Tìm hiểu phòng sạch đầy đủ 2023

Phòng sạch (Clear room) là một không gian được thiết kế, duy trì nồng độ rất thấp của các hạt trong không khí. Nó được cách ly tốt, kiểm soát tốt khỏi ô nhiễm và được làm sạch tích cực. Những phòng như vậy thường cần thiết cho nghiên cứu khoa học và trong sản xuất công nghiệp cho tất cả các quy trình cấp độ nano, chẳng hạn như sản xuất chất bán dẫn. Một phòng sạch được thiết kế để giữ mọi thứ từ bụi, đến các sinh vật trong không khí, hoặc các hạt bay hơi, tránh xa nó, và do đó, khỏi bất kỳ vật liệu nào đang được xử lý bên trong nó.

Ngược lại, một phòng sạch cũng có thể giúp giữ cho các vật liệu thoát ra khỏi nó. Đây thường là mục tiêu chính trong sinh học nguy hiểm và công việc hạt nhân , trong dược phẩm và virus học .

Phòng sạch thường đi kèm với mức độ sạch sẽ được định lượng bằng số lượng hạt trên một mét khối ở một phép đo phân tử được xác định trước. Không khí xung quanh ngoài trời trong một khu vực đô thị điển hình chứa 35.000.000 hạt trên mỗi mét khối có kích thước từ 0,5 μm trở lên, tương đương với phòng sạch được chứng nhận ISO 9. Bằng cách so sánh, phòng sạch được chứng nhận ISO 14644-1 cấp 1 không cho phép các hạt trong phạm vi kích thước đó và chỉ 12 hạt cho mỗi mét khối từ 0,3 μm trở xuống. Các cơ sở bán dẫn thường đạt cấp 7 hoặc 5, trong khi các cơ sở cấp 1 cực kỳ hiếm.

Phòng sạch được sử dụng để sản xuất các hệ thống vi mô. Ánh sáng màu vàng (đỏ-lục) là cần thiết cho quang khắc , để tránh sự tiếp xúc không mong muốn của chất cản quang với ánh sáng có bước sóng ngắn hơn.

Ảnh phòng sạch nhìn từ phía ngoài

Phòng sạch cho dụng cụ đo lường chính xác

Lối vào phòng sạch có buồng thổi khí khử khuẩn, hạt bụi

Phòng sạch cho sản xuất vi mạch điện tử, sử dụng FFU lắp đặt trên trần.

Trang phục phòng sạch điển hình

Phần lớn các cơ sở sản xuất mạch tích hợp ở Thung lũng Silicon được sản xuất bởi ba công ty: MicroAire, PureAire và Key Plastics. Những đối thủ cạnh tranh này đã tạo ra các thiết bị dòng chảy tầng, hộp đựng găng tay, phòng sạch và vòi tắm khí, cùng với các thùng hóa chất và băng ghế được sử dụng trong tòa nhà 'Quy trình ướt' của các mạch tích hợp. Ba công ty này là những người tiên phong trong việc sử dụng Teflon cho súng hơi, máy bơm hóa chất, máy lọc, súng nước và các thiết bị khác cần thiết để sản xuất mạch tích hợp. William (Bill) C. McElroy Jr. từng làm giám đốc kỹ thuật, giám sát phòng soạn thảo, QA/QC và nhà thiết kế cho cả ba công ty và các thiết kế của ông đã bổ sung thêm 45 bằng sáng chế ban đầu cho công nghệ thời bấy giờ. McElroy cũng đã viết một bài báo dài bốn trang cho Tạp chí MicroContamination, hướng dẫn đào tạo về chế biến ướt và hướng dẫn sử dụng thiết bị cho chế biến ướt và phòng sạch.

Phòng sạch có thể từ rất nhỏ đến rất lớn. Một mặt, phòng thí nghiệm một người dùng có thể được xây dựng theo tiêu chuẩn phòng sạch trong phạm vi vài mét vuông, và mặt khác, toàn bộ cơ sở sản xuất có thể được chứa trong một phòng sạch với sàn nhà máy rộng hàng nghìn mét vuông. Giữa lớn và nhỏ, cũng có phòng sạch mô-đun.Chúng đã được lập luận để giảm chi phí mở rộng quy mô công nghệ và ít bị ảnh hưởng bởi sự thất bại thảm khốc.

Với phạm vi ứng dụng rộng như vậy, không phải phòng sạch nào cũng giống nhau. Ví dụ, các phòng được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn không cần phải vô trùng (nghĩa là không có vi khuẩn không được kiểm soát), trong khi những cái được sử dụng trong công nghệ sinh học thường phải như vậy. Ngược lại, các phòng phẫu thuật không cần phải hoàn toàn sạch muối vô cơ ở kích thước nano, chẳng hạn như rỉ sét, trong khi công nghệ nano hoàn toàn yêu cầu điều đó. Sau đó, điều phổ biến đối với tất cả các phòng sạch là kiểm soát chặt chẽ các hạt trong không khí, có thể là khử nhiễm thứ cấp không khí, bề mặt, công nhân vào phòng, dụng cụ, hóa chất và máy móc.

Đôi khi các hạt thoát ra khỏi ngăn cũng là mối quan tâm, chẳng hạn như trong nghiên cứu về vi-rút nguy hiểm hoặc nơi xử lý các vật liệu phóng xạ .

Bên trong, không khí liên tục được tuần hoàn qua các bộ phận quạt có chứa bộ lọc hấp thụ hạt hiệu quả cao ( HEPA ) và/hoặc bộ lọc không khí có hạt cực thấp ( ULPA ) để loại bỏ các chất gây ô nhiễm được tạo ra bên trong. Các thiết bị chiếu sáng đặc biệt, tường, thiết bị và các vật liệu khác được sử dụng để giảm thiểu việc tạo ra các hạt trong không khí. Các tấm nhựa có thể được sử dụng để hạn chế sự nhiễu loạn không khí, nếu thiết kế phòng sạch thuộc loại luồng khí tầng.

Nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong phòng sạch được kiểm soát chặt chẽ, vì chúng ảnh hưởng đến hiệu quả và phương tiện lọc không khí. Nếu một căn phòng cụ thể yêu cầu độ ẩm đủ thấp để gây lo ngại về tĩnh điện, thì nó cũng sẽ được kiểm soát bằng cách ví dụ như đưa một lượng ion tích điện có kiểm soát vào không khí, sử dụng phóng điện hào quang. Phóng tĩnh điện là mối quan tâm đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử, nơi nó có thể phá hủy ngay lập tức các linh kiện và mạch điện.

Thiết bị bên trong bất kỳ phòng sạch nào được thiết kế để tạo ra ô nhiễm không khí ở mức tối thiểu. Việc lựa chọn vật liệu để xây dựng phòng sạch không được tạo ra bất kỳ hạt bụi nào, do đó lớp phủ sàn epoxy hoặc polyurethane nguyên khối được ưa chuộng hơn. Các tấm vách ngăn và tấm trần bằng thép không gỉ được đánh bóng hoặc thép nhẹ sơn tĩnh điện được sử dụng, thay vì các hợp kim sắt dễ bị gỉ và sau đó bong tróc. Tránh các góc như tường với tường, tường với sàn, tường với trần bằng cách cung cấp bề mặt có lớp phủ và tất cả các mối nối cần được trám kín bằng keo epoxy để tránh bất kỳ sự lắng đọng hoặc tạo ra các hạt tại các mối nối, do rung động và ma sát.

Nguyên tắc luồng không khí

Mô hình luồng không khí cho "phòng sạch hỗn loạn"

Mô hình luồng không khí cho "Phòng sạch dòng chảy tầng"

Phòng sạch duy trì không khí không có hạt thông qua việc sử dụng HEPA hoặc ULPA bộ lọc sử dụng các nguyên tắc luồng không khí tầng hoặc hỗn loạn. Hệ thống luồng không khí dạng lớp hoặc một chiều hướng không khí đã lọc đi xuống hoặc theo hướng nằm ngang theo một luồng không đổi về phía các bộ lọc đặt trên tường gần sàn phòng sạch hoặc qua các tấm sàn được đục lỗ nâng lên để được tuần hoàn. Các hệ thống luồng không khí dạng lớp thường được sử dụng trên 80% trần phòng sạch để duy trì quá trình xử lý không khí liên tục. Thép không gỉ hoặc các vật liệu không bong tróc khác được sử dụng để xây dựng các bộ lọc luồng không khí dạng tầng và mũ trùm để ngăn các hạt dư thừa xâm nhập vào không khí. Luồng không khí hỗn loạn hoặc không theo một hướng sử dụng cả mũ trùm luồng không khí dạng tầng và bộ lọc vận tốc không đặc hiệu để giữ cho không khí trong phòng sạch chuyển động liên tục, mặc dù không phải tất cả đều theo cùng một hướng. Không khí thô tìm cách bẫy các hạt có thể có trong không khí và đẩy chúng xuống sàn, nơi chúng đi vào các bộ lọc và rời khỏi môi trường phòng sạch. FDA Hoa Kỳ và EU đã đưa ra các hướng dẫn và giới hạn ô nhiễm vi sinh vật rất nghiêm ngặt để đảm bảo không bị nhiễm vi sinh vật trong các sản phẩm dược phẩm. Cũng có thể sử dụng các khoảng trống giữa bộ xử lý không khí và bộ lọc quạt cùng với thảm dính .

Ngoài máy lọc không khí, phòng sạch còn có thể sử dụng đèn tia cực tím để khử trùng không khí. Các thiết bị UV có thể được lắp vào các thiết bị chiếu sáng trên trần và chiếu xạ không khí, tiêu diệt các hạt có khả năng lây nhiễm, bao gồm 99,99% chất gây ô nhiễm vi khuẩn và nấm trong không khí.Tia UV trước đây đã được sử dụng để làm sạch các chất gây ô nhiễm bề mặt trong môi trường vô trùng như phòng mổ bệnh viện. Việc sử dụng chúng trong các phòng sạch khác có thể tăng lên khi thiết bị trở nên hợp lý hơn. Ưu điểm tiềm năng của khử nhiễm dựa trên tia cực tím bao gồm giảm sự phụ thuộc vào chất khử trùng hóa học và kéo dài tuổi thọ của bộ lọc HVAC.

Các loại phòng sạch khác nhau

Một số phòng sạch được giữ ở áp suất dương , vì vậy nếu có bất kỳ rò rỉ nào xảy ra, không khí sẽ thoát ra khỏi buồng thay vì không khí chưa được lọc đi vào. Đây là trường hợp điển hình nhất trong sản xuất chất bán dẫn, nơi mà ngay cả một lượng nhỏ hạt rò rỉ vào cũng có thể làm nhiễm bẩn toàn bộ quy trình , trong khi bất cứ thứ gì rò rỉ ra ngoài sẽ không gây hại cho cộng đồng xung quanh. Điều ngược lại được thực hiện, ví dụ như trong trường hợp phòng thí nghiệm sinh học cấp cao xử lý vi khuẩn hoặc vi rút nguy hiểm; chúng luôn được giữ ở áp suất âm , với khí thải được đưa qua các bộ lọc hiệu suất cao và các quy trình khử trùng tiếp theo. Cả hai vẫn là phòng sạch, vì mức hạt bên trong được duy trì trong giới hạn rất thấp.

Một số hệ thống HVAC phòng sạch kiểm soát độ ẩm ở mức thấp đến mức cần có thêm thiết bị như máy ion hóa không khí để ngăn phóng tĩnh điện các vấn đề. Đây là một mối quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực kinh doanh chất bán dẫn, vì hiện tượng phóng tĩnh điện có thể dễ dàng làm hỏng các thiết kế mạch điện hiện đại. Mặt khác, các ion hoạt động trong không khí cũng có thể gây hại cho các bộ phận tiếp xúc. Vì lý do này, hầu hết công nhân trong các cơ sở điện tử và chất bán dẫn cao phải đi ủng dẫn điện khi làm việc. Phòng sạch ở mức độ thấp có thể chỉ yêu cầu giày đặc biệt, với đế hoàn toàn trơn tru, không bám bụi bẩn. Tuy nhiên, vì lý do an toàn, đế giày không được tạo ra nguy cơ trơn trượt. Việc tiếp cận phòng sạch thường chỉ giới hạn đối với những người mặc trang phục phòng sạch , bao gồm cả máy móc cần thiết.

Trong các phòng sạch mà các tiêu chuẩn về ô nhiễm không khí ít khắt khe hơn, lối vào phòng sạch có thể không có buồng thổi khí(Thiết bị AirShower). Phòng chờ (được gọi là "phòng đệm") được sử dụng để mặc quần áo phòng sạch. Thực tế này là phổ biến.

Các dạng không khí đưa vào phòng sạch

Có 2 dạng là : Tuần hoàn và đưa vào một lần

Các phòng sạch tuần hoàn đưa không khí trở lại vùng áp suất âm thông qua việc hồi lưu không khí ở thiết bị AHU. Sau đó, không khí được các bộ lọc quạt HEPA kéo trở lại phòng sạch. Không khí liên tục tuần hoàn và bằng cách liên tục đi qua bộ lọc HEPA để loại bỏ các hạt khỏi không khí mỗi lần. Một lợi thế khác của thiết kế này là điều hòa không khí có thể được kết hợp.

Phòng sạch một lượt hút không khí từ bên ngoài phòng sạch, đưa nó qua các bộ lọc quạt HEPA vào phòng sạch. Sau đó, không khí đi qua các tấm lưới thoát khí ra bên ngoài phòng sạch. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp hơn. Nhược điểm là tuổi thọ của bộ lọc quạt HEPA tương đối ngắn hơn, số lượng hạt kém hơn so với phòng sạch tuần hoàn và nó không thể lắp cùng thiết bị điều hòa không khí

Các vật liệu phổ biến như giấy , bút chì và vải làm từ sợi tự nhiên thường bị loại trừ vì chúng thải ra các hạt khi sử dụng.

Mức hạt thường được kiểm tra bằng máy đếm hạt và các vi sinh vật được phát hiện và đếm thông qua các phương pháp giám sát môi trường. Dụng cụ polyme sử dụng trong phòng sạch phải được xác định cẩn thận để tương thích về mặt hóa học với chất lỏng xử lý phòng sạch cũng như đảm bảo tạo ra mức độ tạo hạt thấp.

Khi làm sạch, chỉ sử dụng giẻ lau và xô đặc biệt. Hóa chất tẩy rửa được sử dụng có xu hướng liên quan đến các phần tử dính để giữ bụi và có thể cần bước thứ hai với dung môi trọng lượng phân tử nhẹ để làm sạch. Nội thất phòng sạch được thiết kế trước để tạo ra ít hạt nhất và dễ lau chùi.

Ô nhiễm của con người đến phòng sạch

Mối đe dọa lớn nhất đối với ô nhiễm phòng sạch đến từ chính người dùng.Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và dược phẩm, việc kiểm soát vi sinh vật là rất quan trọng, đặc biệt là các vi sinh vật có khả năng lắng đọng vào luồng không khí từ quá trình lột da. Nghiên cứu hệ vi sinh vật trong phòng sạch có tầm quan trọng đối với các nhà vi sinh học và nhân viên kiểm soát chất lượng để đánh giá các thay đổi về xu hướng. Sự thay đổi trong các loại hệ vi sinh vật có thể chỉ ra những sai lệch so với "chuẩn mực" chẳng hạn như các chủng kháng thuốc hoặc các vấn đề với thực hành làm sạch.

Khi đánh giá các vi sinh vật trong phòng sạch, hệ thực vật điển hình chủ yếu là những loài có liên quan đến da người (cầu khuẩn Gram dương), mặc dù các vi sinh vật từ các nguồn khác như môi trường (dây Gram dương) và nước (Gram âm) cũng được phát hiện. , mặc dù với số lượng thấp hơn. Các loại vi khuẩn phổ biến bao gồm Micrococcus , Staphylococcus , Corynebacterium và Bacillus , và các loại nấm bao gồm Aspergillus và Penicillium .

Phân loại và tiêu chuẩn hóa phòng sạch

Khoang xử lý phòng sạch của Cơ sở xử lý Trạm vũ trụ KSC . NASA duy trì tiêu chuẩn loại 100.000 trong SSPF

Phòng sạch được phân loại theo số lượng và kích thước của các hạt cho phép trên một thể tích không khí. Các số lớn như "loại 100" hoặc "loại 1000" đề cập đến FED-STD-209E và biểu thị số lượng hạt có kích thước 0,5 μm hoặc lớn hơn được phép trên mỗi foot khối không khí. Tiêu chuẩn cũng cho phép nội suy; ví dụ SNOLAB được duy trì dưới dạng phòng sạch cấp 2000.

Máy đếm hạt trong không khí rời rạc, tán xạ ánh sáng được sử dụng để xác định nồng độ của các hạt trong không khí, bằng và lớn hơn kích thước quy định, tại các vị trí lấy mẫu được chỉ định.

Các số nhỏ đề cập đến các tiêu chuẩn ISO 14644-1 , trong đó chỉ định logarit thập phân của số lượng hạt 0,1 μm hoặc lớn hơn được phép trên mỗi m ³ không khí. Vì vậy, ví dụ, phòng sạch ISO loại 5 có tối đa 10 ⁵ hạt/m ³ .

Cả FS 209E và ISO 14644-1 đều giả định mối quan hệ log-log giữa kích thước hạt và nồng độ hạt. Vì lý do đó, không tồn tại nồng độ hạt bằng không. Một số loại không yêu cầu thử nghiệm một số kích thước hạt, vì nồng độ quá thấp hoặc quá cao để có thể thử nghiệm thực tế, nhưng những mẫu trắng như vậy không nên được đọc là không.

Vì 1 m ³ bằng khoảng 35 ft ³ , hai tiêu chuẩn hầu như tương đương nhau khi đo các hạt 0,5 μm, mặc dù các tiêu chuẩn thử nghiệm khác nhau. Không khí trong phòng thông thường ở khoảng cấp 1.000.000 hoặc ISO 9.

ISO 14644-1 và ISO 14698

ISO 14644-1 và ISO 14698 là các tiêu chuẩn phi chính phủ do Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) phát triển. Cái trước áp dụng cho phòng sạch nói chung (xem bảng bên dưới); thứ hai đến phòng sạch nơi ô nhiễm sinh học có thể là một vấn đề. Vì các tiêu chuẩn khắt khe nhất chỉ đạt được cho các ứng dụng trong không gian nên đôi khi rất khó để biết liệu chúng đạt được trong điều kiện chân không hay tiêu chuẩn.

ISO 14644-1 xác định nồng độ tối đa của các hạt trên mỗi loại và trên mỗi kích thước hạt theo công thức sau:

Cn : Nồng độ hạt tối đa của các hạt trong một thể tích 1m3 của các hạt trong không khí bằng hoặc lớn hơn kích thước hạt được xem xét được làm tròn đến số nguyên gần nhất, sử dụng không quá ba chữ số có nghĩa. là số lớp ISO, ${\displaystyle \text{D}}$ là kích thước của hạt trong ${\displaystyle \mathrm{<font\; \_msthash="227"\; \_mstmutation="1"\; \_msttexthash="86996">�</font>}}$m và 0,1 là một hằng số được biểu thị bằng ${\displaystyle \mathrm{<font\; \_msthash="231"\; \_mstmutation="1"\; \_msttexthash="86996">�</font>}}$m. Kết quả cho kích thước hạt tiêu chuẩn được thể hiện trong bảng sau.

Phân loại GMP EU

Các hướng dẫn GMP của EU nghiêm ngặt hơn các hướng dẫn khác, yêu cầu phòng sạch phải đáp ứng số lượng hạt khi vận hành (trong quá trình sản xuất) và khi nghỉ ngơi (khi quá trình sản xuất không được thực hiện, nhưng Hệ thống AHU luôn hoạt động).