Diseño de instalaciones y equipos adecuados para salas limpias / Dinámica de fluidos computacional (CFD)

Diseño de instalaciones y equipos adecuados para salas limpias / Dinámica de fluidos computacional (CFD)

Para un número creciente de sectores industriales, la producción bajo condiciones puras es indispensable. No solo es importante aumentar el rendimiento, sino también la implementación sin problemas de los procesos de producción. En particular, las contaminaciones como partículas transportadas por el aire o sedimentadas, Contaminación Molecular en el Aire (Airborne Molecular Contamination) y propiedades electrostáticas son decisivas.

Las industrias relevantes son:
- Fabricación de semiconductores
- Microtecnología/Óptica
- Fabricación de microsistemas

Requisitos para equipos puros
Los fabricantes a menudo establecen requisitos técnicos específicos que el equipo debe cumplir. Las especificaciones de referencia se proponen para la industria de semiconductores en la «Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para Semiconductores (ITRS)» y en las «Mejores Prácticas de Diseño de Minienvironments Integrados de Sematech», por ejemplo:
- Clase de pureza del aire,
- Valor WP (Partículas por oblea y paso),
- Pureza AMC del aire y materiales,
- Parámetros de flujo,
- Propiedades ESD y
- Selección de materiales.

De manera similar, estos requisitos también se aplican a las otras industrias mencionadas.

Además de las especificaciones y funcionalidades de los sistemas completos, el lugar de instalación del equipo puro también tiene un impacto significativo en su diseño. La sala limpia circundante, con su clase de pureza del aire (generalmente clase 5 a 7 según ISO 14644-1) y sus propiedades de flujo, determina en gran medida la protección del equipo puro y la selección de filtros.

Figura 1 (ver anexo pdf)
Equipo en la sala limpia, con puertos de carga y operador, fuente [Fraunhofer IPA]

Partiendo de los requisitos mencionados, los materiales utilizados constituyen la base para equipos puros. En la industria de semiconductores, son especialmente importantes las siguientes propiedades de los materiales:
- Comportamiento de emisión de partículas
- Comportamiento de gases emitidos
- Propiedades electrostáticas
- Resistencia química / resistencia a la corrosión
- Facilidad de limpieza

Además de las propiedades de los materiales, también se debe tener en cuenta su procesamiento y, si es necesario, su recubrimiento.

Figura 2 (ver anexo pdf)
Interior del equipo con barrera de separación cerrada y extracción lateral, simulación de flujo – líneas de trayectoria, [Fuente Fraunhofer IPA, trabajo encomendado para Vistec Electron Beam GmbH]

Enfoques de solución y realización
El funcionamiento del equipo puro se basa esencialmente en el suministro permanente de aire puro y en la evitación de fuentes de contaminación en su interior. Además, mediante el suministro de aire puro, la conducción del flujo y la barrera, se crea una efectiva protección para delimitar el entorno generalmente menos puro.

El enfoque de este trabajo se centra en el suministro del equipo con tecnología de ventilación propia. La razón principal de esto es la tendencia predominante en los últimos años hacia equipos de alta pureza, independientemente del lugar de instalación en la sala limpia, así como la eliminación de trabajos de ajuste posteriores complejos. Los componentes mecánicos y electrónicos utilizados con frecuencia en los equipos son, por un lado, fuentes de contaminación y, por otro, elementos funcionales imprescindibles.

Con base en la experiencia de muchos años en la fabricación de dispositivos y sistemas de pureza adecuada, el Fraunhofer IPA desarrolla conceptos de pureza que, mediante simulaciones y bases de datos de materiales, se perfeccionan en soluciones precisas.

Figura 3 (ver anexo pdf)
EFEM para herramientas de obleas de 300 mm: distribución de presión, [Fuente: Brooks Automation Jena GmbH]
Figura 4 (ver anexo pdf)
Modificación de un prealineador, [Fuente: Brooks Automation Jena GmbH]
Figura 5 (ver anexo pdf)
Modificación de un robot de transferencia, Fuente [Brooks Automation Jena GmbH]

Uso de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)
Estimaciones aproximadas de diseños de herramientas se pueden realizar manualmente. Sin embargo, sistemas complejos o dinámicos no son realizables en las primeras fases de diseño sin CFD. El Fraunhofer IPA utiliza el software de simulación FLUENT (ANSYS). Con este software, se dispone de un enorme potencial para simular procesos físicos complejos.

Ventajas de CFD
CFD permite, ya en las fases muy tempranas del desarrollo, un diseño preciso de sistemas y equipos adecuados para salas limpias. No se requiere hardware adicional. La complejidad de los modelos puede ser muy alta. Se eliminan prototipos costosos para optimización progresiva. Los dibujos creados por los diseñadores pueden cargarse directamente en el software de simulación y exportarse para otros usos. Así, los resultados están disponibles de forma rápida y precisa para el diseño. Tras la creación del modelo de cálculo, diferentes configuraciones pueden probarse modificando las condiciones de frontera.

Uso de bases de datos de materiales
La selección de materiales adecuados para salas limpias se basa en la experiencia de más de 20 años y en extensas bases de datos del Fraunhofer. En ellas, los materiales están catalogados según emisión de partículas, gases emitidos, propiedades ESD, etc., y están sujetos a mediciones estandarizadas.

Perspectivas
Las cada vez menores dimensiones estructurales en la fabricación de semiconductores probablemente conducirán a requisitos cada vez mayores para equipos puros. La complejidad de los aspectos relacionados con la pureza aumentará significativamente. Las particularidades del proceso determinarán diferentes aspectos de pureza, como emisión de partículas, gases emitidos y propiedades ESD, y deberán ajustarse a estos.