ปัจจัยใดบ้างที่มีอิทธิพลต่อการจัดระเบียบการไหลเวียนของอากาศในห้องปลอดเชื้อ?

ผลผลิตของชิปในอุตสาหกรรมการผลิตชิปมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับขนาดและจำนวนอนุภาคในอากาศที่ตกค้างบนชิป การจัดการการไหลเวียนของอากาศที่ดีสามารถพัดพาอนุภาคที่เกิดจากแหล่งฝุ่นออกจากห้องปลอดเชื้อและรับประกันความสะอาดของห้องปลอดเชื้อ กล่าวคือ การจัดการการไหลเวียนของอากาศในห้องปลอดเชื้อมีบทบาทสำคัญต่อผลผลิตของการผลิตชิป เป้าหมายที่ต้องบรรลุในการออกแบบการจัดการการไหลเวียนของอากาศในห้องปลอดเชื้อ ได้แก่ การลดหรือกำจัดกระแสน้ำวนในบริเวณการไหลเพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมของอนุภาคที่เป็นอันตราย และการรักษาระดับความดันบวกที่เหมาะสมเพื่อป้องกันการปนเปื้อนข้าม

ตามหลักการของห้องปลอดเชื้อ แรงที่กระทำต่ออนุภาค ได้แก่ แรงมวล แรงโมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างอนุภาค แรงจากการไหลของอากาศ เป็นต้น

แรงดันลม: หมายถึงแรงดันลมที่เกิดจากการไหลเวียนของอากาศเข้าและออก การพาความร้อน การกวนอากาศโดยมนุษย์ และการไหลเวียนของอากาศอื่นๆ ที่มีอัตราการไหลที่แน่นอนเพื่อพัดพาอนุภาค ในการควบคุมเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อมในห้องปลอดเชื้อ แรงดันลมเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด

จากการทดลองพบว่า ในการเคลื่อนที่ของกระแสลม อนุภาคจะเคลื่อนที่ตามกระแสลมด้วยความเร็วที่เกือบจะเท่ากัน สภาพของอนุภาคในอากาศถูกกำหนดโดยการกระจายตัวของกระแสลม ผลกระทบหลักของกระแสลมต่ออนุภาคภายในอาคาร ได้แก่ กระแสลมที่จ่ายเข้ามา (รวมถึงกระแสลมหลักและกระแสลมรอง) กระแสลมและการพาความร้อนที่เกิดจากการเดินของคน และผลกระทบของกระแสลมต่ออนุภาคที่เกิดจากการดำเนินงานและอุปกรณ์อุตสาหกรรม วิธีการจ่ายอากาศที่แตกต่างกัน ความเร็วของกระแสลม ผู้ปฏิบัติงานและอุปกรณ์อุตสาหกรรม ปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น ฯลฯ ในห้องปลอดเชื้อ ล้วนเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อระดับความสะอาด

1. อิทธิพลของวิธีการจ่ายอากาศ

(1) ความเร็วในการจ่ายอากาศ

เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการไหลของอากาศสม่ำเสมอ ความเร็วในการจ่ายอากาศในห้องปลอดเชื้อแบบไหลทิศทางเดียวต้องสม่ำเสมอ บริเวณอับอากาศบนพื้นผิวจ่ายอากาศต้องมีขนาดเล็ก และความดันตกคร่อมภายในตัวกรอง HEPA ก็ต้องสม่ำเสมอเช่นกัน

ความเร็วในการจ่ายอากาศมีความสม่ำเสมอ กล่าวคือ ความไม่สม่ำเสมอของการไหลของอากาศถูกควบคุมให้อยู่ภายใน ±20%

พื้นที่ว่างเปล่าบนพื้นผิวจ่ายอากาศควรลดลง: ไม่เพียงแต่ควรลดพื้นที่ระนาบของโครง HEPA เท่านั้น แต่ที่สำคัญกว่านั้นคือควรใช้ FFU แบบโมดูลาร์เพื่อลดความซับซ้อนของโครงส่วนเกิน

เพื่อให้แน่ใจว่าการไหลของอากาศเป็นแนวตั้งและทิศทางเดียว การเลือกค่าความดันตกคร่อมของตัวกรองจึงมีความสำคัญมาก และจำเป็นต้องแน่ใจว่าการสูญเสียความดันภายในตัวกรองนั้นไม่เอนเอียงไปด้านใดด้านหนึ่ง

(2) การเปรียบเทียบระหว่างระบบ FFU และระบบพัดลมแบบไหลตามแนวแกน

FFU คือชุดจ่ายอากาศที่มีพัดลมและแผ่นกรอง HEPA อากาศจะถูกดูดเข้าไปโดยพัดลมแบบแรงเหวี่ยงของ FFU และเปลี่ยนความดันไดนามิกเป็นความดันสถิตในท่ออากาศ จากนั้นจะถูกเป่าออกมาอย่างสม่ำเสมอผ่านแผ่นกรอง HEPA ความดันอากาศที่เพดานจะเป็นความดันลบ ด้วยวิธีนี้จะไม่มีฝุ่นเล็ดลอดเข้าไปในห้องปลอดเชื้อเมื่อเปลี่ยนแผ่นกรอง จากการทดลองพบว่าระบบ FFU มีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบพัดลมแบบไหลตามแนวแกนในแง่ของความสม่ำเสมอของอากาศที่ส่งออก ความขนานของการไหลของอากาศ และดัชนีประสิทธิภาพการระบายอากาศ เนื่องจากระบบ FFU มีความขนานของการไหลของอากาศที่ดีกว่า การใช้ระบบ FFU สามารถปรับปรุงการจัดการการไหลของอากาศในห้องปลอดเชื้อได้

(3) อิทธิพลของโครงสร้าง FFU เอง

FFU ประกอบด้วยพัดลม ตัวกรอง ตัวนำทิศทางลม และส่วนประกอบอื่นๆ เป็นหลัก ตัวกรอง HEPA เป็นสิ่งสำคัญที่สุดที่จะช่วยให้ห้องปลอดเชื้อมีความสะอาดตามที่ต้องการ วัสดุของตัวกรองก็มีผลต่อความสม่ำเสมอของสนามการไหลเช่นกัน เมื่อเพิ่มวัสดุตัวกรองหยาบหรือแผ่นกั้นการไหลที่ทางออกของตัวกรอง สนามการไหลที่ทางออกจะมีความสม่ำเสมอได้ง่ายขึ้น

2. ผลกระทบของความเร็วอินเทอร์เฟซต่อความสะอาดที่แตกต่างกัน

ในห้องปลอดเชื้อเดียวกัน ระหว่างพื้นที่ทำงานและพื้นที่ไม่ทำงานที่มีการไหลเวียนของอากาศในทิศทางเดียวในแนวตั้ง เนื่องจากความแตกต่างของความเร็วลมที่กล่อง HEPA จะทำให้เกิดปรากฏการณ์กระแสน้ำวนผสมที่บริเวณรอยต่อ และรอยต่อนี้จะกลายเป็นโซนการไหลของอากาศปั่นป่วน ความรุนแรงของการปั่นป่วนของอากาศนั้นสูงมาก และอนุภาคอาจถูกส่งไปยังพื้นผิวของเครื่องจักรและปนเปื้อนอุปกรณ์และแผ่นเวเฟอร์ได้

3. ผลกระทบต่อบุคลากรและอุปกรณ์

เมื่อห้องปลอดเชื้อว่างเปล่า ลักษณะการไหลของอากาศในห้องโดยทั่วไปจะเป็นไปตามข้อกำหนดที่ออกแบบไว้ แต่เมื่อมีอุปกรณ์เข้าไปในห้องปลอดเชื้อ มีคนเคลื่อนไหว และมีการขนส่งผลิตภัณฑ์ ย่อมหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีสิ่งกีดขวางการไหลของอากาศ เช่น ปลายแหลมที่ยื่นออกมาจากเครื่องจักร บริเวณมุมหรือขอบ การไหลของอากาศจะเบี่ยงเบนไปทำให้เกิดบริเวณการไหลแบบปั่นป่วน และของเหลวในบริเวณนั้นจะไม่ถูกพัดพาไปได้ง่ายโดยอากาศที่ไหลเข้ามา ส่งผลให้เกิดมลพิษ

ในขณะเดียวกัน พื้นผิวของอุปกรณ์เครื่องจักรจะร้อนขึ้นเนื่องจากการทำงานอย่างต่อเนื่อง และความแตกต่างของอุณหภูมิจะทำให้เกิดบริเวณการหลอมเหลวใกล้กับเครื่องจักร ซึ่งจะเพิ่มการสะสมของอนุภาคในบริเวณการหลอมเหลวนั้น ในขณะเดียวกัน อุณหภูมิสูงจะทำให้อนุภาคหลุดออกได้ง่าย ผลกระทบสองประการนี้ทำให้ชั้นแนวตั้งโดยรวมรุนแรงขึ้น และทำให้ควบคุมความสะอาดของกระแสโลหะได้ยาก ฝุ่นจากผู้ปฏิบัติงานในห้องปลอดเชื้อสามารถเกาะติดกับเวเฟอร์ในบริเวณการหลอมเหลวเหล่านี้ได้ง่าย

4. อิทธิพลของพื้นระบายอากาศกลับ

เมื่อความต้านทานของอากาศที่ไหลกลับผ่านพื้นแตกต่างกัน จะเกิดความแตกต่างของความดัน ทำให้ลมไหลไปในทิศทางที่มีความต้านทานน้อยกว่า และจะไม่สามารถกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอ วิธีการออกแบบที่นิยมในปัจจุบันคือการใช้พื้นยกสูง เมื่ออัตราส่วนการเปิดของพื้นยกสูงอยู่ที่ 10% ความเร็วของกระแสลมจะกระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอในระดับความสูงในการทำงานภายในอาคาร นอกจากนี้ ควรให้ความสำคัญกับการทำความสะอาดอย่างเคร่งครัดเพื่อลดแหล่งที่มาของมลพิษบนพื้น

5. ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำ

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเหนี่ยวนำ หมายถึงปรากฏการณ์ที่เกิดการไหลของอากาศในทิศทางตรงกันข้ามกับการไหลแบบสม่ำเสมอ ทำให้ฝุ่นที่เกิดขึ้นในห้องหรือฝุ่นในบริเวณที่ปนเปื้อนอยู่ใกล้เคียงถูกเหนี่ยวนำไปยังด้านต้นลม ส่งผลให้ฝุ่นปนเปื้อนแผ่นเวเฟอร์ ปรากฏการณ์ที่อาจเกิดขึ้นได้มีดังต่อไปนี้:

(1) แผ่นปิด

ในห้องปลอดเชื้อที่มีการไหลเวียนแบบทิศทางเดียวในแนวตั้ง เนื่องจากรอยต่อบนผนัง มักจะมีแผงทึบขนาดใหญ่ที่ก่อให้เกิดการไหลแบบปั่นป่วนและการไหลย้อนกลับเฉพาะจุด

(2) โคมไฟ

โคมไฟในห้องปลอดเชื้อจะมีผลกระทบมากกว่า เนื่องจากความร้อนจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ทำให้กระแสลมพัดขึ้น ดังนั้นหลอดฟลูออเรสเซนต์จึงจะไม่กลายเป็นบริเวณที่มีการไหลเวียนของอากาศปั่นป่วน โดยทั่วไปแล้ว หลอดไฟในห้องปลอดเชื้อจะถูกออกแบบให้มีรูปทรงหยดน้ำเพื่อลดผลกระทบของหลอดไฟต่อการจัดระเบียบการไหลเวียนของอากาศ

(3) ช่องว่างระหว่างผนัง

เมื่อมีช่องว่างระหว่างผนังกั้นหรือฝ้าเพดานที่มีข้อกำหนดด้านความสะอาดแตกต่างกัน ฝุ่นจากบริเวณที่มีข้อกำหนดด้านความสะอาดต่ำสามารถแพร่กระจายไปยังบริเวณใกล้เคียงที่มีข้อกำหนดด้านความสะอาดสูงได้

(4) ระยะห่างระหว่างอุปกรณ์เครื่องจักรกับพื้นหรือผนัง

หากช่องว่างระหว่างเครื่องจักรกลกับพื้นหรือผนังแคบเกินไป จะเกิดการกระเพื่อมของอากาศ ดังนั้น ควรเว้นช่องว่างระหว่างเครื่องจักรกลกับผนัง และยกแท่นวางเครื่องจักรให้สูงขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสพื้นโดยตรง