CÁC TIÊU CHÍ ĐỂ LỰA CHỌN MÁY ĐẾM HẠT TIỂU PHÂN

CÁC TIÊU CHÍ ĐỂ LỰA CHỌN MÁY ĐẾM HẠT TIỂU PHÂN

Việc chọn một máy đếm hạt tiểu phân (hạt bụi) phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau như môi trường sản xuất mà bạn đang muốn giám sát (là nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, chip, hay điện thoại di động thông minh,…) cổng kết nối đầu ra, lưu lượng và kích thước hạt cần đo lường mong muốn. Bài viết này sẽ xác định các tính năng cần tập trung cho ứng dụng mà bạn đang tìm kiếm.

Khái niệm về thuật ngữ

Tất cả các máy đếm tiểu phân trong không khí đều có một định dạng lưu lượng thể tích nhất định, và tốc độ của dòng không khí chạy qua máy đếm tiểu phân. Đơn vị lưu lượng thường là dạng mét khối trên phút (CFM) hoặc lít trên phút (LPM). Máy đếm tiểu phân được hiệu chuẩn theo một lưu lượng nhất định, và độ chính xác kích thước phụ thuộc vào lưu lượng đó. Để đáp ứng các tiêu chuẩn phân loại phòng sạch (ISO 14644), máy đếm tiểu phân sẽ lấy một lượng mẫu không khí dựa trên thể tích để cung cấp dữ liệu thông kê.

Tiêu chuẩn và chứng nhận phòng sạch

Bảng tiêu chuẩn được trích đoạn bên dưới là từ phiên bản ISO 14644-1:2015 – Bảng phân loại khí sạch dựa trên nồng độ hạt tiểu phân. Bảng tiêu chuẩn ISO mô tả giới hạn kích cỡ của hạt tiêu phân từ 0.1,0.3, và 0,5 µm. Các phòng sạch phổ biến ở các nhà máy sản xuất hiện nay đều ở cấp độ sạch ISO 5 và ISO 6

Để đáp ứng tiêu chuẩn phòng sạch ISO 14644-1: 2015, máy đếm tiểu phân có lưu lượng 1 CFM phải lấy mẫu trong vòng 35 phút tương đương với một mét khối. Lưu lượng nhanh hơn giúp đạt được thông số kỹ thuật ISO trong thời gian ngắn hơn. Do đó máy đếm tiểu phân có lưu lượng 50 LPM có thể lấy mẫu một mét khối chỉ trong vòng 20 phút. Giám sát phòng sạch theo phân loại phòng sạch ISO yêu cầu thông số kỹ thuật tập trung tối đa của máy đếm hạt để đạt vượt giới hạn cấp sạch ISO. Ví dụ, để giám sát phòng sạch cấp độ 5 đối với hạt 0.1 µm, nồng độ tối đa của máy đếm hạt phải lớn hơn 100.000 hạt/m3 (2.841 hạt/ft3). Sử dụng máy đếm hạt 0,3 µm để theo dõi cùng một cấp độ 5 yêu cầu nồng độ tối đa của máy đếm hạt lớn hơn 10.2000 hạt/ m3 (290 hạt/ ft3). Đây là những giới hạt dễ dàng đạt được với hầu hết các máy đếm hạt hiện đại mới nhất

Lưu ý rằng không có thông số kỹ thuật nào trong bảng ISO có kích cỡ hạt tiểu phân 0,1 µm cao hơn  ISO cấp 6, vì thế không cần phải có máy đếm tiểu phân với kích cỡ hạt nhỏ hơn 0,1 µm.

Giải pháp chọn máy để đạt chứng nhận cấp độ phòng sạch theo tiêu chuẩn phòng sạch theo bảng bên dưới:

Giám sát phòng sạch THƯỜNG XUYÊN và giám sát phòng sạch LIÊN TỤC (online)

Giám sát phòng sạch thường xuyên

Để chứng minh tuân thủ ISO, việc giám sát phòng sạch thường xuyên yêu cầu lấy mẫu không khí để đo đếm theo các khoảng thời gian xác định không quá 60 phút trong khi vận hành. Hệ thống Manifold là giải pháp ít tốn kém nhất và nên được cài đặt trong quá trình xây dựng phòng sạch. Máy đếm tiểu phân xách tay được kết nối với hệ thống này có thể được cài đặt bất cứ lúc nào. Manifold là một hệ thống nhiều đầu hút mẫu không khí bao gồm 16 hoặc 32 cổng lấy mẫu với một đường ống duy nhất kết nối với máy đếm hạt tiểu phân. Các mẫu không khí sẽ tuần tự từ mỗi cổng của Manifold đưa vào máy đếm tiểu phân, sau đó lặp lại qui trình. Tuy nhiên, do một bộ manifold có nhiều đầu hút mẫu, và vận hành theo quy trình hút tuần tự từng đầu, nên có nguy cơ lỡ mất những điểm không được theo dõi liên tục.

Giám sát phòng sạch liên tục

Giám sát liên tục đòi hỏi phải lấy mẫu liên tục. Phương pháp này liên tục thu thập dữ liệu, vì vậy sẽ không bỏ lỡ các sự cố bất ngờ hoặc những điểm có nguy cơ cần theo dõi. Khoảng thời gian mẫu có thể là bất kỳ thời lượng nào, nhưng khoảng thời gian lấy mẫu ngắn hơn sẽ cho độ phân giải tốt hơn. Khoảng thời gian lấy mẫu ngắn cũng sẽ cung cấp một lượng lớn dữ liệu có thể áp đảo hệ thống. Khoảng thời gian lấy mẫu thông thường từ một phút đến mười phút. Việc chọn lựa máy đếm hạt tiểu phân cho ứng dụng này rất đa dạng và phong phú.

Lựa chọn giữa giám sát phòng sạch liên tục (online) hay thường xuyên (ngắt quãng) là lựa chọn tùy vào ngân sách và cơ sở hạ tầng của nhà máy. Máy đếm tiểu phân chuyên dụng là giải pháp tốt nhất để phát hiện các hạt tiểu phân di chuyển như thế nào, nhưng sẽ là chi phí cao nếu đặt mỗi điểm là một máy lấy mẫu. Nếu việc lấy mẫu trong khoảng thời gian ngắn không là nhu cầu thiết yếu, nhưng vẫn cần đủ lượng dữ liệu để theo dõi xu hướng – chất lượng không khí trong phòng sạch, thì hệ thống manifold là một giải pháp hiệu quả và rất kinh tế về chi phí đầu từ. Tuy nhiên, hệ thống manifold không thể truyền tải dữ liệu ổn định cho những loại hạt tiểu phân có kích cỡ hơn 5 µm.

Giao diện kết nối

Nếu phòng sạch có các cổng mạng (Ethernet 10 base-T hay 100 base-T), bạn hãy chọn máy đếm hạt tiểu phân có khả năng kết nối mạng. Nếu phòng sạch phụ thuộc vào giao tiếp nối tiếp, hãy chọn máy đếm hạt tiểu phân với giao thức truyền thông RS-232 hoặc RS-485

Chọn vị trí để giám sát

Sau khi chọn phương pháp giám sát, bước tiếp theo là xác định có bao nhiêu vị trí giám sát hoặc thiết bị đếm tiểu phân phù hợp. Tổng số vị trí (NL) theo yêu cầu của ISO có thể được tính bằng cách chia diện tích phòng sạch (tính bằng m2) cho 1.000, sau đó nhân số này với 27.

Ví dụ điển hình về một diện tích phòng sạch là 9.290 m2 (100.000 ft2), chúng ta có thể xác định căn bậc hai là 251. Điều này có nghĩa là ISO yêu cầu vị trí giám sát là 251. Những vị trí này nên được phân bố đều và gắn máy ở độ cao thao tác là 76 cm (30 inch). Ban hãy ghi nhớ tiêu chuẩn ISO 14644-1: 2019 chỉ áp dụng cho “chứng nhận phòng sạch”. Người vận hành phòng sạch nên đánh giá các quy trình vận hành của nhà máy và độ nhạy cảm của sản phẩm với sự nhiễm bẩn để xác định số lượng vị trí lấy mẫu cần thiết. Lời khuyên của chúng tôi là đo lường tại vị trí sản phẩm của bạn tiếp xúc và vị trí ô nhiễm có nguy cơ gây thiệt hại cho sản phẩm cuối cùng của bạn. Trong trường hợp các nhà sản xuất chất bán dẫn sử dụng vỏ SMIF hoặc FOUP, các tấm wafer không được tiếp xúc trong môi trường thu nhỏ, do đó, việc giám sát cần tập trung ở vị trí có nguy cơ đó. Giám sát nên được tập trung ở nơi rủi ro là cao nhất. Trong trường hợp môi trường nhỏ (minievnrironment), thì các đầu hút lấy mẫu hạt tiểu phân phải gần các tấm wafers được tải và không tải.

Môi trường giám sát nhỏ (Minienviroment)

Để cách ly sản phẩm khỏi nguồn tạp nhiễm hạt tiểu phân loại lớn (từ con người thải ra), môi trường nhỏ thường được phân loại là ISO Cấp 1 hoặc Cấp 2. Trong các phân loại này, hầu hết các thiết bị có thể dễ dàng duy trì dưới giới hạn nồng độ tối đa.

Dữ liệu hạt tiểu phân trong môi trường nhỏ (minienviroment) thường theo xu hướng chênh áp không khí, do đó, khả năng tương quan dữ liệu áp suất hạt tiểu phân và áp suất của thiết bị cung cấp phân tích xu hướng, cải thiện năng suất sản xuất sản phẩm và chu kỳ bảo trì cần thiết theo lịch trình chính xác. Dữ liệu hạt tiểu phân trong môi trường nhỏ (minienviroment) cho thấy nồng độ hạt tập trung gần 0,4, và do chi phí của bộ đếm hạt tăng gấp đôi khi độ nhạy tăng từ 0,3 µm lên 0,1 µm, giải pháp giám sát liên tục hiệu quả nhất về chi phí là máy đếm hạt 0,3 µm với đầu dò áp suất (DAP). Nếu mục đích của bạn là làm thẩm định và chứng nhận, nên sử dụng bộ đếm hạt tiểu phân có dãy đo từ 0,1µm cho các môi trường nhỏ (minienviroment) ISO Class 1 và Class 2.

Kiểm van và màng lọc Hepa trong phòng sạch

Tùy thuộc vào mức độ chính xác cần thiết, việc kiểm tra các màng lọc có thể yêu cầu bộ đếm hạt chuyên dụng. Máy quang phổ aerosol sử dụng hơn ba mươi hai kênh để phân biệt kích thước hạt và độ phân giải. Mặc dù đắt tiền, máy quang phổ cung cấp thông tin chi tiết nhất về kích thước hạt và dải phân bổ hạt. Bộ đếm hạt 0,1 µm chuẩn hoặc 0,3 µm có thể dễ dàng theo dõi các bộ lọc Hepa và van và thường được lắp đặt dòng trên và dòng dưới của bộ lọc Hepa hoặc van. Kỹ thuật này cung cấp dữ liệu chính xác về hiệu suất lọc của bộ lọc và các tín hiệu báo động cho các vấn đề tạp nhiễm, nhưng không phù hợp đối với việc kiểm tra van. Các bộ lọc Hepa đã và đang được sử dụng chỉ thể hiện mức độ hiệu quả lọc sau khi được kiểm tra ở kích thước hạt xuyên thấu nhất (MPPS). Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho thấy hiệu quả của bộ lọc Hepa từ thông số MPPS và vận tốc cụ thể. Các bộ lọc khí hiệu quả cao (HEPA) có hiệu suất lọc tối thiểu 99,99% tại 0,3 µm và các bộ lọc khí thâm nhập cực thấp (ULPA) có hiệu suất lọc tối thiểu 99,999% ở 0,1 µm. Việc phát hiện các hạt xâm nhập đòi hỏi một bộ đếm hạt có độ nhạy ít nhất 0,3 µm đối với thử nghiệm bộ lọc HEPA và độ nhạy 0,1 µm đối với thử nghiệm bộ lọc ULPA. Qui trình kiểm tra van tuân theo SEMATECH. Về bản chất, các van có xu hướng tích tụ các hạt tiểu phân, vì vậy việc lấy mẫu không khí từ van có thể cung cấp dữ liệu không đáng tin cậy. Do đó, do một số hạt tiểu phân được phát hiện có thể được tạo ra trong quá trình sản xuất và những hạt tiểu phân khác có thể đến từ van, nên các báo cáo về độ sạch của van rất khó xác định.

Kiểm tra hạt tiểu phân trong môi trường phòng thí nghiệm (Lab testing)

Các ứng dụng kiểm tra số lượng hạt tiểu phân trong phòng thí nghiệm thường không cần phải đáp ứng các yêu cầu phòng sạch ISO. Các ứng dụng này đòi hỏi một lượng hạt tiểu phân cụ thể trong một phạm vi kích thước nhất định và con số này xác định liệu các tiêu chí trong phòng thí nghiệm sẽ đạt hay không đạt. Lựa chọn máy đếm hạt phù hợp phụ thuộc vào các thành phần được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, vì vậy phòng thí nghiệm phải xác định giới hạn kích thước hạt quan trọng (tính bằng µm) và giới hạn nồng độ tối đa chấp nhận được. Chọn máy có tốc độ lấy mẫu dòng khí cao thường được chọn vì hút mẫu nhanh,  giảm thời gian lấy mẫu và thu thập nhiều dữ liệu hơn. Vì các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tập trung vào tạp nhiễm có kích thước dưới micromet, nên việc lựa chọn thiết bị đếm tiểu phân sẽ được thu hẹp lại.

Môi trường khắc nghiệt.

Môi trường khắc nghiệt đòi hỏi thiết bị đặc biệt. Những môi trường này có thể bao gồm các phòng thí nghiệm dược phẩm, các đơn vị xử lý không khí sạch phòng sạch (MUAH), sàn quạt hoặc các thiết bị liên qua đến hàng không vũ trụ. Những điều kiện này đòi hỏi các bộ đếm hạt phải được cách ly với môi trường cần đo nhưng vẫn cung cấp việc lấy mẫu không khí chính xác.

Các máy đếm hạt được sản xuất cho các ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt thường được đặt trong các thùng Nema. Những vỏ bọc này cách ly quang học và điện tử có tính nhạy cảm, đồng thời cung cấp đầu dò bên ngoài để theo dõi nồng độ hạt.

Mối quan tâm của các nhà sản xuất dược phẩm chỉ nằm trong hai kích cỡ hạt 0,5 µm và 5,0 µm. Một số bộ đếm hạt cung cấp cấu hình màn hình / dữ liệu chỉ hiển thị / in kết quả các kênh cụ thể này. Các dòng máy  Lasair III 350L và Lasair III 5100, Airnet II và IsoAir cung cấp chức năng này. Nếu một phòng thí nghiệm dược phẩm chứa nồng độ hydro peroxide H202 cao, thì nên sử dụng máy đếm hạt có số lượng đàn hồi và nồng độ lấy mẫu tối đa cao, như Airnet II 510 XR.

Ứng dụng MUAH, sàn quạt và hệ thống liên quan phóng vũ trụ vào không gian đòi hỏi phải có thùng để đựng máy đếm tiểu phân có thể chịu được các điều kiện bên ngoài môi trường phòng bình thường. Bộ đếm hạt thích hợp có vỏ được làm từ thép không gỉ hoặc Kydex®, có khả năng chống chịu tốt với các điều kiện bên ngoài, nhưng đã được chứng minh độ tin cậy trong việc đếm hạt. Một số thiết bị đáp ứng các điều kiện này bao gồm IsoAir 310P và dòng Airnet II.

Đếm tiểu phân trong khí nén

Xác định xem nguồn khí nén có hoạt động hay không và phạm vi áp suất thế nào, phải xác định các thông số này trước khi chọn thiết bị máy đếm hạt tiểu phân. Ví dụ về hỗn hợp khí phản ứng bao gồm hydro và oxy. Những khí này đòi hỏi một bộ đếm hạt đặc biệt được lưu trữ bên trong một bình chứa. Thiết kế của bình chứa này  phải chịu được mức áp suất vừa phải do sự kích nổ giữa hỗn hợp hydro và oxy. Thông thường bình chứa được chứa đầy nitơ, một loại khí trơ có tác dụng trung hòa một lượng nhỏ khí phản ứng. Có thể theo dõi các khí phản ứng khác, nhưng người dùng phải đánh giá cẩn thận các vật liệu bị ướt của bộ đếm hạt để đảm bảo khả năng tương thích với khí. Người dùng cũng nên xem xét các biện pháp phòng ngừa bổ sung như giám sát rò rỉ, giám sát dòng chảy thanh lọc và bất kỳ biện pháp an toàn nào khác để đảm bảo vận hành an toàn.

Để lấy mẫu khí ở áp suất mong muốn, các thiết bị sử dụng bộ điều khiển lưu lượng để cung cấp lưu lượng không đổi, thể tích khí cần đo có áp suất dòng khí trong khoảng từ 40 – 159 psig. Kích thước hạt có thể khác nhau với áp suất và thành phần của khí, vì vậy bộ đếm hạt khí phải chiếm các biến số này. Một hằng số khí được nhập vào hệ thống dữ liệu của thiết bị cung cấp các hệ số hiệu chỉnh cho các loại khí khác nhau và cho phép bộ điều khiển lưu lượng khối tăng hoặc giảm lưu lượng dựa trên tính chất hóa học của khí.

Nếu khí phản ứng nằm trong phạm vi áp suất quy định, bạn có thể lấy mẫu khí bằng Đầu dò khí áp suất cao (HPGP). HPGP-101-C cung cấp độ nhạy 0,1 µm, lưu lượng 0,1 CFM và bình chứa để hạn chế áp suất 3200 psig.

Các khí không phản ứng như argon, helium, neon, nitơ và xenon có các yêu cầu giám sát khác nhau. Tùy chọn có chi phí ban đầu thấp nhất là kết nối từ bộ đếm hạt độc lập như dòng Lasair III với bộ khuếch tán áp suất cao (HPD), làm loãng mẫu khí với không khí xung quanh và cung cấp độ ẩm. Độ ẩm ngăn chặn sự xuống cấp trong hệ thống quang học và hệ thống ống của máy đếm hạt. HPD III là bộ lấy mẫu khí nén để đo hạt có thể chịu được áp lực từ 40 – 100 psig

Bộ đếm hạt khí nén chuyên dụng HPGP-101-C nên được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng và mọi phép đo khí phản ứng. Còn bộ lấy mẫu khí nén model HPDs nên được sử dụng cho các ứng dụng ít quan trọng hơn hoặc thỉnh thoảng theo dõi các khí không phản ứng.

KẾT LUẬN

Mặc dù, các lựa chọn mua hàng có vẻ vô tận, nhưng sau bài viết này giúp bạn có việc đánh giá đúng ứng dụng cụ thể của bạn mà chọn được thiết bị phù hợp với nhu cầu và ngân sách. Và quan trọng hết là tiết kiệm chi phí cho các tính năng mà bạn không cần thiết.

Bài viết dựa vào một số tài liệu như sau:

1. ISO 14644-1, Cleanrooms and Associated Controlled Enviroments.2015
2. Nâng cao năng suất sản xuất: Giám sát hạt tiểu phân trong môi trường nhỏ; tạp chí phòng sạch, April 2004
3. Tài liệu ứng dụng chọn máy của hãng Particle Mearusing Systems