Kernanalyse des Reinraums

Einführung

Reinräume bilden die Grundlage der Schadstoffkontrolle. Ohne Reinräume können schmutzempfindliche Bauteile nicht in Serie gefertigt werden. Gemäß FED-STD-2 ist ein Reinraum definiert als ein Raum mit Luftfiltration, -verteilung und -optimierung sowie geeigneten Konstruktionsmaterialien und -geräten, in dem spezifische, regelmäßig angewendete Betriebsabläufe die Konzentration von Partikeln in der Luft kontrollieren, um den erforderlichen Reinheitsgrad zu erreichen.

Um in Reinräumen eine optimale Reinheit zu erreichen, ist es notwendig, nicht nur angemessene Klimatisierungsmaßnahmen zu ergreifen, sondern auch die Prozesse, den Bau und andere Gewerke entsprechend zu koordinieren: Neben einer durchdachten Planung sind eine sorgfältige Konstruktion und Installation gemäß den Spezifikationen sowie die korrekte Nutzung und wissenschaftliche Wartung und Instandhaltung unerlässlich. Zahlreiche in- und ausländische Publikationen haben sich mit diesem Thema auseinandergesetzt. In der Praxis gestaltet sich die optimale Koordination der verschiedenen Gewerke jedoch schwierig, und es fällt Planern schwer, sowohl die Qualität von Konstruktion und Installation als auch die Nutzung und Instandhaltung – insbesondere Letztere – vollständig zu gewährleisten. Viele Planer und Bauunternehmen vernachlässigen daher die notwendigen Bedingungen für die Reinraumreinigung, was zu unzureichenden Ergebnissen führt. Dieser Artikel beschreibt daher kurz die vier notwendigen Bedingungen für die Erfüllung der Reinheitsanforderungen durch Reinraumreinigungsmaßnahmen.

1. Reinheit der Luftzufuhr

Um sicherzustellen, dass die Reinheit der Zuluft den Anforderungen entspricht, kommt es vor allem auf die Leistungsfähigkeit und Installation des Endfilters des Reinigungssystems an.

Filterauswahl

Der Endfilter eines Luftreinigungssystems ist in der Regel ein HEPA- oder Sub-HEPA-Filter. Gemäß den nationalen Standards werden HEPA-Filter in vier Effizienzklassen eingeteilt: Klasse A ≥ 99,9 %, Klasse B ≥ 99,9 %, Klasse C ≥ 99,999 %, Klasse D (für Partikel ≥ 0,1 μm) ≥ 99,999 % (auch bekannt als Ultra-HEPA-Filter); Sub-HEPA-Filter erreichen (für Partikel ≥ 0,5 μm) 95–99,9 %. Je höher die Effizienz, desto teurer der Filter. Daher sollten bei der Filterwahl nicht nur die Anforderungen an die Luftreinheit erfüllt, sondern auch die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt werden.

Aus Sicht der Reinheitsanforderungen gilt das Prinzip, für Reinräume niedriger Reinheitsklassen Filter mit geringerer Leistung und für Reinräume hoher Reinheitsklassen Filter mit hoher Leistung einzusetzen. Im Allgemeinen gilt: Für die Reinheitsklasse 1 Million können Filter mit hoher und mittlerer Effizienz verwendet werden; Sub-HEPA- oder HEPA-Filter der Klasse A für Klassen unterhalb von 10.000; Filter der Klasse B für die Klassen 100 bis 100; und Filter der Klasse C für die Klassen 100 bis 1. Für jede Reinheitsklasse stehen somit zwei Filtertypen zur Auswahl. Die Wahl zwischen Filtern mit hoher und geringerer Leistung hängt von der jeweiligen Situation ab: Bei starker Umweltbelastung, hohem Abluftvolumen oder besonders wichtigen Reinräumen mit hohen Sicherheitsanforderungen ist ein Filter mit hoher Leistung erforderlich; andernfalls kann ein Filter mit geringerer Leistung gewählt werden. Für Reinräume, die die Kontrolle von Partikeln mit einer Größe von 0,1 µm erfordern, sind unabhängig von der Partikelkonzentration Filter der Klasse D einzusetzen. Das oben Genannte bezieht sich lediglich auf die Perspektive des Filters. Um einen guten Filter auszuwählen, müssen tatsächlich auch die Eigenschaften des Reinraums, des Filters selbst und des Reinigungssystems umfassend berücksichtigt werden.

Filterinstallation

Um die Reinheit der Zuluft zu gewährleisten, reichen qualifizierte Filter allein nicht aus. Zusätzlich muss Folgendes sichergestellt werden: a. Der Filter darf beim Transport und der Installation nicht beschädigt werden; b. Die Installation muss dicht sein. Um den ersten Punkt zu erreichen, müssen die Bau- und Installationsfachkräfte gut geschult sein und sowohl über Kenntnisse in der Installation von Luftreinigungssystemen als auch über entsprechende Fachkenntnisse verfügen. Andernfalls lässt sich die Unversehrtheit des Filters nur schwer gewährleisten. Diesbezüglich gibt es wichtige Erkenntnisse. Zweitens hängt die Dichtheit der Installation hauptsächlich von der Qualität der Installationskonstruktion ab. Die Konstruktionsrichtlinien empfehlen im Allgemeinen: Bei einem einzelnen Filter wird eine offene Installationsart empfohlen, sodass selbst bei Leckagen keine Luft in den Raum gelangt; die Verwendung eines geschlossenen HEPA-Luftauslasses erleichtert ebenfalls die Gewährleistung der Dichtheit. Bei mehreren Filtern werden in den letzten Jahren häufig Geldichtungen und Unterdruckdichtungen eingesetzt.

Die Gelabdichtung muss sicherstellen, dass die Verbindung des Flüssigkeitsbehälters dicht ist und der gesamte Rahmen in einer horizontalen Ebene liegt. Die Unterdruckabdichtung bewirkt, dass der äußere Umfang der Verbindung zwischen Filter und Druckbehälter sowie dem Rahmen unter Unterdruck steht. Wie bei offenen Installationen tritt dadurch auch bei Leckagen kein Wasser in den Raum aus. Solange der Installationsrahmen eben ist und die Filterendfläche gleichmäßig am Rahmen anliegt, sollte es problemlos möglich sein, die Dichtheitsanforderungen in jeder Installationsart zu erfüllen.

2. Luftstromorganisation

Die Luftführung in Reinräumen unterscheidet sich von der in herkömmlichen klimatisierten Räumen. Sie erfordert, dass dem Arbeitsbereich zunächst die sauberste Luft zugeführt wird. Dadurch wird die Belastung der zu bearbeitenden Objekte mit Schadstoffen begrenzt und reduziert. Bei der Planung der Luftführung sind daher folgende Prinzipien zu beachten: Wirbelströme sind zu minimieren, um zu verhindern, dass Schadstoffe von außerhalb des Arbeitsbereichs in diesen gelangen; die Aufwirbelung von Staub ist zu vermeiden, um die Gefahr einer Staubkontamination des Werkstücks zu minimieren; die Luftströmung im Arbeitsbereich sollte möglichst gleichmäßig sein und die Windgeschwindigkeit den Prozess- und Hygieneanforderungen entsprechen. Beim Abluftauslass muss der in der Luft enthaltene Staub effektiv entfernt werden. Je nach Reinheitsanforderungen sind unterschiedliche Zuluft- und Abluftarten zu wählen.

Verschiedene Organisationen im Bereich der Luftstromregulierung haben ihre eigenen Merkmale und Zuständigkeitsbereiche:

(1) Vertikale unidirektionale Strömung

Neben den allgemeinen Vorteilen eines gleichmäßigen, nach unten gerichteten Luftstroms, der erleichterten Anordnung von Prozessanlagen, der hohen Selbstreinigungsfähigkeit und der Vereinfachung von Einrichtungen wie z. B. persönlichen Schutzeinrichtungen, weisen die vier Luftzufuhrmethoden auch jeweils eigene Vor- und Nachteile auf: Vollflächige HEPA-Filter zeichnen sich durch geringen Widerstand und lange Filterwechselintervalle aus, jedoch ist die Deckenkonstruktion komplex und die Kosten sind hoch. Die Vor- und Nachteile von seitlich abgedeckten HEPA-Filtern mit Luftzufuhr von oben und von Lochblenden mit Luftzufuhr von oben sind entgegengesetzt zu denen der vollflächigen HEPA-Filter mit Luftzufuhr von oben. Bei Lochblenden mit Luftzufuhr von oben sammelt sich bei nicht kontinuierlichem Betrieb leicht Staub an der Innenfläche der Blende an, und mangelnde Wartung kann die Reinheit beeinträchtigen. Dichtdiffusoren mit Luftzufuhr von oben benötigen eine Mischschicht und eignen sich daher nur für hohe Reinräume ab 4 m Höhe. Ihre Eigenschaften ähneln denen der Lochblenden mit Luftzufuhr von oben. Die Rückluftmethode für die Platte mit Gittern auf beiden Seiten und gleichmäßig am unteren Rand der gegenüberliegenden Wände angeordneten Rückluftauslässen eignet sich nur für Reinräume mit einem Nettoabstand von weniger als 6 m auf beiden Seiten; die am unteren Rand der einseitigen Wand angeordneten Rückluftauslässe eignen sich nur für Reinräume mit einem geringen Abstand zwischen den Wänden (z. B. ≤<2~3 m).

(2) Horizontale unidirektionale Strömung

Nur der erste Arbeitsbereich erreicht Reinheitsgrad 100. Beim Luftstrom zur anderen Seite steigt die Staubkonzentration allmählich an. Daher eignet sich das Verfahren nur für Reinräume mit unterschiedlichen Reinheitsanforderungen, die denselben Prozess im selben Raum durchführen. Die lokale Anordnung von HEPA-Filtern an der Zuluftwand kann den Filterverbrauch reduzieren und die Anfangsinvestition senken, jedoch können lokal Luftwirbel entstehen.

(3) Turbulente Luftströmung

Die Eigenschaften der Luftzufuhr von oben mittels Blenden und Dichtdiffusoren entsprechen den oben genannten: Die Vorteile der seitlichen Zufuhr liegen in der einfachen Rohrleitungsführung, dem Wegfall technischer Zwischenschichten, den geringen Kosten und der Eignung für die Sanierung alter Fabriken. Zu den Nachteilen zählen die hohe Windgeschwindigkeit im Arbeitsbereich und die höhere Staubkonzentration auf der windabgewandten Seite im Vergleich zur windzugewandten Seite. Die Zufuhr von oben mittels HEPA-Filterauslässen bietet die Vorteile eines einfachen Systems, des Verzichts auf Rohrleitungen hinter dem HEPA-Filter und der direkten Zufuhr von gereinigter Luft in den Arbeitsbereich. Allerdings diffundiert die gereinigte Luft langsam, wodurch die Luftströmung im Arbeitsbereich ungleichmäßiger ist. Durch die gleichmäßige Anordnung mehrerer Luftauslässe oder den Einsatz von HEPA-Filter-Luftauslässen mit Diffusoren lässt sich die Luftströmung im Arbeitsbereich jedoch ebenfalls gleichmäßiger gestalten. Bei nicht kontinuierlichem Betrieb des Systems neigt der Diffusor jedoch zur Staubablagerung.

Die obige Beschreibung basiert auf einem Idealzustand und entspricht den Empfehlungen relevanter nationaler Spezifikationen, Normen und Konstruktionshandbücher. In realen Projekten ist die Luftstromführung jedoch aufgrund objektiver Gegebenheiten oder subjektiver Überlegungen des Planers oft nicht optimal. Häufige Beispiele sind: Vertikale, unidirektionale Luftführung mit Rückluftzufuhr von der Unterseite der beiden angrenzenden Wände; Reinräume der Klasse 100 mit oberer Zuluft und oberer Rückluft (d. h. ohne Vorhang unterhalb des lokalen Luftauslasses); und turbulente Reinräume mit HEPA-Filter-Luftauslass, oberer Zuluft und oberer Rückluft oder einseitiger unterer Rückluft (mit größerem Wandabstand). Diese Methoden der Luftstromführung wurden gemessen, und die meisten erreichen nicht die geforderten Reinheitsgrade. Aufgrund der aktuellen Spezifikationen für die Abnahme im Leerzustand oder im statischen Zustand erreichen einige dieser Reinräume den geforderten Reinheitsgrad nur knapp. Ihre Fähigkeit zur Vermeidung von Verunreinigungen ist jedoch sehr gering, und im Betriebszustand werden die Anforderungen nicht erfüllt.

Die korrekte Luftstromführung sollte durch bis zur Arbeitshöhe herabhängende Vorhänge im Arbeitsbereich gewährleistet sein. In Reinraumklassen 100.000 ist eine Abluftführung von oben nicht zulässig. Zudem verwenden die meisten Fabriken derzeit hocheffiziente Luftauslässe mit Diffusoren, die jedoch lediglich dekorative Düsen sind und keine Funktion der Luftstromverteilung erfüllen. Planer und Anwender sollten dies unbedingt beachten.

3. Luftzufuhrvolumen oder Luftgeschwindigkeit

Ein ausreichendes Lüftungsvolumen dient der Verdünnung und dem Abtransport verunreinigter Raumluft. Je nach Reinheitsanforderungen sollte die Lüftungsfrequenz bei größeren Reinräumen entsprechend erhöht werden. Das Lüftungsvolumen von Reinräumen der Klasse 1 Million richtet sich nach dem verwendeten hocheffizienten Luftreinigungssystem, ebenso wie das von anderen Reinräumen. Sind die HEPA-Filter in Reinräumen der Klasse 100.000 im Maschinenraum konzentriert oder werden Sub-HEPA-Filter am Ende des Systems eingesetzt, kann die Lüftungsfrequenz um 10–20 % erhöht werden.

Für die oben genannten empfohlenen Lüftungsvolumenwerte geht der Autor davon aus, dass die Windgeschwindigkeit im Raumquerschnitt des Reinraums mit unidirektionaler Strömung gering ist und für den turbulenten Reinraum ein empfohlener Wert mit ausreichendem Sicherheitsfaktor vorliegt. Vertikale unidirektionale Strömung ≥ 0,25 m/s, horizontale unidirektionale Strömung ≥ 0,35 m/s. Obwohl die Reinheitsanforderungen im Leerlauf oder unter statischen Bedingungen erfüllt werden können, ist die Schadstoffabweisung unzureichend. Sobald der Raum in Betrieb genommen wird, entspricht die Reinheit möglicherweise nicht mehr den Anforderungen. Dieses Beispiel ist kein Einzelfall. Gleichzeitig sind in den in meinem Land erhältlichen Lüftungsanlagen keine für Reinigungssysteme geeigneten Ventilatoren verfügbar. Im Allgemeinen berechnen Planer den Luftwiderstand des Systems nicht genau oder achten nicht darauf, ob der gewählte Ventilator im optimalen Betriebspunkt der Kennlinie arbeitet. Dies führt dazu, dass das Luftvolumen oder die Windgeschwindigkeit kurz nach Inbetriebnahme des Systems den Auslegungswert nicht erreicht. Die US-Bundesnorm (FS209A~B) legte fest, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit in einem Reinraum durch den Reinraumquerschnitt üblicherweise bei 90 ft/min (0,45 m/s) gehalten werden muss und die Geschwindigkeitsungleichmäßigkeit unter der Bedingung, dass keine Störungen im gesamten Raum auftreten, innerhalb von ±20 % liegen darf. Jede signifikante Verringerung der Luftströmungsgeschwindigkeit erhöht die Wahrscheinlichkeit von Selbstreinigungszeiten und Kontaminationen zwischen den Arbeitsplätzen (nach der Veröffentlichung von FS209C im Oktober 1987 wurden für alle Parameterindikatoren außer der Staubkonzentration keine Vorschriften erlassen).

Aus diesem Grund hält der Autor eine angemessene Erhöhung des derzeitigen Auslegungswerts für die unidirektionale Strömungsgeschwindigkeit im Inland für angebracht. Unsere Abteilung hat dies bereits in realen Projekten umgesetzt, mit zufriedenstellenden Ergebnissen. Für turbulente Reinräume gibt es empfohlene Werte mit einem ausreichend hohen Sicherheitsfaktor, dennoch sind viele Planer weiterhin verunsichert. Bei der konkreten Auslegung erhöhen sie das Lüftungsvolumen für Reinräume der Klasse 100.000 auf 20-25 Mal/h, für Reinräume der Klasse 10.000 auf 30-40 Mal/h und für Reinräume der Klasse 1.000 auf 60-70 Mal/h. Dies erhöht nicht nur die Anlagenkapazität und die Investitionskosten, sondern auch die zukünftigen Wartungs- und Betriebskosten. Tatsächlich ist dies nicht notwendig. Im Rahmen der Erstellung der technischen Maßnahmen zur Luftreinigung in China wurden zahlreiche Reinräume der Klassen 100 und höher untersucht und vermessen. Viele Reinräume wurden unter dynamischen Bedingungen getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anforderungen an die Belüftung von Reinräumen der Klasse 100.000 mit ≥10 Hüben/h, der Klasse 10.000 mit ≥20 Hüben/h und der Klasse 1000 mit ≥50 Hüben/h erfüllt werden können. Der US-Bundesstandard (FS2O9A~B) schreibt für nicht-unidirektionale Reinräume (Klasse 100.000, Klasse 10.000) mit einer Raumhöhe von 2,44 bis 3,66 m (8 bis 12 Fuß) eine Belüftung des gesamten Raumes mindestens einmal alle 3 Minuten (d. h. 20 Hübe/h) vor. Daher wurde in der Auslegungsspezifikation ein großzügiger Sicherheitszuschlag berücksichtigt, sodass der Planer die empfohlene Belüftungsmenge bedenkenlos wählen kann.

4. Statische Druckdifferenz

Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Überdrucks im Reinraum ist eine der wichtigsten Voraussetzungen, um sicherzustellen, dass der Reinraum nicht oder nur minimal verunreinigt wird und das angestrebte Reinheitsniveau erreicht wird. Auch bei Unterdruck-Reinräumen müssen angrenzende Räume oder Suiten mit einem mindestens gleichwertigen Reinheitsniveau vorhanden sein, um einen gewissen Überdruck zu gewährleisten und somit die Reinheit des Unterdruck-Reinraums aufrechtzuerhalten.

Der positive Druck im Reinraum bezeichnet den Wert, bei dem der statische Druck im Innenraum höher ist als der statische Druck im Außenbereich, wenn alle Türen und Fenster geschlossen sind. Dies wird dadurch erreicht, dass das Zuluftvolumen des Reinigungssystems größer ist als das Abluftvolumen. Um den positiven Druck im Reinraum zu gewährleisten, sind Zuluft-, Abluft- und Rückluftventilatoren vorzugsweise miteinander verriegelt. Beim Einschalten des Systems startet zuerst der Zuluftventilator, anschließend die Abluft- und Rückluftventilatoren. Beim Ausschalten des Systems wird zuerst der Abluftventilator abgeschaltet, anschließend die Zuluft- und Rückluftventilatoren. Dadurch wird eine Kontamination des Reinraums beim Ein- und Ausschalten des Systems verhindert.

Das zur Aufrechterhaltung des Überdrucks im Reinraum benötigte Luftvolumen wird hauptsächlich durch die Luftdichtheit der Wartungsstruktur bestimmt. In der Anfangszeit des Reinraumbaus in meinem Land waren aufgrund der mangelhaften Luftdichtheit der Umhüllung 2 bis 6 Luftzufuhren pro Stunde erforderlich, um einen Überdruck von ≥ 5 Pa zu gewährleisten. Mittlerweile hat sich die Luftdichtheit der Wartungsstruktur deutlich verbessert, sodass nur noch 1 bis 2 Luftzufuhren pro Stunde ausreichen, um denselben Überdruck zu halten; und nur noch 2 bis 3 Luftzufuhren pro Stunde sind nötig, um einen Überdruck von ≥ 10 Pa zu erreichen.

Die Konstruktionsvorgaben meines Landes [6] schreiben vor, dass die statische Druckdifferenz zwischen Reinräumen verschiedener Klassen sowie zwischen Rein- und Nicht-Reinbereichen mindestens 0,5 mm H₂O (~5 Pa) betragen muss und die statische Druckdifferenz zwischen dem Reinbereich und dem Außenbereich mindestens 1,0 mm H₂O (~10 Pa) betragen muss. Der Autor ist der Ansicht, dass dieser Wert aus drei Gründen zu niedrig ist:

(1) Überdruck bezeichnet die Fähigkeit eines Reinraums, die Schadstoffbelastung der Raumluft durch Spalten zwischen Türen und Fenstern zu reduzieren oder den Schadstoffeintritt beim kurzzeitigen Öffnen von Türen und Fenstern zu minimieren. Die Stärke des Überdrucks gibt die Wirksamkeit der Schadstoffunterdrückung an. Je höher der Überdruck, desto besser (darauf gehen wir später noch genauer ein).

(2) Das für einen Überdruck benötigte Luftvolumen ist begrenzt. Der Bedarf an Luftvolumen für einen Überdruck von 5 Pa und 10 Pa unterscheidet sich nur um etwa den Faktor 1/h. Warum also nicht beides nutzen? Offensichtlich ist es besser, den unteren Grenzwert für den Überdruck auf 10 Pa festzulegen.

(3) Der US-Bundesstandard (FS209A~B) schreibt vor, dass bei geschlossenen Ein- und Ausgängen der minimale Überdruckunterschied zwischen Reinraum und angrenzenden Bereichen mit niedrigerer Reinheit 0,05 Zoll Wassersäule (12,5 Pa) betragen muss. Dieser Wert wird in vielen Ländern übernommen. Allerdings ist ein höherer Überdruck im Reinraum nicht automatisch besser. Unsere seit über 30 Jahren durchgeführten praktischen Tests haben gezeigt, dass sich Türen bei einem Überdruck von ≥ 30 Pa nur schwer öffnen lassen. Ein unachtsames Schließen verursacht einen lauten Knall und kann erschreckend wirken. Bei einem Überdruck von ≥ 50–70 Pa pfeifen die Spalten zwischen Türen und Fenstern, was für empfindliche Personen oder solche mit bestimmten Beschwerden unangenehm sein kann. Die entsprechenden Spezifikationen und Normen vieler Länder im In- und Ausland legen jedoch keine Obergrenze für den Überdruck fest. Daher versuchen viele Betriebe lediglich, die Anforderungen der Untergrenze zu erfüllen, unabhängig von der Höhe der Obergrenze. In dem vom Autor untersuchten Reinraum betrug der Überdruck 100 Pa oder mehr, was zu erheblichen negativen Auswirkungen führte. Dabei ist die Regulierung des Überdrucks gar nicht so schwierig. Er lässt sich problemlos in einem bestimmten Bereich halten. Einem Dokument zufolge legt ein osteuropäisches Land einen Überdruck von 1–3 mm H₂O (ca. 10–30 Pa) fest. Der Autor hält diesen Bereich für angemessener.