Reinraum in der Industrie
Die Wurzeln der Reinraumtechnik liegen in der Kerntechnik. Auch die Halbleiterindustrie erkannte früh die Notwendigkeit der Produktion in einer sehr sauberen Umgebung. Aber vor allem die zunehmende Miniaturisierung (Schichtdicken, Strukturbreiten, Funktionsmaße) und die stetig wachsenden Ansprüche an Präzision, sind für weitere Branchen Gründe, die Reinheit der Arbeitsumgebung zu kontrollieren. Erst die Fertigung in einer reinen Arbeitsumgebung ermöglicht die Durchführung und Beherrschung von reinheitskritischen Prozessen. So kommt die Reinraumtechnik bzw. Sauberraumtechnik in immer mehr Industriebranchen zum Einsatz wie zum Beispiel in der Elektronik- oder Automobilindustrie.
Bei der Reinraumtechnik muss besonders auf den Einsatz von geeigneten Betriebsmitteln geachtet werden. Alle Bestandteile der im Reinraum genutzten Betriebsmittel haben direkten Einfluss auf das zu produzierende Produkt. So ist die Reinraumtauglichkeit eines genutzten Betriebsmittels eine entscheidende Eigenschaft, um die erforderliche Qualität zu sichern.
Grundlagen der Reinraumtechnik
In einem Reinraum werden mithilfe verschiedener Maßnahmen (Lüftungstechnik, Bekleidung der Mitarbeiter, Auswahl an Materialien und Betriebsmitteln, …) die luftgetragenen Partikel kontrolliert, sodass eine festgelegte Grenze nicht überschritten wird. Dies dient der Erfüllung verschiedener Schutzziele. Je nach Anwendungsbereich geht es dabei um den Schutz von Produkten bzw. Prozessen (Produktschutz) oder um den Schutz des Menschen bzw. der Umwelt (Personalschutz).
Festgelegter Standard zur Definition eines Reinraumes sind Größe und Menge der auftretenden Partikel nach DIN EN ISO 14644-1. Grundlage hierfür war der US Federal Standard 209E, der lange Zeit international in der Industrie angewandt wurde, jedoch seit November 2001 offiziell nicht mehr gültig ist. Folgende Tabellen geben die maximale Anzahl der zugelassenen Partikel in den einzelnen Reinraumklassen nach der DIN EN ISO 16441-1 wieder (erste Tabelle in der Einheit Partikel/cft, die zweite Tabelle in der Einheit Partikel/m³).
Vergleich der Klassengrenzen der DIN EN ISO 14644-1 und des US Federal Standard 209E:
| ISO-Klasse | Höchstwert der zulässigen Konzentrationen (Partikel/cft) gleich der oder größer als die betrachteten Größen, die nachfolgend abgebildet sind (gerundete Werte) |
US Federal Standard 209E |
|||||
| ≥ 0,1 µm | ≥ 0,2 µmv | ≥ 0,3 µm | ≥ 0,5 µm | ≥ 1,0 µm | ≥ 5,0 µm | ||
| 1 | 0,3 | * | * | * | * | * | - |
| 2 | 3 | 1 | * | * | * | * | - |
| 3 | 28 | 7 | 3 | 1 | * | * | 1 |
| 4 | 283 | 67 | 29 | 10 | 2 | * | 10 |
| 5 | 2.832 | 671 | 289 | 100 | 24 | 1 | 100 |
| 6 | 28.321 | 6.712 | 2.889 | 997 | 236 | 8 | 1.000 |
| 7 | * | * | * | 9.967 | 2.356 | 83 | 10.000 |
| 8 | * | * | * | 99.674 | 23.559 | 830 | 100.000 |
| 9 | * | * | * | 996.744 | 235.594 | 8.298 | - |
*Werte sind nicht repräsentativ für eine Klassifizierung
Vergleich der Klassengrenzen der DIN EN ISO 14644-1 und des US Federal Standard 209E:
| ISO-Klasse | Höchstwert der zulässigen Konzentrationen (Partikel/m³) gleich der oder größer als die betrachteten Größen, die nachfolgend abgebildet sind |
US Federal Standard 209E |
|||||
| ≥ 0,1 µm | ≥ 0,2 µmv | ≥ 0,3 µm | ≥ 0,5 µm | ≥ 1,0 µm | ≥ 5,0 µm | ||
| 1 | 10 | * | * | * | * | * | - |
| 2 | 100 | 24 | 10 | * | * | * | - |
| 3 | 1.000 | 237 | 102 | 35 | * | * | 1 |
| 4 | 10.000 | 2.370 | 1.020 | 352 | 83 | * | 10 |
| 5 | 100.000 | 23.700 | 10.200 | 3.520 | 832 | * | 100 |
| 6 | 1.000.000 | 237.000 | 102.000 | 35.200 | 8.320 | 293 | 1.000 |
| 7 | * | * | * | 352.000 | 83.200 | 2.930 | 10.000 |
| 8 | * | * | * | 3.520.000 | 832.000 | 29.300 | 100.000 |
| 9 | * | * | * | 35.200.000 | 8.320.000 | 293.000 | - |
*Werte sind nicht repräsentativ für eine Klassifizierung
Testverfahren zur Überprüfung der Reinraumtauglichkeit
Alle Produkte werden nach den Anforderungen der DIN EN ISO 14644-14 (früher VDI 2083 Blatt 9.1) auf Reinraumtauglichkeit getestet. Eine solche Messung muss in einem Reinraum (gemäß ISO 14644-1) stattfinden, der mindestens eine Klasse besser ist als die angestrebte Eignung, für deren Tauglichkeit das Produkt zertifiziert werden soll. Ausnahme ist eine angestrebte Eignung für Klasse 1.
Um beim Einschleusen des Prüfobjekts in die reine Testumgebung keine störenden Partikel einzuführen, wird es zuvor mit einem Reinstwasser-Isopropanolgemisch einer Wischreinigung unterzogen und mit Reinstdruckluft angeblasen. Zusätzlich läuft das Produkt 24 Stunden vor der Zertifizierungsmessung im Reinraum ein. So wird sichergestellt, dass vorherige Verunreinigungen abgelöst werden, die tribologisch beanspruchten Elemente (Reibungsbeanspruchung) eingelaufen sind und die folgende Messung davon nicht beeinflusst wird.
Nun wird das Prüfobjekt mithilfe eines optischen Partikelzählers (OPS) analysiert, um mögliche Partikelquellen zu identifizieren. An diesen Stellen wird beim Messverfahren eine Partikelsonde angebracht. Meist entstehen diese Partikelquellen an Orten, an denen im Betrieb eine tribologische Beanspruchung besteht. Bei der anschließenden Qualifizierungsmessung, mit einer Dauer von 100 Minuten, wird die Partikelemission je Messstelle ermittelt. Mithilfe einer statistischen Auswertung, wie sie in der Norm ISO 14644-1 beschrieben ist, wird definiert, in welcher Luftreinheitsklasse das Prüfobjekt mindestens eingesetzt werden kann.
Größenordnungsvergleich möglicher Luftgetragener Partikel:
| Ionen | Moleküle | Makromoleküle | Mikropartikel | Makropartikel | |
| Sichtbar mit | Rasterelektronen-Mikroskop (REM) | Mikroskop | bloßem Auge | ||
| Beispiele |
Atomradius Metallionen |
Zucker Herbizide |
Ruß Viren Tabakrauch |
Bakterien Rote Blutzellen |
Pollen Sand Menschliches Haar Nebel |
| Größe [µm (LOG)] | 0,001 | 0,01 | 0,1-1,0 | 10 | 100-1.000 |
Geeignete Produkte für den Einsatz im Reinraum
Die für den Einsatz im Reinraum zertifizierten Komponenten beinhalten verschiedene Produkte aus dem breiten Portfolio der Vakuumtechnologie. So kann eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessanforderungen erfüllt werden. Durch die Testergebnisse wird deutlich, dass die meisten Produkte ohne zusätzliche Maßnahmen in sehr reinen Arbeitsumgebungen (bis zu Klasse 1 nach DIN EN ISO 14644-1) eingesetzt werden können.
Bei der Auswahl eines Betriebsmittels ist es essentiell, dessen tatsächlichen Einsatzort im Reinraum genau zu betrachten und so die Anforderungen richtig zu interpretieren. Beispielsweise müssen in einem reinen Bereich mit laminarer Luftströmung nicht alle Stellen die angestrebte ISO-Klasse erfüllen. Aufgrund der geradlinigen vertikalen Strömung, haben Partikelemissionsquellen räumlich unter dem oder in einiger Entfernung zum Werkstück in der Regel nur einen geringen Einfluss darauf.
Zertifizierung Fraunhofer TESTED DEVICE® / Cleanroom Suitable Materials (CSM®)
Die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart testet unabhängig Equipment und Materialien auf ihre Reinheits- und Reinraumtauglichkeit. Diese Untersuchungen werden in einem Reinraum durchgeführt, der 10-fach sauberer ist als die Klasse 1 nach DIN EN ISO 14644-1. Als Resultat werden die Anlagen und / oder Materialien mit einem TESTED DEVICE®- oder CSM®- Prüfzeichen zertifiziert. Bei dieser Arbeit greift das Institut auf über 30 Jahre Erfahrung und Know-How im Bereich Reinheits- und Reinraumtauglichkeit zurück.