ما هي العوامل المؤثرة في تنظيم تدفق الهواء في الغرفة النظيفة؟

يرتبط إنتاج الرقائق في صناعة الرقائق ارتباطًا وثيقًا بحجم وعدد جزيئات الهواء المترسبة عليها. يُمكّن التنظيم الجيد لتدفق الهواء من إبعاد الجزيئات الناتجة عن مصادر الغبار عن الغرفة النظيفة، ويضمن نظافتها. أي أن تنظيم تدفق الهواء في الغرفة النظيفة يلعب دورًا حيويًا في إنتاج الرقائق. الأهداف التي يجب تحقيقها عند تصميم تنظيم تدفق هواء الغرفة النظيفة هي: تقليل أو إزالة التيارات الدوامية في مجال التدفق لتجنب احتباس الجزيئات الضارة؛ والحفاظ على تدرج ضغط إيجابي مناسب لمنع التلوث المتبادل.

وفقًا لمبدأ الغرفة النظيفة، فإن القوى المؤثرة على الجسيمات تشمل قوة الكتلة، والقوة الجزيئية، والجذب بين الجسيمات، وقوة تدفق الهواء، وما إلى ذلك.

قوة تدفق الهواء: تشير إلى قوة تدفق الهواء الناتجة عن تدفق الهواء الداخل والخارج، وتدفق الهواء بالحمل الحراري، والتحريك الاصطناعي، وتدفقات هواء أخرى ذات معدل تدفق معين لنقل الجسيمات. تُعدّ قوة تدفق الهواء العامل الأهم للتحكم في تكنولوجيا بيئة الغرف النظيفة.

أظهرت التجارب أن الجسيمات في حركة تدفق الهواء تتبع تدفق الهواء بنفس السرعة تقريبًا. ويتحدد توزيع تدفق الهواء بناءً على حالة الجسيمات في الهواء. وتشمل التأثيرات الرئيسية لتدفق الهواء على الجسيمات الداخلية: تدفق هواء التزويد (بما في ذلك تدفق الهواء الأساسي والثانوي)، وتدفق الهواء وتدفق الحمل الحراري الناتج عن مشي الأشخاص، وتأثير تدفق الهواء على الجسيمات الناتجة عن عمليات المعالجة والمعدات الصناعية. وتُعد طرق إمداد الهواء المختلفة، وواجهات السرعة، والمشغلون والمعدات الصناعية، والظواهر المُستحثة، وغيرها، عوامل تؤثر على مستوى النظافة في الغرف النظيفة.

1. تأثير طريقة إمداد الهواء

(1) سرعة إمداد الهواء

من أجل ضمان تدفق الهواء بشكل موحد، يجب أن تكون سرعة إمداد الهواء في غرفة التنظيف ذات التدفق أحادي الاتجاه موحدة؛ ويجب أن تكون المنطقة الميتة على سطح إمداد الهواء صغيرة؛ ويجب أن يكون انخفاض الضغط داخل فلتر HEPA موحدًا أيضًا.

سرعة إمداد الهواء موحدة: أي يتم التحكم في عدم انتظام تدفق الهواء بنسبة ±20%.

يوجد مساحة ميتة أقل على سطح إمداد الهواء: لا ينبغي فقط تقليل مساحة الطائرة لإطار HEPA، ولكن الأهم من ذلك، يجب استخدام FFU المعياري لتبسيط الإطار الزائد.

من أجل ضمان أن يكون تدفق الهواء عموديًا وأحادي الاتجاه، فإن اختيار انخفاض الضغط في الفلتر مهم جدًا أيضًا، ومن المطلوب ألا يكون فقدان الضغط داخل الفلتر متحيزًا.

(2) مقارنة بين نظام FFU ونظام مروحة التدفق المحوري

وحدة FFU هي وحدة إمداد هواء مزودة بمروحة وفلتر هواء عالي الكفاءة (HEPA). يسحب الهواء بواسطة مروحة الطرد المركزي الخاصة بوحدة FFU، ويحول الضغط الديناميكي إلى ضغط ثابت في مجرى الهواء. ثم يُدفع بالتساوي بواسطة فلتر هواء عالي الكفاءة. ضغط إمداد الهواء في السقف سالب، مما يمنع تسرب الغبار إلى الغرفة النظيفة عند استبدال الفلتر. أظهرت التجارب تفوق نظام FFU على نظام مروحة التدفق المحوري من حيث اتساق مخرج الهواء، وتوازي تدفق الهواء، ومؤشر كفاءة التهوية. ويعود ذلك إلى توازي تدفق الهواء في نظام FFU. ويمكن أن يُحسّن استخدام نظام FFU تنظيم تدفق الهواء في الغرفة النظيفة.

(3) تأثير هيكل FFU نفسه

تتكون وحدة تصفية الهواء (FFU) بشكل أساسي من مراوح ومرشحات وموجهات تدفق هواء ومكونات أخرى. يُعدّ مرشح HEPA الضمان الأهم للغرفة النظيفة لتحقيق النظافة المطلوبة حسب التصميم. كما تؤثر مادة المرشح على انتظام مجال التدفق. عند إضافة مادة ترشيح خشنة أو صفيحة تدفق إلى مخرج المرشح، يُمكن بسهولة جعل مجال التدفق في المخرج منتظمًا.

2. تأثير واجهة السرعة مع النظافة المختلفة

في نفس الغرفة النظيفة، بين منطقة العمل ومنطقة عدم العمل ذات التدفق الرأسي أحادي الاتجاه، وبسبب اختلاف سرعة الهواء في صندوق فلتر الهواء عالي الكفاءة (HEPA)، يحدث تأثير دوامة مختلطة عند نقطة التقاء الهواء، مما يُشكل منطقة تدفق هواء مضطربة. شدة اضطراب الهواء شديدة للغاية، وقد تنتقل الجسيمات إلى سطح آلة المعدات وتُلوثها.

3. التأثير على الموظفين والمعدات

عندما تكون الغرفة النظيفة فارغة، فإن خصائص تدفق الهواء فيها تتوافق عمومًا مع متطلبات التصميم. بمجرد دخول المعدات إلى الغرفة النظيفة، وتحرك الأشخاص، ونقل المنتجات، ستواجه هذه المعدات حتمًا عوائق تعيق تدفق الهواء، مثل بروز نقاط حادة من آلة المعدات. عند الزوايا أو الحواف، سيتحول الغاز ليشكل منطقة تدفق مضطربة، ولن يتسرب السائل الموجود فيها بسهولة بواسطة الغاز الداخل، مما يسبب التلوث.

في الوقت نفسه، يُسخّن سطح المعدات الميكانيكية نتيجةً للتشغيل المستمر، ويؤدي تفاوت درجات الحرارة إلى تكوّن منطقة إعادة تدفق بالقرب من الآلة، مما يزيد من تراكم الجسيمات فيها. في الوقت نفسه، تُسرّب درجة الحرارة المرتفعة الجسيمات بسهولة. يُكثّف هذا التأثير المزدوج الطبقة الرأسية الكلية. يُصعّب التحكم في نظافة مجرى الهواء. يُمكن أن يلتصق غبار المُشغّلين في الغرفة النظيفة بسهولة بالرقائق في مناطق إعادة التدفق هذه.

4. تأثير عودة الهواء الأرضي

عندما تختلف مقاومة الهواء العائد عبر الأرضية، يحدث فرق في الضغط، مما يؤدي إلى تدفق الهواء باتجاه مقاومة منخفضة، وبالتالي عدم انتظام تدفق الهواء. الطريقة الشائعة حاليًا لتصميم الأرضية المرتفعة هي استخدام أرضية مرتفعة. عندما تكون نسبة فتح الأرضية المرتفعة 10%، يمكن توزيع سرعة تدفق الهواء بالتساوي على ارتفاع العمل الداخلي. بالإضافة إلى ذلك، يجب إيلاء اهتمام خاص لأعمال التنظيف للحد من مصادر التلوث على الأرضية.

5. ظاهرة الاستقراء

تشير ظاهرة الحث إلى توليد تدفق هواء معاكس للتدفق المنتظم، مما يُسبب غبارًا متولدًا في الغرفة أو غبارًا في المناطق الملوثة المجاورة في اتجاه الريح، مما يُسبب تلوث الرقاقة بالغبار. تشمل الظواهر المُستحثة المحتملة ما يلي:

(1) لوحة عمياء

في غرفة نظيفة ذات تدفق عمودي أحادي الاتجاه، بسبب الوصلات الموجودة على الحائط، توجد عادةً ألواح عمياء كبيرة من شأنها أن تنتج تدفقًا مضطربًا وتدفقًا عكسيًا محليًا.

(2) المصابيح

سيكون لتركيبات الإضاءة في الغرف النظيفة تأثير أكبر. بما أن حرارة مصباح الفلورسنت تُسبب ارتفاع تدفق الهواء، فلن يُصبح مصباح الفلورسنت منطقة مضطربة. عادةً، تُصمم مصابيح الغرف النظيفة على شكل دمعة لتقليل تأثيرها على تنظيم تدفق الهواء.

(3) فجوات بين الجدران

عندما تكون هناك فجوات بين الجدران أو الأسقف الفاصلة ذات متطلبات النظافة المختلفة، يمكن أن ينتقل الغبار من المناطق ذات متطلبات النظافة المنخفضة إلى المناطق المجاورة ذات متطلبات النظافة العالية.

(4) المسافة بين المعدات الميكانيكية والأرضية أو الحائط

إذا كانت الفجوة بين المُعدة الميكانيكية والأرضية أو الجدار صغيرة، فسيحدث اضطراب ارتدادي. لذلك، يُنصح بترك فجوة بين المُعدة والجدار ورفع منصة الآلة لتجنب ملامستها المباشرة للأرض.