Nettoyage et emballage de pièces individuelles et d'ensembles pour une utilisation dans des conditions de salle blanche

Vue d'ensemble

De plus en plus de fabrications de produits ont lieu dans des conditions définies, en salles blanches. Les produits respectifs et les étapes de processus nécessaires à leur fabrication sont déterminants pour la définition des conditions de salle blanche requises. Pour pouvoir produire en salle blanche, il faut disposer de certaines conditions préalables importantes afin de rendre cela efficace. Dans peu d’autres domaines, l’analyse de toute la chaîne de fabrication est aussi nécessaire que dans les zones de production pures. Il est certainement très important de définir ce que sont les conditions ambiantes nécessaires pour la fabrication. Très souvent, les spécifications concernant la pureté du matériau livré et de l’équipement de processus ne sont pas adaptées aux exigences nécessaires, c’est-à-dire, par exemple, que les questions concernant la manière de livraison ainsi que les exigences de pureté auxquelles doivent répondre le produit livré et son emballage doivent être clarifiées. Le fait que la production ait lieu en salle blanche ne suffit pas à lui seul pour atteindre la qualité produit nécessaire.

Dans cet article, on abordera principalement deux étapes de processus au sein de la chaîne globale, auxquelles une importance exceptionnelle est attribuée : le nettoyage et l’emballage des pièces individuelles, des sous-ensembles et des machines complètes.

Nettoyage et emballage – une nouvelle qualité

Pourquoi parle-t-on d’une nouvelle qualité dans les processus de nettoyage et d’emballage ? On nettoie et emballe déjà depuis toujours. Mais qu’y a-t-il de nouveau ? La nouveauté réside dans le fait qu’on ne peut plus simplement assimiler cela à du « nettoyage » et à du « conditionnement ». On nettoie un vélo avec un chiffon – on nettoie un cadre optique avec des agents de nettoyage et des lingettes selon une technologie de nettoyage prédéfinie. On emballe un cadeau d’anniversaire dans du papier cadeau – le cadre optique livré se trouve dans un magazine fixé dans une boîte refermable, qui est ensuite scellée deux fois dans un film PE préalablement nettoyé et déchargeable, éventuellement soufflé avec de l’azote ou évacué, puis envoyée à l’utilisateur.

À travers cette brève description des processus, on peut percevoir les différences avec les technologies traditionnelles. Mais qu’est-ce qui rend nécessaire, pour les applications en salle blanche, d’engager des coûts accrus ? Les étapes de travail et technologies qui nécessitent un environnement pur, une salle blanche, utilisent cette dernière pour atteindre une haute qualité du produit, ou ne seraient pas réalisables dans des conditions « normales ». Cela signifie que l’on accepte consciemment le coût plus élevé que comporte l’exploitation d’un environnement de fabrication pur. Pour cette raison, on cherchera toujours à éviter en amont tous les influences extérieures qui pourraient influencer négativement ce coût. C’est aussi la raison pour laquelle on traite dans les normes et directives la thématique de la salle blanche et de la compatibilité avec la pureté, la propreté des surfaces, la contamination chimique, les matériaux compatibles salle blanche, entre autres. On en est conscient, car il existe encore de grandes lacunes à ce sujet, et la standardisation ne couvre pas encore tous les points nécessaires.

Exigences issues des normes et directives

En recherchant des normes ou directives sur le thème « chaînes de processus en salle blanche », on trouve très peu de documents. La plupart du temps, comme par exemple dans la norme DIN EN ISO 14644-9, cet aspect important est exclu : « ...Les aspects suivants ne sont pas considérés dans la présente norme :
- Méthodes pour le nettoyage des surfaces ; ... » (1)

Ce qui entraîne la présence d’un certain nombre de standards internes à l’usine, qui, dans la diversité de leurs applications, ne sont pas compatibles ou échangeables, et ne sont adaptés qu’à quelques produits. Ces standards sont aussi accessibles uniquement à un cercle restreint d’utilisateurs.

De plus, il existe des prescriptions sectorielles spécifiques qui décrivent un état de la technique qui ne correspond pas toujours aux connaissances actuelles. Il s’agit principalement de normes dans le secteur des semi-conducteurs et de l’automobile. Nous ferons référence ci-après à certaines exigences en la matière.

Exemple de l’industrie des semi-conducteurs

La standardisation dans l’industrie des semi-conducteurs est très avancée par rapport à d’autres secteurs. Cependant, elle se limite, compréhensiblement, aux préoccupations de l’industrie des semi-conducteurs, de l’énergie solaire et de la microtechnologie, représentée internationalement par l’organisation SEMI.

En examinant les exigences pour le nettoyage de pièces individuelles, de sous-ensembles et de machines complètes, on constate une grande divergence entre les exigences issues de la norme et leur application dans le travail quotidien de nombreuses entreprises.

Concernant le nettoyage et l’assemblage de machines destinées à un usage en salle blanche, il est par exemple exigé : « Nettoyage – tous les outils et composants du système (pièces et sous-ensembles – Ndlr de l’auteur) doivent être aspirés, soufflés à l’air filtré et nettoyés avec une solution d’IPA à 10 % et d’eau, immédiatement avant leur introduction dans la zone de montage. Des aides telles que des lingettes pour salle blanche, certifiées pour une classe ISO 5 (selon DIN EN ISO 14644), doivent être utilisées. Les huiles de coupe, lubrifiants et fluides doivent être enlevés avant que les pièces n’atteignent la zone de montage propre. »

Indépendamment de la manière dont ces exigences sont ou seront mises en œuvre dans la réalité, une série de questions se pose, auxquelles l’utilisateur doit répondre lui-même pour sa production, car il n’existe aucune directive concrète à ce sujet.

1. Comment assurer une aspiration efficace ?
Il est généralement connu que l’aspiration n’est pas une technologie de nettoyage efficace. D’une part, elle ne produit pas d’effet en profondeur, c’est-à-dire que le aspirateur doit être placé très près de la pièce à aspirer pour avoir un effet, et d’autre part, avec des particules de plus en plus petites, la force d’attraction des particules vers la surface devient si grande qu’on peut supposer qu’au-dessous de 10 µm, aucune efficacité n’est plus atteinte.

2. Comment préparer l’air comprimé pour qu’il puisse être utilisé pour le soufflage ?
Il doit être exempt d’huile et d’eau, cela va de soi. « Sans particules » signifie que la taille minimale des particules doit être définie. Souvent, l’azote est utilisé pour le soufflage. Les mêmes exigences que pour l’air comprimé s’appliquent à l’azote. La pureté généralement indiquée pour l’azote concerne uniquement la pureté chimique, pas la pureté particulaire. Que ce soit de l’air comprimé ou de l’azote, il faut utiliser un filtre en point d’utilisation. Celui-ci garantit une filtration finale du médium utilisé et empêche que des contaminations du réseau de gaz n’atteignent le produit.

3. Quelle doit être la qualité d’un liquide de nettoyage ?
Pour l’eau, il faut utiliser en tout cas de l’eau déionisée (DI). Les résidus liquides s’évaporent sans laisser de traces. Les mélanges d’alcool, qu’ils soient à 10 % ou 50 %, doivent répondre à une pureté chimique et particulaire, déterminée par les produits à nettoyer. Ces alcools ont pour effet de dissoudre les contaminations organiques. L’eau permet, grâce à sa tension de surface plus élevée, d’absorber les saletés dissoutes par le chiffon (lingette de salle blanche).

4. Qu’est-ce qu’un chiffon de salle blanche ?
……

Exemple de l’industrie automobile

L’industrie automobile présente à ce stade peu de directives générales. Par exemple, la directive VDA19 (2) : « Vérification de la propreté technique – Contamination par particules des pièces automobiles fonctionnellement importantes »

Cette directive décrit les conditions d’application et de documentation des méthodes de détermination de la contamination par particules sur des composants fonctionnellement importants (contrôle de propreté). (2)

Concrètement, cela signifie qu’on a créé une base pour définir les exigences de pureté entre clients et fournisseurs, sur la base des méthodes de détermination de la contamination par particules.

Ce qui n’est pas considéré :

- Les bases et méthodes pour déterminer/recueillir les exigences de propreté absolument nécessaires ou pertinentes d’un composant d’un point de vue fonctionnel technique.
- La preuve de contamination organique (graisses, huiles, etc.).
- Les méthodes de détection de particules non quantifiables sur des pièces d’essai (par exemple, inspection visuelle, test par frottement avec un chiffon propre).
- La vérification des liquides pour le fonctionnement des pièces d’essai (liquides de refroidissement, huiles, liquides hydrauliques, liquides de frein, carburants, gaz, etc.) (2)

Ces directives laissent également aux utilisateurs des aides importantes pour décrire leurs processus de nettoyage, et sont donc peu pertinentes en pratique pour établir ces processus.

Normes et directives internes à l’entreprise

Il existe un grand nombre de normes et directives internes à l’entreprise décrivant les processus de nettoyage et d’emballage. Leur intégration dans une considération générale pour l’élaboration de recommandations universelles échoue souvent parce qu’une clause de confidentialité précède toutes ces normes d’entreprise.

Presque toutes ces prescriptions reposent sur des expériences de longue date et, bien sûr, aussi sur des erreurs commises. Peu d’entre elles sont précédées d’une investigation scientifique approfondie. Ces prescriptions restent valides aussi longtemps qu’on ne rencontre pas de limites où les méthodes actuelles ne suffisent plus, et qu’on doit faire évoluer les processus de manière itérative.

Conditions ambiantes nécessaires pour les processus de nettoyage et d’emballage

Il existe différentes opinions sur les conditions dans lesquelles le nettoyage et l’emballage doivent être effectués. Voici trois exemples :

1. Une norme précise la classe de propreté de l’air requise pour ces processus (par exemple, norme SEMI). L’expérience montre qu’il y a peu de fournisseurs répondant aux exigences élevées d’une classe ISO 5 / ISO 6.
2. Quelques fournisseurs (par exemple au Japon) fabriquent, nettoient et emballent dans les mêmes conditions que celles dans lesquelles la machine sera utilisée chez le client final. Cela permet d’atteindre un très haut degré de pureté dès le départ. Mais cela entraîne un coût élevé.
3. Différents fournisseurs travaillent selon une expérience, avec au maximum deux classes de moins que les conditions chez le client final.

Nettoyage de pièces individuelles, sous-ensembles et machines en conditions de salle blanche

Chaîne de processus du composant individuel à la machine complète

Pour pouvoir spécifier correctement la pureté d’une machine à l’avance, il est nécessaire d’analyser toute la chaîne de processus, de la fabrication des pièces individuelles jusqu’à la machine complète. Cela permet de déterminer les exigences spécifiques pour la fabrication, le nettoyage et l’emballage dans des conditions appropriées. La considération du facteur temps joue toujours un rôle important dans la description de la chaîne de processus. La contamination est une fonction du temps. Plus les processus individuels durent longtemps, plus il faut assurer une haute qualité de l’environnement. Cela peut se faire de différentes manières :

- par une salle blanche de classification appropriée
- par des nettoyages répétés pour éliminer continuellement les contaminations
- par l’emballage des produits avant chaque pause de travail et leur déballage lors de la poursuite du traitement (par exemple, par scellage ou couverture avec des films appropriés ou avec des contenants actifs, atmosphères d’azote adaptées uniquement si le produit doit être protégé de l’humidité et de l’oxygène), ainsi qu’un nettoyage régulier

Il arrive souvent de se demander si un nettoyage final de toute la machine ne serait pas suffisant. La difficulté réside dans le fait qu’aucune machine n’est conçue de manière si simple qu’on puisse atteindre tous les endroits lors du nettoyage. La plupart du temps, des contaminations sont « intégrées » et deviennent ainsi un risque à long terme. Ces contaminations ne restent pas fixées indéfiniment sur les surfaces. Les processus de vieillissement, les modifications de la charge de surface (électrostatique), les changements d’humidité et de température, etc., modifient les forces d’adhésion à la surface et donnent aux contaminations une dynamique imprévisible.

Nettoyage de pièces individuelles

Tout nettoyage dépend toujours du type de contamination, mais aussi du matériau des pièces à nettoyer, de leur texture de surface et de leur sensibilité aux influences mécaniques et à l’action des liquides.

Pour de nombreuses applications, le nettoyage par ultrasons s’est avéré efficace. Il préserve au maximum les composants et est techniquement mature. Pour des pièces très sensibles, on peut utiliser une fréquence plus élevée, dite ultrasonique. Les points suivants doivent être particulièrement pris en compte :

- Lors de l’utilisation de solutions aqueuses, il faut utiliser de l’eau déionisée (DI).
- Lors de l’utilisation de nettoyants, prévoir suffisamment de cycles de rinçage pour éviter la contamination par des agents de nettoyage ou des détergents, ou par des impuretés dissoutes.
- Les agents de nettoyage usés et les liquides de rinçage doivent être changés à intervalles courts.
- Le processus de séchage doit être considéré avec beaucoup d’attention (par exemple, dans les trous ou cavités). Le séchage doit se faire dans des conditions de pureté maximale.

La diversité des pièces qui ne peuvent pas être nettoyées par ultrasons est très grande. Parmi elles, par exemple, des optiques, céramiques, matériaux à surface poreuse et matériaux mous. Pour ces pièces, on recourt à un nettoyage mécanique, qui peut être assisté par aspiration et soufflage. Le simple aspiration et soufflage ne suffisent pas à elles seules (voir ci-dessus).

Il existe bien sûr de nombreux autres procédés de nettoyage, comme le nettoyage au CO2, le séchage par chauffage, le nettoyage par immersion, le brossage, les films adhésifs, etc.

Nettoyage de sous-ensembles

La complexité élevée des sous-ensembles nécessite une forte proportion de procédés mécaniques de nettoyage. Les raisons en sont, par exemple, des assemblages non accessibles par ultrasons ainsi qu’un mélange de matériaux aux exigences très différentes. Il peut également exister un risque que des agents de nettoyage restent dans le sous-ensemble, car un séchage à 100 % n’est pas possible.

Le nettoyage des sous-ensembles n’est efficace que si les pièces individuelles ont été nettoyées au préalable.

Nettoyage des machines

On distingue dans le nettoyage des machines le nettoyage en profondeur et le nettoyage d’entretien, comparable au nettoyage des salles blanches.

Nettoyage en profondeur après montage

Avant d’emballer une machine, celle-ci doit être complètement nettoyée chez le fabricant, indépendamment des étapes de nettoyage précédentes des pièces et sous-ensembles. Ce nettoyage suppose une bonne connaissance de la machine par le personnel de nettoyage. Les différentes zones de la machine doivent être nettoyées avec des méthodes appropriées, les sous-ensembles sensibles étant éventuellement exclus du nettoyage final. Ceux-ci doivent être protégés en amont. Après ce nettoyage final, la machine doit être immédiatement recouverte d’une première protection (par exemple, film).

Avant le processus d’emballage, un test d’acceptation préalable peut être effectué, permettant de détecter d’éventuels problèmes de contamination en interne. Les problèmes de contamination identifiés peuvent alors être résolus en interne, ce qui est beaucoup moins coûteux que dans la salle blanche du client.

Ces tests d’acceptation préalable permettent également de documenter la qualité atteinte vis-à-vis du client. La procédure et les détails doivent être convenus entre le client et le fournisseur.

Nettoyage de base avant mise en service

Après le déballage réglementaire de la machine chez le client final, celle-ci doit faire l’objet d’un nettoyage de base supplémentaire, afin d’éliminer d’éventuelles contaminations survenues lors du transport. Sans ce nettoyage, aucune machine ne doit être introduite en salle blanche. Ce nettoyage est effectué par le fournisseur, le client ou un personnel externe. La procédure de déballage et de nettoyage sert de référence.

En général, après le nettoyage, une vérification par échantillonnage de la propreté de surface est effectuée. Si les limites sont respectées, la machine peut être installée dans la zone de salle blanche concernée.

Nettoyage d’entretien

Le nettoyage d’entretien est intégré au plan de nettoyage du client. Il garantit la propreté nécessaire dans le temps. Autrement dit, malgré la fabrication en salle blanche, les machines doivent être régulièrement ramenées à leur état initial. En effet, l’environnement de salle blanche ne fait que prolonger la période pendant laquelle les surfaces de l’équipement de processus restent contaminées. De plus, le fonctionnement de la machine, les processus en cours et la gestion des matériaux génèrent en permanence des contaminations qui se déposent sur les surfaces. Ce nettoyage d’entretien doit être effectué selon un plan fixe et ses résultats doivent être documentés.

Contrôle de la propreté (exemples)

Le contrôle du succès du nettoyage pose toujours des problèmes aux responsables. La raison principale est la mesure des particules sur des surfaces techniques, qui ne peut être réalisée qu’avec un effort considérable. Outre la technique de mesure permettant de rendre visibles des particules jusqu’à la taille micrométrique, les méthodes suivantes se sont imposées :

- Inspection optique
Les surfaces nettoyées sont inspectées à l’aide d’outils optiques, et des particules sont sélectionnées sur une surface définie. Le résultat est comparé à la limite fixée dans la procédure de nettoyage. Le nettoyage est considéré comme terminé lorsque ces limites sont respectées.

- Sonde de surface
La sonde de surface est utilisée avec un compteur de particules optique modifié. Des particules sont détachées de la surface par un jet d’air et évaluées avec le compteur. Cette méthode est qualitative, non quantitative, car toutes les particules ne peuvent pas être détachées de la surface. Il est possible d’évaluer le pourcentage de réussite du nettoyage en mesurant avant et après le nettoyage.

- Méthode par rinçage
Certaines surfaces sont rincées avec de l’eau pure, puis cette eau est analysée pour la présence de particules. La surface est considérée comme propre si la valeur définie n’est pas dépassée dans l’eau de rinçage. Cette méthode permet d’établir empiriquement des limites de contamination.
Il faut noter que les paramètres de l’eau, tels que la quantité, la conductivité et la température, peuvent influencer le résultat de la mesure.

Emballage en conditions de salle blanche

Matériaux d’emballage

En principe, les matériaux d’emballage doivent suffisamment protéger le produit à emballer. Ils doivent présenter une émission de particules très faible et un comportement de dégazage minimal.

Il est souvent exigé d’utiliser une « film de salle blanche ». On suppose que ce film, de couleur rose pâle, correspond à ce qui est requis. Il s’agit d’un film PE dont les propriétés électrostatiques le différencient des autres films PE.

Cependant, il existe des films fabriqués et confectionnés en salle blanche. Cependant, pour des raisons de coût, on y recourt très rarement. Le nettoyage des films d’emballage est une autre option, qui doit être effectuée dans des conditions de propreté extrême, car tous les films attirent en permanence des particules lors de la manipulation.

Pour les emballages en film, il faut veiller à ce que les produits soient généralement scellés deux fois dans du film. Si les produits sont déjà dans des boîtes ou des magazines, ceux-ci doivent également être scellés deux fois dans leur ensemble.

Les emballages réutilisables doivent être nettoyés avant chaque utilisation. Après usage, ils ne sont généralement pas réemballés en salle blanche, puis renvoyés. Le nettoyage de ces emballages réutilisables doit respecter les mêmes principes que ci-dessus.

Formation du personnel

On accorde bien trop peu d’attention à la formation du personnel, alors que ce sujet constitue la base de toute chaîne de processus en salle blanche. Sans personnel bien formé, il est impossible de réaliser des processus purs dans leur intégralité. Cela concerne la formation initiale d’un employé ainsi que les formations de rappel, qui devraient avoir lieu deux à quatre fois par an. Les thèmes principaux abordés sont :

- Principes de la technique en salle blanche
- Vêtements et leur utilisation, procédures d’habillage et de déshabillage
- Comportement en salle blanche
- Procédures de nettoyage, voir aussi VDI 2083 Feuille 15 (3)
  - Manipulation des outils et matériaux de nettoyage
  - Manipulation des agents de nettoyage
  - Mise en pratique
  - Sensibilisation aux processus que chaque individu doit respecter

Résumé

Il est difficile de présenter des méthodes universelles pour le nettoyage des pièces individuelles, des sous-ensembles et des machines. La diversité des pièces est trop grande et les exigences trop différentes. Fondamentalement, il faut réaliser chaque étape de nettoyage dans des conditions environnementales bien documentées, avec un personnel bien formé. Un contrôle qualité permet de faire évoluer continuellement les processus.

Le facteur coût se reflète dans cette approche par la règle dite des 10. Cela signifie que les efforts omis au début d’une chaîne de production, qui seront néanmoins nécessaires plus tard, notamment pour la propreté des surfaces, nécessitent, à chaque étape supplémentaire du traitement, un coût dix fois plus élevé que celui de l’étape précédente. En d’autres termes, si l’on économise 10 centimes d’euro par pièce au début d’une chaîne technologique, cela représente déjà 1 € de coût supplémentaire par pièce lors de la deuxième étape de réutilisation.

Bibliographie :

(1) DIN EN ISO 14644-9
Salles blanches et zones de salles blanches associées – Partie 9 :
Classification de la propreté de surface particulaire
(ISO/DIS 14644-9:2008);
Version allemande EN ISO 14644-9:2008 (Projet)

(2) VDA19
Gestion de la qualité dans l’industrie automobile
(Projet de directive, 1ère édition 2004 – impression en couleur, Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA)) :
Contamination par particules des pièces automobiles fonctionnellement importantes

(3) VDI 2083-15
Technologie des salles blanches – Personnel dans un lieu de travail propre