ANALYSE DER REINRAUMTECHNIK

1. Entfernung von Staubpartikeln in einem staubfreien Reinraum

Die Hauptfunktion eines Reinraums besteht darin, Reinheit, Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung zu kontrollieren, der Produkte (wie z. B. Siliziumchips) ausgesetzt sind, um deren Herstellung in einer optimalen Umgebung zu gewährleisten. Dieser Raum wird als Reinraum bezeichnet. Gemäß internationaler Praxis wird der Reinheitsgrad hauptsächlich durch die Anzahl der Partikel pro Kubikmeter Luft mit einem Durchmesser oberhalb des Klassifizierungsstandards bestimmt. Anders ausgedrückt: Staubfreiheit bedeutet nicht absolute Staubfreiheit, sondern die Kontrolle des Staubgehalts auf ein sehr kleines Maß. Die Partikel, die den Staubstandard erfüllen, sind zwar im Vergleich zu normalem Staub sehr klein, doch selbst geringe Staubmengen können bei optischen Bauteilen erhebliche negative Auswirkungen haben. Daher ist Staubfreiheit eine unabdingbare Voraussetzung für die Herstellung optischer Bauteile.

Die Kontrolle der Anzahl von Staubpartikeln mit einer Partikelgröße von mindestens 0,5 Mikrometern pro Kubikmeter auf unter 3520/Kubikmeter entspricht der Klasse A des internationalen Reinraumstandards. Der in der Chipfertigung und -verarbeitung angewandte Reinraumstandard stellt höhere Anforderungen an die Staubbelastung als Klasse A und wird hauptsächlich bei der Herstellung hochwertigerer Chips eingesetzt. Die Anzahl der Staubpartikel wird streng auf 35.200 pro Kubikmeter begrenzt, was in der Reinraumindustrie üblicherweise als Klasse B bezeichnet wird.

2. Drei Arten von Reinraumzuständen

Leerer Reinraum: Eine Reinraumanlage, die errichtet wurde und sofort in Betrieb genommen werden kann. Sie verfügt über alle relevanten Serviceeinrichtungen und Funktionen. Allerdings befinden sich in der Anlage keine von Bedienern bedienten Geräte.

Statischer Reinraum: eine Reinraumanlage mit vollständigen Funktionen, ordnungsgemäßen Einstellungen und Installationen, die gemäß den Einstellungen genutzt werden kann oder bereits in Betrieb ist, in der sich jedoch kein Personal befindet.

Dynamischer Reinraum: Ein Reinraum im Normalbetrieb mit vollständigen Servicefunktionen, Ausrüstung und Personal; bei Bedarf können normale Arbeiten durchgeführt werden.

3. Kontrollpunkte

(1) Kann in der Luft schwebende Staubpartikel entfernen.

(2) Kann die Entstehung von Staubpartikeln verhindern.

(3). Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

(4). Druckregulierung.

(5). Beseitigung schädlicher Gase.

(6). Luftdichtheit von Bauwerken und Räumen.

(7) Vermeidung statischer Elektrizität.

(8). Verhinderung elektromagnetischer Störungen.

(9) Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren.

(10). Berücksichtigung von Energieeinsparungen.

4. Klassifizierung

Turbulente Strömungsart

Die Luft gelangt über den Luftkanal und den HEPA-Filter aus dem Klimagerät in den Reinraum und wird über die Trennwände oder Doppelböden an beiden Seiten des Reinraums wieder abgeführt. Die Luftströmung verläuft nicht linear, sondern unregelmäßig turbulent oder wirbelförmig. Dieser Reinraumtyp eignet sich für Reinräume der Klassen 1.000 bis 100.000.

Definition: Ein Reinraum, in dem die Luftströmung ungleichmäßig und nicht parallel verläuft und von Rückströmung oder Wirbelströmung begleitet wird.

Prinzip: Turbulente Reinräume nutzen den Zuluftstrom, um die Raumluft kontinuierlich zu verdünnen und die verunreinigte Luft schrittweise zu verdünnen, um Reinheit zu erreichen (turbulente Reinräume sind im Allgemeinen für Reinheitsgrade über 1.000 bis 300.000 ausgelegt).

Merkmale: Turbulente Reinräume benötigen mehrfache Belüftung, um Reinheitsgrade zu erreichen. Die Anzahl der Belüftungswechsel bestimmt den Reinheitsgrad (je mehr Belüftungswechsel, desto höher der Reinheitsgrad).

(1) Selbstreinigungszeit: bezeichnet die Zeit, in der der Reinraum gemäß der vorgesehenen Lüftungszahl mit der Luftzufuhr beginnt und die Staubkonzentration im Raum den vorgesehenen Reinheitsgrad erreicht. Für die Reinheitsklasse 1.000 beträgt die erwartete Zeit maximal 20 Minuten (15 Minuten können für die Berechnung verwendet werden). Für die Reinheitsklasse 10.000 beträgt die erwartete Zeit maximal 30 Minuten (25 Minuten können für die Berechnung verwendet werden). Für die Reinheitsklasse 100.000 beträgt die erwartete Zeit maximal 40 Minuten (30 Minuten können für die Berechnung verwendet werden).

(2) Lüftungsfrequenz (ausgelegt gemäß den oben genannten Anforderungen an die Selbstreinigungszeit) Klasse 1.000: 43,5-55,3 Mal/Stunde (Standard: 50 Mal/Stunde) Klasse 10.000: 23,8-28,6 Mal/Stunde (Standard: 25 Mal/Stunde) Klasse 100.000: 14,4-19,2 Mal/Stunde (Standard: 15 Mal/Stunde)

Vorteile: einfache Struktur, niedrige Systembaukosten, einfache Erweiterbarkeit des Reinraums, in einigen speziellen Anwendungsbereichen kann eine staubfreie Reinraumbank zur Verbesserung der Reinraumklasse eingesetzt werden.

Nachteile: Durch Turbulenzen aufgewirbelte Staubpartikel schweben im Innenraum und lassen sich nur schwer entfernen, wodurch Prozessprodukte leicht verunreinigt werden können. Zudem dauert es nach einem Systemstopp und anschließenden Neustart oft lange, bis die erforderliche Reinheit erreicht ist.

Laminare Strömung

Bei laminarer Strömung bewegt sich die Luft in einer gleichmäßigen, geradlinigen Linie. Die Luft strömt durch einen Filter mit 100%iger Abdeckung in den Raum und wird durch den erhöhten Boden oder die Trennwände auf beiden Seiten wieder abgeführt. Diese Art von Luftzirkulation eignet sich für Reinräume höherer Reinraumklassen, im Allgemeinen Klasse 1 bis 100. Es gibt zwei Ausführungen:

(1) Horizontale laminare Strömung: Horizontale Luft wird in einer Richtung aus dem Filter ausgeblasen und über das Rückluftsystem an der gegenüberliegenden Wand zurückgeführt. Der Staub wird mit der Luftrichtung nach außen abgeführt. Im Allgemeinen ist die Verschmutzung auf der Abluftseite stärker.

Vorteile: Einfache Struktur, kann nach kurzer Zeit nach der Inbetriebnahme stabil werden.

Nachteile: Die Baukosten sind höher als bei turbulenter Strömung, und der Innenraum lässt sich nicht so einfach erweitern.

(2) Vertikale Laminarströmung: Die Raumdecke ist vollständig mit ULPA-Filtern ausgestattet, und die Luft strömt von oben nach unten, wodurch eine höhere Reinheit erreicht wird. Staub, der während des Prozesses oder durch das Personal entsteht, kann schnell nach draußen abgeleitet werden, ohne andere Arbeitsbereiche zu beeinträchtigen.

Vorteile: Einfache Handhabung, ein stabiler Zustand kann innerhalb kurzer Zeit nach Betriebsbeginn erreicht werden und wird nicht leicht vom Betriebszustand oder den Bedienern beeinflusst.

Nachteile: Hohe Baukosten, schwierige flexible Raumnutzung, Deckenaufhängungen beanspruchen viel Platz, und die Reparatur und der Austausch von Filtern sind aufwendig.

Verbundtyp

Bei der Verbundströmung werden turbulente und laminare Strömungsarten kombiniert bzw. miteinander verwendet, wodurch lokal ultrareine Luft erzeugt werden kann.

(1) Reinraumtunnel: Durch den Einsatz von HEPA- oder ULPA-Filtern, die 100 % des Prozess- oder Arbeitsbereichs abdecken, kann der Reinheitsgrad auf über Klasse 10 angehoben werden, wodurch Installations- und Betriebskosten eingespart werden können.

Bei dieser Art von Wartung muss der Arbeitsbereich des Bedieners vom Produkt und der Maschine getrennt sein, um Beeinträchtigungen der Arbeit und der Qualität während der Maschinenwartung zu vermeiden.

Saubere Tunnel bieten zwei weitere Vorteile: A. Sie lassen sich leicht und flexibel erweitern; B. Die Wartung der Ausrüstung kann problemlos im Wartungsbereich durchgeführt werden.

(2) Reinraumrohr: Umgibt und reinigt die automatische Produktionslinie, durch die der Produktfluss erfolgt, und erhöht den Reinheitsgrad auf über Klasse 100. Da Produkt, Bediener und stauberzeugende Umgebung voneinander getrennt sind, genügt eine geringe Luftzufuhr für eine hohe Reinheit. Dies spart Energie und eignet sich besonders für automatisierte Produktionslinien ohne manuelle Bedienung. Anwendungsgebiete sind die Pharma-, Lebensmittel- und Halbleiterindustrie.

(3) Reinraumbereich: Der Reinheitsgrad des Produktbearbeitungsbereichs im turbulenten Reinraum mit einem Reinraumniveau von 10.000 bis 100.000 wird für Produktionszwecke auf 10 bis 1.000 oder höher erhöht; Reinraumwerkbänke, Reinraumhallen, vorgefertigte Reinräume und Reinraumschränke gehören zu dieser Kategorie.

Reinraumwerkbank: Klasse 1~100.

Reinraumkabine: Ein kleiner, mit antistatischer, transparenter Kunststofffolie ausgekleideter Raum in einem turbulenten Reinraum. Mithilfe unabhängiger HEPA- oder ULPA-Filter und Klimaanlagen wird ein Reinraum höherer Klasse (10–1000) geschaffen. Die Kabine ist ca. 2,5 Meter hoch und hat eine Fläche von maximal 10 m². Sie steht auf vier Säulen und ist für flexible Nutzung mit Rollen ausgestattet.

5. Luftstrom

Bedeutung des Luftstroms

Die Reinheit eines Reinraums wird häufig durch die Luftströmung beeinflusst. Anders ausgedrückt: Die Bewegung und Ausbreitung von Staub, der von Personen, Maschinenräumen, Gebäudestrukturen usw. erzeugt wird, werden durch die Luftströmung gesteuert.

Der Reinraum nutzt HEPA- und ULPA-Filter zur Luftreinigung und erreicht eine Staubabscheiderate von 99,97 bis 99,99995 %. Die gefilterte Luft ist daher sehr rein. Neben Personen gibt es im Reinraum jedoch auch Staubquellen wie Maschinen. Verteilt sich dieser Staub, lässt sich die Reinheit nicht aufrechterhalten. Daher muss der entstehende Staub durch einen Luftstrom schnell nach draußen abgeführt werden.

Einflussfaktoren

Es gibt viele Faktoren, die den Luftstrom in einem Reinraum beeinflussen, wie z. B. Prozessanlagen, Personal, Reinraum-Montagematerialien, Beleuchtungskörper usw. Gleichzeitig sollte auch der Umlenkpunkt des Luftstroms über den Produktionsanlagen berücksichtigt werden.

Der Luftstromumlenkpunkt auf der Oberfläche eines allgemeinen Arbeitstisches oder einer Produktionsanlage sollte bei zwei Dritteln des Abstands zwischen Reinraum und Trennwand liegen. Dadurch kann die Luft während der Arbeit des Bedieners vom Inneren des Prozessbereichs zum Arbeitsbereich strömen und den Staub abführen. Befindet sich der Umlenkpunkt vor dem Prozessbereich, ist die Luftstromumlenkung ineffizient. In diesem Fall strömt der Großteil der Luft nach hinten, der durch die Bedienung aufgewirbelte Staub wird hinter die Anlage transportiert, die Arbeitsfläche kontaminiert und die Ausbeute sinkt zwangsläufig.

Hindernisse wie Arbeitstische in Reinräumen erzeugen an den Verbindungsstellen Wirbelströme, wodurch die Reinheit in ihrer Nähe relativ gering ist. Das Bohren einer Rückluftöffnung in den Arbeitstisch minimiert dieses Wirbelstromphänomen. Auch die Wahl geeigneter Montagematerialien und eine optimale Anordnung der Anlagen sind wichtige Faktoren, um Wirbelströme zu vermeiden.

6. Zusammensetzung des Reinraums

Die Zusammensetzung eines Reinraums besteht aus den folgenden Systemen (von denen keines in den Systemmolekülen unentbehrlich ist), andernfalls ist es nicht möglich, einen vollständigen und qualitativ hochwertigen Reinraum zu bilden:

(1) Deckensystem: einschließlich Deckenstangen, I-Träger oder U-Träger, Deckenraster oder Deckenrahmen.

(2) Klimaanlage: einschließlich Klimaanlagenkabine, Filtersystem, Windmühle usw.

(3) Trennwand: einschließlich Fenster und Türen.

(4) Boden: einschließlich erhöhter Böden oder antistatischer Böden.

(5) Beleuchtungskörper: LED-Flächenleuchte zur Luftreinigung.

Die Hauptstruktur des Reinraums besteht im Allgemeinen aus Stahlstangen oder Knochenzement, aber unabhängig von der Art der Struktur muss sie die folgenden Bedingungen erfüllen:

A. Durch Temperaturschwankungen und Vibrationen entstehen keine Risse.

B. Es ist nicht einfach, Staubpartikel zu erzeugen, und es ist schwierig für Partikel, sich anzulagern;

C. Geringe Hygroskopizität;

D. Um die Feuchtigkeitsbedingungen im Reinraum aufrechtzuerhalten, muss die Wärmedämmung hoch sein.

7. Klassifizierung nach Verwendungszweck

Industrieller Reinraum

Die Kontrolle von Partikeln in der Luft ist das Hauptziel. Hauptsächlich wird die Belastung der Arbeitsumgebung mit Staubpartikeln aus der Luft kontrolliert, wobei im Inneren in der Regel ein Überdruck aufrechterhalten wird. Das Verfahren eignet sich für die Feinmechanik, die Elektronikindustrie (Halbleiter, integrierte Schaltungen usw.), die Luft- und Raumfahrtindustrie, die Reinstchemie, die Atomenergie, die optische und magnetische Produktindustrie (CD-, Film- und Bandproduktion), die LCD-Industrie (Flüssigkristallglas), die Festplatten- und Kopfplattenproduktion sowie weitere Branchen.

Biologischer Reinraum

Hauptsächlich dient die Kontrolle der Verschmutzung von Arbeitsobjekten durch lebende Partikel (Bakterien) und unbelebte Partikel (Staub). Sie lässt sich unterteilen in:

A. Allgemeiner biologischer Reinraum: Hauptsächlich dient er der Kontrolle der mikrobiellen (bakteriellen) Kontamination von Oberflächen. Gleichzeitig müssen seine Innenmaterialien der Erosion durch verschiedene Sterilisationsmittel standhalten, und im Inneren herrscht in der Regel Überdruck. Die Innenmaterialien müssen im Wesentlichen den verschiedenen Sterilisationsverfahren industrieller Reinräume widerstehen. Beispiele: Pharmaindustrie, Krankenhäuser (OP-Säle, Sterilstationen), Lebensmittel-, Kosmetik- und Getränkeherstellung, Tierlabore, physikalisch-chemische Prüflabore, Blutbanken usw.

B. Reinraum mit biologischer Sicherheit: Hauptsächlich dient er der Verhinderung der Kontamination der Außenwelt und der Übertragung von lebenden Partikeln des Arbeitsobjekts auf Personen. Der Innendruck muss gegenüber dem Atmosphärendruck negativ sein. Beispiele: Bakteriologie, Biologie, Reinraumlabore, physikalische Verfahrenstechnik (Gentechnik, Impfstoffherstellung).