用于潔凈室的材料組合的評估

2006年07月27日　　　　

迄今為止，在技術上，關于表面的摩擦組合所產(chǎn)生的粒子，還不存在一個科學合理的模型。這樣的一個模型將有助于我們在元器件的開發(fā)階段，針對潔凈生產(chǎn)目的而選擇合適的材料。

Udo Gommel、Andreas Schuele
Fraunhofer制造工程和自動化研究所(IPA)

生產(chǎn)設施產(chǎn)生的粒子，通常都是在摩擦和振動這兩個處理過程中產(chǎn)生的。其中，生產(chǎn)設備表面的相對運動產(chǎn)生的摩擦過程是主要原因。迄今為止，在技術上，關于表面的摩擦組合所產(chǎn)生的粒子，還不存在一個科學合理的模型。這樣的一個模型將有助于我們在元器件的開發(fā)階段，針對潔凈生產(chǎn)目的而選擇合適的材料。

一個解決辦法
FraunhoferIPA開發(fā)出了一種標準的測試方法，可以驗證不同材料組合的粒子污染性狀。材料的測試工作臺可以讓原材料在一個無污染的環(huán)境下進行測試，評估它們在潔凈室環(huán)境下使用的適宜性。開發(fā)出這樣一套科學合理的測試方法，可以確保測量結果的可重復性、可比較性、**性，以及描述的正確性。
為了對所獲得的測量數(shù)據(jù)進行評估和分類，還同時開發(fā)出了特殊的評定方法。測量數(shù)據(jù)所采用的分析算法，可以清晰地顯示出不同的材料組合在用于潔凈的生產(chǎn)區(qū)域時的適宜性。

材料測試方法的開發(fā)
可以采用不同的方法來獲取兩個實體之間的摩擦（見圖1）。

圖1. “Roller-on-disk”測
試方法（上圖），“disk-on
-disk” 測試方法（中部）
和“ball-on-disk”測試
方法（下圖）。

采用“ball-on-disk”測試方法時，把小球壓在圓盤的表面上。它們之間是點接觸，并且小球是固定的。采用“disk-on-disk”測試方法時，一個圓盤在軸承上旋轉著側向接近驅動盤，而后在上面碾壓。它們之間是線接觸，且他們之間的接觸表面都是曲線。采用“roller-on-disk”的測試方法，一個滾輪（例如，一個不銹鋼或者PA6的滾輪）碾壓在圓盤的表面上（該圓盤表面上有需要測試的涂層）。這種方法用于測試會發(fā)生滾動摩擦的表面覆蓋物和涂層。例如，“roller-on-disk”測試方法就會被應用于測試潔凈室的地板覆蓋物（上面總是有車子和滾輪滾過）。
由于“ball-on-disk”測試方**經(jīng)常性的在文獻中出現(xiàn)，并且得到了廣泛的應用，所以我們可以從中獲取關于粒子產(chǎn)生的**的數(shù)據(jù)記錄。同時，該方法還有另一個更大的優(yōu)點，那就是，材料間的接觸是點接觸，這使得該方法在本質上具備了可標準化的特性。于是“ball-on-disk”測試方法可用于如下情況：在測試中，小球的直徑為d，其下方的測試圓盤以頻率f轉動。在半徑為r的地方，采用一個大小為FN的正向壓力將小球壓在圓盤上。在小球和圓盤的接觸區(qū)域，伴隨著材料的磨損，產(chǎn)生了粒子。磨損的痕跡就此形成。這些實量（應力的范圍，移動的距離，在部分距離上的多應力等）所記錄的壓力值可以和磨損痕跡以及接觸位置的特性相關聯(lián)起來，用來做分析。
基于預測試，F(xiàn)raunhofer IPA采用”ball-on-disk”原則，開發(fā)出了一個適合該測試的試驗臺（見圖2）。

圖2. Fraunhofer IPA設計制造的用于評定材料的潔凈室
適宜性和潔凈度適宜性的試驗臺。

類似于粒子釋放測試，我們還可能同時確定出摩擦力。粒子釋放是進行結果比較的基礎。利用通過不同的粒子尺寸渠道（>0.2祄、>0.3祄、>0.5祄和>5.0祄）獲得的測量值，可以確定出“粒子體積”值。摩擦力與該值之間以獨立或復合（作為衍生值，例如磨損體積）的形式相關聯(lián)。采用這種方法，就可以估算出摩擦力和粒子釋放值之間的相關系數(shù)。

材料組合的分級模型

圖3. 上圖：一個材料組合在單一壓力
下的粒子釋放微分圖。由于圖形不穩(wěn)定，
這一變化圖不能用來確定材料組合的潔
凈室適宜性。下圖：在不同壓力條件下
的粒子釋放積分圖。在這里，我們可以
得到曲線的變化與所施加的不同壓力之
間的直接關系。

測試的主要目的就是觀察并刻畫出在摩擦力作用期間粒子釋放的變化特

。采用光學粒子計數(shù)器可以提供出粒子的測量差分值，也就是，以單位時間測量值內(nèi)或單位體積測量值內(nèi)的粒子數(shù)的形式提供。在處理過程中，通常隨著旋轉圈數(shù)的增加，粒子測量值都會有輕微的增加。然而，粒子釋放的增量卻無法估算出來，因為該圖非常不穩(wěn)定（見圖3上圖）。由于粒子產(chǎn)生的數(shù)量與旋轉的圈數(shù)直接相關，而與經(jīng)歷的時間只僅僅是間接相關，所以我們都采用旋轉圈數(shù)而不用測量時間作為新的控制變量。
如果把一定旋轉圈數(shù)下產(chǎn)生的粒子都加起來，其值就等于粒子測量值的積分。采用這種表述方式，結果曲線就顯示出一個穩(wěn)定的增長（見圖3下圖）。在采用非線性回歸獲得大致的累積粒子釋放圖后，該曲線就可以進一步從數(shù)學的觀點進行準確的度量。對一個材料組合的潔凈室適宜性的度量，可以反映在粒子釋放曲線的上升率上。因此，一個淺的曲線實際上就等價于一個良好的潔凈室適宜性。如果曲線上升的越快或者說越深，那么就意味著該材料組合越不適于用在高標準的潔凈室環(huán)境。
評價材料組合的潔凈室適宜程度的一個辦法就是：將在摩擦力作用期間產(chǎn)生的在空氣中傳播的粒子數(shù)，與決定潔凈室潔凈程度的限定值進行比較。將DINENISO14644-1中定義的每個空氣潔凈等級所允許的大粒子數(shù)的限定值進行轉化時，與測試時旋轉的圈數(shù)有關，這是一個材料等級的圖解結果，很適合解決該問題。為了獲得關于材料組合的潔凈室適宜程度的合理描述，其參考的轉數(shù)必須固定下來。這樣，材料組合就可以直接定義出其潔凈室適宜程度，也就是所謂的“材料等級”。

材料分級的發(fā)展
對材料組合進行預分組，就是為了檢查材料的評估方法而執(zhí)行預測試，已經(jīng)顯示出了其合理的結論。為了達到預測試的目的，對8種不同的材料組合進行測試（見圖4）。

圖4. 上圖：基于材料等級的材料組合
評估。等級圈的大小反映出了等級以
及材料規(guī)格的可重復性。下圖：材料
組合估計縱覽，基于DIN EN ISO
14644-1中所規(guī)定的空氣潔凈等級。

測試只重復執(zhí)行了兩次。頂部的圖顯示出了材料組合是如何分組到不同的材料等級的。
在材料測試試驗臺上，材料組合將加載上一個典型的應力，產(chǎn)生粒子磨損。測試時，在一分鐘的測量時間間隔和一立方米的測試體積內(nèi)，粒子釋放值有一個理論期望值。根據(jù)測試中設置的測試時間間隔，這些粒子濃度可以相關聯(lián)到DINENISO 14644-1中定義的空氣潔凈度。
于是，按照這些等級，就可能對材料組合的潔凈室適宜程度做出評定。采用材料類別的物質分類，為了向用戶明確表明，這一等級劃分是基于在試驗臺上賦予材料成體系的壓力等級，并且該等級劃分是通過相關數(shù)學計算得到的。采用先前所描述的測試條件，所獲得的結論表明，處于材料等級1的材料組合，可以滿足實行ISO等級1規(guī)格的潔凈室的使用；處于材料等級2的材料組合，可以滿足實行ISO等級2規(guī)格的潔凈室的使用，等等。
圖4下圖所示的是從預測試中獲得的材料組合的潔凈室適宜性等級的概觀。這一等級劃分體現(xiàn)出了良好的匹配性；這是因為測得的是“真實的”粒子釋放值，且等級劃分的計算采用了回歸的方式。
為了獲得不同材料組合在各種材料變化和壓力下，有關潔凈室適宜性等級劃分的初步值，就要測試盡可能多的材料組合。對于個別的、具有大量細節(jié)的高精度材料應力，不會給予過多的關注。這一概念也是潔凈室適宜材料(CleanroomSuitableMaterials(CSM))工業(yè)聯(lián)盟所追求的。目前正在對由參加的工業(yè)伙伴所選擇的40～50中不同的材料組合進行系統(tǒng)的測試，并對它們的粒子釋放進行評估。這么做的目的是為了幫助潔凈室生產(chǎn)設備的設計者選擇具有更低粒子釋放水平的材料，并使所采用的材料的粒子釋放特性對于設備購買商來說更清晰。

總結
用于評定所有材料組合的潔凈室適宜性的等級劃分模型的優(yōu)點概括如下：
● 采用摩擦預測試就可以對材料組合的潔凈室適宜性進行預估計。
● 采用摩擦數(shù)據(jù)庫可以將相關性體現(xiàn)出來。
● 無需制造出真實生產(chǎn)設備的昂貴的模型，就可以對材料的適宜性進行測試。
● 可以對用在具有嚴格空氣潔凈程度要求的潔凈室中的材料組合進行獨立評估。
● 在選擇材料的時候，不再需要進行試驗測試。

作者簡介
UdoGommel是在德國Stuttgart的Fraunhofer生產(chǎn)過程和自動化（IPA）研究所的一個團隊經(jīng)理。他的電郵地址是gommel@ipa.fraunhofer.de。
AndreasSchuele在德國Stuttgart的Fraunhofer生產(chǎn)過程和自動化（IPA）研究所工作，專攻無菌生產(chǎn)和測量技術。他的電郵地址是schuele@ipa.fraunhofer.de。

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