatuur, een sterk zelfreinigend vermogen en de vereenvoudiging van gemeenschappelijke voorzieningen zoals persoonlijke hygiëne-installaties, hebben de vier luchttoevoermethoden ook hun eigen voor- en nadelen: volledig afgedekte HEPA-filters hebben als voordelen een lage weerstand en een lange filtervervangingscyclus, maar de plafondconstructie is complex en de kosten zijn hoog; de voor- en nadelen van HEPA-filters met zijdelingse afdekking en HEPA-filters met open platen zijn tegengesteld aan die van volledig afgedekte HEPA-filters. Zo kan bij HEPA-filters met open platen gemakkelijk stof ophopen aan de binnenzijde van de orificeplaat wanneer het systeem niet continu draait, en slecht onderhoud kan de reinheid beïnvloeden; luchttoevoer met dichte diffusor vereist een menglaag, waardoor deze alleen geschikt is voor hoge cleanrooms van meer dan 4 meter, en de eigenschappen ervan zijn vergelijkbaar met die van HEPA-filters met open platen. De retourluchtmethode met een plaat voorzien van roosters aan beide zijden en gelijkmatig verdeelde retourluchtuitlaten aan de onderkant van de tegenoverliggende wanden is alleen geschikt voor cleanrooms met een netto afstand van minder dan 6 meter aan beide zijden; retourluchtuitlaten aan de onderkant van een enkele wand zijn alleen geschikt voor cleanrooms met een kleine afstand tussen de wanden (bijvoorbeeld ≤<2~3 meter).
(2). Horizontale unidirectionele stroming
Alleen het eerste werkgebied 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 investeringskosten verlagen, maar er kunnen wel wervelingen in de lokale gebieden ontstaan.
(3). Turbulente luchtstroom
De kenmerken van luchttoevoer via orificeplaten en via dichte diffusoren zijn dezelfde als hierboven beschreven: de voordelen van luchttoevoer via de zijkant zijn de eenvoudige aanleg van leidingen, de afwezigheid van technische tussenlagen, de lage kosten en de geschiktheid voor de renovatie van oude fabrieken. De nadelen zijn de hoge windsnelheid in het werkgebied en de hogere stofconcentratie aan de loefzijde dan aan de lijzijde. Luchttoevoer via HEPA-filters heeft als voordelen een eenvoudig systeem, geen leidingen achter het HEPA-filter en een directe toevoer van schone lucht naar het werkgebied. De schone lucht verspreidt zich echter langzamer, waardoor de luchtstroom in het werkgebied gelijkmatiger verdeeld is. Wanneer meerdere luchtuitlaten gelijkmatig verdeeld zijn of HEPA-filteruitlaten met diffusoren worden gebruikt, kan de luchtstroom in het werkgebied ook gelijkmatiger verdeeld worden. Bij niet-continue werking van het systeem kan er echter stof in de diffusor ophopen.
Bovenstaande beschrijving gaat uit van een ideale situatie en is gebaseerd op de aanbevelingen in relevante nationale specificaties, normen of ontwerphandleidingen. In de praktijk is de luchtstroomorganisatie vaak niet optimaal, vanwege objectieve omstandigheden of subjectieve redenen van de ontwerper. Veelvoorkomende voorbeelden zijn: verticale unidirectionele luchtstroom met retourlucht vanaf de onderkant van de twee aangrenzende wanden; lokale cleanrooms van klasse 100 met boventoevoer en bovenafvoer (dus zonder hangend gordijn onder de lokale luchtuitlaat); en turbulente cleanrooms met boventoevoer en bovenafvoer via een HEPA-filter of een enkelzijdige onderafvoer (grotere afstand tussen de wanden), enzovoort. Deze luchtstroomorganisatiemethoden zijn gemeten en de meeste cleanrooms voldoen niet aan de ontwerpeisen. Vanwege de huidige specificaties voor lege of statische acceptatie bereiken sommige cleanrooms in lege of statische toestand nauwelijks het ontworpen reinheidsniveau, maar het vermogen om vervuiling tegen te gaan is zeer laag. Zodra de cleanroom in bedrijf is, voldoet deze niet meer aan de eisen.
De juiste luchtstroomorganisatie moet worden gerealiseerd met gordijnen die tot de hoogte van het werkgebied hangen. In de klasse 100.000 mag geen boventoevoer of bovenafvoer worden toegepast. Bovendien produceren de meeste fabrieken tegenwoordig hoogrendementsluchtuitlaten met diffusers, maar deze diffusers zijn slechts decoratieve openingen en hebben geen functie in het verspreiden van de luchtstroom. Ontwerpers en gebruikers dienen hier speciale aandacht aan te besteden.
3. Luchttoevoervolume of luchtsnelheid
Voldoende ventilatie is nodig om de vervuilde binnenlucht te verdunnen en af te voeren. Afhankelijk van de reinheidseisen, moet de ventilatiefrequentie bij een hogere nettohoogte van de cleanroom dienovereenkomstig worden verhoogd. Bij cleanrooms van klasse 1 miljoen wordt het ventilatievolume bijvoorbeeld bepaald op basis van een hoogrendementszuiveringssysteem (HEPA). Wanneer in cleanrooms van klasse 100.000 de HEPA-filters geconcentreerd zijn in de machinekamer of er sub-HEPA-filters aan het eind van het systeem worden gebruikt, kan de ventilatiefrequentie met 10-20% worden verhoogd.
Voor de bovenstaande aanbevolen ventilatievolumes is de auteur van mening dat: de windsnelheid door het gedeelte van de cleanroom met eenrichtingsstroom laag is, en dat een cleanroom met turbulentie een aanbevolen waarde heeft met een voldoende veiligheidsfactor. Verticale eenrichtingsstroom ≥ 0,25 m/s, horizontale eenrichtingsstroom ≥ 0,35 m/s. Hoewel aan de reinheidseisen kan worden voldaan bij testen in lege of statische omstandigheden, is het vermogen om vervuiling tegen te gaan gering. Zodra de ruimte in bedrijf is, voldoet de reinheid mogelijk niet meer aan de eisen. Dit is geen uitzondering. Tegelijkertijd zijn er in mijn land geen ventilatoren beschikbaar die geschikt zijn voor zuiveringssystemen. Over het algemeen maken ontwerpers vaak geen nauwkeurige berekeningen van de luchtweerstand van het systeem, of houden ze er geen rekening mee of de gekozen ventilator zich op een gunstiger werkingspunt op de karakteristieke curve bevindt, waardoor het luchtvolume of de windsnelheid kort na de ingebruikname van het systeem de ontwerpwaarde niet haalt. De Amerikaanse federale norm (FS209A~B) schreef voor dat de luchtstroomsnelheid in een unidirectionele cleanroom door de dwarsdoorsnede van de cleanroom gewoonlijk op 90 ft/min (0,45 m/s) moet worden gehandhaafd, en dat de snelheidsongelijkheid binnen ±20% mag blijven onder de voorwaarde dat er geen interferentie in de gehele ruimte is. Elke significante verlaging van de luchtstroomsnelheid vergroot de kans op een langere zelfreinigingstijd en vervuiling tussen werkplekken (na de publicatie van FS209C in oktober 1987 zijn er geen voorschriften meer vastgesteld voor andere parameterindicatoren dan de stofconcentratie).
Om deze reden is de auteur van mening dat het gepast is om de huidige ontwerpwaarde voor de unidirectionele stroomsnelheid in China te verhogen. Onze afdeling heeft dit in de praktijk toegepast en het effect is relatief goed. Turbulente cleanrooms hebben een aanbevolen waarde met een relatief voldoende veiligheidsfactor, maar veel ontwerpers zijn hier nog steeds niet van overtuigd. Bij het maken van specifieke ontwerpen verhogen ze het ventilatievolume van cleanrooms van klasse 100.000 naar 20-25 keer per uur, van klasse 10.000 naar 30-40 keer per uur en van klasse 1000 naar 60-70 keer per uur. Dit verhoogt niet alleen de capaciteit van de apparatuur en de initiële investering, maar ook de toekomstige onderhouds- en beheerkosten. In feite is dit niet nodig. Bij het samenstellen van de technische richtlijnen voor luchtzuivering in China zijn meer cleanrooms van klasse 100 dan 100 onderzocht en gemeten. Veel cleanrooms zijn getest onder dynamische omstandigheden. De resultaten toonden aan dat ventilatievolumes van cleanrooms van klasse 100.000 ≥10 keer/uur, cleanrooms van klasse 10.000 ≥20 keer/uur en cleanrooms van klasse 1000 ≥50 keer/uur aan de eisen kunnen voldoen. De Amerikaanse federale norm (FS2O9A~B) schrijft voor: niet-unidirectionele cleanrooms (klasse 100.000, klasse 10.000), met een ruimtehoogte van 2,44 tot 3,66 meter (8 tot 12 voet), wordt doorgaans aangenomen dat de gehele ruimte minstens eens per 3 minuten wordt geventileerd (d.w.z. 20 keer/uur). Daarom is in de ontwerpspecificatie rekening gehouden met een ruime overcapaciteit, waardoor de ontwerper veilig kan kiezen op basis van de aanbevolen waarde voor het ventilatievolume.
4. Statisch drukverschil
Het handhaven van een bepaalde overdruk in een cleanroom is een essentiële voorwaarde om ervoor te zorgen dat de cleanroom niet of nauwelijks vervuild raakt en het beoogde reinheidsniveau wordt bereikt. Zelfs voor cleanrooms met onderdruk is het noodzakelijk dat er aangrenzende ruimtes of suites zijn met een reinheidsniveau dat niet lager is dan dat van de cleanroom zelf, zodat een bepaalde overdruk behouden blijft en de reinheid van de cleanroom met onderdruk gewaarborgd kan worden.
De positieve druk in een cleanroom verwijst naar de waarde die wordt bereikt wanneer de statische druk binnen hoger is dan de statische druk buiten, met alle deuren en ramen gesloten. Dit wordt bereikt door ervoor te zorgen dat het luchttoevoervolume van het reinigingssysteem groter is dan het retourluchtvolume en het afvoerluchtvolume. Om de positieve druk in de cleanroom te garanderen, is het raadzaam om de toevoer-, retour- en afvoerventilatoren te synchroniseren. Bij het inschakelen van het systeem wordt eerst de toevoerventilator gestart, gevolgd door de retour- en afvoerventilatoren; bij het uitschakelen van het systeem wordt eerst de afvoerventilator uitgeschakeld, gevolgd door de retour- en toevoerventilatoren. Dit voorkomt dat de cleanroom tijdens het in- en uitschakelen van het systeem wordt gecontamineerd.
Het benodigde luchtvolume om de overdruk in de cleanroom te handhaven, wordt voornamelijk bepaald door de luchtdichtheid van de onderhoudsstructuur. In de beginjaren van de cleanroombouw in mijn land was, vanwege de slechte luchtdichtheid van de behuizing, 2 tot 6 keer per uur luchttoevoer nodig om een overdruk van ≥5 Pa te handhaven. Tegenwoordig is de luchtdichtheid van de onderhoudsstructuur aanzienlijk verbeterd, waardoor slechts 1 tot 2 keer per uur luchttoevoer nodig is om dezelfde overdruk te handhaven; en slechts 2 tot 3 keer per uur luchttoevoer is nodig om een overdruk van ≥10 Pa te handhaven.
De ontwerpvoorschriften van mijn land [6] schrijven voor dat het statische drukverschil tussen cleanrooms van verschillende graden en tussen schone en niet-schone zones niet minder dan 0,5 mm H2O (~5 Pa) mag zijn, en dat het statische drukverschil tussen de schone zone en de buitenlucht niet minder dan 1,0 mm H2O (~10 Pa) mag zijn. 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 de luchtvervuiling binnenshuis te onderdrukken via de kieren tussen deuren en ramen, of om de hoeveelheid verontreinigende stoffen die de ruimte binnendringen te minimaliseren wanneer de deuren en ramen kortstondig worden geopend. De grootte van de positieve druk geeft de sterkte van het vermogen om de vervuiling te onderdrukken aan. Hoe groter de positieve druk, hoe beter (dit wordt later besproken).
(2) Het benodigde luchtvolume voor overdruk is beperkt. Het benodigde luchtvolume voor een overdruk van 5 Pa en 10 Pa verschilt slechts ongeveer 1 keer per uur. Waarom zou je het niet doen? Het is duidelijk beter om de ondergrens voor overdruk op 10 Pa te stellen.
(3) De Amerikaanse federale norm (FS209A~B) schrijft voor dat, wanneer alle in- en uitgangen gesloten zijn, het minimale overdrukverschil tussen de cleanroom en een aangrenzende ruimte met een lage reinheid 0,05 inch waterkolom (12,5 Pa) moet bedragen. Deze waarde is door veel landen overgenomen. Een hogere overdruk in een cleanroom is echter niet per se beter. Uit de praktijktests van onze unit gedurende meer dan 30 jaar blijkt dat bij een overdruk van ≥ 30 Pa de deur moeilijk te openen is. Als de deur onvoorzichtig wordt dichtgeslagen, zal dit een harde klap veroorzaken! Dit kan mensen laten schrikken. Bij een overdruk van ≥ 50~70 Pa zullen de kieren tussen deuren en ramen een fluitend geluid maken, wat onprettig kan zijn voor mensen met een zwakke ademhaling of bepaalde symptomen. De relevante specificaties of normen van veel landen in binnen- en buitenland specificeren echter geen bovengrens voor de overdruk. Daardoor streven veel units er alleen naar om aan de ondergrens te voldoen, ongeacht hoe hoog de bovengrens is. In de cleanroom die de auteur daadwerkelijk aantrof, bedroeg de overdruk 100 Pa of meer, wat zeer nadelige gevolgen had. Het aanpassen van de overdruk is echter niet moeilijk. Het is prima mogelijk om deze binnen een bepaald bereik te houden. Er is een document dat aangeeft dat een bepaald land in Oost-Europa een overdruk van 1-3 mm H2O (ongeveer 10-30 Pa) voorschrijft. De auteur is van mening dat dit bereik geschikter is.
Geplaatst op: 13 februari 2025