Pourquoi la poussière complique-t-elle notre vie ?

Figure 3 : Photo d'une salle blanche dans l'industrie microélectronique

Figure 1 : Représentation schématique du flux d'air laminaire dans une cellule de salle blanche

Abbildung 2: Verschiedene Ausführungsformen von Laminar-Flow-Boxen

Tableau 1 : Classes de salles blanches selon ISO 14644-1

La poussière, qui repose en gros nœuds dans les coins, est bien visible, et elle peut être facilement éliminée par un nettoyage à la poussière. Mais nous voulons nous occuper de la poussière qui ne peut plus être aussi bien perçue à l'œil nu. Pour cela, nous sélectionnons arbitrairement 2 événements de l’année dernière. L’un d’eux est la poussière du Sahara, car l’année dernière, il y a eu plusieurs événements où la fine poussière provenant du Sahara nous a offert de magnifiques couchers de soleil rougeoyants. Cette poussière fine naturellement produite peut être considérablement importante selon la saison, comme nous le connaissons des conditions météorologiques influencées par la poussière saharienne. Les chiffres sont impressionnants : plus de la moitié de l’aérosol troposphérique mondial et environ 35 % de la masse de particules émise en premier lieu est constituée de particules de poussière minérale, dont environ la moitié en Europe provient du Sahara et le reste d’autres régions désertiques de la Terre. Avec environ 1,8 milliard de tonnes par an, l’érosion éolienne de poussière minérale contribue à la balance mondiale des aérosols. La poussière minérale influence le système Terre-Atmosphère par la diffusion et en partie par l’absorption du rayonnement solaire incident, mais aussi lors de la formation des nuages par des noyaux de condensation.

Nous savons que la poussière du Sahara peut être transportée sur des centaines, voire des milliers de kilomètres par les courants d’air et pénétrer dans chaque intérieur à travers des ouvertures très fines. En tant que conducteurs, nous savons aussi à quel point elle adhère tenacement et devient rouge sur chaque carrosserie de voiture.

Le deuxième événement que nous avons vécu lors du changement d’année a rendu visible le problème de la poussière fine : l’air était « à couper au couteau ». Cette année, c’était enfin de nouveau possible : la nouvelle année a été accueillie avec un feu d’artifice spectaculaire. Bien que les feux d’artifice soient beaux à voir, leurs conséquences, notamment en termes de blessures et de dégâts matériels, ont été particulièrement discutées cette année. Moins pris en compte, cependant, sont les dommages liés à la santé et à l’économie, car chaque année, environ 2 050 tonnes de poussière fine (PM10) sont libérées lors de l’allumage de feux d’artifice, principalement lors de la nuit de la Saint-Sylvestre. Cette quantité correspond à environ un pour cent de la quantité totale de poussière fine anthropogène libérée par an en Allemagne. (1)

En raison de ses propriétés physiques, les petites particules sont souvent appelées aussi particules en suspension. La poussière fine fait partie de la poussière en suspension. La poussière en suspension (en anglais « Particulate Matter » : PM) désigne les particules dans l’air qui ne tombent pas immédiatement au sol, mais restent en suspension dans l’atmosphère pendant une période prolongée. Selon la « taille des grains » des particules de poussière, on distingue différentes fractions : sous « PM10 » (PM2,5), on comprend simplement toutes les particules dont le diamètre aérodynamique est inférieur à 10 micromètres (2,5 µm). Ces deux fractions de taille sont surveillées quotidiennement dans plus de 600 stations de mesure dans toute l’Allemagne, et il y a souvent des dépassements des valeurs limites, même si la moyenne annuelle autorisée de 40 µg/m3 n’a pas été dépassée en 2021. En général, la fraction PM10 est appelée poussière fine. La poussière fine est invisible à l’œil nu, sauf lors de certaines conditions météorologiques ou comme avec la poussière saharienne ou lors du feu d’artifice du Nouvel An, où elle peut être vue sous forme d’un « brouillard ».

Indépendamment de leur origine, les propriétés de ces particules sont principalement caractérisées par deux paramètres, à savoir leur taille, ou plutôt leur diamètre hydrodynamique, et leur concentration, c’est-à-dire leur masse ou le nombre de particules par mètre cube d’air.

La poussière fine provient de deux sources différentes : naturelles et anthropiques. La poussière fine naturelle peut, comme expliqué, résulter de l’érosion du sol, mais aussi provenir de sources biologiques, comme on le constate lors de la saison du pollen au printemps. Le pollen est désagréable pour les allergiques même en très faible concentration, et d’autres particules biologiques en suspension, comme les spores de champignons ou les germes, tels que bactéries ou virus, peuvent gâcher la nourriture ou causer des maladies. Cette part de poussière fine d’origine naturelle est inévitable. Cependant, une part encore plus grande mais évitable de poussière fine est produite par l’activité humaine : cette poussière fine résulte des émissions provenant des véhicules à moteur, des centrales de chauffage, des fours et chauffages domestiques, de la métallurgie ou encore lors du chargement de matières en vrac. Dans les zones urbaines, la circulation routière est la principale source de poussière. La poussière fine ne provient pas seulement des moteurs — principalement des moteurs diesel — mais aussi de l’usure des freins et des pneus, ainsi que du remous de la poussière. Une autre source importante est l’agriculture, car les émissions de composés précurseurs gazeux, notamment les émissions d’ammoniac provenant de l’élevage, contribuent à la formation secondaire de poussière fine. Les émissions anthropiques de poussière fine en Allemagne sont estimées à environ 200 000 tonnes par an (selon l’Office fédéral de l’environnement).

En résumé, nous pouvons dire que les particules en suspension (particules de poussière et de poussière fine, germes, aérosols ou autres bio-particules) se trouvent partout dans l’air ambiant et à l’intérieur, et en raison de leurs petites dimensions inférieures à 10 µm, elles peuvent rester longtemps dans l’air intérieur ou être transportées sur de grandes distances par le flux d’air.

Où et que devons-nous protéger contre la poussière fine ?

La poussière fine n’est pas seulement nuisible pour l’homme et peut provoquer des problèmes de santé, mais aussi des produits microélectroniques, médicaux ou pharmaceutiques peuvent en être affectés ! Cela est particulièrement vrai pour la fabrication de composants mécaniques et électroniques dont les propriétés structurales se situent dans la plage micrométrique, comme en microélectronique, pour des composants optiques haute résolution, tels que capteurs, notamment pour les caméras et capteurs vidéo, mais aussi pour le stockage de données.

Pour les produits médicotechniques et pharmaceutiques, ce sont surtout les particules d’origine biologique qui posent problème, car pour de nombreux produits, une absence de germes doit être garantie ou le nombre de germes ne doit pas dépasser certaines limites.
Les produits dont les propriétés peuvent être modifiées, altérées ou complètement détruites par des particules, quelle que soit leur origine, doivent être protégés contre toute contamination particulaire si des qualités ou propriétés spécifiques sont exigées.
Lorsque l’on parle de contamination particulaire dans les locaux intérieurs, il faut garder à l’esprit deux sources. La poussière fine provenant de l’air ambiant peut être facilement contrôlée par une ventilation adaptée et des filtres à air. Mais la deuxième source de particules est l’homme lui-même, car il libère une très grande quantité de ces particules en suspension sous forme d’aérosol en parlant et à chaque respiration, ou directement sous forme de particules (cellules de peau, fibres de vêtements) lors de chaque mouvement. Dès que des personnes sont impliquées dans la production, la fabrication ou l’emballage, un besoin d’action supplémentaire se fait sentir. À lui seul, la peau et les vêtements d’une personne libèrent dans une pièce propre (classe ISO 8) plus de 600 millions de particules (> 0,5 µm de diamètre) par mètre cube, comme le montrent des données de l’Institut Fraunhofer pour la technique des procédés et l’automatisation (IPA) de Stuttgart.

Comment pouvons-nous protéger les produits contre la poussière fine ?

Parmi les différentes techniques de nettoyage de l’air intérieur, les filtres se sont avérés particulièrement efficaces, car ils représentent une alternative économique et peu coûteuse en fonctionnement, et peuvent également être ajoutés ultérieurement. Ce n’est qu’en nettoyant correctement l’air intérieur que l’on peut éviter la présence de particules en suspension et de poussière fine !

Il ne suffit pas d’installer un système de filtration de l’air pour tenir à distance les particules de la fabrication et de l’emballage, mais il faut élaborer une stratégie globale. Celle-ci comprend toute une série de mesures, telles que le nettoyage de l’air intérieur par des filtres appropriés, le port d’équipements de protection adaptés, l’optimisation des processus de travail et la protection directe des produits contre les particules émises par le personnel. Pour des exigences particulièrement strictes, des sas pour les personnes et les produits sont également nécessaires, ainsi que la formation du personnel et le contrôle de la qualité de l’air intérieur par des mesures régulières du nombre de particules.

La qualité d’une salle blanche ou d’un espace plus petit conforme à cette norme, comme une flow-box, est évaluée selon la norme DIN EN ISO 14644, dans laquelle les classes de qualité sont définies par le nombre de particules dans une fraction de taille donnée : voir le tableau 1. (2)

Le fonctionnement d’une salle blanche est assez simple, voir la représentation schématique du flux d’air laminaire dans une cellule de salle blanche à la figure 1. L’air intérieur est aspiré par un ventilateur (nos clients préférant souvent des ventilateurs très silencieux de la série Super-Silent) et pressé à travers un filtre à particules haute performance. Les deux composants sont intégrés dans un module situé dans la partie supérieure du plafond, de la série FMS de la société Spetec GmbH. Le filtre HEPA 14 possède un facteur d’isolation de 10^4, ce qui réduit le nombre de particules et améliore la qualité de l’air à l’intérieur d’au moins 10 000 fois par rapport à l’air ambiant extérieur. Grâce à cette disposition, un flux d’air laminaire est créé dans la zone de travail derrière les vitres (ou lamelles), ce qui signifie que l’air circule comme un rideau du haut vers le bas en lignes parallèles, protégeant l’échantillon, le produit ou la zone de travail contre l’entrée de particules par une surpression. Les particules en suspension dans l’air ou libérées par le personnel sont capturées par le flux d’air et évacuées par un conduit d’évacuation ou ramenées vers l’unité de filtration par un conduit de recirculation.

Alternativement à une grande cellule de salle blanche, de nombreux usages ont adopté des modules plus petits, appelés boîtes à flux laminaire, dont différentes configurations sont illustrées à la figure 2, conçues pour diverses applications dans la fabrication, l’assemblage ou l’emballage de composants microélectroniques ou optoélectroniques. Selon la variante, ces modules sont également disponibles en tant que postes de travail certifiés de classe ISO 5, dans différentes tailles, ou fabriqués avec certains matériaux pour répondre aux exigences du guide GMP, Annexe Biocontamination, et pour éliminer durablement les germes dans la zone de travail.

En combinant des salles blanches ou des boîtes à flux laminaire, il est possible de créer des lignes de production entières, de sorte que le produit ne soit plus en contact avec des particules de toute nature à aucun moment du processus de fabrication. La disposition ou l’agencement, ainsi que la conception de chaque composant, peuvent être adaptés aux besoins du client.

Exemple d’application : montage de capteurs microélectroniques pour caméras vidéo haute résolution

Nous allons discuter ici d’un concept de salle blanche à travers un exemple. Lors du montage de capteurs d’images et vidéo haute résolution, même les plus minuscules particules de poussière peuvent devenir de gigantesques facteurs de perturbation. Plus la résolution des caméras est élevée, plus la fabrication et le montage deviennent complexes. Afin d’éviter toute contamination lors de leurs systèmes vidéo, un client a décidé d’installer une salle blanche de classe ISO 5 de SPETEC GmbH à Erding, car la demande pour des capteurs haute résolution et toujours plus rapides ne cesse de croître, tout comme les exigences de qualité.

La pureté particulaire est essentielle lors du montage des capteurs intégrés dans les caméras, afin de protéger ces composants très sensibles à la poussière dans des systèmes microélectroniques complexes. Le concept élaboré conjointement comprenait, en plus des dimensions typiques d’une salle blanche, la nécessité d’assurer les meilleures conditions de travail possibles sur le plan ergonomique.

La cellule de salle blanche SPETEC installée, mesurant 9 x 4 m, voir la photo à la figure 3, se compose d’un système de murs en aluminium fixe avec des fenêtres d’observation et des portes coulissantes pour la sas de personnel, ainsi qu’une porte à un battant comme sortie de secours et accès de service. En plus de la climatisation, six modules à flux laminaire avec la version « SuSi Super Silent » ont été installés pour assurer une filtration de l’air optimale aux quatre postes de travail ou d’assemblage, comme partout dans l’entreprise, garantissant des conditions de travail ergonomiques et minimisant le bruit de fond. Le personnel porte des vêtements sans peluches, des bonnets, des masques et des surchaussures, ce qui réduit drastiquement les émissions de particules par les employés, permettant de maintenir la pureté particulaire dans la salle blanche même lors des différentes opérations.

Les modules à flux laminaire SPETEC® installés utilisent un filtre haute performance de type H14 avec un taux de captation de 99,995 %, atteignant un facteur d’isolation de 10^4. Cela signifie que la qualité de l’air sous le module à flux laminaire est améliorée d’au moins 10 000 fois par rapport à l’extérieur, et la concentration de particules dans l’unité, qui est d’environ 15 millions/m3, est réduite à environ 1 500 particules de plus de 0,5 µm.

De plus, l’installation comprend un appareil de mesure des particules, une sas à matériel avec nettoyage à l’air comprimé, une extraction locale pour les aérosols générés lors de la soudure, un éclairage LED intégré au plafond, ainsi qu’une flow box supplémentaire dans la sas pour le pré-nettoyage des composants électroniques et optiques. Avec cette configuration, même en pleine capacité du personnel, une classe ISO 5 est assurée, ce qui est contrôlé et documenté quotidiennement.

Dans la cellule de salle blanche, on trouve également, comme mobilier supplémentaire, une armoire à vêtements et un banc. Selon l’entreprise, cela garantit un maximum de pureté lors du processus d’assemblage, assurant ainsi une qualité maximale du produit, lorsque les cartes de capteurs et les objectifs des différents types de caméras sont hermétiquement assemblés dans ces conditions optimales.

Conclusion

En résumé, on peut dire que les boîtes à flux laminaire sont idéales pour protéger les produits contre les particules et germes, lorsque les étapes de production nécessitent peu d’espace. Si les besoins du client augmentent, il est possible de construire toute une ligne de fabrication en combinant plusieurs modules de salles blanches. Si un espace plus grand est nécessaire ou si l’on exige que les boîtes soient accessibles, parce que des processus de production ou d’emballage plus complexes deviennent nécessaires, alors une salle blanche ou une cellule de salle blanche constitue une solution idéale. Une salle blanche existante peut être étendue ultérieurement à tout moment grâce au système modulaire utilisé. Cela évite au client des investissements coûteux erronés et est particulièrement durable, car les composants existants peuvent être intégrés dans un nouveau concept.

La société SPETEC GmbH possède une longue expérience dans le développement et l’utilisation d’installations de salles blanches et de purification de l’air, et offre à ses clients non seulement une solution technique, mais aussi l’élaboration avec eux d’un concept stratégique économique.

(1) Poussière fine par feu d’artifice de la Saint-Sylvestre / Office fédéral de l’environnement
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395