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洁净室内工作活动对光学表面洁净质量的影响因素分析 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 蒋一岚*苗心向 吕海兵 摘 要 洁净室作为一个复杂且庞大的系统，其洁净度会对产品的合格率产生较大的影响。在洁净室的各硬件配套都达标的情况下，日常生产过程中，人员和设备运行则是影响洁净室洁净度的主要因素。通过对某光学元件加工制造的 ISO 5 级洁净室进行洁净度的监测，探讨洁净室内工作活动对光学表面洁净质量的影响规律。关键词 光学表面；洁净度；影响因素；产品质量 Study of Influencing Factors with the Cleanliness Quality of Optical Surface in Clean Room Work Activitiesin Jiang Yilan,Miao Xinxiang,Fu Zhibo and Lv Haibing Abstract As a complex and massive system,the cleanliness of a clean room can have a significant impact on the qualification rate of products.In the daily production process,personnel and equipment operation were the main factors affecting the cleanliness of the clean room,provided that all hardware components in the clean room met the standards.This article explored the impact of indoor work activities on the cleanliness quality of optical surfaces by monitoring the cleanliness with ISO 5 level clean room for the processing and manufacturing of optical components.Keywords Optical surface;Cleanliness;Influencing factors;Product quality 0 引言 随着现代科学技术和工业的飞速发展，对人们进行实验、研究和生产的环境要求越来越高。特别是对于加工精细化、产品微型化、部件集成化、装配高密度化等行业，洁净室的环境洁净度会对其产品的良率和可靠性产生较大的影响。所以不管是电子1、航天航空、化工、纺织、精密机械，还是医药行业，都越来越注重高洁净度的获得和维持。比如薄膜晶体管液晶显示模块（TFT-LCD）的生产过程2、药品的生产检验流通等过程3-5、半导体和集成电路等的制造过程6-11、汽车涂装技术12等，洁净技术都有着广泛的应用。工业洁净室作为一个复杂庞大的系统，影响其洁净度的因素种类较多13-17，但其中，操作人员和设备运行是洁净室的主要污染源，对其日常洁净度的维持有着重要影响。若洁净室空气中的悬浮粒子浓度超标，便会直接导致其产品的质量降低，甚至生产出不合格的产品。光学元件造价昂贵，光学表面的洁净质量是其极为重要的指标之一，故其对加工制造环境有着极高的洁净度要求。本文便通过对某光学元件加工制造洁净室内的工作活动，即人员活动和设备运行进行实时监测，为大家直观地呈现其对光学表面洁净质量的影响规律。1 环境条件及实验方法 1.1 环境条件 某光学元件加工制造洁净室为标准的ISO 5级12（百级）洁净间，整体面积约为 40m2，其中分布着作业设备以及产品暂存区。该洁净室的功能是进行光学元件的生产加工及暂存，生产作业前需要对原材料进行包装拆除处理，通过调查发现其操作人员是在该ISO 5 级洁净室中某区域进行外包装拆除（原因为防止在洁净室外拆除外包装会污染原材料），然后将原材料放入设备中进行生产加工，待所有工序完成后通过机械臂将产品抓取至产品暂存区，等待产品转运。所有工作人员均穿戴百级洁净服，此百级洁净服的发尘率为2000 个/ft3/min0.3m，1200 个/ft3/min0.5m；NVR 含量3g/cm2；空气粒子过滤效率85%。1.2 实验方法 使用高精度激光尘埃粒子计数器，检测精度为0.3m，采样口均设置在距离地面 1m 高度；对于粒子沉降的监测采用基于全息统计方式的粒子沉降监测设备，对环境、人员活动及设备运行的动态洁净特性进行实时监测，该方法的监测精度为 20m。分别在包装拆除区域、设备运行区域设置尘埃粒子计数器以及粒子沉降监测设备，以监测整个工序中的洁净室粒子变化情况。2023 年 9 月 洁净与空调技术CC&AC 第 3 期*蒋一岚，女，1987 年 9 月生，硕士研究生，高级工程师 吕海兵(通信作者)621900 四川省绵阳市游仙区绵山路 64 号 919 信箱 988-5 分箱 18181783121 E-mail: 收稿日期：2023-03-28 2 结果及分析讨论 如图 1 所示，为该洁净室静态条件下和 2 名作业人员严格按照洁净规范进行作业时的洁净度监测情况。从图中可看出，静态条件下，该洁净室的空间洁净度优于 ISO 5 级，粒子沉降监测设备显示无粒子沉降。当 2 名作业人员严格按照洁净规范进行作业时，其空间洁净度也能很好地维持在 ISO 5 级水平。图 1 环境洁净度监测情况 2.1 作业人员的影响 2.1.1 作业人员的穿戴 某天，某作业人员未按要求佩戴口罩，并在尘埃粒子计数器监测点（探头距离地面 1 m 左右）附近与同事进行技术交流。尘埃粒子计数器监测到其说话的2min 内产生大量颗粒，其分布从 0.3 m 一直到 10.0 m（尘埃粒子计数器的全量程），总计 1572 颗，如图 2 所示。该行为已严重影响到了 ISO 5 级洁净室的洁净度，所以在洁净室一定要严格按照要求佩戴防尘口罩。图 2 作业人员未戴口罩说话产尘情况 又一天，发现某作业人员未按要求佩戴手套便进行设备操作，在设备旁边进行环境监测的尘埃粒子计数器探测到其产尘情况非常严重，如图 3 所示。在其操作设备的 1h 内，由于该操作人员未佩戴手套，导 致其持续产尘，最高点的 0.3 m 粒子竟高达 1558 颗，且该产尘过程为一个持续过程，随着操作人员的身体幅度，产尘量也随之波动。这还只是小颗粒的变化情况，下面来看大颗粒的变化情况。图 3 作业人员未戴手套作业产尘情况 如图 4 所示为该设备下方所放置的粒子沉降监测设备所采集到的数据。该监测设备主要监测大颗粒的沉降情况。从图中可看出，该操作人员未佩戴手套进行设备操作，总共沉降 319 颗大颗粒。试想，若这些大颗粒均沉降在生产设备上，那么将会严重影响光学产品质量，甚至出现不合格品。图 4 作业人员未戴手套大颗粒沉降情况 2.1.2 作业人员在洁净室内的活动 在离地面 1m 高处设置尘埃粒子计数器和粒子沉降监测点，以监测人员活动对洁净度所带来的影响。如图 5 和图 6 所示，为 3 名操作人员按照洁净室相关规定进行穿戴，以 0.5m/s 的速度移动，经过监测设备时的产尘情况。从图 5 中可以看出即使有 3 人作业，但洁净度基本能维持在 ISO 5 级水平；图 6 为 3 人作业时的大颗粒沉降情况，总计沉降 46 颗大颗粒，但最大的为300m-400m，没有400 m以上的大颗粒。究其原因可能是因为洁净室的排风能很快将其产生的颗粒带走，此外，严格按照洁净室的相关规定进行穿戴和行动也是保持洁净度的条件之一。.2.洁净与空调技术CC&AC 第3期 图 5 三人正常作业时的产尘情况 图 6 三人正常作业时的大颗粒沉降情况 再来对比一组比较特殊的数据，如图 7 所示，为某天某操作人员听到洁净室内电话铃响，便以大约1m/s 的速度快速移动去接电话，监测设备记录下了该过程中的产尘情况。从图中可看出该过程总计产生221 颗大颗粒，且分布范围较广。说明操作人员快速移动这个行为是会产生较多大颗粒的，与图 6 相对比而言，在洁净室不能跑跳，走路的节奏也应该放轻放慢，以避免产尘影响产品质量。图 7 一人快速移动粒子沉降情况 2.2 外包装及设备的影响 2.2.1 外包装对洁净度的影响 当作业人员在洁净室指定区域内对原材料的外包装进行拆除时，尘埃粒子计数器监测到空气中的粒子浓度有所上升，如图 8 所示，2min 内该区域的空气洁净度劣化至 ISO 7 级。图 9 为该过程中的大颗粒沉降情况，总计沉降 31 颗大颗粒，所以建议将该环节移至洁净室外进行，若担心原材料被污染，可考虑在该洁净室外的衔接处新增局部洁净区域。图 8 拆原材料的包装时小颗粒产尘情况 图 9 拆原材料的包装时粒子沉降情况 2.2.2 设备运行对洁净度的影响 该生产线所使用的机械臂，其连接处为裸露结构。为了监测其运行时对洁净度的影响，在机械臂下方位置设置粒子沉降监测设备，以监测机械臂工作时的产尘情况。如图 10 所示，在机械臂工作的 2h 内，共计产生了 109 颗20m 的大颗粒。图 10 机械臂工作时大颗粒（20 m）的沉降情况 第 3 期 洁净与空调技术CC&AC .3.从该机械臂工作时的监测情况来看，机械臂工作会导致周围环境洁净度一定程度的劣化，建议可将机械臂连接处的裸露结构用不锈钢材料密封起来，整个机械臂也需要定期进行洁净维护。3 结语 综上所述，本文对某光学元件生产制造 ISO 5 级洁净室的洁净度进行了监测，主要涉及人员活动、外包装和设备运行等方面对洁净度的影响分析。在 ISO 5 级洁净室各硬件配套达标的情况下，日常生产过程中人员和设备运行是影响洁净室洁净度的主要因素，通过本文的分析总结，建议该洁净室在日常的生产管理中做到如下几点，便有可能提升其产品的合格率：1)作业人员应按照ISO 5级洁净室的相关规定进行穿戴，规范自身行为动作；2)操作时应尽量避免说话、跑跳等行为；3)外包装建议在洁净室外进行拆除，可考虑搭建局部百级过渡间；4)设备有裸露在外的连接运动部分，建议用不锈钢等材料进行密封处理；5)定期对设备进行洁净维护。6)总之，洁净环境需要每一位参与人员共同维护，相信通过每一位员工的共同努力，光学产品的洁净质量能得到进一步提升。参考文献 1 翟传明，章忠飞，王娟娟等.电子工业洁净厂房洁净区试 运行阶段检测要点分析与探讨J.制冷与空调技术,2020,20(1)2 元荣载，刘小宝.TFT-LCD 生产设备洁净度提升研究J.洁净与空调技术,2013,(3)3 缪德骅，初论医药洁净技术及其基本特点J.洁净与空调 技术，2004,(4).4 刘春雁，蔡来胜，刘刚，药厂洁净室空气洁净度的检测J.洁净与空调技术，2003,(1).5 吕洪浩.影响医药工业洁净室洁净度因素的应用分析J.天津药学，2011,23(1)6 A.Tonti,Perspectives in environmental control for future integrated nano-electronics:devices,surfaces,development of clean processesC.ICCCS 2004.Bonn/Germany.7 Klaus Kuemmerle,Airborne contamination control in cleanroomC.ICCCS 2004.Bonn/Germany.8 韩科勇.浅析半导体洁净室的洁净度维护J.洁净与空调 技术，2013,(4)9 姜伟康，章汝熙.微电子工业与洁净技术的发展J.洁净 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