V polprevodniških, farmacevtskih ali vesoljskih čistih prostorih lahko celo najmanjši delci ali izpuščeni hlapi uničijo izdelek. Grelne plošče, ki se uporabljajo v teh okoljih, morajo biti izdelane iz materialov in zaključkov, ki zmanjšujejo tveganje kontaminacije, hkrati pa zagotavljajo natančno toplotno učinkovitost. Standardna industrijska grelna plošča lahko oddaja delce, sprošča hlapne spojine ali ujame onesnaževalce v površinske nepravilnosti-, kar je vse nesprejemljivo v nadzorovanih okoljih. Grelne plošče, združljive s čistimi prostori, zahtevajo premišljene izbire oblikovanja na vseh ravneh.
Ključna tveganja kontaminacije pri grelnih ploščah čistih prostorov
Za grelne plošče so pomembni trije primarni mehanizmi kontaminacije:
Nastajanje delcev– Ohlapni delci s kovinskih površin, premazov ali gibljivih delov postanejo v zraku in se usedejo na občutljive izdelke.
Izločanje plinov– Hlapne organske spojine (VOC) ali drugi hlapi, ki se sproščajo iz materialov pri povišanih temperaturah, kondenzirajo na površinah ali spremenijo kemijo procesa.
Lovljenje površinske kontaminacije– Grobe ali porozne površine zadržujejo delce in jih je težko očistiti, kar vodi do navzkrižne kontaminacije med serijami.
Vsako od teh tveganj je treba obravnavati z izbiro materiala, površinsko obdelavo in tesnjenjem komponent.
Izbira materiala za grelne plošče čistih prostorov
Izbira materiala temelji na potrebi po nizkem izločanju delcev, odpornosti proti koroziji in minimalnem sproščanju plinov. Naslednji materiali so običajno navedeni.
Nerjaveče jeklo (prednostno 316L)
Nerjavno jeklo, zlasti razred 316L (nizkoogljično), je najpogosteje uporabljen material za grelne plošče za čiste prostore. Ponuja odlično odpornost proti koroziji, visoko mehansko trdnost in relativno nizko nastajanje delcev. V nasprotju z aluminijem nerjavno jeklo ne tvori mehkega oksidnega sloja, ki bi lahko odlepil. Za aplikacije, ki zahtevajo magnetno nevtralnost, so avstenitne stopnje (304, 316) nemagnetne v žarjenem stanju.
Površino nerjavečega jekla je mogoče pasivizirati ali elektropolirati, da dodatno zmanjšate oprijem delcev. Pasivacija odstrani prosto železo s površine, medtem ko elektropoliranje ustvari gladek, mikroodseven zaključek, ki je odporen proti kontaminaciji. Pri uporabi v čistih prostorih je nerjavno jeklo 316L pogosto navedeno z elektropoliranim zaključkom (Ra manj kot ali enako 0,5 µm).
Aluminij (omejena uporaba)
Aluminijaste grelne plošče se včasih uporabljajo v čistih prostorih nižjega razreda (ISO razred 7 ali 8) zaradi njihove odlične toplotne prevodnosti. Vendar ima aluminij več pomanjkljivosti: je mehkejši od nerjavečega jekla, hitreje odvaja delce, eloksirani premazi pa se lahko odkrušijo ali luščijo. Če se uporablja aluminij, je lahko sprejemljiva trda anodizirana prevleka (Tip III) z ustreznim tesnjenjem, vendar elektropolirano nerjavno jeklo ostaja najboljša izbira za kritična okolja.
PTFE in drugi fluoropolimeri
PTFE je na splošno združljiv s čistimi prostori, če je pravilno obdelan. Je kemično inerten, pri temperaturah pod 260 stopinj se ne izplinjuje bistveno in ima nizek koeficient trenja, kar zmanjša nastajanje delcev ob stiku. Vendar je treba PTFE premaze na kovinske plošče nanašati previdno. Slabo vezana PTFE prevleka se lahko razloji ali lušči, kar povzroči delce. Potrebni so visokokakovostni PTFE premazi, naneseni s pršenjem, z hrapavo podlago ali osnovnim slojem. Namesto tega se lahko za ogrevanje čistih prostorov pri nizkih temperaturah uporabljajo trdne PTFE plošče (brez podpore), čeprav je toplotna prevodnost slaba.
Zahteve za površinsko obdelavo
Površinska obdelava grelne plošče za čiste prostore neposredno vpliva na zadrževanje delcev in možnost čiščenja. Gladka površina ima manj rež, kjer se lahko zadržujejo delci, in jo je lažje obrisati s topili ali robčki za čiste prostore.
Elektropolirana obdelava– Zlati standard za grelne plošče za čiste prostore. Elektropoliranje odstrani tanko plast kovine, izravna mikroskopske vrhove in vdolbine. Elektropolirana plošča iz nerjavečega jekla doseže površinsko hrapavost (Ra) le 0,1–0,4 µm. Postopek ustvari tudi s kromom bogato oksidno plast, ki je odporna proti koroziji in oprijemu delcev.
Pasiviran zaključek– Kemična obdelava, ki odstrani prosto železo in obnovi pasivno oksidno plast. Pasivacija bistveno ne zmanjša površinske hrapavosti, zmanjša pa nagnjenost k elektrostatičnemu ali kemičnemu oprijemu delcev.
Mehansko poliranje– Sprejemljivo za manj zahtevne čiste prostore. Mehansko poliranje (npr. zaključek št. 4) doseže Ra 0,5–1,0 µm, vendar lahko pusti usmerjene praske, ki ujamejo delce. Elektropoliranje ima prednost pred samim mehanskim poliranjem.
Grobe, valjane ali ulite površine niso primerne za grelne plošče za čiste prostore.
Nadzor izpuščanja plinov pri povišanih temperaturah
Grelne plošče delujejo pri povišanih temperaturah, kar pospeši izločanje hlapnih spojin. Vsi materiali, uporabljeni v sklopu plošče-vključno z lepili, mazivi, izolacijo žic, materiali za toplotne vmesnike in tesnilnimi tesnili-morajo biti nizko sproščeni.
Standard NASA ASTM E595 se pogosto uporablja za združljivost čistih prostorov. Ta preskus meri skupno izgubo mase (TML) in zbrano hlapno kondenzacijsko snov (CVCM) iz materiala, izpostavljenega vakuumu in toploti. Za grelne plošče za čiste prostore so na splošno sprejemljivi materiali s TML < 1,0 % in CVCM < 0,1 %.
Posebne komponente, ki zahtevajo certifikat za nizko izločanje plinov, vključujejo:
Izolacija žice– Žice, izolirane s PTFE ali poliimidom (Kapton), imajo prednost pred PVC ali standardnim polietilenom.
Materiali toplotnega vmesnika– Blazinice na osnovi grafita ali silikonske-plošče, polnjene s keramiko, z nizko stopnjo izločanja plinov.
Lepila– Za pritrditev senzorja se uporabljajo epoksidi, oblikovani za delo z visokim vakuumom (npr. EpoTek H77).
Maziva– Če so prisotni kakršni koli gibljivi deli (npr. izravnalni vijaki), so predpisane masti iz perfluoropolietra (PFPE), kot sta Fomblin ali Krytox.
Bistveno se je izogibati standardnim industrijskim trakom, toplotno skrčljivim cevkam z lepilnimi oblogami in mazivom na osnovi ogljikovodikov.
Zasnova tesnjenja in ohišja
Električni priključki, temperaturni senzorji in sponke grelnika morajo biti zaprti, da se prepreči nastajanje delcev iz notranjih komponent. Grelna plošča za čiste prostore običajno vključuje zaprto razdelilno omarico ali priključno ohišje z naslednjimi lastnostmi:
Zaščita pred vdorom IP65 ali višja– Prašno odporen in zaščiten pred vodnimi curki. IP65 zagotavlja, da delci, ki nastanejo v ohišju (npr. zaradi kontaktov releja ali odrgnine žice), ne uidejo v čisti prostor.
Gladke zunanje površine– Ohišje mora imeti zaobljene vogale in polirano površino, da preprečite zadrževanje delcev.
Hermetični dovajalniki– Kjer gredo žice skozi steno ohišja, stisnjeni ali s steklom zatesnjeni vodi preprečujejo puščanje.
Čiščenje s pozitivnim tlakom (neobvezno)– V kritičnih aplikacijah lahko ohišje prezračite s čistim suhim zrakom ali dušikom, da zagotovite, da se vsi notranji delci izločijo skozi filter navzven, ne v čisti prostor.
Kontrolni seznam za načrtovanje grelne plošče za čiste prostore
Naslednji kontrolni seznam povzema ključne vidike zazasnova grelne plošče za čiste prostore.
| Kategorija | Zahteva | Tipična rešitev |
|---|---|---|
| Material plošče | Nizko odpadanje delcev, odporen proti koroziji | Nerjaveče jeklo 316L |
| Površinska obdelava | Gladka, enostavna za čiščenje, odporna na oprijem | Elektropolirano (Ra manj kot ali enako 0,4 µm) ali pasivirano |
| Izločanje plinov | TML < 1,0 %, CVCM < 0,1 % po ASTM E595 | PTFE žična izolacija; lepila z nizkim sproščanjem plinov; PFPE maziva |
| Premazi (če se uporabljajo) | Brez luščenja, delaminacije ali sproščanja delcev | Visokokakovosten PTFE s temeljnim premazom; ali neprevlečenega nerjavečega jekla |
| Električno ohišje | Prašno odporen; brez emisij delcev | IP65 ali IP67 ocenjeno; gladke zunanje površine; hermetični prehodi |
| Pritrdilni elementi | Brez ohlapnih delcev iz niti | Zaskočni vijaki; ali strojno opremo za zaklepanje, ki ne odpade |
| Čistivost | Združljivo z robčki za čiste prostore in topili | Brez ostrih vogalov, rež ali poroznih površin |
Izdelava in montaža v čistih pogojih
Sama montaža grelne plošče za čiste prostore mora potekati v čistem okolju. Čiščenje in pakiranje po montaži sta ključnega pomena. Po končni montaži je plošča običajno:
Ultrazvočno očiščen v deionizirani vodi ali ustreznem topilu
Izperemo z izopropilnim alkoholom
Sušimo v laminarni pečici
Dvojno zapakirano v polietilenske ali antistatične vrečke za čiste prostore
Pri vsakem ravnanju med namestitvijo morate uporabljati rokavice, primerne za čiste prostore, da preprečite prenos olj ali delcev na površino plošče.
Pogoste pasti, ki se jim je treba izogniti
Uporaba aluminijastih plošč z anodiziranimi prevlekami– Anodizirane plasti lahko počijo pod temperaturnim ciklom, pri čemer se sprostijo abrazivni delci.
Nanašanje standardnih silikonskih RTV tesnil– Številne silikonske tesnilne mase sproščajo siloksane z nizko molekulsko maso, ki onesnažujejo optične ali elektronske površine.
Namestitev nezatesnjenih priključnih omar– Standardno ohišje NEMA 1 omogoča izstopanje delcev in ga je treba zamenjati z ohišjem z oznako IP65.
Zanemarjanje čistoče pritrdilnih elementov– Standardni pocinkani vijaki odvajajo delce; potrebni so vijaki iz nerjavečega jekla s pasivirano površino.
Zaključek
Grelne plošče za čiste prostore zahtevajo posebno pozornost pri materialih, zaključkih, lastnostih izločanja plinov in tesnjenju, da se ohrani okoljska čistost. Nerjaveče jeklo 316L z elektropolirano ali pasivirano površino je prednostni material zaradi nizkega izločanja delcev in odpornosti proti koroziji. PTFE se lahko uporablja kot prevleka ali kot trdna plošča le, če se uporablja brez nevarnosti luščenja. Vsa električna ohišja morajo biti zatesnjena v skladu z IP65 ali višjim in vsi nekovinski deli (izolacija žice, lepila, maziva) morajo izpolnjevati standarde nizkega izpusta plinov, kot je NASA ASTM E595. Nadzor kontaminacije se razširi na vsako komponento v procesu-od materiala plošče do masti na navoju vijaka. Pravilno zasnovana grelna plošča za čiste prostore omogoča natančen nadzor toplote brez ogrožanja okolja brez delcev, ki je bistvenega pomena za proizvodnjo polprevodnikov, farmacevtsko in vesoljsko proizvodnjo.
