Sie wissen, dass Sie einen Reinraum brauchen? Und Sie kennen bereits die einschlägigen Normen wie DIN ISO 14644 oder VDI 2083? In diesem Guide bekommen Sie einen Überblick, über die Kernthemen beim Reinraumbau und die nötigen Schritte zu ihrem fertigen Reinraum.
Reinräume und ultrareine Räume sind Räume, in denen die Luftpartikel auf ein Minimum reduziert sind. Diese Räume sind für bestimmte Herstellungsverfahren unerlässlich, insbesondere in der Halbleiterindustrie, wo selbst kleine Partikel in der Luft die Bildung integrierter Schaltkreise auf mikroskopischer Ebene beeinträchtigen können.
Die Reinraumtechnik findet auch in Bereichen wie Optik und Lasertechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Biowissenschaften, medizinische Forschung und Behandlung, Lebensmittel- und Arzneimittelherstellung sowie Nanotechnologie Anwendung.
Die Reinraumklassen werden in der EU in die Kategorien A, B, C und D eingeteilt und sind abhängig von der Branche und den Produktionsbedingungen.
Die Klassen haben unterschiedliche Anforderungen an die Partikelanzahl in der Luft.
Die Reinraumklasse A hat die höchsten Anforderungen mit einem Maximum von 3.520 Partikeln größer oder gleich 0,5 µm und 20 Partikeln größer oder gleich 5 µm im Ruhezustand und der gleichen Anzahl im Betriebszustand.
Klasse B erlaubt 3.520 Partikel größer oder gleich 0,5 µm und 29 Partikel größer oder gleich 5 µm im Ruhezustand und 352.000 Partikel größer oder gleich 0,5 µm und 2.900 Partikel größer oder gleich 5 µm im Betriebszustand.
Klasse C erlaubt 352.000 Partikel größer oder gleich 0,5 µm und 2.900 Partikel größer oder gleich 5 µm im Ruhezustand und 3.520.000 Partikel größer oder gleich 0,5 µm und 29.000 Partikel größer oder gleich 5 µm im Betriebszustand.
Die maximal zulässigen Partikel im Ruhe- und Betriebszustand für die Klasse D sind nicht definiert.
Übersicht der Anzahl der gemessenen Partikel einer bestimmten Größe in der Raumluft nach Volumeneinheit (m³ / ft³)
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Die VDI-Richtlinie 2083 definiert, was ein Reinraum ist und wie er funktioniert, einschließlich der notwendigen Überlegungen für den Betrieb von Reinräumen.
Sie bietet eine formelhafte, tabellarische und grafische Darstellung der Klassifizierung der Luftreinheit in Reinräumen und verwandten Bereichen und konzentriert sich auf die zulässige Konzentration luftgetragener Partikel am reinen Arbeitsplatz, wobei Partikel im Größenbereich von 0,1 µm bis 5 µm berücksichtigt werden.
Diese Richtlinie legt nicht nur die zulässige Partikelkonzentration pro Kubikmeter Luft fest, sondern umfasst auch umfassende Konzepte zur Kontrolle verschiedener Umweltfaktoren. Denn das Vorhandensein von Partikeln in der Raumluft wird nicht nur durch den Raum selbst bestimmt, sondern auch durch Menschen oder Prozesse, die Partikel freisetzen, sowie durch das Ein- und Ausströmen von Luft über Lüftungs- und Klimaanlagen.
Die Hauptverschmutzungsquellen in Reinräumen sind die Menschen, die sich dort bewegen und arbeiten, sowie die Maschinen und Geräte und die Transportmittel.
Die Menschen sind jedoch in der Regel die größte Schmutzquelle aufgrund von Haaren, Hautschuppen und der Abnutzung ihrer Arbeitskleidung.
Um die gewünschten Reinraumbedingungen aufrechtzuerhalten, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um das Eindringen unerwünschter Partikel in die Luft zu verhindern und vorhandene Partikel zu entfernen. Da menschliche Aktivitäten oft eine Hauptquelle für Verunreinigungen sind, tragen geeignete Kleidung, Werkzeuge und Techniken dazu bei, die erforderliche Reinraumklasse zu erhalten. Dazu können spezielles Reinraumpapier, Kleidung, Kopfhauben und Schuhüberzüge gehören.
Beim Betreten von Reinräumen müssen in der Regel mehrere Bereiche mit niedrigeren Reinheitsklassen durchlaufen werden, die jeweils einen Wechsel der Kleidung erfordern. Um eine Kontamination durch Schuhsohlen zu verhindern, werden an den Eingangsstellen klebrige Bodenmatten ausgelegt. Der Reinraum selbst kann nur durch Schleusen für Personal und Material betreten werden, die über starke Luftströmungen und Filtersysteme verfügen, um jegliche Partikel zu entfernen und eine weitere Kontamination von außen zu verhindern.
In bestimmten Reinräumen, z. B. in Operationssälen, müssen Personal und Besucher entweder einen Reinigungsprozess durchlaufen oder Schutzkleidung tragen.
Die in Reinräumen verwendeten Materialien sollten verschleißfeste Oberflächen haben. Ausrüstungen und Geräte sollten so konzipiert sein, dass sie den Luftstrom nur minimal beeinträchtigen. Alle Teile oder Maschinen, die in den Reinraum gelangen, müssen vorher gereinigt werden. Reinräume werden in der Regel mit Überdruckbelüftung betrieben, in einigen Fällen kann jedoch auch Unterdruck eingesetzt werden, um das Entweichen von gefährlichen Stoffen oder Krankheitserregern zu verhindern.
Elektrostatische Entladung (ESD)
Schutz vor ESD ist ebenfalls zu berücksichtigen, da unkontrollierte elektrostatische Entladungen die Halbleiterteile massiv beschädigen können.
Die höchste Gefahr geht dabei vom Menschen aus, der sich in Folge von Reibung elektrostatisch aufgeladen hat. Es sollte daher auf ESD-Schutzkleidung und ESD-Schutzzonen geachtet werden. Das schließt ESD-gerechte Regale und Böden sowie ableitende Verpackungen ein, um die elektrostatische Aufladung zu verhindern.
Laminar-Flow-Einheiten können partikel- und staubarme Umgebungen schaffen, in denen ein gereinigter vertikaler oder horizontaler Luftstrom und Vorhänge die Partikelkonzentration in der Luft reduzieren und die Ablagerung von Partikeln auf Produkten minimieren. Der Luftaufbereitungsprozess und die verwendeten Geräte sind darauf ausgelegt, Verunreinigungen sofort aus der Luft zu entfernen. Ein turbulenzarmer Verdrängungsstrom wird zusammen mit einer mehrstufigen Filterung und einer hohen Luftstromrate verwendet, um die Luftreinheit zu erhalten.
Es gibt zwei unterschiedliche Arten der Luftströmung in Reinräumen: Turbulente Verdünnungsströmung und turbulenzarme Verdrängungsströmung.
Bei der turbulenten Verdünnungsströmung wird saubere Luft verwirbelt in den Raum eingeleitet und verdünnt die Partikelkonzentration. Um die geforderte Reinraumklasse aufrechtzuerhalten, ist es wichtig, partikelbildende Objekte und Prozesse zu minimieren. Bei der turbulenzarmen Verdrängungsströmung, die auch als laminare Strömung bezeichnet wird, tritt die saubere Luft dagegen mit geringer Turbulenz in den Raum ein und strömt nach unten, wodurch die Kontamination in empfindlichen Bereichen und Maschinen verringert wird.
Die Luft verlässt dann den Raum und wird gefiltert, bevor sie wieder verwendet wird.
Laminarstrom bzw. Turbulenzarmeverdrängungsströmung
Jeder Reinraum sollte eine präzise Raumspülung beinhalten und dementsprechend strömungsgerecht gestaltet werden. In der Halbleiterherstellung wird Luft durch Feinstfilter (Typ HEPA H14 oder ULPA U15) in den Reinraum eingeleitet. Rückluft wird über perforierte Bodenplatten oder über eine bodennahe Absaugung in Rückluftschächten re-zirkuliert bzw. der Luftaufbereitung (Klimaanlage) zugeführt. In der Regel wird die Luft mit niedriger Luftgeschwindigkeit am Luftaustritt des Filters („laminar“) also turbulenzarm ausgeblasen.
Hier gilt es Luftverwirbelungen zu vermeiden, da kleinste luftgetragene Partikel die Tendenz haben können lange in der (turbulenten) Luft zu verweilen und sich dann irgendwo abzusetzen ohne über die Rückluft abgeführt zu werden.
Raumluft-Überdruck
Um das Eindringen von Verunreinigungen durch Wandöffnungen aus dem Bereich der Reinraumumgebung zu verhindern, herrscht ein leichter Überdruck im Reinraum.
Man beachtet hier eine sog. „Druck-Kaskade“. D.h. der Raum mit der höchsten Güte hat den höchsten Überdruck gegenüber den Räumen niedriger Reinraumklasse.
Reinraum-Test / Qualifizierung
Messungen und Qualifizierungen in Reinräumen und reinen Umgebungen dienen dem Nachweis der Partikelreinheitsklasse der Luft nach DIN/ISO 14644.
Dieser Nachweis wird beispielsweise nach der Installation, Wartung, aber auch in regelmäßigen Abständen beim Betrieb eines Reinraumes durchgeführt.
Hiermit lassen sich Änderungen der Reinraumgüte nachweisen, Qualitätsprobleme durch Partikelkontaminationen vermeiden,
sowie Veränderungen des Produktionsablaufes oder Fehlverhalten von Mitarbeitern im Reinraum aufspüren.
Die Reinraummessungen umfassen dabei die nachfolgenden Punkte:
- Sichtprüfung des Raumes
- die optische Prüfung der Filter und Vorfilter
- die Überprüfung des Luftvolumenstromes am Luftfilter, Luftgeschwindigkeit am Luftfilter
- die Bestimmung der Luftwechselzahl
- die Differenzdruckprüfung sowie den Dichtsitz der Filter
- die Raumluft-Temperatur und die Luftfeuchte
- die Zählung luftgetragener Partikel (Partikelmessung)
Anhand der statistischen Auswertung und Protokollierung dieser Messungen wird die erreichte Partikelreinheitsklasse der Luft nach DIN EN ISO 14644-1 bestimmt.
Die Ergebnisse werden in einem Prüfbericht zusammengestellt.
Zusätzlich kann eine Schalldruckpegelmessung durchgeführt werden, ein sog. Filter-Integritätstest, die Anzahl von Keimen in der Luft und auf Oberflächen bestimmt werden, sowie weitere Sicherheitsqualifizierungen, wie beispielsweise eine ESD-Messung im Raum und an den verschiedensten Bauteilen und Tests nach VDA 19 Richtlinien sind außerdem möglich.
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