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洁净实验室建设标准

现代实验室装备网

2018-04-16 10:14  点击数:944

【导读】 经济和科技发达的国家和地区都有自己的空气洁净标准和规范标准,都规定了有关的洁净度等级,例如美国、日本、西欧、北欧、俄罗斯等。我国于1984年颁布《洁净厂房设计规范》(GBJ73-84),1996年该规范进行了较大的修改,1990年颁布《洁净室施工及验收规范》(JGJ71-90)以指导施工和验收的重要文件。目前,该规范在重新修订中
 

一、定义

 

洁净室最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,此空间我们称之为洁净室。按照国际惯例,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我们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。

 

每立方米将小于0.3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。

 

洁净室用途主要有以下三个:

 

空气洁净室:已经建造完成并可以投入使用的洁净室(设施)。它具备所有有关的服务和功能。但是,在设施内没有操作人员操作的设备。

 

静态洁净室:各种功能完备、设定安装妥当,可以按照设定使用或正在使用的洁净室(设施),但是设施内没有操作人员。

 

动态洁净室:处于正常使用的洁净室,服务功能完善,有设备和人员;如果需要,可从事正常的工作。

 

二、控管项目

 

1、能除去空气中飘游之微尘粒子。

 

2、能防止微尘粒子之产生。

 

3、温度和湿度之控制。

 

4、压力之调节。

 

5、 有害气体之排除。

 

6、结构物与隔间之气密性。

 

7、静电之防制。

 

8、电磁干扰预防。

 

9、安全因素之考虑。

 

10、节能之考量。

 

三、分类

 

乱流式(Turbulent Flow)

 

空气由空调箱经风管与洁净室内之空气过滤器(HEPA)进入洁净室,并由洁净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。此型式适用于洁净室等级1,000-100,000级。

 

定义:气流以不均匀速度不平行流动、伴有回流或涡流的洁净室。


原理:乱流洁净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(乱流洁净室一般设计在千级以上至30万级净化级别)。


特性:乱流洁净室是靠多次换气来实现洁净与洁净级别。换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)


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


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


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


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。


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,此型式适用于洁净室等级需定较高之环境使用,一般其洁净室等级为Class 1~100。其型式可分为二种:

 

(1)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。

 

(2)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。

 

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。

 

(1)洁净隧道(Clean Tunnel):以HEPA或ULPA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执行。

 

(2)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最适宜使用。药品、食品业界及半导体业界均适用。

 

(3)并装局部洁净室(Clean Spot):将洁净室等级10,000~100,000之乱流洁净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、洁净棚、装配式洁净室、洁净衣柜即属此类。


洁净工作台:等级Class 1~100级。

 

洁净棚:为在乱流式之洁净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HEPA或ULPA及空调送风机组而成为一较高级之洁净空间,其等级为10~1000级,高度在2.5米左右,覆盖面积约10m2以下,四支支柱并加装活动轮,可为弹性运用。

 

四、气流的流动

 

气流的重要性

 

洁净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。


洁净室系利用HEPA、ULPA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。然而洁净室内除了人以外,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。


风速的控制

 

洁净室内的气流是左右洁净室性能的重要因素,一般洁净室的气流速度是选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,能以最适当的风速供应,以达到适当的风速供应以达到经济性效果。


另一方面欲达到洁净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/s,0.7m/s)均有涡流之现象发生,而0.5m/s之速度,气流则较均一,目前一般洁净室,其风速均取在0.25~0.5m/s之间。


影响因素

 

影响洁净室的气流因素很多,如制程设备、人员、洁净室组装材、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,应设于洁净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,此时大部份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。


洁净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,将使涡流现象减少最低;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。

 

五、洁净室之构成

 

洁净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洁净室:

 

(1)天花板系统:包括吊杆(Ceiling rod)、纲梁(I-Beam或U-Beam)、天花板格子梁(Ceiling grid或Ceilingframe)。

 

(2)空调系统:包括空气舱、过滤器系统、风车等。

 

(3)隔墙板(Partitional wall):包括窗户、门。

 

(4)地板:包括高架地板或防静电舒美地板。

 

(5)照明器具:包括日光灯、黄色灯管等。


洁净室之建筑主体构造,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;

 

六、洁净室按用途分类(可分为两大类)

 

工业洁净室

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


生物洁净室

 

主要控制有生命微粒(细菌)与无生命微粒(尘埃)对工作对象的污染。又可分为;

 

A、 一般生物洁净室:主要控制微生物(细菌)对象的污染。同时其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀,内部一般保证正压。实质上其内部材料要能经受各种灭菌处理的工业洁净室。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、 生物学安全洁净室: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:细菌学、生物学、洁净实验室、物物工程(重组基因、疫苗制备)

 

七、洁净室污染源知识

 

1、发尘量

 

洁净室内的发尘量,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,发尘绝对量也不断减少。

 

A、材质:棉质发尘量最大,以下依次为棉、的确良、去静电纯涤纶、尼龙。

 

B、样式:大挂式发尘量最大,上下分装型次之,全罩型最少;

 

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、各种化学品和细菌。

 

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:

 

(1) 洁净室内当工作人员穿无菌服时:

 

静止时的发菌量一般为10-300个/min.人

 

躯体一般活动时的发菌量为 150-1000个/min.人


快步行走时的发菌量为 900-2500个/min.人


(2) 咳嗽一次一般为 70~700个/ min.人


喷嚏一次一般为 4000~62000个/ min.人


(3) 穿平常衣服时发菌量 3300~62000个/ min.人


(4) 无口罩发菌量:有口罩发菌量 1:7~1:14


(5) 发菌量:发尘量 1:500~1:1000 据国内事例:


(6) 手术中人员发菌量 878个/ min.人


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

 

八、洁净室标准规范

 

国内标准规范

 

(1).洁净厂房设计规范 GB50073-2001


(2).医院洁净手术部建筑技术规范GB50333-2002


(3).医药工业洁净厂房设计规范GB 50457-2008


(4).传染病医院建筑设计规范


(5).医药工业洁净室(区)悬浮粒子的测试方法GB/T16292-1996


(6).QS认证质量手册


(7).GMP 药品生产质量管理规范


国际标准规范 ISO系列

 


(1)ISO14644-1 空气洁净度等级划分


(2)ISO14644-2 为认证ISO14644-1的 连续的相符性的测试和监测技术要求


(3)ISO14644-3 测试方法


(4)ISO14644-4 设计建造启动


(5)ISO14644-5 运行(Operations)


(6)ISO14644-6 术语和定义


(7)ISO14644-7 分离装置(洁净空气罩、手套箱、分离器和微循环设备


(8)ISO14644-8 分子污染


(9)ISO14644-9 洁净化学品(液体)

 

IEST系列


洁净空气:

 

RP-CC001高效与超高效过滤器

 

RP-CC002单向流装置

 

RP-CC006洁净室测试RP-CC007超高效过滤器测试

 

RP-CC008气体吸收装置

 

RP-CC016洁净室非挥发性残留物质的沉积率

 

RP-CC021高效与超高效过滤器过滤器介质测试

 

RP-CC034高效与超高效过滤器过滤器检漏

 

洁净室与洁净环境:

 

RP-CC006洁净室测试

 

RP-CC012洁净室设计要点

 

RP-CC016洁净室非挥发性残留物质的沉积率

 

RP-CC018洁净室管理运行与检测程序

 

RP-CC022洁净室与受控环境中的静电

 

RP-CC023洁净室中的微生物

 

RP-CC024微电子设备震动测量与说明

 

RP-CC026洁净室运行

 

RP-CC027洁净室与受控环境中人员与行为

 

RP-CC034高效与超高效过滤器过滤器检漏

 

特殊应用:

 

RP-CC029使用喷漆器要考虑的污染控制因素

 

运行保障:

 

RP-CC003净室与受控环境的服装系统要点

 

RP-CC004净室与受控环境用抹布材料评估

 

RP-CC005净室与受控环境用手套和指套

 

RP-CC020洁净室文件材料与格式


设备:

 

RP-CC002单向流装置

 

RP-CC013设备校准与检验程序

 

RP-CC015洁净室生产设备与辅助设备

 

RP-CC034高效与超高效过滤器过滤器检漏


术语:

 

RP-CC011污染控制领域术语和定义


文献:

 

RP-CC009污染控制领域的标准、准则、方法与相关文件概览

 

九、行业应用

 

洁净工程是一个应用行业非常广泛的基础性配套产业,目前在电子信息、半导体、光电子、精密制造、医药卫生、生物工程、航天航空、汽车喷涂等众多行业均有应用,并根据行业的精密与无尘要求,等级差别也较大。


目前级别最高的当属航天航空的航空仓,基本是属于1级,属于特殊领域,面积相对较小。


另外对级别要求较高的是生化实验室和高精纳米材料生产车间,物联网芯片的发展将是未来需求的一大方向。

 

十、详细参数

 

洁净标准与洁净等级 (ISO 国际标准)各粒径档最大容许粒子浓度 (颗/m3) 


经济和科技发达的国家和地区都有自己的空气洁净标准和规范标准,都规定了有关的洁净度等级,例如美国、日本、西欧、北欧、俄罗斯等。我国于1984年颁布《洁净厂房设计规范》(GBJ73-84),1996年该规范进行了较大的修改,1990年颁布《洁净室施工及验收规范》(JGJ71-90)以指导施工和验收的重要文件。目前,该规范在重新修订中。

 

GBJ73-84规定的洁净度等级

 

等级每立方米(升)空气中》0.5μm尘粒数 每立方米(升)空气中》5μm尘粒数

 

附:

 

根据洁净室国际标准ISO14644: 百级洁净室就是5级。

 

对于百级洁净室,其室内气流流型为垂直单向流或水平单向流,气流流速为:0.2~0.5m/s,百级洁净室0.5μm的尘埃粒子数为:3520PCS/m3。正常情况下其满布比达到80%,垂直单向流满布比不应小于60%,水平单向流满布比不应小于40%,否则就是局部单向流了。

 

单向流洁净室下限风速建议值:

 

为了保证洁净室能控制以下四种污染的最小风速:

 

a. 当污染气流多方位散布时,送风气流要能有效控制污染的范围;

 

b. 当污染气流与送风气流同向时,送风气流要能有效控制污染气流到达下游的扩散范围;

 

c. 当污染气流与送风气流逆向时,送风气流能把污染气流抑制在必要的距离之内;

 

d. 在全室被污染的情况下,足以在合适的时间迅速使室内空气自净

 

关键词: 洁净实验室

  来源:现代实验室装备网

 
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