Trois décennies de recherche pour la pureté

Nettoyage par ultrasons de précision des composants dans une salle blanche de classe ISO 1.

Satellite

Matériel consommable

Matériel consommable

Dr.-Ing. Udo Gommel

Tout a commencé avec une station de lavage pour voitures. Un département de l'IPA était en train d'optimiser cette installation lorsqu'une demande du ministère fédéral de la Recherche et de la Technologie est arrivée, demandant si l'institut ne pourrait pas s'occuper de la technologie des salles blanches. C'était il y a 30 ans, lorsque la période faste des ordinateurs personnels débutait et que les circuits intégrés devenaient si petits que les particules de poussière posaient de plus en plus de problèmes. Le directeur de l'époque, le Professeur Rolf Dieter Schraft, disait en plaisantant que celui qui nettoie des voitures pourrait aussi nettoyer des semi-conducteurs. Ainsi, le département, dont le chef s'appelait justement Wolfgang Schmutz (son slogan : « Ne donnez pas de chance à la saleté »), a investi dans la technologie de la pureté avec des fonds publics. Au début, il n'avait que 6 employés, aujourd'hui ils sont 50.

Conducteur de la miniaturisation

Depuis ces débuts, le département n'a cessé de croître, avec environ tous les 5 ans une rénovation et une extension importantes. Cette expansion a été motivée par les développements technologiques. La miniaturisation croissante des composants électroniques et mécaniques a fait croître de plus en plus les exigences en matière de pureté. L'IPA n'a pas seulement accompagné ce processus, mais l'a également influencé de manière significative. Sa force réside dans sa polyvalence : le département dispose non seulement de la plus grande salle blanche de recherche au monde de classe ISO 1, où l'on peut nettoyer des composants de presque toutes tailles, mais aussi d'appareils de validation de haute précision. « La combinaison de nettoyage et d’évaluation est unique », déclare Udo Gommel, le dynamique chef du département « Reinst- und Mikroproduktion ».

Points forts

Le physicien de formation travaille depuis 20 ans à l'IPA et dirige le département depuis 8 ans. En regardant en arrière, il évoque plusieurs moments forts. Par exemple, l'engagement en Roumanie. Les Stuttgart ont construit pour la société Microelectronica une installation de fabrication de LED, de la conception à la mise en service. Le lancement a eu lieu en septembre 2012. Les circonstances exceptionnelles se sont révélées être le plus grand défi : l'installation de haute technologie devait être construite dans un bâtiment industriel abandonné datant de l'époque de la guerre froide. « Au sous-sol, l'eau atteignait la hauteur de la poitrine », se souvient Gommel. Et c'est précisément cette cave humide, un nid à moisissures et autres contaminations, qui était prévue pour les salles blanches. La classe ISO 8 suffisait pour la fabrication, mais un laboratoire d’analyse avec des exigences beaucoup plus strictes était également prévu. Il devait atteindre la classe ISO 1, soit dix millions de fois plus propre que la zone de production. Les Schwaben ont finalement réussi à transformer ces zones humides en une salle blanche. Aujourd'hui, dans le laboratoire d’analyse ultra-pur, se trouve un tomographe par ordinateur de la taille d'une armoire — unique au monde.

Comme le montrent un exemple dans l'industrie automobile, la propreté des conditions de travail est devenue cruciale pour le succès économique. Un fournisseur international a fait appel aux experts de l'IPA pour élaborer un concept de pureté complet. Sa mise en œuvre a permis de réduire le taux de rebuts de 55 %. En tenant compte des volumes importants, cela représente une économie d'environ un million d'euros par an.

Aérospatiale

Une autre réalisation phare de l'institut concerne l'entrée dans le secteur spatial. Après des années où la production industrielle était au centre des préoccupations, un hasard a ouvert un nouveau domaine d'activité. L'Agence spatiale européenne ESA a demandé en 2009 si les experts de Stuttgart pouvaient stériliser des composants d'une sonde martienne. Éliminer les microbes ne faisait pas partie de leur champ de compétences, mais ils ont proposé un nettoyage. Gommel n'avait que peu d'espoir de se mesurer à la concurrence établie, mais il a obtenu le contrat. En effet, lors de la stérilisation, qu'elle soit chimique ou thermique, il reste des micro-organismes morts, mais un nettoyage approfondi rend tout « tabula rasa », et ce de manière très douce.

Depuis, la division aérospatiale a fortement stimulé la recherche à Stuttgart, car ici, les exigences sont particulièrement strictes. Actuellement, une vingtaine de projets différents sont en cours, avec des points forts tels que « ExoMars » de l'Agence spatiale européenne ESA et la mission satellitaire « EnMap ». Avec un partenaire industriel fiable, une coopération stratégique pour les années à venir est même en planification. Pour le satellite d'observation de la Terre « EnMap », l'institut a nettoyé presque toutes les 13 000 pièces, y compris un bloc en aluminium de quatre tonnes. Pour ce poids lourd, les employés ont même dû construire un laboratoire temporaire de la taille d'une petite maison, sous une pression de temps considérable.

Le projet martien sous l'égide de l'ESA était encore plus exigeant, car la sonde, lancée le 14 mars, recherche des traces de vie sur la planète voisine. Afin d'éviter toute contamination, aucune substance organique provenant de la Terre ne doit être transportée, ce qui augmente encore les exigences en matière de pureté. Un procédé de nettoyage très doux, développé à Stuttgart, s'est révélé particulièrement efficace : le procédé de nettoyage par neige de dioxyde de carbone (CO2). Initialement utilisé aux États-Unis pour enlever la peinture des fuselages d'avions, il a été perfectionné par les experts de l'IPA pour atteindre une efficacité de nettoyage maximale. Au lieu de pellets de CO2 durs, ils utilisent de minuscules cristaux de neige plus doux. Les contaminants sont dispersés par choc thermique, se dissolvent et peuvent être aspirés. Pour augmenter la profondeur d’action, un flux de nitrogène sous pression accélère le jet à une vitesse supersonique. Une autre innovation, récemment développée, consiste à utiliser du dioxyde de carbone supercritique, permettant par exemple de nettoyer l’intérieur de tuyaux avec des cavités fermées en les rinçant sous une pression de 70 bars.

Normes et directives de propreté

Les « Nettoyeurs » de Stuttgart ne se contentent pas d’aider les entreprises à résoudre toutes les questions complexes liées à la technologie de la pureté. Ils participent également à l’élaboration de normes et de directives. Avec leur parc d’équipements étendu, capable de mesurer et d’évaluer même les plus petites contaminations, ils sont parfaitement équipés pour cela. De nombreux comités nationaux ou internationaux, qui traitent de la propreté, sont soutenus par des employés de l'IPA. Qu’il s’agisse de la conception d’une salle blanche ou de la classification de la propreté des surfaces, ils sont impliqués. Et ce n’est pas tout : le département possède même son propre label de certification.

« Fraunhofer TESTED DEVICE »

Le logo « Fraunhofer TESTED DEVICE » est connu et protégé dans le monde entier, de l’Allemagne à l’Australie. Les clients peuvent faire tester et certifier la compatibilité de pièces individuelles ou d’installations entières, utilisées dans une salle blanche, du câble au robot. Selon le problème, différents critères sont pris en compte, tels que la libération de particules, les émissions de gaz, la résistance chimique ou la facilité de nettoyage. Le client reçoit, en plus du certificat, un rapport d’essai détaillé. Au cours des 16 dernières années, l'IPA a examiné plus de 1 700 produits issus de nombreux secteurs, de l’électronique à la technologie alimentaire. Chaque année, au moins 100 nouveaux produits sont ajoutés.

Normes par l’industrie

Bien qu’il existe déjà de nombreuses normes internationales dans le domaine de la propreté, il subsiste encore des zones d’ombre. L’IPA souhaite changer cela. Il a créé deux consortiums avec des représentants de l’industrie et de la recherche, afin de favoriser une harmonisation supplémentaire. Le premier concerne les matériaux consommables utilisés dans les salles blanches, comme les combinaisons, gants ou chiffons. Bien que ces articles jetables puissent causer des contaminations par usure ou émission de gaz, il manque encore des règles fiables sur leur composition. Le consortium industriel « Cleanroom Suitable Consumables » doit établir des normes. Le second consortium, tout aussi important, concerne les produits médicotechniques tels que les implants et les seringues. En effet, la contamination peut entraîner des infections ou des réactions de rejet chez les patients. Le groupe « MediClean » doit garantir la sécurité nécessaire, même pour les entreprises de technologie médicale qui sont responsables de leurs produits.

Transfert de connaissances par la formation

L'IPA transmet son savoir-faire, accumulé en trois décennies, à travers des formations. Depuis 2005, environ 2 500 personnes ont été initiées aux techniques de la propreté, parfois dans les locaux de Stuttgart, parfois lors de formations sur site dans les entreprises concernées. Depuis 2011, les diplômés ayant réussi reçoivent un certificat QMC (Centre de gestion de la qualité) conforme aux normes VDA.

Gommel, expert de l'IPA, est convaincu que le département des salles blanches continuera de croître dans les années à venir. En effet, la miniaturisation croissante entraîne des exigences toujours plus élevées en matière de technologie des salles blanches. « Nous ne voyons pas de fin à cette évolution ». Les défis liés à l’industrie 4.0 ne peuvent être relevés sans un environnement exempt de poussière.