Tre decenni di ricerca per la purezza

Pulizia di precisione a ultrasuoni di componenti in una camera bianca di classe ISO 1.

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Materiali di consumo

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Dott. Ing. Udo Gommel

tutto è iniziato con una cabina di lavaggio per automobili. Un dipartimento IPA stava proprio ottimizzando questa installazione quando arrivò una richiesta dal Ministero federale della ricerca e della tecnologia, se l'istituto potesse occuparsi di tecnologia dei camere bianche. Era circa 30 anni fa, quando iniziò il periodo di massimo splendore dei computer domestici e i circuiti diventavano così piccoli che le particelle di sporco causavano sempre più problemi. Il direttore dell'istituto dell'epoca, Prof. Rolf Dieter Schraft, scherzando, affermò che chi puliva le automobili poteva anche pulire i semiconduttori. Così, il dipartimento, il cui capo si chiamava Wolfgang Schmutz (slogan: «Non dare una possibilità allo sporco»), entrò nel campo della tecnologia della purezza con fondi statali. All'inizio aveva solo 6 dipendenti, oggi sono 50.

Motore della miniaturizzazione

Da allora, il dipartimento è cresciuto costantemente, con ampliamenti e ristrutturazioni ogni circa 5 anni. L'espansione è stata guidata dagli sviluppi tecnologici. La crescente miniaturizzazione di componenti elettronici e meccanici ha fatto crescere sempre di più le esigenze di purezza. L'IPA non ha solo accompagnato questo processo, ma ne ha influenzato in modo sostanziale. La sua forza risiede nella versatilità: il dipartimento dispone non solo della più grande camera bianca di ricerca al mondo di classe ISO 1, in cui è possibile pulire componenti di quasi ogni dimensione, ma anche di strumenti altamente precisi per la validazione dei lavori. «La combinazione di pulizia e valutazione è unica», afferma Udo Gommel, il dinamico capo del dipartimento «Reinst- und Mikroproduktion».

Punti salienti

Il fisico di formazione lavora da 20 anni all'IPA e da 8 anni dirige il dipartimento. Guardando indietro, ricorda diversi momenti salienti. Come l'impegno in Romania. I ricercatori di Stoccarda hanno costruito per l'azienda Microelectronica un impianto di produzione di LED, dalla progettazione all'avviamento. Il via è stato dato nel settembre 2012. Le circostanze esterne insolite si sono rivelate la sfida più grande: l'impianto high-tech doveva essere realizzato in un edificio industriale in rovina risalente ai tempi della Guerra Fredda. «Nel seminterrato l'acqua arrivava fino al petto», ricorda Gommel. E proprio questa umida cantina, un covo di muffe e altre contaminazioni, era destinata alle camere bianche. Per la produzione, bastava una classe ISO 8, ma si prevedeva anche un laboratorio di analisi con requisiti molto più elevati. Doveva essere di classe ISO 1, dieci milioni di volte più pulito rispetto alla produzione. Alla fine, i tedeschi di Swabia sono riusciti a trasformare le aree umide del seminterrato in una camera bianca. Oggi, nel laboratorio di analisi di altissima purezza, si trova un tomografo computerizzato grande quanto un armadio — unico al mondo.

Come dimostra un esempio dal settore automobilistico, quanto siano ormai decisive le condizioni di lavoro pulite per il successo economico. Un fornitore internazionale ha fatto realizzare dagli esperti dell'IPA un ampio concetto di purezza. La sua attuazione ha ridotto il scarto del 55%. Considerando i volumi elevati, ciò si traduce in un risparmio di circa un milione di euro all'anno.

Spazio e aerospazio

Tra i punti salienti dell'istituto c'è anche l'ingresso nel settore spaziale. Dopo anni in cui si era concentrati sulla produzione industriale, un caso fortuito ha aperto un nuovo campo di attività. L'Agenzia Spaziale Europea ESA ha chiesto nel 2009 se gli esperti di Stoccarda fossero in grado di sterilizzare componenti di una sonda marziana. Uccidere i microbi non era incluso nelle loro competenze, ma hanno offerto invece una pulizia. Gommel, all'epoca, aveva poche speranze di superare la concorrenza consolidata. Ma ha ottenuto il contratto. Perché, durante la sterilizzazione, sia con sostanze chimiche sia con calore, rimangono organismi morti, mentre una pulizia accurata fa «tabula rasa» e lo fa in modo molto delicato.

Da allora, il settore aerospaziale ha spinto in modo deciso la ricerca a Stoccarda, poiché qui i requisiti sono particolarmente severi. Attualmente sono in corso quasi due dozzine di progetti con diversi focus. Tra i punti salienti ci sono «ExoMars» dell'Agenzia Spaziale Europea ESA e la missione satellitare «EnMap». Con un partner industriale affidabile, è in programma anche una partnership strategica per i prossimi anni. Per il satellite di osservazione terrestre «EnMap», l'istituto ha pulito quasi tutte le 13.000 parti, tra cui un blocco di alluminio del peso di quattro quintali. Per il peso massimo, i dipendenti hanno dovuto costruire appositamente una camera bianca temporanea grande quanto una piccola casa, sotto notevole pressione temporale.

Il progetto marziano sotto l'egida dell'ESA è ancora più impegnativo, perché la sonda, lanciata il 14 marzo, cerca tracce di vita sul pianeta vicino. Per evitare falsi allarmi, non devono essere trasportate dalla Terra sostanze organiche. Ciò aumenta ulteriormente i requisiti di purezza. Un metodo di pulizia molto delicato, sviluppato a Stoccarda, si è dimostrato particolarmente efficace: il metodo con neve di CO2. Originariamente usato negli USA per rimuovere la vernice dai fusolieri degli aerei, gli esperti dell'IPA lo hanno perfezionato in un metodo con altissima efficienza di pulizia. Invece di pellet di CO2 duri, usano cristalli di neve più piccoli e più morbidi. Le impurità vengono disgregate dal shock termico, si staccano e possono essere aspirate via. Per aumentare la profondità di penetrazione, l'aria avvolgente con azoto accelera il getto a velocità supersonica. Un'altra innovazione, recentemente sviluppata, è l'uso di anidride carbonica supercritica. Così si possono, ad esempio, pulire le parti interne di tubazioni con cavità chiuse, risciacquandole con una pressione di 70 bar.

Norme e linee guida sulla pulizia

Gli «uomini della pulizia» di Stoccarda non aiutano solo le aziende con tutte le questioni complesse della tecnologia della purezza. Tra i loro compiti c'è anche la collaborazione alla stesura di norme e linee guida. Con il loro ampio parco di strumenti, in grado di misurare e valutare anche le più piccole contaminazioni, sono perfettamente attrezzati. Molti organismi nazionali e internazionali che si occupano di purezza sono supportati da dipendenti dell'IPA. Che si tratti del design di una camera bianca o della classificazione della purezza delle superfici, gli esperti di Stoccarda sono sempre coinvolti. E non solo — il dipartimento ha anche un proprio marchio di qualità.

«Dispositivo testato Fraunhofer»

Il logo «Fraunhofer TESTED DEVICE» è conosciuto e tutelato in tutto il mondo, dalla Germania all'Australia. I clienti possono far testare e certificare singoli componenti o interi impianti, usati in camere bianche, dal cavo al robot. A seconda del problema, si valutano diversi criteri, come l'emissione di particelle, le emissioni di gas, la resistenza chimica o la facilità di pulizia. Il cliente riceve, oltre al certificato, un rapporto di prova dettagliato. Negli ultimi 16 anni, l'IPA ha esaminato più di 1.700 prodotti di vari settori, dall'elettronica alla tecnologia alimentare. Ogni anno se ne aggiungono almeno 100.

Standard promossi da associazioni industriali

Sebbene nella tecnologia della purezza esistano già molti standard internazionali validi, ci sono ancora zone grigie. L'IPA vuole cambiarlo. Ha creato due consorzi con rappresentanti dell'industria e della ricerca, per promuovere un'ulteriore uniformità. Il primo riguarda i materiali di consumo usati nelle camere bianche, come tute, guanti o panni. Sebbene questi articoli usa e getta possano causare contaminazioni attraverso abrasione o emissioni, mancano ancora regole affidabili sulla loro composizione. Il consorzio industriale «Cleanroom Suitable Consumables» dovrebbe stabilire degli standard. Altrettanto importante è il secondo consorzio, dedicato a prodotti medico-tecnici come impianti e siringhe. Perché le contaminazioni possono causare infezioni o reazioni di rigetto nei pazienti. Il consorzio «MediClean» dovrebbe garantire la sicurezza necessaria, anche per le aziende di tecnologia medica, che sono responsabili dei loro prodotti.

Trasferimento di conoscenze tramite formazione

L'IPA condivide il suo know-how, acquisito in tre decenni, attraverso corsi di formazione. Dal 2005, circa 2.500 persone sono state introdotte alle tecniche di purezza, in parte presso i laboratori dell'istituto di Stoccarda, in parte con corsi sul campo presso le aziende. Dal 2011, i diplomati di successo ricevono un certificato QMC (Qualitäts Management Center) secondo gli standard VDA.

L'esperto dell'IPA Gommel è convinto che il dipartimento delle camere bianche continuerà a crescere nei prossimi anni. La crescente miniaturizzazione porta a requisiti sempre più elevati per la tecnologia delle camere bianche. «Non vediamo fine allo sviluppo». Anche le sfide legate all'Industria 4.0 non possono essere affrontate senza un ambiente privo di polvere.