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无尘室

日期:2022-01-19 01:02
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摘要:

  

无尘室

无尘室(Clean Room),亦称为无尘室或清净室。它是污染控制的基础。没有无尘室,污染敏感零件不可能批量生产。在 FED-STD-2里面,无尘室被定义为具备空气过滤、分配、优化、构造材料和装置的房间,其中特定的规则的操作程序以控制空气悬浮微粒浓度,从而达到适当的微粒洁净度级别。无尘室是指将一定空间范围内之空气中的微粒子、有害空气、**等之污染物排除,并将室内之温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内,而所给予特别设计之房间。

概述

无尘室中不论外在之空气条件如何变化,其室内均能俱有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度及压力等性能之特性。

无尘室*主要之作用在于控制产品(如硅芯片等)所接触之大气的洁净度日及温湿度,使产品能在一个良好之环境空间中生产、制造,此空间大家称之为无尘室。按照国际惯例,

  无尘室

无尘净化级别主要是根据每立方米空气中粒子直径大于划分标准的粒子数量来规定。也就是说所谓无尘并非100%没有一点灰尘,而是控制在一个非常微量的单位上。当然这个标准中符合灰尘标准的颗粒相对于大家常见的灰尘已经是小的微乎其微,但是对于光学构造而言,哪怕是一点点的灰尘都会产生非常大的负面影响,所以在光学构造产品的生产上,无尘是必然的要求。

如表所示,每立方米将小于0.5微米粒径的微尘数量控制在3500个以下,就达到了国际无尘标准的A级。目前应用在芯片级生产加工的无尘标准对于灰尘的要求高于A级,这样的高标主要被应用在一些等级较高芯片生产上。微尘数量被严格控制在每立方米1000个以内,这也就是业内俗称的1K级别。

控管项目

能除去空气中飘游之微

  无尘室

尘粒子。

能防止微尘粒子之产生。

温度和湿度之控制。

压力之调节。

有害气体之排除。

结构物与隔间之气密性。

静电之防制。

电磁干扰预防。

安全因素之考虑。

节能之考量。

照度的的调节

浮游菌及沉降菌的控制

分类

1.乱流式(Turbulent Flow)

空气由空调箱经风管与无尘室内之空气过滤器(HEPA)进入无尘室,并由无尘室两侧隔间墙板或高架地板回风。气流非直线型运动而呈不规则之乱流或涡流状态。乱流无尘室靠送风气流不断稀释室内空气,将污染空气逐渐稀释,来实现洁净的。气次数决定定义中的净化级别(换气次数越多,净化级别越高)。此型式适用于无尘室等级1,000-100,000级。

优点:构造简单、系统建造成本,无尘室之扩充比较容易,在某些特殊用途场所,可并用无尘工作台,提高无尘室等级。

缺点:乱流造成的微尘粒子于室内空间飘浮不易排出,易污染制

  无尘室

程产品。另外若系统停止运转再激活,欲达需求之洁净度,往往须耗时相当长一段时间。

2.层流式(Laminar)

层流式空气气流运动成一均匀之直线形,空气由覆盖率100%之过滤器进入室内,并由高架地板或两侧隔墙板回风,此型式适用于无尘室等级需定较高之环境使用,一般其无尘室等级为Class 1~100。其型式可分为二种:

水平层流式:水平式空气自过滤器单方向吹出,由对边墙壁之回风系统回风,尘埃随风向排出室外,一般在下流侧污染较严重。

优点:构造简单,运转后短时间内即可变成稳定。

缺点:建造费用比乱流式高,室内空间不易扩充。

垂直层流式:房间天花板完全以ULPA过滤器覆盖,空气由上往下吹,可得较高之洁净度,在制程中或工作人员所产生的尘埃可快速排出室外而不会影响其它工作区域。

优点:管理容易,运转开始短时间内即可达稳定状态,不易为作业状态或作业人员所影响。

缺点:构造费用较高,弹性运用空间困难,天花板之吊架相当占空间,维修更换过滤器较麻烦。

3.复合式(Mixed Type)

复合式为将乱流式及层流式予以复合或并用,可提供局部超洁净之空气。

洁净隧道(Clean Tunnel):HEPAULPA过滤器将制程区域或工作区域100%覆盖使洁净度等级提高至10级以上,可节省安装运转费用。

此型式需将作业人员之工作区与产品和机器维修予以隔离,以避免机器维修时影响了工作及品质,ULSI制程大都采用此种型式。

洁净隧道另有二项优点:A.弹性扩充容易; B.维修设备时可在维修区轻易实行。

洁净管道(Clean Tube):将产品流程经过的自动生产线包围并净化处理,将洁净度等级提至100级以上。因产品和作业员及发尘环境相互隔离,少量之送风即可得到良好之洁净度,可节省能源,不需人工的自动化生产线为*适宜使用。药品、食品业界及半导体业界均适用。

并装局部无尘室(Clean Spot):将无尘室等级10,000~100,000之乱流无尘室内之产品制程区的洁净度等级提高为10~1000级以上,以为生产之用;洁净工作台、洁净工作棚、洁净风柜即属此类。

洁净工作台:等级Class 1~100级。

洁净工作棚:为在乱流式之无尘室空间内以防静电之透明塑料布围成一小空间,采用独立之HEPAULPA及空调送风机组而成为一较上等之洁净空间,其等级为10~1000级,高度在2.5左右,覆盖面积约10m2以下,四支支柱并加装活动轮,可为弹性运用。

无尘室分类对比

 

乱流式

层流式

复合式

水平层流式

垂直层流式

洁净隧道

洁净管道

局部无尘

洁净度

Class1000~100000

Class100~1000

全区Class 100

隧道内Class100

Class 100

*靠近面Class100~1000

换气次数 (次/时)

15~80

100~300

300~500

隧道内500~1000

100~300

100~300

风速(m/s

1~3

0.45~0.6

0.25~0.4

0.3~0.5

0.25~0.5

0.25~0.45

正压度(mm wg

0.5~1.5

1.0~2.0

1.5~2.5

1.0~2.0

1.0~2.5

1.0~3.0

相关概念:

自净时间:是指无尘室按设计换气次数开始送风到无尘室,室内含尘浓度达到所设计的净化级别的时间。1,000级希翼不超过20min(分钟,可取15min计算)10,000级希翼不超过30min(分钟,可取25min计算)100,000级希翼不超过40min(分钟,可取30min计算)

换气次数(按上述自净时间要求设计)1,000 43.5-55.3/小时(规范:50/小时)10,000 23.8-28.6/小时(规范:25/小时)100,000 14.4-19.2/小时(规范:15/小时)

气流流动

无尘室的洁净度往往受到气流的影响,换言之,即人、机器隔间、建筑结构等所产生的尘埃之移动、扩散受到气流的支配。

无尘室系利用HEPAULPA过滤空气,其尘埃的收集率达99.97~99.99995%之多,因此经过此过滤器过滤的空气可说十分干净。然而无尘室内除了人以外,尚有机器等之发尘源,这些发生的尘埃一旦扩散,即无法保持洁净空间,因此必须利用气流将发生的尘埃迅速排出室外。

无尘室内的气流是左右无尘室性能的重要因素,一般无尘室的气流速度是选0.25~0.5m/s之间,此气流速度属微风区域,易受人、机器等的动作而干扰趋于混乱、虽提高风速可抑制此一扰乱之影响而保持洁净度、但因风速的提高,将影响运转成本的增加,所以应在满足要求的洁净度水准之时,能以*适当的风速供应,以达到适当的风速供应以达到经济性效果。

另一方面欲达到无尘室洁净度之稳定效果,均一气流之保持亦为一重要因素,均一气流若无法保持,表示风速有异,特别是在壁面,气流会延着壁面发生涡流作用,此时要实现高洁净度事实上很困难。

垂直层流式方向要保持均一气流必须:(a)吹出面的风速不可有速度上的差异;(b)地板回风板吸入面之风速不可有速度上的差异。速度过低或过高(0.2m/s0.7m/s)均有涡流之现象发生,而0.5m/s之速度,气流则较均一,目前一般无尘室,其风速均取在0.25~0.5m/s之间。

影响无尘室的气流因素很多,如制程设备、人员、无尘室组装材、照明器具等,同时对于生产设备上方气流的分流点,亦应列入考虑因素。

一般操作台或生产设备等表面的气流分流点,应设于无尘室空间与隔墙板间距2/3之处,如此可使作业人员工作时,气流可从制程区内部流向作业区,而将微尘带走;若分流点配置在制程区前方,将成为不当的气流分流,此时大部分的气流将流至制程区之后,作业员操作所引起的尘埃将被带到设备后面,工作台因而将受到污染,良率也势必降低。

无尘室内的工作桌等障碍物,在相接处均会有涡流现象发生,相对地在其附近之洁净度将会较差,在工作桌面钻上回风孔,将使涡流现象减少*低;组装材料之选择是否恰当、设备布局是否完善,亦为气流是否成为涡流现象之重要因素。

构成

无尘室的构成是由下列各项系统所组成(在所组成的系统分子中是缺一不可的),否则将无法构成一完整且品质良好的无尘室:

天花板系统

包括吊杆(Ceiling rod)、纲梁(I-BeamU-Beam)、天花板格子梁(Ceiling gridCeilingframe)。

空调系统

包括空气舱、过滤器系统、风车等。

隔墙板(Partitional wall)

包括窗户、门。

地板

包括高架地板或防静电地板、以及环氧自流平及滚涂地面。

照明器具

包括日光灯、黄色灯管等。

无尘室之建筑主体构造

一般是用钢筋或骨水泥,但无论是何种构造,必须满足如下之条件:

A.不会因温度变化与振动而发生裂痕;

B.不易产生微尘粒子,且很难附着粒子;

C.吸湿性小;

D.为了维持室内之湿度条件,热绝缘性要高;

用途分类

、工业无尘室

——以无生命微粒的控制为对象。主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染,内部一般保持正压状态。它适用于精密机械工业、电子工业(半导体、集成电路等)宇航工业、高纯度化学工业、原子能工业、光磁产品工业(光盘、胶片、磁带生产)LCD液晶玻璃)、电脑硬盘、电脑磁头生产等多行业。

、生物无尘室

主要控制有生命微粒(**)与无生命微粒(尘埃)对工作对象的污染。又可分为;

A、 一般生物无尘室,主要控制微生物(**)对象的污染。同时其内部材料要能经受各种**剂侵蚀,内部一般保证正压。实质上其内部材料要能经受各种**处理的工业无尘室。例:制药工业、医院(手术室、无菌病房)食品、化妆品、饮料产品生产、动物实验室、理化检验室、血站等。

B、 生物学安全无尘室:主要控制工作对象的有生命微粒对外界和人的污染。内部要保持与大气的负压。例:**学、生物学、洁净实验室、物物工程(重组基因、疫苗制备)

污染源

1、发尘量

无尘室内的发尘量,来自设备的可考虑通过局部排风排除,不流入室内;产品,材料等在运送过程中的发尘与人体发尘量相比,一般极小,可忽略;由于金属半壁(彩钢夹心板)的应用来自建筑表面的发尘也很少,一般占10%以下,发尘主要来自人,占90%左右。在人的发尘量上,由于服装材料和样式的改进,发尘优良量也不断减少。

A、材质:棉质发尘量*大,以下依次为棉、的确良、去静电纯涤纶、尼龙。

B、样式:大挂式发尘量*大,上下分装型次之,全罩型*少;

C、活动:动作时的发尘量一般达到静止时间3-7倍;

D、清洗:用溶剂洗涤的发尘量降至用一般水清洗的五分之一。

室内维护结构表面发尘量,以地面为准,大约相应8平方米地面时的表面发尘量与一个静止的人的发尘量相当。

2、发菌量

工作人员产生的污染

1)皮肤:人类通常每四天完成一次皮肤的完全脱换,人类每分钟脱落约1000片皮肤(平均大小为30*60*3微米)

2)头发:人类的头发(直径约为50~100微米)一直在脱落。

3)口水:包括钠、酶、盐、钾、氯化物及食品微粒。

4)日常衣物:微粒、纤维、硅土、纤维素、各种化学品和**。

5)人类静止和坐立每分钟将产生10000个大于0.3微米的微粒。

6)人类在头部和躯干做动作时每分钟将产生1000000个大于0.3微米的微粒。

7)人类以0.9m/s的速度行走时每分钟将产生5000000个大于0.3微米的微粒。

分析国外试验资料可以认为

无尘室内当工作人员穿无菌服时:

静止时的发菌量一般为10-300/min.

躯体一般活动时的发菌量为 150-1000/min.

快步行走时的发菌量为 900-2500/min.

咳嗽一次一般为 70~700/ min.

喷嚏一次一般为 4000~62000/ min.

穿平常衣服时发菌量 3300~62000/ min.

无口罩发菌量:有口罩发菌量 1:7~1:14

发菌量:发尘量 1:500~1:1000 据国内事例:

手术中人员发菌量 878/ min.

所以,可知无尘室内无菌衣人员的静态发菌量一般不超过300/ min.人,动态发菌量一般不超过1000/ min/人,以此作为计算依据是可行的。

特性

l)耐久性;成本;适应性;可维护性;清洗。

耐久性

无尘室要有符合环境、无尘室内部的清洗溶液及振动、设备、空气过滤系统的耐久材料。而耐久性,同时也依赖无尘室等级来建造。半导体 Fabs 倾向选择铝,基于它的耐久性,然而,它不是便宜的物质。

清洗

在制药和生物工学工业,无尘室的墙壁需要有容易被清洗和擦拭,直到防止滤过性病毒或**的污染之特性。在 biotech 市场,清洗真正地是一个*重要的企业。

成本

微电子 C/R 建设费可能花费到亿。fab 能更快的被建造起来,产品也就能更快达到这市场。许多半导体企业的口号是较便宜和较好的。然而 "" 将成为一个很重要的考虑因素。

适应性

一些厂商认为适应性可节省一笔**,而适应性意指系统可任意移动或改变而不会招**大的损失。C/R 的拥有者和设计者的能力为改变一 C/R的关键,所以他们从不将*初的设计定型。

维护性

对无尘室 C/R 而言,较严格要求的部分为地板、天花板,以及墙壁的部分。至于维修的问题,对材料的选择是否容易清洁性及维修性都应有其优先级。在应用力面、天花板、地板及墙壁三者之中*重要的为天花板,其包含 HEPA 及 ULPA 等滤网,其可过滤掉房间的微粒子,且其常会因各个不同的需要,便其分开来,供应各个不同区域的小房间,曾有人说:若建造之预算因某种原因被限制,除了少数的小钱外,其天花板将趋于更贵的地步,其实天花板是一个颇复杂的系统其必须严格地过滤粒子,故其设计必须**。

许多了解无尘室的人都赞同,**次拥有无尘室的拥有者,应使用较好之C/R 建筑或工程设计企业或了解建筑 C/R 设计之建筑承包商若假设他们不了解, 则必会浪费一大笔不必要花的钱,故选择一建造C/R 的企业也是非常重要的。

C/R 而言,其选择地板的材料也是很重要的。低廉的 C/R 地板覆盖着一层乙烯基在薄板上,若太硬的地板覆盖会引起尘埃,而太软的地板会造成地板弯曲甚致破裂,但并不是所有 C/R 的地板,都会覆盖,乙烯基。有些地板是冲孔式、格子式,而**层流都是冲孔式。

乙烯基有一作用即脱氧,但高浓度乙烯基与其它物若混合的话将会有减低脱氧的效果,而无尘室的墙若以铝作为材料则将会非常昂贵,但铝却可以保护墙面不被空气所氧化,可是却易受酸性气体的侵蚀,而避免的方法是使用电镀,便铝表面增厚,不易氧化,再在铝表面上再涂上一层亮光漆即可防止金属氧化。

对于半导体工业而言,无尘室是一必要且不可缺之设备,其对空气中的粒子要求非常之严格,故对天花板、墙壁、地板的要求亦非常严格。地板是人员、台车及重量的运输,而**地板所用者大部分为**药品及化学药品,当大家看见地板磨损时,也就是使用期已太久,快破裂了,不仅会使得清静度的降级,也会因地板的磨损而发生空气中粒子的增加。

另外,C/R*怕的就是粒子泄漏。天花板中的滤网有很多种。例如层流式 C/R 而花板的组成组件包含了HEPA/ULPA 滤网组灯光组亦有可能包含空白的嵌板,这类型的天花板优点为,放置方式并没有严格的限制。

C/R 之墙壁还有一种是以薄钢制成,但必须在表层涂上一层保护层,否则亦会腐蚀,它并不容易电镀,而在表层涂上的保护层会变得易碎,很容易剥落,但若选择高质量的不锈钢,就不必涂上保护层7,而使用玻璃作的 C/R 会使得房间的光线大增,以及美观,但必须涂上一抗紫外线的障碍物,且可以视觉互通,较不会产生幽闭恐惧症。

空调选用

本篇文章所讨论到问题就是选用清净室之 AHU 所应考虑到的问题。对每个工程师或设计师而言,选用清净室的空调系统大概是*复杂的问题之一,因为清净室之空调条件要比平常的空调区间来的复杂且较严格,人都用于医院、药品制造、精密电子零件制造场等。

选用正确的设备是设计者应尽的义务。本篇文章将其分成几个部分作讨论,吾将其作为整理后作成下列报告。

(一) 就政府法令而言

各个国家政府对清净式的设计条件要求不同,应注意设计时政府之时令。设计清净室之 AHU 应府合 FDA 法规或 EPA 排放空气法则。IAQ 已渐渐被重视,设计时应注意 IAQ 之法规。视使用场合而定,过滤方法又可分成机械过滤法与化学过滤法。初级过滤,中级过滤,高效过滤与无菌的环境以机械过滤法即能达成。为达到排气之环境要求化学洗涤器 (scrubber) ,焚化炉或更多的机械及化学过滤设备必需被应用。活性碳或高锰酸盐能有效达到化学过滤的要求。

(二) 就成本而言

在一些外表特殊的建筑物中,那些增加的设计和设备使用的费用在长期的利益中须作正确的判断。在一些特别的应用上,通常都习惯设计两至三次的过滤以达到所要求的状态。传统的清净室若遇上要求较为严格的部分时,设计必须有许多额外加价的部分。清净室应尽量避免停机的现象,在建造的成本里必须注意耐久性及可*度。在风门调整上,设计者设计时,对温度及湿度的要求不同,就像是在设计人们的居住环境一般。在居住环境中,停机期和温湿度上的要求较放置设备上来得高。所以质量上及所提供的服务成果是不能忽视的。在特殊的清净室传送或接收的设备,在错误修改应用上费用是比较昂贵的,且若不能与设计图上一样,可能会无法实行。在设计特殊的清净室时,建筑的成本中包括运转成本,而运转成本又包括须能持续运转的马达成本及修护成本。成本的归纳有装置费,持续运转费,维修费。计算运转成本必须考虑到能量的消耗及效率的高低。就高效率或新机台启动前,会先引进外气,这样对旋转的原动力、交流板、排气的管路和空气回流混合系统中,长期使用可保持较高的效率。在操作上和持续运转费用上必须考虑是否提高整个的设备费用。

(三) 就工作参数设定而言

特有的温度、湿度噪音、振动及运作的环境要求下,大部分将影响到设备的选用。就某些实例而言,温湿度的设定 点在可接受的范围内必须要维持在一个长时期或较完整的环境及过程。清净室的加热力法可用热水、水蒸气瓦斯和电能,可用冰水,乙醇或冷媒冷却。使用水蒸气、注射器、喷雾器及渗透的方法可以加湿。当评估加湿的来源时,特别要注意的是加湿过程和加湿的方法是否保证清洁。典型的清净室通风管理装置使用一个有吸取力或吸附力的物质去除大气中的湿气或使用低温乙醇螺管系统去湿。温湿度设定后,就必须考虑空气流量参数是否满足所需。典型的清净室必须维持在大气常压下。因此房内之压力及体积之值必须适当予以控制。风扇的噪音与震动必须被考虑上去。适当的装配器材及马达转速可避免不必要的噪音和振动。风扇结构可使用皮带驱动或直接驱动。风速控制及可变频率控制可以依体积需要来决定噪音及振动的限度。*普通的减振方法为装置弹簧基座、固定基座及将空调箱远离。常用的声音衰减器有可动式地板、缓冲机和风扇弯曲度及伸缩度控制。声音衰减器隔离风扇和设计成薄的特性,可降低几度音阶结合。除了粒子的控制之外,特别要考虑的有(a)带**的操作过程,(b)腐蚀物或有毒的化学物品,(c)挥发性或易爆发的药剂,(d)还有室内及排气的空气质量,(e)安全,(f)设备寿命和保养能力等。

(四) 就建筑考虑方面

空间的使用率会影响 AHU 的实际大小。保养门和通路仪表板的位置必须谨慎地决定,特别是位于小空间的设备。应防止表面凝结,除了涉及湿气作用和凝结在设备的外部之外,湿气对于空气传递设备内部构成要素也有不利的影响,混气对内部构成也有不利影响,将使寿命缩短,成本提高。湿气作用将会散布弊病和污染物,便得效率低的令人害怕。减低建筑物的腐蚀物质和铝、不锈钢或涂上一层合金,可以使用上列物质使清净室寿命增加。设计设备空间时,应保留适当的通路,以备打扫或维修用。对于铜制的、不锈钢制和铝制的盘管,应注意那种场合适用那些盘管。

(五) 就管理合成物的规格方法

详述一 C/R AHU 是一个极大的工作,并完全增加探讨和了解这加工方法能够提供其范围于 C/R环境,可使用的操作上和地理性的参数运用上也必须被估量。

有专业和有经验的 AHU 厂商能够协助使用者在使用上的复杂细节以使机器不会过量设计,此项重点在 C/R 设计阶段即应详加注意。

其要**否容易对材料的选择而言天花板中的滤网有许多种,其*怕的就是粒子泄漏。

洁净标准(GB50073-2001

空气洁净度等级[1]N

大于或等于所标粒径的粒子*大浓度限值(个/每立方米空气粒子)

0.1 um

0.2 um

0.3 um

0.5um

1um

5 um

ISO Class 1

10

2

 

 

 

 

ISO Class 2

100

24

10

4

ISO Class 3

1 000

237

102

35

8

ISO Class 4

10 000

2 370

1 020

352

83

ISO Class 5

100 000

23 700

10 200

3 520

832

29

ISO Class 6

1 000 000

237 000

102 000

35 200

8 320

293

ISO Class 7

 

352 000

83 200

2 930

ISO Class 8

 

3 520 000

832 000

29 300

ISO Class 9

 

35 200 000

8 320 000

293 000

注:由于涉及测量过程的不确定性,故要求用不超过三个有效的浓度数字来确定等级水平。

 

 

 

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