6章(洁净室及其控制技术)剖析

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1、室内污染控制与洁净技术,第六章： 洁净室及其控制技术,洁净室环境是微电子工业、精密加工技术、光学工业、生物技术、医药工业、精细化工生产技术、食品加工等行业中必备的生产条件。随着科学技术日新月异的发展，对洁净室的要求已经从洁净室环境中的温、湿度和悬浮微粒污染物的控制扩展到了对洁净室环境中的气（汽）态污染物、细菌和微生物的控制。洁净室环境对其研究成果的实现和新产品开发的成败起到了至关重要的作用。,第六章：洁净室及其控制技术,空气洁净度等级标准与控制对象,6.2,洁净室技术原理,6.3,生物洁净室技术,6.4,洁净室设计计算,6.5,第六章：洁净室及其控制技术,洁净技术设备与应用,6.6,洁净室的运

2、行管理,6.7,洁净室的定义、分类及其应用,6.1,6.1,6.1.1 洁净室的定义,洁净室(clean room):洁净室就是洁净的室(广义)。,定义如下：,1.美国联邦在FS-209中是这样定义的：,洁净室“室内悬浮粒子浓度被控制在一定水平的房间。”,洁净区“空气浮游粒子的浓度被控制在特定的浮游粒子洁净度等级范围内的某一限定空间。”,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,2.国际标准化组织的定义：,洁净室“空气中浮游粒子浓度受控的房间，其建造和使用应使进入、 产生、滞留于室内的粒子最少；室内其他参数如温度、湿,洁净区“定义同FS-209标准，此洁净区可以是

3、开放的，也可以是封闭 的，可位于或不位于洁净室内。”,3.中国国家标准GB 50073-2001中对洁净室的定义是：,洁净室“空气中悬浮粒子浓度受控的房间，它的建造和使用应减少室 内诱入、产生或者滞留粒子。室内其他参数如温度、湿度、 压力等按要求进行控制。”,度、气压按需要控制。”,洁净区“空气中悬浮粒子浓度受控的限定空间，它的建造和使用应 减少室内诱入、产生或者滞留粒子。室内其他参数如温度、 湿度、压力等按要求进行控制。,现代洁净室特殊的含义：,明确了空气洁净技术的基本特征和主要的控制对象；,指明了洁净技术的基本原理；,除了对空调系统中的温度、湿度、压力、流速和粒子浓度等参数严格控制以外，还

4、应根据不同的应用要求和控制等级，对其他相关参数进行控制。如现代化的集成电路生产线上，还要求对静电、微振动以及空气中气态(分子态)污染物(Airbornic Molecular Contaminants,AMC)进行控制。,1.,2.,3.,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.1.2 洁净室的分类,1.按用途来分类,(1)工业洁净室:以非生物微粒(或称为无生命微粒)为控制对象。主要控制非生物微粒对工作对象产生污染。其受控环境一般保持正压,防止外界微粒进入。,(2)生物洁净室:以生物微粒(或称为有生命微粒)为控制对象，可分为： 一般生物洁净室;隔离式生物洁净室。,一般生物洁净室:主要控制有生命

5、微粒(如菌类,原生动物、细菌和病毒等)对工作环境及工作对象的污染。其受控环境一般保持正压。,隔离式生物洁净室:以防止微生物(有生命的微粒)外逸为控制目的。受控环境处于“负压”状态,即负压送风,过滤排风,一般不采用回风。主要控制工作对象是有生命的微粒,防止其对外界和人体产生伤害。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,2.按照气流流型分类,单向流（Unidirectional Airflow）,非单向流（Non-unidirectional Airflow）,混合流（Mixed Airflow）,图6.1 三种洁净室的气流流型示意图 SA送风;RA回风,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,3.按净

6、化设备布置方式分类,(1)集中式;(2)局部式;(3)混合式,图6.2为上述3种净化设备布置方式的基本原理。,图6.2 洁净装置布置形式,6.1.3 洁净技术的发展与应用,洁净技术(Cleanroom technology)是一门以防止生产与研究工作受环境因素的干扰和影响,保护产品或研究对象不受有害物质污染为核心内容的新兴技术。它随着科学技术的发展、工业产品的日新月异,特别是航空航天业、电子工业、生物医药和食品工业的发展而不断发展。现代工业和现代科学实验研究对产品的微型化、高精密度和高可靠度等方面的要求不断提高，促使洁净技术的快速发展。洁净技术的发展已成为现代工业生产和实验活动不可缺少的重要标

7、志之一。,20世纪20年代,美国就开始了洁净技术方面的研究。,20世纪50年代,美国成功研制了高效性空气粒子过滤器(HEPA)。,20世纪60年代,推出了世界上第一个单向流洁净室,这项研究成果是空气洁净技术发展史上的一项重大突破。1963年美国颁布了第一个联邦标准FS-209。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,1999年该委员会出台第一个关于洁净室的标准-空气洁净度分级(ISO 14644-1)。 70年代,洁净技术应用得到普及,尤其是在电子工业领域,工业洁净室得到了广泛应用。 80年代至今,是洁净技术发展大普及的20余年。表1.2和表1.3分别给出了大规模集成电路和超大规模集成电路(VL

8、SI)的发展趋势。 90年代以来,超大规模集成电路的加工技术发展迅猛,每隔2年其关键技术就会有一次飞跃,集成度每3年增长4倍。这对洁净技术的发展提出了巨大挑战,微电子工业技术始终引领着洁净技术的发展方向。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,生物洁净技术是在工业洁净技术基础上发展起来的,生物洁净技术的出现也是生物科学及医学发展的必然需要。早在1867年,英国的里司特(LISTER)已用室内喷石碳酸的方法消灭漂浮在手术室空气中的微生物,手术后感染率从63%下降到18%。美国宇航局1962年在一个生物洁净室中对被火箭送上太空的狗进行手术。1966年在美国新墨西哥州的一家医院建成了世界上第一个无菌手

9、术室;英国的一名整形外科医生1966年6月建成类似于垂直单向流的洁净室。,进入20世纪70年代后,微生物洁净技术的发展及应用在国际上已进入了相当广泛的领域。生物洁净室已广泛应用于宇宙航行、医学、制药、微生物学、生物实验、遗传工程、食品等众多领域,生物洁净技术在这些应用领域均占有重要地位。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,我国洁净室技术的研究和应用:60年代是我国洁净技术发展的起步时期,第一个洁净室于1965年在电子工厂建成投入使用,同期我国的高效过滤器(HEPA)研制成功投入生产。,70年代末开始,我国的洁净技术随着各行业引进和设备的兴起得到了长足进步。1980年后,我国洁净技术和洁净厂房

10、建设取得了明显的成果,在建设大规模集成电路工厂、研究所、彩色显像管工厂以及制药工厂洁净室工程、洁净手术室的同时,建成了一批5级(100级)、6级(1000级)的洁净室。1984年编制完成了我国首部洁净厂房设计规范(GBJ 73-84)。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,90年代我国与国际知名公司合作或合资,建成了一些高级别(0.1m、1级、10级)的洁净制造车间。1988年我国制定了制药行业的药品生产质量管理规范(GMP),明确规定了制药工业中对不同类型的药品所需的生产环境的洁净度。90年代后期,我国洁净手术室的建设在最近10年中加快了速度,据有关方面至2001年不完全统计，全国有近200

11、0间洁净手术室投入使用。1996年实施了国际军队医院洁净手术部建筑技术规范,2000年实施了国际医院洁净手术部建设标准,2002年实施了国际医院洁净手术部建筑技术规范。,6.1 洁净室的定义、分类及其应用,6.2.1 洁净度等级标准,1美国联邦标准-FS209E,表6.2 FS209E标准的空气中悬浮粒子洁净度等级,209E标准中，对其中任意等级的上限浓度可近似用下列公式来计算：,式中:,NM 大于或等于粒径的上限浓度,pc/m3； M 采用国际单位制是洁净度等级的值； d 所考虑的粒子直径，um。,2. 国际标准之前的各国标准,表6.3 各国洁净度等级的对照,3. 国际洁净室标准,表6.4

12、洁净室和洁净区内空气中悬浮粒子洁净度等级,按国际标准，空气中悬浮粒子洁净度等级以等级序数N表示，相应的中间等级的粒子最大允许浓度Cn可用公式计算： 式中：Cn大于或等于粒径（d）的粒子最大允许浓度，pc/m3 ； N洁净度级别； d被考虑的粒径，um 。,值得注意的是，洁净室（区）内空气洁净度在不同状态下是不同的，所以国际标准中对洁净室（区）涉及到的三种状态作出如下定义： 空态（as-built）：设施已经建成，所有动力接通并运行，但无生产设备、材料及人员。 静态（at-rest）：设施已经建成，生产设备已经安装，并按业主供应商同意的状态运行，无生产人员。 动态（operational）：设施

13、以规定的状态运行，有规定的人员在场，并在商定的状态下进行工作。 洁净室工程在验收时所处的状态应与业主和开发商协定确定而国际标准（ISO14644-1）特别指名：“空态测试”完毕还应进一步作“静态”或“动态”（或同时作两种）测试无论在何种状态下都能实现并保持所要求的参数。,修订后的国家标准洁净厂房设计规范（GB50073-2001） 从2002 年1月发布实施。国家标准（GB50073-2001）中规 定的洁净室（洁净区）内空气洁净度等级等同采用国际标准 ISO14644-1种的有关规定。,4. 我国的洁净室标准,5. 生物洁净室的相关标准,世界第一个有关微生物净化级别的标准是美国航空与航天管理

14、局（NASA）于1967.8公布的NHB5340.2洁净室和洁净工作台微生物控制标准，至今仍被广泛应用于各国的相关标准和相关行业。,表6.5 美国宇航局(NASA)标准NHR5340.2,该标准主要是针对宇航业的应用，而相对于其他行业则偏严。随着生物技术的发展和广泛应用，世界各国相继制定了一系列适应不同场合的标准 ，如药品生产领域中著名药品生产质量管理规范（GMP-Good Manufacturing Practice）等。自美国1962年率先颁布了“GMP”后，世界100多个国家和地区相继制定了GMP1。我国1982年由中国医药工业公司首先颁布GMP后，相关部委陆续颁布和修订了各项GMP标准

15、。此外还先后颁布了洁净手术部建筑技术规范GB50333-2002、食品企业通用卫生规范GB14881-1994、生物安全实验室建筑技术规范GB50346-2004等。,我国卫生部的GMP标准 表6.6 卫生部的GMP标准,6. 关于AMC的相关标准,洁净环境中气态分子级化学污染物分级标准：SEMI F21-95。该标准将分子态污染物质AMC分成了A、B、C、D四大类： AAcids酸性物质：如溴化氢、氟化氢、氯化氢、氮、磷、硫等； BBases碱性物质：如氨及其衍生物甲基氨等； CCondensables可凝结物质：如硅酮、碳氢化合物等； DDopants掺杂物：如砷、硼、磷等。,表6-7控制

16、化学污染物的洁净度等级,6.2.2 空气洁净度的控制对象,空气洁净度主要控制对象,最小微粒直径,1.控制的最小粒径 以往所提出控制最小粒径的原因，主要基于机械的角度（如精密机械仪器的磨损、灵敏度、堵塞等）考虑可能损害产品的最小微粒直径。具体考虑： （1）最小微粒直径应小于某种几何距离，如元件间的公差、 间隙、线距（宽）等； （2）同时考虑到小微粒可能会凝聚成大微粒； （3）或是几个小微粒同时落到产品的致命处。 因此，通常把这几种几何间距的1/21/3定为控制的最小粒径。由于这类几何距离可以小到约1m，所以0.5m这一粒径长期以来成为空气洁净技术上要控制的最小粒径。,2. 控制的微粒数量 在制订洁净度等级时所用的控制微粒数量，宜按以下原则划分： 空气净化手段（措施）能达到的； 这些手段（措施）在经济上能有明显区别； 在使用上比较方便，例如：各等级控制数便于记忆，即要求这些控制数