Reinraum
Ein Rein- oder Reinstraum ist ein Raum, in dem die Konzentration luftgetragener Teilchen sehr gering gehalten wird.
Rein- und Reinsträume werden für spezielle Fertigungsverfahren – vor allem in der Halbleiterfertigung – benötigt, wo in gewöhnlicher Umgebungsluft befindliche Partikel die Strukturierung integrierter Schaltkreise im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers stören würden. Weitere Anwendungen von Reinräumen oder Reinraumtechnik finden sich in der Optik- und Lasertechnologie, der Luft- und Raumfahrttechnik, den Biowissenschaften und der medizinischen Forschung und Behandlung, der Forschung und keimfreien Produktion von Lebensmitteln und Arzneimitteln und in der Nanotechnologie.
Geschichte
Vermutlich hatte die Medizin zuerst die Notwendigkeit einer kontrollierten Umgebung erkannt und den klassischen Operationssaal in Krankenhäusern entwickelt und sich dabei auch offensichtlich am Schwarz-Weiß-Prinzip orientiert. Früher gab es branchentypisch angepasste und regional unterschiedliche Forderungen und Standards für Reinräume, die mittlerweile der einheitliche Standard EN ISO 14644 abgelöst hat.
Funktionsweise
Ein Reinraum wird so konstruiert, dass die Anzahl luftgetragener Teilchen, die in den Raum eingebracht werden oder dort entstehen, so gering wie möglich ist. Je nach Verwendung wird nur die Partikelanzahl oder auch die Anzahl der Keime überwacht, wie dies beispielsweise bei der Herstellung pharmazeutischer Produkte nötig ist. Andere Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck werden in der Regel ebenfalls konstant gehalten, um jederzeit vergleichbare Bedingungen zu schaffen.
Um die geforderten Bedingungen herzustellen, werden diverse Verfahren angewendet, um zu verhindern, dass unerwünschte Partikel in die Luft gelangen können und um bereits in der Luft befindliche Partikel wieder zu entfernen.
Da in der Regel der Mensch die größte Quelle für Partikel und andere Verschmutzungen ist, helfen eine angepasste Arbeitskleidung, spezielle Arbeitsmittel und Werkzeuge, sowie die entsprechende Arbeitstechnik, die spezifizierte Reinraumklasse einzuhalten. So gibt es beispielsweise spezielles fusselfreies Reinraumpapier, Reinraumkleidung, Kopfhauben und Überzieher für die Schuhe.
Für Reinsträume, wie sie in der Mikroelektronik Verwendung finden, gibt es mehrere hierarchische Bereiche mit entsprechender Reinraumklasse. So umgibt den Reinstraum (Klasse ISO 4 und besser), in dem mit Substraten gearbeitet wird, ein abgetrennter Bereich mit den benötigten Anlagen zur Beschichtung und Strukturierung. Benötigte Pumpen für die Vakuumtechnik befinden sich meist in einem darunterliegenden Stockwerk.
Der Reinstraumzugang erfolgt meist über eine Folge verschiedener Reinraumbereiche mit fallender Reinraumklasse. Zwischen diesen Bereichen erfolgt in der Regel ein Kleidungswechsel. Um Verschmutzungen von Gegenständen, die mit dem Fußboden in Berührung kommen (z. B. Schuhsohlen), zu minimieren, befinden sich an den jeweiligen Zugängen spezielle klebrige Fußmatten. Der Zugang zum Reinstraum selbst erfolgt zusätzlich über Personal- und Materialschleusen, in denen wiederum starke Luftströmungen und Filtersysteme vorhandene Partikel aufwirbeln und absaugen, so dass keine zusätzliche Verunreinigung von außerhalb eingetragen wird.
In einigen Reinräumen wie Operationssälen müssen sich die Mitarbeiter und Besucher vorher einer Reinigung unterziehen oder zumindest Schutzkleidung anlegen.
Materialien, die in Reinräumen eingesetzt werden, müssen über abriebfeste Oberflächen verfügen. Aufgestellte Anlagen und Geräte dürfen die laminare Luftströmung nur minimal stören. Teile und Maschinen, die in den Reinraum gebracht werden sollen, müssen vorher gereinigt werden. Ein Reinraum wird im Regelfall mit Überdruck (Überdruckbelüftung) beaufschlagt. In Sonderfällen werden Reinräume auch mit Unterdruck betrieben, was verhindert, dass z. B. gefährliche Substanzen oder Krankheitserreger nach außen dringen können.
Auch sogenannte Laminar-Flow-Einheiten können bedingt staub- und partikelarme Arbeitsplätze schaffen, in denen ein gereinigter, vertikaler oder horizontaler Luftstrom sowie Vorhänge dafür sorgen, dass die Partikelkonzentrationen in der Luft und damit die Partikelablagerungen auf dem Produkt reduziert werden.
Die verwendeten Verfahren und Anlagenarten der Klimatechnik sollen sicherstellen, dass Verunreinigungen sofort aus der Luft entfernt werden. Dazu wird eine turbulenzarme Verdrängungsströmung (Laminarströmung, engl. laminar flow) genutzt. Zusammen mit einer in der Regel mehrstufigen Filterung und großem Luftdurchsatz soll die Reinheit der Luft sichergestellt werden.
Strömungsprinzipien für Reinräume
Es wird grundsätzlich zwischen einer turbulenten Verdünnungsströmung und einer turbulenzarmen Verdrängungsströmung unterschieden:
- Bei der turbulenten Verdünnungs- oder Mischströmung wird die gefilterte Reinluft turbulent (verwirbelnd) in den Reinraum eingeführt und erzeugt eine stetige Verdünnung der Partikelkonzentration. Die geforderte Reinraumklasse wird dann bei reinraumgerechtem Verhalten des Personals aufrechterhalten. Hier ist besonders darauf zu achten, dass Partikel erzeugende Objekte und Vorgänge im Reinraum minimiert werden.
- Bei der turbulenzarmen Verdrängungsströmung, die auch „laminar flow“ genannt wird, strömt die Reinluft turbulenzarm und in der Regel vertikal in den Reinraum und bewirkt, dass die sensiblen Arbeitsbereiche und Maschinen möglichst gering kontaminiert werden. Die Luft entweicht dann auf der gegenüberliegenden Fläche, in der Regel durch den perforierten Doppelboden, aus dem Raum und wird zur wiederholten Filterung zum Umluftgerät zurückgeführt.
 Strömungsprinzip „turbulenter Reinraum“ |
 Strömungsprinzip „Laminarströmungs-Reinraum“ |
Reinraumklassen mit Werten der Partikelkonzentration
Um einen Reinraum betreiben zu können, müssen nach dem Bau und während des Betriebs Partikelmessungen durchgeführt werden. Aufgrund dieser Messungen kann eine Klassifizierung der Reinheit des Raumes nach einer Norm vollzogen werden. Beispielsweise dürfen bei Klasse ISO 5 (US alt: Klasse 100) max. 100 Partikel von min. 0,5 µm Durchmesser pro Kubikfuß (3,5 Partikel pro Liter) enthalten sein.
| Branche | Hauptkontamination | Hauptnorm |
|---|---|---|
| Halbleitertechnik | Partikel | US Federal Standard 209E, abgelöst durch ISO 14644-1 und ISO 14644-2[2] |
| europäische Raumfahrttechnik | Partikel | ECSS-Q-ST-70-01, auf Basis der ISO 14644[3] |
| Lebensmitteltechnik | Mikroorganismen | VDI 2083 |
| Pharmazie | Keimzahl (KB) | EU-GMP Leitfaden, Annex 1 Herstellung steriler Arzneimittel |
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Messvorschriften
Mit der Überarbeitung der Norm im Dezember 2015 wurden ebenfalls die Messvorschriften (Messbedingungen) überarbeitet:[5]
- Die Bestimmung der Anzahl der Messpunkte pro Raum wurde neu definiert. Bisher als Wurzel aus der Fläche als Mindestanzahl von Messungen definiert wird in der neuen Version vom Dezember 2015 eine Mindestanzahl von Messpunkten je Fläche über eine Tabelle vorgegeben.
- Gleichzeitig fiel der statistische Vertrauensbereich weg; stattdessen soll jeder Messpunkt einzeln betrachtet werden: wenn der Mittelwert eines jeden Messpunktes unter den Grenzwerten liegt, so erfüllt der vermessene Raum die Anforderungen.
- Bei der Probenentnahme zur Reinheitsklassenbestimmung in A-Bereichen (GMP) muss die Schlauchlänge kürzer als einen Meter sein.
Siehe auch
Literatur
- Lothar Gail, Hans-Peter Hortig (Hrsg.): Reinraumtechnik. 2. überarbeitete u. erweiterte Auflage. Springer, Berlin 2004, ISBN 978-3-540-20542-5 (Übersicht zur Entwicklung und Praxis der Reinraumtechnik).
- Lothar Gail, Udo Gommel, Horst Weißsieker (Hrsg.): Projektplanung Reinraumtechnik. VDE Verlag, 2009, ISBN 978-3-7785-4004-6 (Reinraumtechnisches Praxiswissen).
- Erwin Memmert: Reinraumtechnik: Normen-Handbuch. Verlag Beuth, 2008, ISBN 978-3-410-16920-8 (Normenhandbuch zum Thema Reinräume).
- Win Labuda: Reinraum-Verbrauchsmaterial – Aspekte, Simulation, Argumente. In: ReinRaumTechnik. Sonderausgabe, Jg. 19, Nr. 1, 2017 (Volltext (Memento vom 18. September 2018 im Internet Archive; PDF)).
- Win Labuda: Zur Geschichte des Reinen Arbeitens. In: ReinRaumTechnik. Jg. 20, Nr. 03, 2018, ISSN 1439-4251 (microimage.de).
Weblinks
- Get Inside an Intel 45 nm Chip Factory Channel Intel, YouTube, 7. November 2007, abgerufen am 20. Dezember 2009 (Video zu Intels Fab32; Das Video zeigt unter anderem Bilder aus dem Reinraumbereich einer modernen Halbleiterproduktionsstätte für Mikroprozessoren).
Einzelnachweise
- Definition & Grundlagen Reinraum. Abgerufen am 8. April 2016.
- Notice of Cancellation der GSA vom 29. November 2001, wiedergegeben auf der IEST-Website (Memento vom 28. September 2011 im Internet Archive), abgerufen am 23. Juni 2008.
- ECSS-Q-ST-70-01C der ESA, abgerufen am 4. Februar 2016.
- Klassifizierung der Reinheitsklasse nach GMP und EN ISO 14644-1 – Home
- Jürgen Blattner: Neuerungen in der DIN EN ISO 14644-1:2015. (PDF) Archiviert vom Original am 18. Januar 2017; abgerufen am 18. Januar 2017 (Änderungen mit der neuen Version vom Dezember 2015).