Reinigung und Verpackung von Einzelteilen und Baugruppen für den Einsatz unter Reinraumbedingungen

Overzicht

Steeds meer producties vinden onder gedefinieerde omstandigheden, in cleanroom-omgevingen, plaats. Daarbij zijn de betreffende producten en de benodigde processtappen bepalend voor de definitie van de vereiste cleanroom-omstandigheden. Om in de cleanroom te kunnen produceren, zijn enkele belangrijke voorwaarden nodig om dit efficiënt te laten verlopen. In bijna geen ander gebied is de analyse van de gehele productieketen zo noodzakelijk als in zuivere productieruimtes. Het is zeker zeer belangrijk om te bepalen wat de noodzakelijke omgevingscondities zijn waaronder geproduceerd moet worden. Vaak worden de specificaties voor de zuiverheid van het aangeleverde materiaal en de procesapparatuur niet afgestemd op de benodigde eisen, dat wil zeggen bijvoorbeeld dat vragen over de wijze van levering en de zuiverheidseisen van het geleverde product en de verpakking ervan duidelijk moeten zijn. Het feit dat er in de cleanroom wordt geproduceerd, is verre van voldoende om de benodigde productkwaliteit te bereiken.

In deze bijdrage wordt vooral ingegaan op twee processtappen binnen de totale keten, die van groot belang zijn: de reiniging en de verpakking van losse onderdelen, modules en complete machines.

Reiniging en verpakking – een nieuwe kwaliteit

Waarom wordt uitgegaan van een nieuwe kwaliteit in de reinigings- en verpakkingsprocessen? Reiniging en verpakking worden toch al altijd gedaan. Maar wat is er nu nieuw aan? Nieuw is dat men het niet meer kan gelijkstellen aan ‘schoonmaken’ en ‘verpakken’. Een fiets wordt met een doek schoongemaakt – een optiekbehuizing wordt gereinigd met reinigingsmiddelen en wismiddelen volgens een vooraf vastgestelde reinigingstechnologie. Het verjaardagscadeau wordt ingepakt in cadeaupapier – de geleverde optiekbehuizing ligt in een magazine dat in een afsluitbare doos wordt vastgezet, die vervolgens nog dubbel is verpakt in vooraf gereinigde en afleidingsbestendige PE-folie, eventueel met stikstof gevuld of geëvacueerd, en zo verpakt naar de gebruiker wordt gestuurd.

Bij deze korte beschrijving van de processen zijn de verschillen met conventionele technologieën duidelijk. Maar wat maakt het noodzakelijk om voor cleanroomtoepassingen hogere inspanningen te leveren? Processtappen en technologieën die een zuivere omgeving, een cleanroom, vereisen, gebruiken deze omgeving om een hoge productkwaliteit te bereiken of zouden onder ‘normale’ omstandigheden niet realiseerbaar zijn. Dit betekent dat men bewust de hogere kostenfactor accepteert die het gebruik van een zuivere productieruimte met zich meebrengt. Om die reden zal men altijd proberen om alle externe invloeden die deze kostenfactor negatief kunnen beïnvloeden, vooraf te voorkomen. Dit is ook de reden waarom men in normen en richtlijnen zich bezighoudt met de onderwerpen cleanroom- en zuiverheidsgeschiktheid, oppervlaktezuiverheid, chemische contaminaties, cleanroom-geschikte materialen, enzovoort. Men is zich ervan bewust dat er in dit verband nog grote lacunes bestaan en dat de standaardisatie verre van alle noodzakelijke punten behandelt.

Vereisten uit normen en richtlijnen

Wie zoekt naar normen of richtlijnen over ‘procesketens in de cleanroom’, vindt zeer weinig. Vaak wordt, zoals bijvoorbeeld in DIN EN ISO 14644-9, dit belangrijke aspect uitgesloten: ‘...De volgende aspecten worden in deze norm niet behandeld:
- Procedures voor de reiniging van oppervlakken; …’ (1)

Dit leidt ertoe dat er een reeks bedrijfsstandaarden bestaat die niet breed toepasbaar of uitwisselbaar zijn en slechts op enkele producten zijn afgestemd. Deze bedrijfsstandaarden zijn ook slechts toegankelijk voor een geselecteerde gebruikersgroep.

Bovendien bestaan er branchespecifieke voorschriften die een stand van de techniek beschrijven die niet altijd overeenkomt met de actuele inzichten. Dit zijn vooral normen uit de halfgeleidersector en de automobielindustrie. Hier wordt later op enkele eisen uit verwezen.

Voorbeeld halfgeleiderindustrie

De standaardisatie in de halfgeleiderindustrie is vergevorderd vergeleken met andere sectoren. Het wordt echter begrijpelijkerwijs alleen toegepast op de belangen van de halfgeleider-, zonne- en microsystementechnologie, waarvoor de SEMI-organisatie zich internationaal profileert.

Wanneer men de eisen voor de reiniging van losse onderdelen, modules en complete machines bekijkt, is er een grote afwijking tussen de eisen uit de norm en de dagelijkse praktijk van veel bedrijven.

Wat betreft de reiniging en montage van machines die voor cleanroomgebruik bestemd zijn, wordt bijvoorbeeld het volgende geëist: ‘Reiniging – alle gereedschappen en systeemelementen (losse onderdelen en modules – red.) moeten onmiddellijk voordat ze in de montageruimte worden gebracht, worden gezogen, geblazen met gefilterde lucht en gereinigd met een oplossing van 10% IPA en water. Hulpmiddelen zoals bijvoorbeeld cleanroomdoeken moeten worden gebruikt, die gecertificeerd zijn voor gebruik in een klasse ISO 5 (volgens DIN EN ISO 14644). Snijoliën, smeer- en vloeistoffen moeten worden verwijderd voordat de onderdelen de zuivere montageruimte betreden.’

Ongeacht hoe deze eisen in de praktijk worden uitgevoerd of kunnen worden, rijst de vraag welke antwoorden de gebruiker zelf moet geven voor zijn productie, omdat er geen concrete voorschriften hiervoor bestaan.

1. Hoe is een efficiënt zuigen mogelijk?
Het is algemeen bekend dat zuigen geen efficiënte reinigingstechnologie is. Enerzijds bereikt men met zuigen geen dieptewerking, dat wil zeggen dat de stofzuiger zeer dicht bij het te zuigen onderdeel moet worden gebracht om effect te hebben, en anderzijds worden met steeds kleinere deeltjes de aantrekkingskrachten van de deeltjes op de oppervlakte zo groot dat men ervan uit kan gaan dat onder 10 µm geen effect meer wordt bereikt.

2. Hoe moet de perslucht worden behandeld om deze te kunnen gebruiken voor blazen?
Olie- en watervrij is vanzelfsprekend. Partikelvrij betekent dat de minimale deeltjesgrootte moet worden vastgesteld. Vaak wordt stikstof gebruikt voor het blazen. Voor stikstof gelden dezelfde eisen als voor perslucht. De doorgaans vermelde zuiverheid van stikstof verwijst uitsluitend naar de chemische zuiverheid, niet naar de deeltjeszuiverheid. Of het nu perslucht of stikstof is, in elk geval moet er een point-of-use-filter worden gebruikt. Dit garandeert een eindfiltratie van het gebruikte medium en voorkomt dat contaminaties uit het gasnet zelf in het product terechtkomen.

3. Welke kwaliteit moet een vloeibaar reinigingsmiddel hebben?
Bij water moet in ieder geval volledig ontzout water (DI-water) worden gebruikt. Vloeistofresten verdampen zonder residu. Alcoholmengsels, ongeacht of 10% of 50% menging, moeten voldoen aan een chemische en deeltjeszuiverheid die wordt bepaald door de te reinigen producten. Deze alcoholen hebben het effect dat organische verontreinigingen kunnen worden losgemaakt. Het water zorgt door de hogere oppervlaktespanning dat de opgeloste verontreinigingen door het reinigingsdoek (cleanroomdoek) worden opgenomen.

4. Wat is een cleanroomdoek?
…

Voorbeeld automobielindustrie

De automobielindustrie kent op dit punt weinig algemeen geldende richtlijnen. Bijvoorbeeld de VDA19 (2) richtlijn: ‘Onderzoek naar technische reinheid - deeltjesverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen’

Deze richtlijn beschrijft de voorwaarden voor het toepassen en documenteren van methoden voor het bepalen van deeltjesverontreiniging op functioneel relevante onderdelen (reinigingscontrole). (2)

Dit betekent concreet dat er een basis is gelegd om zuiverheidseisen tussen klanten en leveranciers vast te stellen, op basis van methoden voor het bepalen van deeltjesverontreinigingen.

Niet behandeld worden:

- Grondslagen en methoden voor het bepalen/registreren van de voor een onderdeel absoluut noodzakelijke of juiste zuiverheidseisen vanuit technisch functioneel oogpunt.
- Het bewijs van organische verontreinigingen (vetten, oliën, etc.).
- Methoden voor niet-kwantificeerbare deeltjesdetectie op proefobjecten (bijvoorbeeld visuele beoordeling, wisproef met schone doek).
- Onderzoek van vloeistoffen voor het gebruik in proefobjecten (koelvloeistoffen, oliën, hydraulische vloeistoffen, remvloeistoffen, brandstoffen, gassen, etc.) (2)

Voor de gebruiker blijven ook hier belangrijke hulpmiddelen voor het beschrijven van zijn reinigingsprocessen ontoegankelijk en is deze richtlijn daarom weinig praktisch relevant voor het opzetten van deze processen.

Interne bedrijfsnormen en -richtlijnen

Er bestaat een grote hoeveelheid interne normen en richtlijnen die reinigings- en verpakkingsprocessen beschrijven. Het opnemen hiervan in een algemene overweging voor het opstellen van universele aanwijzingen faalt meestal doordat alle bedrijfsnormen voorafgaan door een geheimhoudingsverklaring.

Bijna al deze voorschriften zijn gebaseerd op jarenlange ervaring en uiteraard ook op fouten die zijn gemaakt. Een diepgaande wetenschappelijke studie ligt daaraan meestal niet ten grondslag. Deze voorschriften blijven actueel totdat men grenzen bereikt waar de bestaande procedures niet meer volstaan en de processen iteratief verder worden ontwikkeld.

Noodzakelijke omgevingscondities voor reinigings- en verpakkingsprocessen

Hier bestaan verschillende opvattingen over de condities waaronder gereinigd en verpakt moet worden. Hier drie voorbeelden:

1. Een standaard geeft de exacte luchtzuiverheidsklasse aan waaronder deze processen moeten worden uitgevoerd (bijvoorbeeld SEMI-standaard). De ervaring leert dat er nauwelijks leveranciers zijn die voldoen aan de hoge eisen van klasse ISO 5 / ISO 6.
2. Enkele leveranciers (bijvoorbeeld in Japan) produceren, reinigen en verpakken onder dezelfde condities als waarin de machine bij de eindgebruiker wordt ingezet. Daarmee wordt al een zeer hoog niveau van zuiverheid bereikt. Dit brengt echter hoge kosten met zich mee.
3. Verschillende leveranciers werken op basis van ervaringsgegevens, maximaal twee klassen slechter dan de omstandigheden bij de eindgebruiker.

Reiniging van losse onderdelen, modules en machines onder cleanroom-omstandigheden

Procesketen van losse onderdelen via modules tot volledige machine

Om de zuiverheid van een machine vooraf correct te kunnen specificeren, is het noodzakelijk de gehele procesketen van de productie van losse onderdelen tot de volledige machine te analyseren. Hieruit volgen de eisen waaronder wordt geproduceerd, gereinigd en verpakt. Altijd geldt dat de kostenfactor zodanig is dat alle afzonderlijke processen worden uitgevoerd onder condities die zo goed mogelijk, maar niet beter dan nodig, zijn. Bij het beschrijven van de procesketen speelt de tijdsfactor altijd een grote rol. Contaminatie is een functie van de tijd. Hoe langer de individuele processen duren, des te waardevoller de omgeving zuiver moet zijn. Dit kan op verschillende manieren worden gerealiseerd:

- door een cleanroom met de juiste classificatie
- door herhaalde reinigingen om contaminaties telkens te verwijderen
- door het verpakken van de producten voor elke werkpauze en het uitpakken bij verdere verwerking (bijvoorbeeld door in te pakken of af te dekken met geschikte folies of met actieve opslagbakken, stikstofatmosfeer is alleen geschikt als het product beschermd moet worden tegen vocht en zuurstof) en regelmatig reinigen

Vaak rijst de vraag of een eindreiniging van de gehele machine niet voldoende zou zijn. Daartegenover staat het probleem dat nauwelijks een machine zo eenvoudig is ontworpen dat alle plekken bereikbaar zijn tijdens het reinigen. Vaak worden verontreinigingen ‘ingebouwd’ en vormen zo een langdurig risico. Deze verontreinigingen hechten niet voor altijd aan de oppervlakken. Verouderingsprocessen, veranderingen in de oppervlakte-elektrostatische lading, veranderingen in luchtvochtigheid en temperatuur, enzovoort, veroorzaken veranderingen in de adhesiekrachten op het oppervlak en geven contaminaties een onvoorspelbare dynamiek.

Reiniging van losse onderdelen

Elke reiniging hangt altijd af van de aard van de verontreinigingen, maar ook van het materiaal van de te reinigen onderdelen, de oppervlakte-eigenschappen en de gevoeligheid voor mechanische invloeden en de werking van vloeistoffen.

Voor veel toepassingen is ultrasoonreiniging bewezen. Het spaart de onderdelen grotendeels en is technisch uitgekristalliseerd. Voor zeer gevoelige onderdelen kan met een hogere frequentie worden gewerkt, de zogenaamde megaschall. De volgende punten moeten bijzonder in acht worden genomen:

- Bij gebruik van warme oplossingen moet volledig ontzout water (DI-water) worden gebruikt.
- Bij gebruik van reinigers moeten voldoende spoelgangen worden voorzien om het meevoeren van reinigingsmiddelen en detergentia uit reinigers en opgeloste verontreinigingen te voorkomen.
- Vermoeide reinigingsmiddelen en spoelvloeistoffen moeten in korte intervallen worden vervangen.
- Aan het droogproces moet grote aandacht worden besteed (bijvoorbeeld bij boorgaten en zakgaten). Het drogen moet onder de hoogste zuiverheid plaatsvinden.

De diversiteit aan onderdelen die niet in ultrasoon kunnen worden gereinigd, is zeer groot. Onder andere optieken, keramieken, materialen met poreuze oppervlakken en zachte materialen. Daar wordt gebruik gemaakt van mechanische reiniging, ondersteund door zuigen en blazen. Alleen zuigen en blazen is verre van voldoende (zie hierboven).

Er zijn natuurlijk nog veel meer reinigingsmethoden, zoals CO2-reiniging, uitbranden, borstelen, kleeffolies, enzovoort.

Reiniging van modules

De hoge complexiteit van modules vereist een groot aandeel mechanische reinigingsmethoden. Redenen hiervoor zijn onder andere lijmverbindingen die niet in ultrasoon kunnen worden gereinigd en een mix van verschillende materialen met uiteenlopende eisen. Er bestaat ook de kans dat reinigingsmiddelen in de module achterblijven, omdat 100% droging niet mogelijk is.

Het reinigen van modules is alleen efficiënt als de losse onderdelen vooraf ook zijn gereinigd.

Machine-reiniging

Men onderscheidt bij machine-reiniging basisreiniging en onderhoudsreiniging, vergelijkbaar met de reiniging van cleanrooms.

Basisreiniging na montage

Voor het verpakken van een machine moet deze, ongeacht de eerdere reinigingsstappen van de losse onderdelen en modules, direct bij de fabrikant volledig worden gereinigd. Deze reiniging vereist goede kennis van de machine door het reinigingspersoneel. De verschillende delen van de machine moeten worden gereinigd met geschikte methoden, gevoelige modules kunnen worden uitgesloten van de eindreiniging. Deze moeten vooraf worden beschermd. Na deze eindreiniging moet de machine direct worden voorzien van de eerste beschermhoes (bijvoorbeeld folie).

Voorafgaand aan het verpakkingsproces wordt eventueel een pre-acceptatietest uitgevoerd, die al in eigen huis contaminatieproblemen kan aangeven. De eventuele contaminatieproblemen die daarbij naar voren komen, kunnen dan intern worden opgelost, wat op deze locatie met veel minder inspanning kan gebeuren dan in de cleanroom van de klant.

Deze pre-acceptatietests documenteren ook de behaalde kwaliteit tegenover de klant. De procedure en details worden afgestemd tussen klant en leverancier.

Basisreiniging voor ingebruikname

Na het volgens voorschrift uitpakken van de machine bij de eindgebruiker wordt deze onderworpen aan een verdere basisreiniging om eventuele contaminaties die tijdens het transport op de machine zijn gekomen, te verwijderen. Zonder deze reiniging mag geen machine in de cleanroom worden gebracht. Deze reiniging wordt uitgevoerd door de leverancier, de klant of extern personeel. Basis is de uitpak- en reinigingsvoorschrift.

Meestal wordt na de reiniging steekproefsgewijs de oppervlaktezuiverheid gecontroleerd. Als de grenswaarden worden gehaald, kan de machine op de juiste plek in de cleanroom worden geïnstalleerd.

Onderhoudsreiniging

De onderhoudsreiniging wordt opgenomen in het reinigingsplan van de klant. Ze waarborgt de noodzakelijke zuiverheid over de tijd. Dat wil zeggen dat, ondanks productie in de cleanroom, de machines steeds weer in de oorspronkelijke staat moeten worden gebracht. De cleanroom-omgeving verlengt alleen de periode waarin de oppervlakken van het procesapparatuur opnieuw vervuild kunnen raken. Daarnaast veroorzaken de bedrijfsprocessen en het materiaalbeheer voortdurend contaminaties die zich op oppervlakken afzetten. Deze onderhoudsreiniging moet volgens een vast plan worden uitgevoerd en het resultaat moet worden gedocumenteerd.

Controle van de zuiverheid (voorbeelden)

De controle van het reinigingsresultaat stelt degenen die hiervoor verantwoordelijk zijn, steeds weer voor problemen. Een reden is dat het meten van deeltjes op technische oppervlakken alleen met grote inspanning mogelijk is. Naast de meetmethoden die deeltjes tot in het micrometerbereik zichtbaar maken, zijn de volgende methoden gangbaar:

- Optische inspectie
Gereinigde oppervlakken worden geïnspecteerd met optische hulpmiddelen en deeltjes worden op een gedefinieerd oppervlak geselecteerd. Het resultaat wordt vergeleken met de in de reinigingsvoorschriften vastgestelde grenswaarde. De reiniging is voltooid wanneer deze grenswaarden worden onderschreden.

- Oppervlaktensonde
De oppervlaktesonde wordt gebruikt met een omgebouwde optische deeltjesdetector. Deeltjes worden met een luchtslag van het oppervlak losgemaakt en met de deeltjesdetector geëvalueerd. Deze methode is kwalitatief en niet kwantitatief, omdat nooit alle deeltjes van het oppervlak worden losgemaakt. Een procentuele reinigingsgraad kan goed worden vastgesteld door voor en na de reiniging te meten.

- Spoelmethode
Verschillende oppervlakken worden met zuiver water gespoeld en dit water wordt onderworpen aan deeltjesmetingen in vloeistoffen. Het oppervlak wordt als schoon beschouwd als een vooraf bepaalde waarde in het spoelwater wordt onderschreden. Met deze methode kunnen grenswaarden empirisch worden vastgesteld.
Houd er rekening mee dat parameters zoals hoeveelheid, geleidbaarheid en temperatuur van het water de meetresultaten kunnen beïnvloeden.

Verpakking onder cleanroom-omstandigheden

Verpakkingsmaterialen

In principe moeten verpakkingsmaterialen het te verpakken product voldoende beschermen. Ze moeten een uiterst geringe deeltjesafgave en een gering gasuitgassing vertonen.

Vaak wordt ‘cleanroomfolie’ geëist als verpakkingsmateriaal. Men gaat ervan uit dat de licht ‘roze’ PE-folie hiermee overeenkomt. Dit materiaal is een PE-folie die zich onderscheidt door haar elektrostatische eigenschappen.

Er zijn echter folies die onder cleanroom-omstandigheden worden vervaardigd en geconfigureerd. Daar wordt uit kostenoogpunt zeer zelden gebruik van gemaakt. Het reinigen van folieverpakkingen is een andere mogelijkheid, maar moet onder de hoogste zuiverheid gebeuren, omdat alle folies door het hanteren voortdurend deeltjes aantrekken.

Bij folieverpakkingen moet worden gelet op het feit dat de te verpakken producten doorgaans dubbel in folie worden ingesloten. Als de producten al in dozen of magazines zitten, moeten deze ook volledig dubbel worden ingesloten.

Herbruikbare verpakkingen moeten voor elk gebruik worden gereinigd. Na gebruik worden deze meestal niet opnieuw in de cleanroom verpakt en teruggestuurd. Bij het reinigen van herbruikbare verpakkingen geldt hetzelfde als hierboven beschreven.

Training van het personeel

Te weinig aandacht wordt besteed aan de opleiding van het personeel, terwijl dit onderwerp de basis vormt voor een cleanroom-compatibel procesketen. Zonder goed opgeleid personeel zijn zuivere processen in hun volledige consequentie niet uit te voeren. Dit geldt voor de basisopleiding van medewerkers en ook voor herhaaltrainingen die twee tot vier keer per jaar moeten plaatsvinden. De volgende onderwerpen worden vooral getraind:

- Basisprincipes van cleanroomtechniek
- Cleanroomkleding en het gebruik ervan, aan- en uitkleedprocedures
- Gedrag in de cleanroom
- Reinigingsprocedures, zie ook VDI 2083 blad 15 (3)
- Gebruik van reinigingsgereedschap en materialen
- Gebruik van reinigingsmiddelen
- Praktische uitvoering
- Bewustwording van de processen die door elke medewerker mogen worden uitgevoerd

Samenvatting

Het is moeilijk om algemeen geldende procedures voor het reinigen van losse onderdelen, modules en machines te presenteren. De diversiteit aan onderdelen is te groot en de eisen zijn te verschillend. In principe moeten de afzonderlijke reinigingsstappen worden uitgevoerd onder vastgelegde omgevingscondities met goed opgeleid personeel. Een kwaliteitscontrole helpt om de processen voortdurend verder te ontwikkelen.

De kostenfactor wordt in deze beschouwing weerspiegeld in de zogenaamde 10-regel. Dit betekent dat de inspanningen die in het begin van een productieketen worden gedaan, maar later alsnog nodig blijken te zijn, in dit geval de oppervlaktezuiverheid, bij elke verdere verwerkingstap in de keten tien keer hogere kosten met zich meebrengen dan in de voorafgaande stap. Met andere woorden: als aan het begin van een technologische keten 10 cent per onderdeel wordt bespaard, kost het bij de tweede stap al 1 euro aan extra kosten per onderdeel.

Literatuur:

(1) DIN EN ISO 14644-9
Cleanrooms en aanverwante cleanroomgebieden – Deel 9:
Classificatie van de deeltjesoppervlaktezuiverheid
(ISO/DIS 14644-9:2008);
Duitse versie EN ISO 14644-9:2008 (Ontwerp)

(2) VDA19
Kwaliteitsmanagement in de automobielindustrie
Richtlijn (Ontwerp, 1e druk 2004 – Geeldruk, Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA)):
Deeltjesverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen

(3) VDI 2083-15
Cleanroomtechniek – Personeel op de schone werkplek