Procesveilig hoge zuiverheid reiniging: Waarom spoelen beslist over succes of afkeur

Bij het spoelen wordt bepaald of High-Purity-onderdelen voldoen aan de vereiste reinheidsgrenswaarden, of dat hercontaminatie na de reiniging leidt tot afkeur. Belangrijk zijn vooral drie factoren:

– Reinstwaterkwaliteit direct op het Point of Use (deeltjes, organisch/TOC, geleidbaarheid, pH).
– Minimale meedracht tussen de processtappen en gedefinieerde spoelvoering.
– Apparatuurtechniek en kringloophygiëne: geschikte materialen, doordachte leidingsystemen en continue monitoring.

Het volgende artikel licht de achtergronden van deze stuurparameters toe en laat zien waarom spoelen in de High-Purity-onderdeelreiniging een systeemkritische processtap wordt.

Media als beperkende factor

In de High Purity-onderdeelreiniging gelden reinheidsvereisten zoals in geen enkele andere branche: toegestane bovengrenzen voor de chemische samenstelling van het onderdeeloppervlak in atoomprocenten, lage uitgasingssnelheden en partikelfreiheid onder de submicron. De reden voor deze hoge eisen ligt in de extreme vacuümomstandigheden waarin de onderdelen worden gebruikt; bijvoorbeeld in EUV-lithografie, ruimtevaart of in massaspectrometers voor analytiek.

Bij deze toepassingen wordt reinheid een systeemkenmerk. Dit betekent dat het hele systeem zo moet worden ontworpen dat hoge grenswaarden worden gehaald en hercontaminatie wordt uitgesloten. Dit geldt vooral ook voor de gebruikte media, want elk contactmedium moet eveneens aan de hoge grenswaarden voldoen om de specificaties niet te overschrijden. Anders kan het onderdeel niet adequaat worden gereinigd of dreigt hercontaminatie van het onderdeel.

Voor de omgevingslucht en proceslucht zijn de grenswaarden bijvoorbeeld via HEPA-/ULPA-filtratie en cleanroomtechniek in principe beheersbaar. Voor het proceswater is dat echter complexer. Bij het spoelen mag het geen verontreinigingen zoals deeltjes of organisch materiaal op het onderdeel overbrengen, anders dreigt hercontaminatie en dus afkeur van het onderdeel.

Wat betekent 'spoelen'?

Spoelen is niet eenvoudigweg een 'afwassen' van de reiniger, maar in wezen een verdunning van de meedrachtende vloeistoffilm op het onderdeeloppervlak met spoelwater. Door verdunning worden tegelijkertijd de resterende contaminaties afgedragen en verwijderd. Daarmee wordt spoelen een stoftransportprobleem: het doel is de gedefinieerde verlaging van de contaminatieconcentratie van stap tot stap tot onder de geldende grenswaarden (zowel partikels als filmisch/organisch).

Kort gezegd: het onderdeel kan slechts zo schoon worden als de laatste spoel dat heeft gedaan.

Belangrijke factoren voor een goede spoelkwaliteit

De belangrijkste factoren voor een goede spoelkwaliteit zijn de waterkwaliteit op het Point of Use en minimale meedracht.

De vereiste waterkwaliteit hangt, zoals hierboven uitgewerkt, af van de relevante reinheidsvereisten. Vaak wordt in de laatste spoelingen zogenaamd Reinstwasser of Ultra Pure Water (UPW) gebruikt, hoewel genormeerde definities voor Reinstwasser in de Europese Economische Ruimte niet algemeen gangbaar zijn en de terminologie daarom soms inconsistent wordt gebruikt.

De waterkwaliteit hangt weer af van de ruwe waterkwaliteit van het stadswater. Afhankelijk van hardheid, geleidbaarheid en aanwezige zouten is mogelijk een voorbehandeling nodig met actieve koolfiltratie, een partikelfiltratie, een ontmanganing of een ijsvorming.

Vervolgens wordt meestal door middel van omgekeerde osmose met druk via een semi-permeabele membraan permeaat (zoutarm) gescheiden van het concentraat.

Voor zeer hoge eisen volgt vaak een verdere behandeling via mengbatterij-ionenwisselaars of alternatief een elektrodeionisatie (EDI), die continu zonder regeneratiechemicaliën werkt. Afhankelijk van de eisen worden aanvullende stappen toegevoegd, zoals UV-desinfectie voor kiemreductie of bijvoorbeeld ontgassing.

De waterkwaliteit wordt uiteindelijk bepaald en bewaakt via parameters zoals geleidbaarheid, pH-waarde of TOC-waarde.

Door al deze moderne waterbehandelingsmethoden kan een uitstekende waterkwaliteit aan het einde van een waterbehandelingsinstallatie worden gegarandeerd. Maar nog belangrijker is de waterkwaliteit op het Point of Use, dus in het reservoir of de kamer van de reinigingsinstallatie.

Apparatuurtechniek als facilitator: materiaalselectie, meedracht, kringloophygiëne

Hier is een uitgekiende apparatuurtechniek vereist, die door minimale meedracht, een juiste materiaalselectie en indien nodig kringloophygiëne de goede waterkwaliteit op het Point of Use garandeert. Want de spoelkwaliteit is slechts zo goed als het systeem dat het ondersteunt.

Al bij de conceptie en constructie van de reinigingsinstallatie moet worden gezorgd dat meedracht wordt geminimaliseerd. Dit omvat onder andere de consequente scheiding van de verschillende media-kringen: elke tank heeft een eigen leidingensysteem, eigen filters en een eigen pomp. Daarnaast moet de leidingvoering stromingsgeoptimaliseerd zijn om waterresten te voorkomen. Vaak worden de transportdragers en rekken verwaarloosd. Ook deze moeten volgens het motto 'vorm volgt functie' zo worden ontworpen dat ze geen scheppende plekken of grote oppervlakken hebben waar waterresten kunnen achterblijven.

Afhankelijk van het type installatie zijn er aanvullende constructieve bijzonderheden; bij onderdompelbare reinigingsinstallaties moeten bijvoorbeeld definieerbare overloopopeningen en scheidingsplaten tussen de verschillende bakken worden aangebracht. Drenktijden en het schudden van de transportdragers helpen om meedracht te voorkomen. Bij kamerinrichtingen is een ontwerp van de kamer dat drainage optimaliseert, een volledige leegloop en een kamerreiniging tussen de behandelingsstappen wenselijk.

Daarnaast moet ook in de reinigingsinstallatie, dus op het Point of Use, de waterkwaliteit worden bewaakt met behulp van geschikte sensoren.

De keuze van de juiste materialen en oppervlakken is eveneens bepalend. Vanwege de betere materiaaleigenschappen worden V4A-roestvast staal (bijvoorbeeld 1.4404, 1.4571) gebruikt in plaats van V2A-roestvast staal; er moet worden gelet op een goede laskwaliteit. Gietijzer bijvoorbeeld moet volledig worden vermeden. PP en PVDF kunnen ook geschikt zijn voor leidingen.

Praktijkvoorbeeld: ontwerp van reinigingsinstallaties voor High Purity-spoelprocessen

Als voorbeeld voor de praktische implementatie noemt BvL Oberflächentechnik GmbH reinigingsinstallaties die kunnen worden ontworpen voor een hoge spoelkwaliteit op het Point of Use, onder andere door gescheiden media-kringen, geschikte materiaalselectie en procesbewaking van de waterkwaliteit. Als voorbeeld worden genoemd de NiagaraUP kamerreinigingsinstallatie en de AtlanticTR onderdompelreinigingsinstallatie. Proefreinigingen zijn mogelijk in het eigen technikum van het bedrijf. Daarnaast is er een Reinstwasserbehandeling (EnviroFALK) beschikbaar voor tests (Kenwaarden: geleidbaarheid 0,04 µS/cm; TOC 13,58 ppb).