تحليل تكنولوجيا هندسة الغرف النظيفة

1. إزالة جزيئات الغبار في غرفة نظيفة خالية من الغبار

تتمثل الوظيفة الرئيسية للغرفة النظيفة في التحكم بنظافة ودرجة حرارة ورطوبة الجو المحيط بالمنتجات (مثل رقائق السيليكون وغيرها)، لضمان إنتاجها وتصنيعها في بيئة مثالية. تُعرف هذه البيئة بالغرفة النظيفة. ووفقًا للممارسات الدولية، يُحدد مستوى النظافة بشكل أساسي بعدد الجسيمات لكل متر مكعب من الهواء التي يزيد قطرها عن معيار التصنيف. بعبارة أخرى، لا تعني كلمة "خالية من الغبار" خلوّها التام من الغبار، بل التحكم به ضمن نطاق ضيق جدًا. بالطبع، الجسيمات التي تستوفي معيار الغبار في هذا التصنيف صغيرة جدًا مقارنةً بالغبار العادي، ولكن بالنسبة للهياكل البصرية، حتى كمية قليلة من الغبار تُحدث تأثيرًا سلبيًا كبيرًا، لذا يُعدّ خلوّها من الغبار شرطًا أساسيًا في إنتاج منتجات الهياكل البصرية.

يؤدي التحكم في عدد جزيئات الغبار التي يزيد حجمها عن 0.5 ميكرون لكل متر مكعب إلى أقل من 3520 جزيئًا لكل متر مكعب إلى الوصول إلى الفئة "أ" من المعيار الدولي الخالي من الغبار. ويفرض معيار خلوّ الرقائق الإلكترونية من الغبار متطلبات أعلى من الفئة "أ"، ويُستخدم هذا المعيار العالي بشكل أساسي في إنتاج بعض الرقائق الإلكترونية عالية المستوى. ويُضبط عدد جزيئات الغبار بدقة عند 35200 جزيء لكل متر مكعب، وهو ما يُعرف عادةً بالفئة "ب" في صناعة غرف التنظيف.

2. ثلاثة أنواع من حالات الغرف النظيفة

غرفة نظيفة فارغة: هي منشأة غرف نظيفة تم بناؤها وجاهزة للاستخدام. تحتوي على جميع الخدمات والوظائف اللازمة، ولكن لا يوجد بها أي معدات يشغلها مشغلون.

غرفة نظيفة ثابتة: منشأة غرفة نظيفة ذات وظائف كاملة وإعدادات وتركيبات مناسبة، يمكن استخدامها وفقًا للإعدادات أو قيد الاستخدام، ولكن لا يوجد مشغلون في المنشأة.

غرفة نظيفة ديناميكية: غرفة نظيفة قيد الاستخدام العادي، مع وظائف خدمة كاملة ومعدات وموظفين؛ ويمكن تنفيذ العمل العادي إذا لزم الأمر.

3. عناصر التحكم

(1). يمكنه إزالة جزيئات الغبار العالقة في الهواء.

(2). يمكن أن يمنع تكوّن جزيئات الغبار.

(3). التحكم في درجة الحرارة والرطوبة.

(4). تنظيم الضغط.

(5). التخلص من الغازات الضارة.

(6). إحكام إغلاق الهياكل والأقسام.

(7). الوقاية من الكهرباء الساكنة.

(8). منع التداخل الكهرومغناطيسي.

(9). مراعاة عوامل السلامة.

(10). مراعاة توفير الطاقة.

4. التصنيف

نوع التدفق المضطرب

يدخل الهواء إلى الغرفة النظيفة من صندوق التكييف عبر قناة التهوية وفلتر الهواء (HEPA)، ثم يعود من ألواح الجدران الفاصلة أو الأرضيات المرتفعة على جانبي الغرفة. لا يتحرك تدفق الهواء بشكل خطي، بل يكون مضطربًا أو دواميًا. هذا النوع مناسب للغرف النظيفة من الفئة 1000 إلى 100000.

التعريف: غرفة نظيفة يتدفق فيها الهواء بسرعة غير منتظمة وليس بشكل متوازٍ، مصحوبًا بتدفق عكسي أو تيار دوامي.

المبدأ: تعتمد الغرف النظيفة المضطربة على تدفق الهواء لإمداد الهواء لتخفيف الهواء الداخلي باستمرار وتخفيف الهواء الملوث تدريجياً لتحقيق النظافة (يتم تصميم الغرف النظيفة المضطربة بشكل عام بمستويات نظافة أعلى من 1000 إلى 300000).

الميزات: تعتمد غرف التنظيف المضطربة على تهوية متعددة لتحقيق مستويات عالية من النظافة. ويحدد عدد مرات تغيير التهوية مستوى التطهير (كلما زاد عدد مرات تغيير التهوية، ارتفع مستوى النظافة).

(1) زمن التنقية الذاتية: يشير إلى الوقت الذي تبدأ فيه الغرفة النظيفة بتزويد الهواء وفقًا لرقم التهوية المصمم، ويصل تركيز الغبار في الغرفة إلى مستوى النظافة المصمم. من المتوقع ألا يتجاوز زمن التنقية الذاتية للفئة 1000 عشرين دقيقة (يمكن استخدام 15 دقيقة في الحساب)، وللفئة 10000 ثلاثين دقيقة (يمكن استخدام 25 دقيقة في الحساب)، وللفئة 100000 أربعين دقيقة (يمكن استخدام 30 دقيقة في الحساب).

(2) تردد التهوية (مصمم وفقًا لمتطلبات وقت التنظيف الذاتي المذكورة أعلاه) الفئة 1000: 43.5-55.3 مرة/ساعة (المعيار: 50 مرة/ساعة) الفئة 10000: 23.8-28.6 مرة/ساعة (المعيار: 25 مرة/ساعة) الفئة 100000: 14.4-19.2 مرة/ساعة (المعيار: 15 مرة/ساعة)

المزايا: هيكل بسيط، تكلفة بناء نظام منخفضة، سهولة توسيع الغرفة النظيفة، في بعض الأماكن ذات الأغراض الخاصة، يمكن استخدام طاولة نظيفة خالية من الغبار لتحسين درجة الغرفة النظيفة.

العيوب: تتطاير جزيئات الغبار الناتجة عن الاضطراب في الأماكن المغلقة ويصعب التخلص منها، مما قد يُلوث المنتجات بسهولة. إضافةً إلى ذلك، إذا تم إيقاف النظام ثم إعادة تشغيله، فغالباً ما يستغرق الأمر وقتاً طويلاً لتحقيق مستوى النظافة المطلوب.

التدفق الصفائحي

يتحرك الهواء ذو ​​التدفق الصفائحي في خط مستقيم منتظم. يدخل الهواء إلى الغرفة عبر مرشح يغطي 100% من مساحتها، ويعود عبر الأرضية المرتفعة أو ألواح التقسيم على كلا الجانبين. هذا النوع مناسب للاستخدام في بيئات الغرف النظيفة ذات درجات النظافة العالية، والتي تتراوح عادةً بين الفئة 1 و100. يوجد نوعان:

(1) التدفق الصفائحي الأفقي: يُدفع الهواء أفقيًا من المرشح في اتجاه واحد، ثم يُعاد بواسطة نظام الهواء الراجع على الجدار المقابل. ويُطرد الغبار إلى الخارج مع اتجاه الهواء. وعمومًا، يكون التلوث أشدّ في الجانب الواقع أسفل المرشح.

المزايا: هيكل بسيط، ويمكن أن يصبح مستقراً في وقت قصير بعد التشغيل.

العيوب: تكلفة البناء أعلى من التدفق المضطرب، والمساحة الداخلية ليست سهلة التوسع.

(2) التدفق الصفائحي الرأسي: يُغطى سقف الغرفة بالكامل بمرشحات ULPA، ويُضخ الهواء من الأعلى إلى الأسفل، مما يُحقق مستوى أعلى من النظافة. ويمكن تصريف الغبار المتولد أثناء العملية أو من قِبل الموظفين بسرعة إلى الخارج دون التأثير على مناطق العمل الأخرى.

المزايا: سهولة الإدارة، ويمكن تحقيق حالة مستقرة في غضون فترة قصيرة بعد بدء التشغيل، ولا تتأثر بسهولة بحالة التشغيل أو المشغلين.

العيوب: ارتفاع تكلفة البناء، وصعوبة استخدام المساحة بمرونة، وشغل علاقات السقف مساحة كبيرة، وصعوبة إصلاح واستبدال المرشحات.

النوع المركب

يتمثل النوع المركب في الجمع بين نوع التدفق المضطرب ونوع التدفق الصفائحي أو استخدامهما معًا، مما يمكن أن يوفر هواءً محليًا فائق النظافة.

(1) نفق التنظيف: استخدم مرشحات HEPA أو ULPA لتغطية 100٪ من منطقة المعالجة أو منطقة العمل لزيادة مستوى النظافة إلى ما فوق الفئة 10، مما يمكن أن يوفر تكاليف التركيب والتشغيل.

يتطلب هذا النوع عزل منطقة عمل المشغل عن المنتج وصيانة الآلات لتجنب التأثير على العمل والجودة أثناء صيانة الآلات.

تتمتع الأنفاق النظيفة بميزتين أخريين: أ. سهولة التوسع بمرونة؛ ب. يمكن إجراء صيانة المعدات بسهولة في منطقة الصيانة.

(2) نظام تنظيف الأنابيب: يُحيط هذا النظام بخط الإنتاج الآلي الذي يمر عبره المنتج، ويُنقّيه، ويرفع مستوى النظافة إلى ما فوق الفئة 100. ولأن المنتج والمشغل وبيئة توليد الغبار معزولة عن بعضها، فإن كمية قليلة من الهواء كافية لتحقيق نظافة جيدة، مما يُوفر الطاقة، وهو الأنسب لخطوط الإنتاج الآلية التي لا تتطلب عمالة يدوية. ويُمكن تطبيقه في صناعات الأدوية والأغذية وأشباه الموصلات.

(3) المنطقة النظيفة: يتم رفع مستوى نظافة منطقة معالجة المنتج في الغرفة النظيفة المضطربة ذات مستوى الغرفة النظيفة من 10000 إلى 100000 إلى 1000 أو أعلى لأغراض الإنتاج؛ وتنتمي إلى هذه الفئة طاولات العمل النظيفة، والسقائف النظيفة، والغرف النظيفة الجاهزة، وخزائن الملابس النظيفة.

تمرين رفع الأثقال على مقعد نظيف: الفئة 1~100.

كابينة نظيفة: مساحة صغيرة محاطة بقماش بلاستيكي شفاف مضاد للكهرباء الساكنة، تقع ضمن غرفة نظيفة ذات تهوية مضطربة، وتستخدم وحدات ترشيح هواء مستقلة من نوع HEPA أو ULPA، بالإضافة إلى وحدات تكييف هواء، لتوفير مستوى نظافة أعلى، يتراوح بين 10 و1000، وارتفاع حوالي 2.5 متر، ومساحة تغطية تبلغ حوالي 10 أمتار مربعة أو أقل. تحتوي على أربعة أعمدة، ومجهزة بعجلات متحركة لسهولة الاستخدام.

5. تدفق الهواء

أهمية تدفق الهواء

تتأثر نظافة الغرفة النظيفة غالباً بتدفق الهواء. بعبارة أخرى، يتم التحكم في حركة وانتشار الغبار الناتج عن الأشخاص، وحجرات الآلات، وهياكل المباني، وما إلى ذلك، عن طريق تدفق الهواء.

تستخدم الغرفة النظيفة مرشحات HEPA وULPA لتنقية الهواء، وتصل نسبة جمع الغبار فيها إلى 99.97% إلى 99.99995%، لذا يمكن القول إن الهواء الذي ينقيه هذا المرشح نقي للغاية. مع ذلك، فإلى جانب الأشخاص، توجد مصادر أخرى للغبار داخل الغرفة النظيفة، مثل الآلات. وبمجرد انتشار هذا الغبار، يصبح من المستحيل الحفاظ على بيئة نظيفة، لذا يجب استخدام نظام تهوية لتصريف الغبار المتولد بسرعة إلى الخارج.

العوامل المؤثرة

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على تدفق الهواء في الغرفة النظيفة، مثل معدات المعالجة، والأفراد، ومواد تجميع الغرفة النظيفة، وتجهيزات الإضاءة، وما إلى ذلك. وفي الوقت نفسه، يجب أيضًا مراعاة نقطة تحويل تدفق الهواء فوق معدات الإنتاج.

يجب ضبط نقطة تحويل تدفق الهواء على سطح طاولة العمليات أو معدات الإنتاج على مسافة ثلثي المسافة بين مساحة الغرفة النظيفة ولوحة التقسيم. بهذه الطريقة، أثناء عمل المشغل، يتدفق الهواء من داخل منطقة المعالجة إلى منطقة التشغيل، حاملاً معه الغبار. أما إذا وُضعت نقطة التحويل أمام منطقة المعالجة، فسيكون تحويل تدفق الهواء غير مناسب، حيث سيتجه معظمه إلى خلف منطقة المعالجة، ما يؤدي إلى تراكم الغبار الناتج عن عمل المشغل خلف المعدات، وتلوث طاولة العمل، وانخفاض الإنتاجية بشكل حتمي.

تُسبب العوائق، مثل طاولات العمل في الغرف النظيفة، تيارات دوامية عند نقاط اتصالها، مما يؤدي إلى انخفاض مستوى النظافة بالقرب منها. يُمكن تقليل هذه الظاهرة عن طريق حفر فتحة لعودة الهواء على طاولة العمل؛ كما يُعد اختيار مواد التجميع المناسبة وتصميم المعدات الأمثل من العوامل المهمة في تحديد ما إذا كان تدفق الهواء سيتحول إلى تيارات دوامية.

6. مكونات الغرفة النظيفة

يتكون تركيب الغرفة النظيفة من الأنظمة التالية (لا يوجد أي منها ضروري في جزيئات النظام)، وإلا فلن يكون من الممكن تشكيل غرفة نظيفة كاملة وعالية الجودة:

(1) نظام السقف: بما في ذلك قضيب السقف، أو عارضة I أو عارضة U، أو شبكة السقف أو إطار السقف.

(2) نظام تكييف الهواء: بما في ذلك مقصورة الهواء، ونظام الترشيح، وطاحونة الهواء، وما إلى ذلك.

(3) الجدار الفاصل: بما في ذلك النوافذ والأبواب.

(4) الأرضية: بما في ذلك الأرضية المرتفعة أو الأرضية المضادة للكهرباء الساكنة.

(5) تجهيزات الإضاءة: مصباح LED مسطح للتنقية.

يتكون الهيكل الرئيسي للغرفة النظيفة عمومًا من قضبان فولاذية أو أسمنت عظمي، ولكن بغض النظر عن نوع الهيكل، يجب أن يستوفي الشروط التالية:

أ. لن تحدث تشققات بسبب تغيرات درجة الحرارة والاهتزازات؛

ب. ليس من السهل إنتاج جزيئات الغبار، ومن الصعب على الجزيئات أن تلتصق؛

ج. انخفاض استرطابية؛

د. من أجل الحفاظ على ظروف الرطوبة في الغرفة النظيفة، يجب أن يكون العزل الحراري عالياً؛

7. التصنيف حسب الاستخدام

غرفة نظيفة صناعية

يتمثل الهدف الرئيسي في التحكم بالجسيمات غير الحية. ويتحكم هذا النظام بشكل أساسي في تلوث جزيئات الغبار في الهواء للأجسام العاملة، مع الحفاظ على حالة ضغط موجب داخله. وهو مناسب لقطاعات صناعية متنوعة، منها: صناعة الآلات الدقيقة، وصناعة الإلكترونيات (أشباه الموصلات، والدوائر المتكاملة، وغيرها)، وصناعة الطيران والفضاء، والصناعات الكيميائية عالية النقاء، وصناعة الطاقة الذرية، وصناعة المنتجات البصرية والمغناطيسية (إنتاج الأقراص المدمجة، والأفلام، والأشرطة)، وشاشات الكريستال السائل، وأقراص الكمبيوتر الصلبة، ورؤوس معالجة البيانات، وغيرها.

غرفة نظيفة بيولوجيًا

يتحكم بشكل أساسي في تلوث المواد العاملة بالجسيمات الحية (البكتيريا) والجسيمات غير الحية (الغبار). ويمكن تقسيمه إلى:

أ. غرفة التنظيف البيولوجية العامة: تُستخدم بشكل أساسي للتحكم في تلوث الكائنات الحية الدقيقة (البكتيرية). في الوقت نفسه، يجب أن تكون موادها الداخلية قادرة على تحمل تأثيرات عوامل التعقيم المختلفة، كما يضمن تصميمها الداخلي ضغطًا موجبًا. بمعنى آخر، يجب أن تتحمل المواد الداخلية مختلف عمليات التعقيم المستخدمة في غرف التنظيف الصناعية. ومن الأمثلة على ذلك: صناعة الأدوية، والمستشفيات (غرف العمليات، والأجنحة المعقمة)، وصناعة الأغذية، ومستحضرات التجميل، وإنتاج المشروبات، ومختبرات الحيوانات، ومختبرات الاختبارات الفيزيائية والكيميائية، ومراكز التبرع بالدم، وغيرها.

ب. غرفة نظيفة ذات أمان بيولوجي: تُعنى بشكل أساسي بالتحكم في تلوث الجزيئات الحية الموجودة في بيئة العمل بالبيئة الخارجية والأشخاص. يجب الحفاظ على الضغط الداخلي سالباً مقارنةً بالضغط الجوي. أمثلة: علم البكتيريا، علم الأحياء، المختبرات النظيفة، الهندسة الفيزيائية (الجينات المُعاد تركيبها، تحضير اللقاحات).