การวิเคราะห์เทคโนโลยีวิศวกรรมห้องปลอดเชื้อ

1. การกำจัดฝุ่นละอองในห้องปลอดฝุ่น

หน้าที่หลักของห้องปลอดฝุ่นคือการควบคุมความสะอาด อุณหภูมิ และความชื้นของบรรยากาศที่ผลิตภัณฑ์ (เช่น ชิปซิลิคอน เป็นต้น) สัมผัส เพื่อให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมที่ดีได้ เราเรียกพื้นที่นี้ว่าห้องปลอดฝุ่น ตามมาตรฐานสากล ระดับความสะอาดส่วนใหญ่จะพิจารณาจากจำนวนอนุภาคต่อลูกบาศก์เมตรของอากาศที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่ามาตรฐานการจำแนกประเภท กล่าวอีกนัยหนึ่ง คำว่า "ปลอดฝุ่น" ไม่ได้หมายความว่าปลอดฝุ่น 100% แต่เป็นการควบคุมในระดับที่เล็กมาก แน่นอนว่าอนุภาคที่ตรงตามมาตรฐานฝุ่นในมาตรฐานนี้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับฝุ่นทั่วไปที่เราเห็น แต่สำหรับโครงสร้างทางแสง แม้แต่ฝุ่นเพียงเล็กน้อยก็จะมีผลกระทบเชิงลบอย่างมาก ดังนั้นการปลอดฝุ่นจึงเป็นข้อกำหนดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการผลิตผลิตภัณฑ์โครงสร้างทางแสง

การควบคุมจำนวนอนุภาคฝุ่นที่มีขนาดอนุภาคมากกว่าหรือเท่ากับ 0.5 ไมครอนต่อลูกบาศก์เมตร ให้ต่ำกว่า 3520 อนุภาคต่อลูกบาศก์เมตร จะถือว่าเป็นมาตรฐานห้องปลอดฝุ่นระดับ A อย่างไรก็ตาม มาตรฐานห้องปลอดฝุ่นที่ใช้ในการผลิตและประมวลผลระดับชิปนั้นมีข้อกำหนดที่สูงกว่าระดับ A และมาตรฐานระดับสูงเช่นนี้ส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตชิประดับสูงบางประเภท โดยจำนวนอนุภาคฝุ่นจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวดที่ 35,200 อนุภาคต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าระดับ B ในอุตสาหกรรมห้องปลอดฝุ่น

2. สภาวะห้องปลอดเชื้อ 3 ประเภท

ห้องคลีนรูมว่างเปล่า: คือห้องคลีนรูมที่สร้างเสร็จแล้วและพร้อมใช้งาน มีบริการและฟังก์ชันที่เกี่ยวข้องครบครัน อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีอุปกรณ์ใด ๆ ที่มีผู้ปฏิบัติงานใช้งานอยู่ในห้องนั้น

ห้องคลีนรูมแบบคงที่: สถานที่ที่มีห้องคลีนรูมซึ่งมีฟังก์ชันการทำงานครบถ้วน การตั้งค่าและการติดตั้งที่เหมาะสม สามารถใช้งานได้ตามการตั้งค่า หรือใช้งานอยู่ แต่ไม่มีผู้ปฏิบัติงานอยู่ในสถานที่นั้น

ห้องคลีนรูมแบบไดนามิก: ห้องคลีนรูมที่ใช้งานตามปกติ มีฟังก์ชันการบริการ อุปกรณ์ และบุคลากรครบครัน หากจำเป็น สามารถดำเนินการทำงานตามปกติได้

3. รายการควบคุม

(1) สามารถกำจัดอนุภาคฝุ่นละอองที่ลอยอยู่ในอากาศได้

(2) สามารถป้องกันการเกิดฝุ่นละอองได้

(3) การควบคุมอุณหภูมิและความชื้น

(4) การควบคุมแรงดัน

(5) การกำจัดก๊าซที่เป็นอันตราย

(6) ความแน่นหนาของโครงสร้างและห้องต่างๆ

(7) การป้องกันไฟฟ้าสถิต

(8) การป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

(9) การพิจารณาปัจจัยด้านความปลอดภัย

(10) การพิจารณาเรื่องการประหยัดพลังงาน

4. การจำแนกประเภท

ประเภทการไหลแบบปั่นป่วน

อากาศจะไหลเข้าสู่ห้องปลอดเชื้อจากกล่องปรับอากาศ ผ่านท่ออากาศและตัวกรองอากาศ (HEPA) ภายในห้องปลอดเชื้อ และไหลกลับออกมาจากแผงกั้นหรือพื้นยกสูงทั้งสองด้านของห้องปลอดเชื้อ การไหลของอากาศไม่ได้เคลื่อนที่ในลักษณะเป็นเส้นตรง แต่มีลักษณะเป็นกระแสน้ำวนหรือปั่นป่วนไม่สม่ำเสมอ ระบบนี้เหมาะสำหรับห้องปลอดเชื้อระดับ 1,000-100,000

คำจำกัดความ: ห้องปลอดเชื้อที่กระแสลมไหลด้วยความเร็วไม่สม่ำเสมอและไม่ขนานกัน โดยมีกระแสไหลย้อนกลับหรือกระแสน้ำวนเกิดขึ้นร่วมด้วย

หลักการ: ห้องคลีนรูมแบบหมุนเวียนอากาศอาศัยการไหลเวียนของอากาศจากระบบจ่ายอากาศเพื่อเจือจางอากาศภายในห้องอย่างต่อเนื่อง และค่อยๆ เจือจางอากาศที่ปนเปื้อนเพื่อให้ได้ความสะอาด (โดยทั่วไปแล้ว ห้องคลีนรูมแบบหมุนเวียนอากาศจะถูกออกแบบให้มีระดับความสะอาดสูงกว่า 1,000 ถึง 300,000)

คุณสมบัติ: ห้องปลอดเชื้อแบบหมุนเวียนอากาศอาศัยการระบายอากาศหลายทิศทางเพื่อให้ได้ระดับความสะอาดและความบริสุทธิ์ที่เหมาะสม จำนวนรอบการระบายอากาศจะเป็นตัวกำหนดระดับความสะอาด (ยิ่งมีรอบการระบายอากาศมากเท่าไร ระดับความสะอาดก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น)

(1) เวลาในการทำความสะอาดตัวเอง: หมายถึงเวลาที่ห้องสะอาดเริ่มจ่ายอากาศเข้าไปในห้องสะอาดตามจำนวนการระบายอากาศที่ออกแบบไว้ และความเข้มข้นของฝุ่นในห้องถึงระดับความสะอาดที่ออกแบบไว้ คาดว่าระดับ 1,000 จะไม่เกิน 20 นาที (สามารถใช้ 15 นาทีในการคำนวณได้) ระดับ 10,000 จะไม่เกิน 30 นาที (สามารถใช้ 25 นาทีในการคำนวณได้) ระดับ 100,000 จะไม่เกิน 40 นาที (สามารถใช้ 30 นาทีในการคำนวณได้)

(2) ความถี่ในการระบายอากาศ (ออกแบบตามข้อกำหนดเวลาการทำความสะอาดตัวเองข้างต้น) ระดับ 1,000: 43.5-55.3 ครั้ง/ชั่วโมง (มาตรฐาน: 50 ครั้ง/ชั่วโมง) ระดับ 10,000: 23.8-28.6 ครั้ง/ชั่วโมง (มาตรฐาน: 25 ครั้ง/ชั่วโมง) ระดับ 100,000: 14.4-19.2 ครั้ง/ชั่วโมง (มาตรฐาน: 15 ครั้ง/ชั่วโมง)

ข้อดี: โครงสร้างเรียบง่าย ต้นทุนการก่อสร้างระบบต่ำ ขยายห้องปลอดฝุ่นได้ง่าย ในบางสถานที่ใช้งานเฉพาะทาง สามารถใช้โต๊ะปลอดฝุ่นเพื่อยกระดับมาตรฐานห้องปลอดฝุ่นได้

ข้อเสีย: ฝุ่นละอองที่เกิดจากการไหลเวียนของอากาศจะลอยอยู่ในพื้นที่ภายในอาคารและยากต่อการระบายออก ซึ่งอาจปนเปื้อนผลิตภัณฑ์ในกระบวนการผลิตได้ง่าย นอกจากนี้ หากระบบหยุดทำงานแล้วเปิดใช้งานใหม่ มักใช้เวลานานกว่าจะถึงระดับความสะอาดที่ต้องการ

การไหลแบบลามินาร์

อากาศแบบลามินาร์ไหลเป็นเส้นตรงสม่ำเสมอ อากาศเข้าสู่ห้องผ่านตัวกรองที่มีประสิทธิภาพการกรอง 100% และไหลกลับออกทางพื้นยกสูงหรือแผ่นกั้นด้านข้างทั้งสองด้าน ระบบนี้เหมาะสำหรับใช้ในห้องปลอดเชื้อที่มีระดับความสะอาดสูง โดยทั่วไปคือระดับ 1-100 มีสองประเภท:

(1) การไหลแบบลามินาร์แนวนอน: อากาศแนวนอนถูกเป่าออกจากตัวกรองในทิศทางเดียวและส่งกลับโดยระบบอากาศส่งกลับที่ผนังด้านตรงข้าม ฝุ่นจะถูกระบายออกสู่ภายนอกตามทิศทางลม โดยทั่วไป มลพิษจะรุนแรงกว่าในด้านปลายทาง

ข้อดี: โครงสร้างเรียบง่าย สามารถใช้งานได้อย่างเสถียรในเวลาอันสั้น

ข้อเสีย: ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างสูงกว่าการไหลเวียนแบบปั่นป่วน และพื้นที่ภายในอาคารขยายได้ยาก

(2) การไหลแบบลามินาร์แนวตั้ง: เพดานห้องถูกคลุมด้วยแผ่นกรอง ULPA อย่างสมบูรณ์ และอากาศจะถูกเป่าจากบนลงล่าง ซึ่งสามารถบรรลุความสะอาดที่สูงขึ้น ฝุ่นที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการหรือจากพนักงานสามารถระบายออกสู่ภายนอกได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ส่งผลกระทบต่อพื้นที่ทำงานอื่นๆ

ข้อดี: จัดการง่าย สามารถรักษาเสถียรภาพได้ในเวลาอันสั้นหลังจากเริ่มการทำงาน และไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะการทำงานหรือผู้ปฏิบัติงานได้ง่าย

ข้อเสีย: ต้นทุนการก่อสร้างสูง การใช้พื้นที่อย่างยืดหยุ่นทำได้ยาก ตัวยึดเพดานกินพื้นที่มาก และการซ่อมแซมและเปลี่ยนตัวกรองยุ่งยาก

ประเภทคอมโพสิต

แบบผสมผสานคือการนำแบบการไหลปั่นป่วนและแบบการไหลราบเรียบมาผสมผสานกัน ซึ่งสามารถสร้างอากาศที่สะอาดเป็นพิเศษเฉพาะจุดได้

(1) อุโมงค์ทำความสะอาด: ใช้ตัวกรอง HEPA หรือ ULPA ครอบคลุมพื้นที่กระบวนการหรือพื้นที่ทำงาน 100% เพื่อเพิ่มระดับความสะอาดให้สูงกว่าระดับ 10 ซึ่งสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและการดำเนินงานได้

เครื่องจักรประเภทนี้จำเป็นต้องแยกพื้นที่ทำงานของผู้ปฏิบัติงานออกจากพื้นที่บำรุงรักษาผลิตภัณฑ์และเครื่องจักร เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อการทำงานและคุณภาพในระหว่างการบำรุงรักษาเครื่องจักร

อุโมงค์สะอาดมีข้อดีอีกสองประการ ได้แก่: ก. ขยายได้ง่ายและยืดหยุ่น ข. การบำรุงรักษาอุปกรณ์สามารถทำได้ง่ายในพื้นที่บำรุงรักษา

(2) ท่อสะอาด: ล้อมรอบและทำให้สายการผลิตอัตโนมัติที่ผลิตภัณฑ์ไหลผ่านสะอาด และเพิ่มระดับความสะอาดให้สูงกว่าระดับ 100 เนื่องจากผลิตภัณฑ์ ผู้ปฏิบัติงาน และสภาพแวดล้อมที่ก่อให้เกิดฝุ่นถูกแยกออกจากกัน การจ่ายอากาศในปริมาณน้อยก็สามารถให้ความสะอาดที่ดีได้ ซึ่งสามารถประหยัดพลังงานและเหมาะสมที่สุดสำหรับสายการผลิตอัตโนมัติที่ไม่ต้องใช้แรงงานคน สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมยา อาหาร และเซมิคอนดักเตอร์ได้

(3) จุดสะอาด: ระดับความสะอาดของพื้นที่กระบวนการผลิตผลิตภัณฑ์ในห้องสะอาดแบบปั่นป่วนที่มีระดับความสะอาด 10,000~100,000 เพิ่มขึ้นเป็น 10~1000 หรือสูงกว่าเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิต โต๊ะทำงานสะอาด โรงเรือนสะอาด ห้องสะอาดสำเร็จรูป และตู้เสื้อผ้าสะอาดจัดอยู่ในประเภทนี้

โต๊ะทำงานปลอดฝุ่น: ระดับ 1~100

ห้องคลีนบูธ: พื้นที่ขนาดเล็กที่ล้อมรอบด้วยผ้าพลาสติกใสป้องกันไฟฟ้าสถิต ภายในห้องคลีนรูมที่มีการไหลเวียนของอากาศ ใช้ระบบกรองอากาศ HEPA หรือ ULPA และเครื่องปรับอากาศแยกต่างหาก เพื่อสร้างพื้นที่คลีนรูมระดับสูง มีระดับความสะอาดตั้งแต่ 10 ถึง 1000 ความสูงประมาณ 2.5 เมตร และพื้นที่ครอบคลุมประมาณ 10 ตารางเมตรหรือน้อยกว่า มีเสา 4 ต้น และติดตั้งล้อเลื่อนเพื่อความยืดหยุ่นในการใช้งาน

5. การไหลเวียนของอากาศ

ความสำคัญของการไหลเวียนของอากาศ

ความสะอาดของห้องปลอดเชื้อนั้นมักได้รับผลกระทบจากกระแสลม กล่าวคือ การเคลื่อนที่และการแพร่กระจายของฝุ่นที่เกิดจากคน ช่องเครื่องจักร โครงสร้างอาคาร ฯลฯ นั้นถูกควบคุมโดยกระแสลม

ห้องปลอดฝุ่นใช้แผ่นกรองอากาศ HEPA และ ULPA ซึ่งมีอัตราการดักจับฝุ่นสูงถึง 99.97~99.99995% ดังนั้นอากาศที่ผ่านการกรองจึงถือว่าสะอาดมาก อย่างไรก็ตาม นอกจากคนแล้ว ยังมีแหล่งกำเนิดฝุ่นอื่นๆ เช่น เครื่องจักรในห้องปลอดฝุ่น เมื่อฝุ่นที่เกิดขึ้นเหล่านี้กระจายออกไป การรักษาสภาพแวดล้อมให้สะอาดจึงเป็นไปไม่ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ระบบระบายอากาศเพื่อระบายฝุ่นที่เกิดขึ้นออกสู่ภายนอกอย่างรวดเร็ว

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อการไหลเวียนของอากาศในห้องปลอดเชื้อ เช่น อุปกรณ์ในกระบวนการผลิต บุคลากร วัสดุประกอบห้องปลอดเชื้อ โคมไฟ ฯลฯ ในขณะเดียวกัน จุดเปลี่ยนทิศทางการไหลเวียนของอากาศเหนืออุปกรณ์การผลิตก็ควรได้รับการพิจารณาด้วยเช่นกัน

จุดเบี่ยงเบนกระแสลมบนพื้นผิวของโต๊ะทำงานทั่วไปหรืออุปกรณ์การผลิต ควรตั้งอยู่ที่ระยะ 2/3 ของระยะห่างระหว่างพื้นที่ห้องปลอดฝุ่นกับแผ่นกั้น ด้วยวิธีนี้ เมื่อผู้ปฏิบัติงานกำลังทำงาน กระแสลมจะไหลจากภายในพื้นที่กระบวนการไปยังพื้นที่ทำงานและพัดพาฝุ่นออกไป หากติดตั้งจุดเบี่ยงเบนกระแสลมไว้ด้านหน้าพื้นที่กระบวนการ จะเป็นการเบี่ยงเบนกระแสลมที่ไม่เหมาะสม ในเวลานั้น กระแสลมส่วนใหญ่จะไหลไปด้านหลังของพื้นที่กระบวนการ และฝุ่นที่เกิดจากการทำงานของผู้ปฏิบัติงานจะถูกพัดไปด้านหลังของอุปกรณ์ ทำให้โต๊ะทำงานปนเปื้อน และผลผลิตจะลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

สิ่งกีดขวาง เช่น โต๊ะทำงานในห้องปลอดเชื้อ จะทำให้เกิดกระแสลมวนบริเวณจุดเชื่อมต่อ และความสะอาดบริเวณใกล้เคียงจะค่อนข้างต่ำ การเจาะรูระบายอากาศบนโต๊ะทำงานจะช่วยลดปรากฏการณ์กระแสลมวนได้ นอกจากนี้ การเลือกใช้วัสดุประกอบที่เหมาะสมและการจัดวางอุปกรณ์ที่สมบูรณ์แบบก็เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการเกิดกระแสลมวนในกระแสลมด้วย

6. องค์ประกอบของห้องปลอดเชื้อ

องค์ประกอบของห้องปลอดเชื้อประกอบด้วยระบบต่างๆ ดังต่อไปนี้ (ซึ่งไม่มีระบบใดขาดไม่ได้ในโมเลกุลของระบบ) มิฉะนั้นจะไม่สามารถสร้างห้องปลอดเชื้อที่สมบูรณ์และมีคุณภาพสูงได้:

(1) ระบบฝ้าเพดาน: รวมถึงคานฝ้าเพดาน คานรูปตัว I หรือคานรูปตัว U ตะแกรงฝ้าเพดาน หรือโครงฝ้าเพดาน

(2) ระบบปรับอากาศ: รวมถึงห้องโดยสาร ระบบกรองอากาศ กังหันลม ฯลฯ

(3) ผนังกั้นห้อง: รวมทั้งหน้าต่างและประตู

(4) พื้น: รวมถึงพื้นยกสูงหรือพื้นป้องกันไฟฟ้าสถิต

(5) โคมไฟ: โคมไฟแบน LED ฟอกอากาศ

โครงสร้างหลักของห้องปลอดเชื้อโดยทั่วไปทำจากเหล็กเส้นหรือซีเมนต์กระดูก แต่ไม่ว่าจะเป็นโครงสร้างแบบใดก็ตาม จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

ก. จะไม่เกิดรอยแตกร้าวเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและการสั่นสะเทือน;

B. การเกิดฝุ่นละอองไม่ใช่เรื่องง่าย และฝุ่นละอองก็เกาะติดได้ยาก

ค. ความสามารถในการดูดซับความชื้นต่ำ;

D. เพื่อรักษาระดับความชื้นในห้องปลอดเชื้อ ฉนวนกันความร้อนต้องมีประสิทธิภาพสูง

7. การจำแนกประเภทตามการใช้งาน

ห้องปลอดเชื้ออุตสาหกรรม

จุดประสงค์หลักของเครื่องนี้คือการควบคุมอนุภาคที่ไม่ใช่สิ่งมีชีวิต โดยส่วนใหญ่จะควบคุมมลพิษจากฝุ่นละอองในอากาศที่เข้าสู่บริเวณทำงาน และโดยทั่วไปภายในเครื่องจะรักษาสภาวะความดันบวก เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมเครื่องจักรความแม่นยำ อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ (เซมิคอนดักเตอร์ วงจรรวม ฯลฯ) อุตสาหกรรมอวกาศ อุตสาหกรรมเคมีบริสุทธิ์สูง อุตสาหกรรมพลังงานปรมาณู อุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์แสงและแม่เหล็ก (ซีดี ฟิล์ม เทป) จอ LCD (กระจกผลึกเหลว) ฮาร์ดดิสก์คอมพิวเตอร์ การผลิตหัวอ่านคอมพิวเตอร์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

ห้องปลอดเชื้อชีวภาพ

โดยหลักแล้วทำหน้าที่ควบคุมมลพิษจากอนุภาคที่มีชีวิต (แบคทีเรีย) และอนุภาคที่ไม่มีชีวิต (ฝุ่นละออง) ในบริเวณที่ทำงาน สามารถแบ่งออกได้ดังนี้:

A. ห้องคลีนรูมชีวภาพทั่วไป: มีวัตถุประสงค์หลักในการควบคุมการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ (แบคทีเรีย) ในขณะเดียวกัน วัสดุภายในต้องสามารถทนต่อการกัดกร่อนของสารฆ่าเชื้อต่างๆ และโดยทั่วไปภายในห้องจะต้องมีแรงดันบวก โดยพื้นฐานแล้ว วัสดุภายในต้องสามารถทนต่อกระบวนการฆ่าเชื้อต่างๆ ในห้องคลีนรูมอุตสาหกรรมได้ ตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมยา โรงพยาบาล (ห้องผ่าตัด ห้องผู้ป่วยปลอดเชื้อ) การผลิตอาหาร เครื่องสำอาง เครื่องดื่ม ห้องปฏิบัติการสัตว์ ห้องปฏิบัติการทดสอบทางกายภาพและเคมี สถานีรับบริจาคโลหิต เป็นต้น

B. ห้องปลอดเชื้อเพื่อความปลอดภัยทางชีวภาพ: มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อควบคุมการปนเปื้อนของอนุภาคสิ่งมีชีวิตจากสถานที่ทำงานสู่ภายนอกและผู้คน ความดันภายในต้องต่ำกว่าความดันบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น: ห้องปฏิบัติการแบคทีเรียวิทยา ชีววิทยา ห้องปฏิบัติการปลอดเชื้อ วิศวกรรมฟิสิกส์ (ยีนลูกผสม การเตรียมวัคซีน)