Розуміння принципів чистого приміщення ФФУ

Коли я нещодавно відвідав завод з виробництва напівпровідників, мене вразила не так передова технологія виробництва мікросхем, як майже невидима інфраструктура, що невтомно працювала над ним. Стеля була вкрита тим, що виглядало як звичайні вентиляційні панелі, але ці блоки - вентиляторні фільтри (FFU) - насправді були неоспіваними героями, які підтримують незаймане середовище, необхідне для виробництва.

Вентиляторні фільтрувальні установки є наріжним каменем сучасної технології чистих приміщень. За своєю суттю, FFU поєднують систему вентиляторів з високоефективними фільтруючими матеріалами для подачі виключно чистого повітря в контрольоване середовище. На відміну від звичайних систем опалення, вентиляції та кондиціонування, ці спеціалізовані установки призначені для забезпечення односпрямованого ламінарного повітряного потоку, який змітає частинки з критично важливих процесів.

Базова архітектура FFU зазвичай включає в себе моторизовану крильчатку або вентилятор, камеру для розподілу повітря та кінцевий фільтр HEPA (високоефективний фільтр твердих частинок) або ULPA (фільтр повітря з наднизьким проникненням). Ця, на перший погляд, проста конструкція приховує складну техніку, що лежить в основі сучасних вентиляторні фільтрувальні установки які повинні підтримувати точний розподіл повітряних потоків, працюючи при цьому тихо та ефективно.

Від звичайних систем обробки повітря FFU відрізняє здатність подавати відфільтроване повітря безпосередньо в простір чистої кімнати з мінімальною турбулентністю. Це створює те, що інженери називають "ламінарним" або "односпрямованим" повітряним потоком - плавний, послідовний рух повітря, який ефективно змітає частинки з контрольованого середовища. Результатом є значне зменшення забруднення повітря порівняно зі звичайною вентиляцією з перемішуванням або розбавленням.

Зазвичай FFU монтуються в систему стельових решіток чистих приміщень, хоча вони також можуть бути інтегровані в стіни або навіть позиціонуватися як окремі блоки. Їх модульна природа дозволяє проектувальникам чистих приміщень створювати конфігурації, пристосовані до конкретних технологічних вимог. Щільність покриття - відсоток площі стелі, зайнятої FFU, - значно варіюється в залежності від необхідної класифікації чистоти: від майже 100% для найсуворіших умов до менш ніж 15% для базових контрольованих приміщень.

Розуміння фундаментальних принципів роботи FFU забезпечує необхідну основу для оцінки вимог до них за різними класифікаціями чистих приміщень. Як ми побачимо далі, технічні характеристики цих установок значно відрізняються залежно від необхідного рівня чистоти.

Системи та стандарти класифікації чистих приміщень

Здавалося б, просте питання "наскільки чистим є приміщення?" породило безліч міжнародних систем класифікації, які спочатку можуть здатися незрозумілими. Ці стандарти забезпечують основу для визначення відповідних вимог ФФУ до чистоти приміщень, що робить їх важливими для розуміння перед тим, як занурюватися в конкретні рекомендації.

Найбільш широко визнаним стандартом сьогодні є ISO 14644-1, який класифікує чисті приміщення на основі максимально допустимої концентрації частинок у повітрі. Ця система визначає дев'ять класів (від класу ISO 1 до класу ISO 9), причому клас ISO 1 є найчистішим. Кожна сходинка означає десятикратне збільшення максимально допустимої концентрації частинок. Наприклад, у чистому приміщенні класу ISO 5 допускається до 3520 частинок (≥0,5 мкм) на кубічний метр, тоді як у приміщенні класу ISO 6 допускається 35 200 частинок того ж розміру.

До прийняття стандарту ISO багато об'єктів дотримувалися Федерального стандарту США 209E, який використовував іншу схему нумерації, засновану на максимальній кількості частинок (≥0,5 мкм), дозволених в кубічному футі повітря. Хоча цей стандарт був офіційно скасований у 2001 році, ви все ще можете почути посилання на чисті приміщення "класу 100" або "класу 10 000" на багатьох об'єктах - це приблизно еквівалентно класу 5 та класу 7 ISO, відповідно.

Ось спрощене порівняння цих систем класифікації:

Хоча концентрація частинок визначає ці класифікації, досягнення і підтримання цих рівнів значною мірою залежить від частоти заміни повітря - кількості разів, коли весь об'єм повітря в чистій кімнаті замінюється щогодини. ISO 14644-4 містить вказівки щодо аспектів проектування та будівництва, включаючи рекомендації щодо частоти заміни повітря, хоча вони не є обов'язковими в стандарті класифікації.

Інші важливі стандарти, що впливають на вимоги до FFU в чистих приміщеннях, включають ISO 14644-3 (методи випробувань), керівні принципи GMP ЄС (особливо важливі для фармацевтичних застосувань), а також різні галузеві стандарти, наприклад, стандарти SEMI для виробництва напівпровідників.

Ці системи класифікації є основою для визначення конкретних вимог до фільтрів. Чим чистіша класифікація, тим суворішими стають вимоги до ефективності фільтрації, коефіцієнта покриття та швидкості заміни повітря, що безпосередньо впливає на кількість та специфікацію необхідних фільтрів.

Вимоги ФФУ до чистих приміщень класу ISO 1-3

Світ чистих приміщень класу ISO 1-3 являє собою вершину контролю забруднення - середовище настільки чисте, що навіть одна частинка пилу викликає значну стурбованість. Допомагаючи вводити в експлуатацію кілька заводів з виробництва напівпровідників, я на власному досвіді переконався, яких надзвичайних заходів потрібно вживати для підтримки цих надчистих умов.

Для таких критичних середовищ технічні характеристики FFU стають надзвичайно вимогливими. Коефіцієнт покриття - відсоток площі стелі, яку займають світильники - зазвичай наближається до 80-100%. У нещодавньому проекті чистого приміщення класу 2 ISO для виробництва пластин ми визначили коефіцієнт покриття 90%, а решту простору стелі було відведено під освітлення, системи протипожежного захисту та структурні опори.

Швидкість повітряного потоку - ще один важливий параметр. Для приміщень класу ISO 1-3 швидкість зазвичай коливається в межах 0,45-0,65 м/с (90-130 футів на хвилину), вимірюється на поверхні фільтра. Така висока швидкість у поєднанні з великою площею покриття забезпечує надзвичайну кількість необхідних змін повітря - часто 300-600 змін повітря на годину. Це створює потужний ефект "підмітання", який швидко видаляє будь-які утворені частинки до того, як вони встигнуть осісти на чутливих поверхнях.

Сам фільтруючий матеріал повинен відповідати високим стандартам. У той час як HEPA-фільтри (99,97% з ефективністю 0,3 мкм) можуть бути достатніми для середовищ класу 3 за стандартом ISO, ULPA-фільтри (99,9995% з ефективністю 0,12 мкм) часто призначені для чистих приміщень класу 1-2 за стандартом ISO. Під час нещодавнього процесу валідації ми спостерігали значний вплив заміни фільтрів H14 HEPA (≥99.995%) на фільтри U15 ULPA (≥99.9995%), що дозволило зменшити кількість частинок майже на порядок.

У "The високопродуктивні FFU, призначені для напівпровідникових середовищ також повинні враховувати проблеми вібрації. Навіть незначні вібрації можуть порушити такі чутливі процеси, як фотолітографія. Вдосконалені конструкції ПФУ включають віброгасильні кріплення двигуна та збалансовані колеса вентилятора, щоб звести цю проблему до мінімуму.

Системи керування для таких середовищ зазвичай мають індивідуальну адресацію FFU, що дозволяє точно налаштувати кожну одиницю. У нещодавньому проекті ми реалізували систему, яка могла незалежно контролювати понад 200 FFU, з автоматичною компенсацією, якщо будь-який окремий блок демонстрував дрейф продуктивності.

Напівпровідникова промисловість чудово ілюструє ці вимоги. Під час виробництва кремнієві пластини з елементами схеми розміром у лічені нанометри повинні залишатися абсолютно чистими від забруднень. Навіть мікроскопічна частинка може зробити цілу мікросхему вартістю в тисячі доларів абсолютно марною. На одному підприємстві, яке я відвідав, система FFU підтримувала рівень забруднення нижче 10 частинок (≥0,1 мкм) на кубічний метр - майже в 100 000 разів чистіше, ніж звичайне офісне повітря.

Ці суворі вимоги до ВФУ призводять до значних фінансових витрат. Капітальні витрати на одну лише FFU можуть перевищувати $1,000 за квадратний фут чистого приміщення для умов класу 1 за стандартом ISO. Крім того, споживання енергії для переміщення і фільтрації таких величезних обсягів повітря призводить до значних експлуатаційних витрат, які часто перевищують $100 на квадратний фут щорічно. Це пояснює, чому такі надчисті приміщення призначені лише для найбільш важливих виробничих процесів, де ризики забруднення виправдовують такі інвестиції.

Вимоги ФФУ до чистих приміщень класу ISO 4-6

Чисті приміщення класів ISO 4-6 займають важливу проміжну позицію в спектрі контролю забруднення, забезпечуючи баланс між суворими стандартами чистоти і практичними експлуатаційними міркуваннями. Ці середовища є основою фармацевтичного виробництва, виробництва медичних виробів і різних галузей точного машинобудування.

На відміну від майже повного покриття стелі, що спостерігається в більш суворих чистих приміщеннях, в приміщеннях класів 4-6 за ISO зазвичай використовується коефіцієнт покриття FFU 25-60%. Під час нещодавнього проектування фармацевтичного об'єкту ми визначили коефіцієнт покриття 35% для асептичної зони розливу класу 5 за ISO. Така конфігурація забезпечила приблизно 150 змін повітря на годину - достатньо для швидкого розведення та видалення мінімального забруднення, яке створюється операторами в спецодязі та автоматизованим обладнанням.

Вимоги до швидкості повітряного потоку в цих приміщеннях також дещо знижуються. У той час як для приміщень класів ISO 1-3 потрібна швидкість до 0,65 м/с, приміщення класів ISO 4-6 зазвичай працюють у діапазоні 0,35-0,45 м/с (70-90 футів на хвилину). Така знижена швидкість допомагає збалансувати контроль забруднення з енергоефективністю та комфортом оператора.

Вимоги до ефективності фільтрів залишаються суворими, при цьому фільтри H14 HEPA (ефективність ≥99,995% при MPPS) є типовою мінімальною специфікацією. Для фармацевтичних застосувань ці фільтри повинні додатково відповідати вимогам щодо тестування на герметичність, як зазначено у відповідних нормативних документах.

Планування і розташування ПВО набуває особливого значення в таких умовах. Замість рівномірного розподілу, характерного для напівпровідникових чистих приміщень, у приміщеннях класів ISO 4-6 часто використовується стратегічне розміщення ПФУ для створення "критичних зон" з посиленим захистом. Під час модернізації чистого приміщення для виробництва медичного обладнання ми сконцентрували блоки FFU безпосередньо над складальними станціями, зменшивши покриття в периферійних зонах, підтримуючи необхідну чистоту на робочих місцях і одночасно оптимізуючи загальну вартість системи.

Ось порівняльна характеристика типових специфікацій для цих класів:

Фармацевтичне виробництво ілюструє критичну важливість відповідних специфікацій FFU в цих середовищах. В асептичних виробничих зонах, де готуються стерильні лікарські засоби, підтримка умов класу 5 ISO безпосередньо навколо продукту має важливе значення для запобігання мікробному забрудненню. У цьому контексті, в першу чергу, слід звернути увагу на спеціалізовані ПФУ для фармацевтичних застосувань повинні забезпечувати надійну, стабільну роботу, відповідаючи при цьому суворим нормативним вимогам до документації та валідації.

Нещодавно я консультував підприємство з виробництва ін'єкційних лікарських засобів, де ми застосували гібридний підхід - створили умови класу ISO 5 безпосередньо на заправних станціях у більшому фоновому середовищі класу ISO 7. Така конфігурація захистила критичний процес, водночас суттєво зменшивши будівельні та експлуатаційні витрати порівняно з класифікацією всього простору за класом ISO 5.

Енергетичні наслідки вибору FFU в цих чистих приміщеннях залишаються значними, але більш керованими, ніж у більш суворих умовах. Добре спроектоване чисте приміщення класу ISO 5 може споживати на 30-60% менше енергії, ніж приміщення класу ISO 3 еквівалентного розміру, в першу чергу завдяки зменшенню потреб в заміні повітря і меншому перепаду тиску в системі фільтрації.

Вимоги ФФУ до чистих приміщень класу ISO 7-9

Чисті приміщення класів ISO a7-9 - це початковий рівень контрольованих середовищ, де контроль помірного забруднення відповідає практичним експлуатаційним міркуванням. Ці приміщення використовуються в різних галузях промисловості - від складання медичного обладнання до виробництва продуктів харчування, де повне усунення частинок не є необхідним, але контрольовані умови значно покращують якість і консистенцію продукції.

Вимоги ФФУ до цих середовищ значно відрізняються від більш суворих аналогів. Коефіцієнт покриття зазвичай коливається в межах 8-25% площі стелі - різке скорочення в порівнянні з більш чистими класифікаціями. Під час нещодавнього проектування пакувального цеху для медичних виробів класу 8 за стандартом ISO ми успішно застосували коефіцієнт покриття 15%, що забезпечило належний рівень чистоти та суттєво знизило як початкові, так і експлуатаційні витрати.

Швидкість заміни повітря також значно зменшується і зазвичай становить 5-30 змін на годину залежно від конкретного класу та застосування. Це

НАЙПОШИРЕНІШІ ЗАПИТАННЯ: Вимоги ФФУ до чистоти приміщень

Q: Що таке "Чиста кімната ФФУ" і як вона працює?
В: Блок вентиляторних фільтрів для чистих приміщень - це пристрій, який поєднує в собі вентилятор і фільтр HEPA або ULPA для подачі відфільтрованого повітря в чисте приміщення. Він монтується на стелі і протягує повітря через фільтр, створюючи ламінарний потік, який допомагає підтримувати чистоту, видаляючи забруднення.

Q: Які фактори визначають кількість FFU, необхідних для чистого приміщення?
В: Необхідна кількість FFU залежить від декількох факторів, включаючи розмір і планування чистого приміщення, рівень чистоти (за класифікацією ISO) і бажану кількість змін повітря на годину (ACH). Крім того, важливими факторами є тип і ефективність системи фільтрації повітря та схема повітряних потоків.

Q: Як розрахувати кількість FFU, необхідну для мого чистого приміщення?
В: Щоб оцінити кількість необхідних FFU, використовуйте формулу: Кількість блоків FFU = (ACH / 60) x (об'єм чистого приміщення / об'єм повітря в блоці FFU). Наприклад, для чистого приміщення ISO 5 може знадобитися від 7 до 13 блоків FFU залежно від потужності ACH і FFU.

Q: Які вимоги ФФУ до різних класів чистих приміщень ISO?
В: Різні класи ISO мають різні вимоги до FFU залежно від швидкості повітрообміну:

• ISO 5 (клас 100): Зазвичай вимагає 240-480 ACH, що вимагає більшої кількості FFU.
• ISO 7 (клас 10 000): Потребує близько 60-90 ACH, але меншої кількості FFU.
• ISO 8 (клас 100 000): Потребує найменшої кількості ACH, отже, менше FFU.

Q: Чи можна використовувати FFU з іншими системами чистих приміщень?
В: Так, FFU можна використовувати незалежно або в поєднанні з термінальними блоками та системами опалення, вентиляції та кондиціонування повітря для підвищення ефективності роботи в чистих приміщеннях. Така комбінація забезпечує більш ефективну фільтрацію повітря і кращий контроль над середовищем чистого приміщення.

Зовнішні ресурси

1. Розрахунок покриття фільтра вентилятора чистої кімнати - Цей ресурс містить детальний посібник з розрахунку кількості вентиляторних фільтрів (FFU), необхідних для чистого приміщення, на основі зміни повітря на годину та об'єму приміщення, безпосередньо розглядаючи вимоги до FFU для чистих приміщень.
2. ФФУ vs AHU за чисте приміщення - У цій статті порівнюються вентиляторні фільтрувальні установки (ВФУ) з припливно-витяжними установками (ВУП) в чистих приміщеннях, обговорюються їх переваги та застосування, що опосередковано пов'язано з вимогами до ВФУ.
3. Повний посібник з FFU (блок вентиляторних фільтрів) - Пропонує поглиблений погляд на FFU, включаючи їх типи, застосування та переваги у підтримці чистоти в приміщенні, хоча і не має спеціальної назви "Вимоги до FFU в чистому приміщенні".
4. Рекомендації щодо проектування чистих приміщень - Надає уявлення про дизайн чистих приміщень, включаючи розміщення ФФУ та покриття стелі, що має вирішальне значення для дотримання стандартів чистоти.
5. Як працює блок вентиляторного фільтра - Пояснює роботу та типи фільтрів, підкреслюючи їхню роль у фільтрації повітря в чистих приміщеннях, хоча й не зосереджується безпосередньо на "Вимогах до фільтрів для чистих приміщень".
6. Системи фільтрації повітря в чистих приміщеннях - Обговорюються різні системи фільтрації повітря, що використовуються в чистих приміщеннях, в тому числі FFU, які є важливими для дотримання вимог чистоти, хоча і не мають спеціальної назви "Вимоги до FFU в чистих приміщеннях".