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用于洁净室的材料组合的评估

 2006年07月27日    
      迄今为止,在技术上,关于表面的摩擦组合所产生的粒子,还不存在一个科学合理的模型。这样的一个模型将有助于我们在元器件的开发阶段,针对洁净生产目的而选择合适的材料。

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

生产设施产生的粒子,通常都是在摩擦和振动这两个处理过程中产生的。其中,生产设备表面的相对运动产生的摩擦过程是主要原因。迄今为止,在技术上,关于表面的摩擦组合所产生的粒子,还不存在一个科学合理的模型。这样的一个模型将有助于我们在元器件的开发阶段,针对洁净生产目的而选择合适的材料。

一个解决办法
FraunhoferIPA开发出了一种标准的测试方法,可以验证不同材料组合的粒子污染性状。材料的测试工作台可以让原材料在一个无污染的环境下进行测试,评估它们在洁净室环境下使用的适宜性。开发出这样一套科学合理的测试方法,可以确保测量结果的可重复性、可比较性、精确性,以及描述的正确性。
为了对所获得的测量数据进行评估和分类,还同时开发出了特殊的评定方法。测量数据所采用的分析算法,可以清晰地显示出不同的材料组合在用于洁净的生产区域时的适宜性。

材料测试方法的开发
可以采用不同的方法来获取两个实体之间的摩擦(见图1)。

图1. “Roller-on-disk”测
试方法(上图),“disk-on
-disk” 测试方法(中部)
和“ball-on-disk”测试
方法(下图)。
采用“ball-on-disk”测试方法时,把小球压在圆盘的表面上。它们之间是点接触,并且小球是固定的。采用“disk-on-disk”测试方法时,一个圆盘在轴承上旋转着侧向接近驱动盘,而后在上面碾压。它们之间是线接触,且他们之间的接触表面都是曲线。采用“roller-on-disk”的测试方法,一个滚轮(例如,一个不锈钢或者PA6的滚轮)碾压在圆盘的表面上(该圆盘表面上有需要测试的涂层)。这种方法用于测试会发生滚动摩擦的表面覆盖物和涂层。例如,“roller-on-disk”测试方法就会被应用于测试洁净室的地板覆盖物(上面总是有车子和滚轮滚过)。
由于“ball-on-disk”测试方法会经常性的在文献中出现,并且得到了广泛的应用,所以我们可以从中获取关于粒子产生的全面的数据记录。同时,该方法还有另一个更大的优点,那就是,材料间的接触是点接触,这使得该方法在本质上具备了可标准化的特性。于是“ball-on-disk”测试方法可用于如下情况:在测试中,小球的直径为d,其下方的测试圆盘以频率f转动。在半径为r的地方,采用一个大小为FN的正向压力将小球压在圆盘上。在小球和圆盘的接触区域,伴随着材料的磨损,产生了粒子。磨损的痕迹就此形成。这些实量(应力的范围,移动的距离,在部分距离上的多应力等)所记录的压力值可以和磨损痕迹以及接触位置的特性相关联起来,用来做分析。
基于预测试,Fraunhofer IPA采用”ball-on-disk”原则,开发出了一个适合该测试的试验台(见图2)。

图2. Fraunhofer IPA设计制造的用于评定材料的洁净室
适宜性和洁净度适宜性的试验台。

类似于粒子释放测试,我们还可能同时确定出摩擦力。粒子释放是进行结果比较的基础。利用通过不同的粒子尺寸渠道(>0.2祄、>0.3祄、>0.5祄和>5.0祄)获得的测量值,可以确定出“粒子体积”值。摩擦力与该值之间以独立或复合(作为衍生值,例如磨损体积)的形式相关联。采用这种方法,就可以估算出摩擦力和粒子释放值之间的相关系数。

材料组合的分级模型

图3. 上图:一个材料组合在单一压力
下的粒子释放微分图。由于图形不稳定,
这一变化图不能用来确定材料组合的洁
净室适宜性。下图:在不同压力条件下
的粒子释放积分图。在这里,我们可以
得到曲线的变化与所施加的不同压力之
间的直接关系。

测试的主要目的就是观察并刻画出在摩擦力作用期间粒子释放的变化特
。采用光学粒子计数器可以提供出粒子的测量差分值,也就是,以单位时间测量值内或单位体积测量值内的粒子数的形式提供。在处理过程中,通常随着旋转圈数的增加,粒子测量值都会有轻微的增加。然而,粒子释放的增量却无法估算出来,因为该图非常不稳定(见图3上图)。由于粒子产生的数量与旋转的圈数直接相关,而与经历的时间只仅仅是间接相关,所以我们都采用旋转圈数而不用测量时间作为新的控制变量。
如果把一定旋转圈数下产生的粒子都加起来,其值就等于粒子测量值的积分。采用这种表述方式,结果曲线就显示出一个稳定的增长(见图3下图)。在采用非线性回归获得大致的累积粒子释放图后,该曲线就可以进一步从数学的观点进行准确的度量。对一个材料组合的洁净室适宜性的度量,可以反映在粒子释放曲线的上升率上。因此,一个浅的曲线实际上就等价于一个良好的洁净室适宜性。如果曲线上升的越快或者说越深,那么就意味着该材料组合越不适于用在高标准的洁净室环境。
评价材料组合的洁净室适宜程度的一个办法就是:将在摩擦力作用期间产生的在空气中传播的粒子数,与决定洁净室洁净程度的限定值进行比较。将DINENISO14644-1中定义的每个空气洁净等级所允许的较大粒子数的限定值进行转化时,与测试时旋转的圈数有关,这是一个材料等级的图解结果,很适合解决该问题。为了获得关于材料组合的洁净室适宜程度的合理描述,其参考的转数必须固定下来。这样,材料组合就可以直接定义出其洁净室适宜程度,也就是所谓的“材料等级”。

材料分级的发展
对材料组合进行预分组,就是为了检查材料的评估方法而执行预测试,已经显示出了其合理的结论。为了达到预测试的目的,对8种不同的材料组合进行测试(见图4)。

图4. 上图:基于材料等级的材料组合
评估。等级圈的大小反映出了等级以
及材料规格的可重复性。下图:材料
组合估计纵览,基于DIN EN ISO
14644-1中所规定的空气洁净等级。
测试只重复执行了两次。顶部的图显示出了材料组合是如何分组到不同的材料等级的。
在材料测试试验台上,材料组合将加载上一个典型的应力,产生粒子磨损。测试时,在一分钟的测量时间间隔和一立方米的测试体积内,粒子释放值有一个理论期望值。根据测试中设置的测试时间间隔,这些粒子浓度可以相关联到DINENISO 14644-1中定义的空气洁净度。
于是,按照这些等级,就可能对材料组合的洁净室适宜程度做出评定。采用材料类别的物质分类,为了向用户明确表明,这一等级划分是基于在试验台上赋予材料成体系的压力等级,并且该等级划分是通过相关数学计算得到的。采用先前所描述的测试条件,所获得的结论表明,处于材料等级1的材料组合,可以满足实行ISO等级1规格的洁净室的使用;处于材料等级2的材料组合,可以满足实行ISO等级2规格的洁净室的使用,等等。
图4下图所示的是从预测试中获得的材料组合的洁净室适宜性等级的概观。这一等级划分体现出了良好的匹配性;这是因为测得的是“真实的”粒子释放值,且等级划分的计算采用了回归的方式。
为了获得不同材料组合在各种材料变化和压力下,有关洁净室适宜性等级划分的初步值,就要测试尽可能多的材料组合。对于个别的、具有大量细节的高精度材料应力,不会给予过多的关注。这一概念也是洁净室适宜材料(CleanroomSuitableMaterials(CSM))工业联盟所追求的。目前正在对由参加的工业伙伴所选择的40~50中不同的材料组合进行系统的测试,并对它们的粒子释放进行评估。这么做的目的是为了帮助洁净室生产设备的设计者选择具有更低粒子释放水平的材料,并使所采用的材料的粒子释放特性对于设备购买商来说更清晰。

总结
用于评定所有材料组合的洁净室适宜性的等级划分模型的优点概括如下:
● 采用摩擦预测试就可以对材料组合的洁净室适宜性进行预估计。
● 采用摩擦数据库可以将相关性体现出来。
● 无需制造出真实生产设备的昂贵的模型,就可以对材料的适宜性进行测试。
● 可以对用在具有严格空气洁净程度要求的洁净室中的材料组合进行独立评估。
● 在选择材料的时候,不再需要进行试验测试。

作者简介
UdoGommel是在德国Stuttgart的Fraunhofer生产过程和自动化(IPA)研究所的一个团队经理。他的电邮地址是gommel@ipa.fraunhofer.de。
AndreasSchuele在德国Stuttgart的Fraunhofer生产过程和自动化(IPA)研究所工作,专攻无菌生产和测量技术。他的电邮地址是schuele@ipa.fraunhofer.de。

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