In einigen Branchen ist der Reinraum als Produk-tionsumgebung nicht mehr wegzudenken. Vor-reiter ist die Mikroelektronik- und Halbleiter -
industrie, wo schon Partikel mit einer Größe vonwenigen zehn Nanometern zum Ausfall der hoch-integrierten Schaltkreise führen können. Hier hatsich die komplette Produktion der notwendigenReinheit angepasst, angefangen bei der Reinraum-technik über die Kleidung des Personals und dieReinheit der Prozessmedien bis hin zu einem ganz
eigenen Verpackungs- undLogistikkonzept.
In einer anderen Bran-che, der Pharmaindustrie,geht es primär darum, dieProdukte vor Mikroorganis-men zu schützen. Für dieProduktion sind Reinräumeverschiedener GMP-Klas-sen sogar normativ fest -geschrieben. Auch bei derMontage und Verpackungvon Sterilprodukten in derMedizintechnik haben sichReinräume als Produktions-umgebung weitgehend eta -
bliert. Die Partikelgrößen, die für solche Reinräumedefiniert wurden, können mit der dort üblichenMesstechnik mittels Luftpartikelzähler überwachtwerden (Bild 1). Festgestellt werden dabei Partikelmit einer Größe von Submikrometern bis hin zu inder Regel 5 µm.
Was aber, wenn die für das Produkt kritischen Par-tikel deutlich größer als 5 µm sind, gleichzeitig aberso klein, dass sie ohne Hilfsmittel mit dem men -schlichen Auge nicht mehr wahrgenommen werdenkönnen? Hier sind andere Ansätze notwendig alsdie in der klassischen Reinraumtechnik etabliertenMesstechniken.
Sicherheitskritische AutomobilindustrieVor etwa zehn Jahren stand die Automobil- und ihreZulieferindustrie vor einer solchen Problemstellung.So sind beispielsweise in modernen Diesel-Einspritz-systemen mit Einspritzdrücken bis zu 2500 bar keinePartikel, die größer sind als 200 µm, mehr zulässig, da sie für die Funktion des Systems kritisch sein können. Ähnliches gilt bei Antiblockiersystemen mitkleinsten Regelventilen. Hier bekommt die Partikel-sauberkeit neben der funktionalen auch eine sicher-heitsrelevante Komponente, sodass ähnliche Partikel-
Das rechte Maß an ReinheitReinraum, Sauberraum oder Sauberzone: Bei unterschiedlichen UMGEBUNGSKONZEPTEN stellt sich die Frage, welche Lösungam besten für die Mikroproduktion geeignet ist. Entsprechend dazu ist die passende Messtechnik zur Bewertung der Sauberkeit gefragt.
Bild 1. Luftpartikel-zähler zur Messungvon flugfähigen Par-tikeln sind zur Über-wachung der Luft-reinheitsklasse inReinräumen sehrgut geeignet, kön-nen aber nicht zurErfassung größerer,schnell sedimentie-render Partikel ein-gesetzt werden
größen als kritisch gelten. Mittlerweile werden füreinzelne Systeme noch kleinere Partikel spezifiziert.Das gilt zum Beispiel für Kameras in Fahrzeugen. Inder Automobilindustrie konnte ein Reinraum alleindie Sauberkeitsproblematik in der Produktion nichtlösen, da damit nur mikroskopische und flugfähigePartikel beeinflusst und beherrscht werden können.Die Lösung für die Automobilindustrie ist der soge-nannte Sauberraum beziehungsweise die Sauber -zone (Bild 2). Dokumentiert ist dies auch in der Publi-kation VDA 19 Teil 2, einem umfangreichen Leitfadendes Qualitätsmanagement Centers des Verbands derdeutschen Automobilindustrie (VDA-QMC).
Bei Sauberräumen beziehungsweise Sauberzonenverabschiedet man sich von den für Reinräume spe-
zifizierten und überwachten Luftreinheitsklassen. ImHinblick auf die Sauberkeitsspezifikationen der Pro-dukte werden daraus Maßnahmen für die Ferti-gungsumgebung, die Logistik, das Personal und dieMontageeinrichtung abgeleitet. Diese Konzeptesind gerade bei den großen, sehr schnell sedi -
mentierenden Partikeln wirkungsvoll (Bild 3). Die indiesem Bild gezeigten Messwerte für jeweils kon-ventionelle Fertigung, Sauberzone, Sauberraum undReinraum wurden an fünf verschiedenen Firmen-standorten erhoben und stellen Mittelwerte dar.Betrachtet wurden hierbei Partikel größer als 100 µmund größer als 600 µm.
Sehr gut zu erkennen ist der große Sauberkeits-hub beim Übergang von der konventionellen Ferti-gung zur Sauberzone. Auch im Sauberraum zeigt sich
nochmals eine Verbesserung der Sau-berkeit, und selbst im Reinraum findensich in diesen Analysen noch solchegroßen Partikel. Diese sind dabei nichtdurch die gefilterte Erstluft der Räumezu erklären, sondern durch Fertigungs-prozesse in den betrachteten Rein -räumen.
Messtechnik zur SauberkeitsbewertungNicht nur das Umgebungskonzeptunterscheidet sich von der Reinraum-technik, sondern auch die eingesetzteMesstechnik zur Bewertung der Sau-berkeit. Die Ansätze, die dabei verfolgtwerden – zum Beispiel das Partikel -monitoring von Bauteilen, Räumen undFertigungsprozessen –, basieren aufdem Einsatz voll automatisierter Par -tikelzählmikroskope. Diese gehörenheute zu den Standardwerkzeugen derQualitätssicherung in der Automobil -industrie und können je nach optischerAuflösung für Partikel ab 2 µm einge-setzt werden (Bild 4). Sie erlaubenneben einer automatisierten Partikel-zählung und -vermessung auch eineTypisierung nach metallischem Glanzoder Textilfaserform.
Untersuchung von Produkten oder Bauteilen Eine direkte automatisierte Erfassung, Vermessungund Typisierung von Partikeln ist allerdings für dieallerwenigsten Bauteile möglich. Häufig bieten dieOberflächen, die untersucht werden müssen, einenschlechten optischen Kontrast, oder die funktions -relevanten Oberflächen liegen im Inneren von Bau -teilen oder Baugruppen, wie etwa bei einer Kraft-stoffpumpe im Automobil oder einer Bremsleitung.Für die Partikelanalyse werden zunächst die Partikel
Bild 4. Vollautomati-siertes Partikelzähl-mikroskop für dieQualitätssicherungim Bereich der Tech-nischen Sauberkeit
Bild 5. Extraktionvon Partikeln durcheinen Reinigungs-schritt im Sauber-keitslabor als Vor -bereitung für diePartikelanalyse am Beispiel einerLeiterplatte B
in einem Sauberkeits labor über eine sogenannteExtraktion mit Flüssigkeit durch Spritzen, Ultraschall,Innenspülen oder Schütteln von den Bauteilen ab -gereinigt (Bild 5). Im nächsten Schritt erfolgt dieAbscheidung der extrahierten Partikel auf einerAnalysefiltermembran. Schließlich kann mit Partikel-zählmikroskopen automatisiert ausgewertet werden.Die Ergebnisse vergleicht man anschließend mit denzulässigen Sauberkeitsgrenzwerten der untersuch-ten Bauteile und Produkte. Auf diese Weise wird die Einhaltung der zulässigen Sauberkeitsspezifika-tion geprüft.
Untersuchung der FertigungsumgebungGerade bei der Bewertung von größeren Partikeln istes nicht aussagekräftig, die flugfähigen, luftgetrage-nen Partikel zu erfassen, wie es mittels Luftpartikel-zähler geschieht. In der Regel haben diese eine Grö-ße von Mikrometern oder Submikrometern. Hier gehtes um die Erfassung von sedimentierenden Partikeln,die ein tatsächliches Risiko für die Verschmutzung vonBauteilen und Oberflächen darstellen. Dazu werdenspezielle Sedimentationsflächen verwendet, in denenPartikel über eine adhäsive Schicht gebunden werden.
PART I K E LMESSUNG l RE INRAUMTECHN IK l 41
Bild 6. Beispiel einer Prozess -kettenanalyse mit Sedimenta -tionsfallen undanschließenderlichtoptischer Auswertung
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Diese Sedimentationsfallen können nach einer fest-gelegten Ausliegezeit, zum Beispiel nach einerSchicht oder einer Woche, verschlossen und dann zurAuswertung ins Labor gebracht werden. Maße undForm der Sedimentationsfallen sind an die Analyse -filtermembranen angepasst (Durchmesser 47 mm).Diese werden für die Bauteilsauberkeitsanalysen ein-gesetzt und können somit ebenfalls mit denselbenPartikelzählmikroskopen ausgewertet werden.
Diese Sedimentationsfallen können aber nicht nurzur Überwachung der Sauberkeit einer Fertigungs-umgebung verwendet werden, sondern auch zurUntersuchung der Partikelabgabe von Fertigungs -verfahren oder Montageschritten, wie etwa einemSchraubprozess. Damit lassen sich komplette Pro-zessketten bewerten. Das Risiko für die Verschmut-zung von Bauteilen kann auf diese Weise ermitteltwerden. Bild 6 zeigt exemplarisch eine solche Pro-zesskettenanalyse. Sehr gut zu erkennen sind diestarken Unterschiede, die sich in den einzelnen Pro-zessen zeigen: von sehr schmutzigen Prozessen, wiehier dem Messpunkt 3 mit einer manuellen Umsetz-tätigkeit in konventioneller Fertigungsumgebung, bis hin zum Messpunkt 6, einem Lackierschritt inReinraumumgebung.
Ursachenforschung und ProzessoptimierungAußer den automatisierten lichtoptischen Mikrosko-pen, die zusätzlich zu den geometrischen Merkmalenvon Partikeln nur eine sehr einfache Typisierungerlauben, werden insbesondere für die Ursachen -forschung oder Prozessoptimierung immer mehr voll automatisierte Rasterelektronenmikroskope mitRöntgenspektralanalyse (REM/EDX-Systeme) einge-setzt (Bild 7). Damit ist es möglich, die elementareZusammensetzung der detektierten Partikel zubestimmen und eine Materialklassifizierung durchzu-führen. Werden zum Beispiel Partikel einer kritischenGröße oder Anzahl im Rahmen einer Bauteilsauber-keitsanalyse bestimmt, kann deren Material vollauto-matisiert ermittelt werden. Treten in einer Prozess-kettenbewertung ähnliche Partikel hinsichtlich Größeund Material auf, kann die Ursache der kritischenPartikel ermittelt und schließlich abgestellt werden.
Das folgende Beispiel zeigt, wie Messmethoden,die ursprünglich für die Automobilindustrie ent -wickelt wurden, auch erfolgreich an einem mikro-technischen Bauteil angewendet werden können(Bild 8). Den Ausgangspunkt bildeten die Ergebnis-se einer partikulären Sauberkeitsanalyse des End-
Bild 7. Rasterelek-tronenmikroskopfür die automatisier-te Partikelzählungund Vermessung in Kombination mit einer Röntgen-spektralanalyse(EDX) zur Element-bestimmung undPartikelmaterial-klassifizierung
produkts nach VDA – Band 19.1. Bei der Messungmit dem automatisierten Lichtmikroskop wurde eingroßer Anteil metallisch glänzender Partikel gefun-den (Bild 8, ganz links). Die weiterführenden Ana-lysen im automatisierten Rasterelektronenmikroskopzeigen, dass die Elementzusammensetzung derMehrzahl dieser Partikel auf einen hochlegiertenStahl schließen lässt (Bild 8, zweite von links).
Um im weiteren Verlauf der Untersuchung einegenaue Zuordnung der Herkunft der Partikel vor -nehmen zu können, wurden Sedimentationsfallen anvermeintlich kritischen Stellen in der Produktions -umgebung beziehungsweise an potenziell kritischenProduktionsprozessen ausgelegt. Mithilfe dieser Vorgehensweise konnte in einem ersten Schritt, derAuswertung mit dem Lichtmikroskop, eine Stelle inder Produktion lokalisiert werden, an der ebenfallszahlreiche metallisch glänzende Partikel auftreten(Bild 8, Mitte rechts). Die anschließende automati-sierte Bestimmung der Elementzusammensetzungder sedimentierten Partikel mit Rasterelektronen -mikroskop und Röntgenspektralanalyse bestätigt,dass die hier in der Produktion gefundenen Partikelmit denen übereinstimmen, die auf den Medizin -produkten gefunden wurden (Bild 8, rechts).Somit konnte die Quelle der unerwünschten Parti-kel zunächst eingegrenzt und dann sicher identifi-ziert werden.
Gesucht sind zielführende SauberkeitslösungenDie Konzepte des Sauberraums oder der Sauber -zone, die sich über sauberkeitsrelevante Maß -nahmen definieren und nicht über eine Luftpartikel-konzentration wie im Reinraum, können auch in
anderen Branchen, zum Beispiel der MikrotechnikAnwendung finden. Die Prüfmethoden zur Bestim-mung der Partikelsauberkeit von Produkten, Bau -teilen, Umgebung und Prozessen, die in der ›Sauber-raum-Welt‹ zur Beherrschung größerer, nicht luftge-tragener Partikel größer als 5 µm entwickelt wurden,haben hier ebenfalls ein sehr großes Potenzial. Diese Methoden bieten durch die Verwendung vonautomatisierten Lichtmikroskopen oder zusätzlichautomatisierten Rasterelektronenmikroskopen mitRöntgenspektralanalyse einen hohen Informations-gehalt. Die dazugehörigen Probenahmekonzepte wieFlüssigkeitsextraktion mit anschließender Analyse-filtration oder die Verwendung von Sedimentations-fallen lassen sich in der Mikroproduktion ebenfallssehr gut anwenden. So können pragmatische undzielführende Sauberkeitslösungen entstehen, oftohne eine hohe Investition in Reinraumtechnik. �
MI110512
AUTORDr.-Ing. MARKUS ROCHOWICZ ist Gruppenleiter für die Arbeitsgruppe Reinheitstechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart;[email protected]
LITERATUR1 VDA 19 Teil 2, Leitfaden des Qualitätsmanagement
Centers des Verbands der deutschen Automobil -industrie (VDA-QMC)
PART I K E LMESSUNG l RE INRAUMTECHN IK l 43
MIKROPRODUKTION 06/17
Bild 8. Anwendungvon Partikelanalyse-Verfahren für dieBestimmung derProduktsauberkeitsowie zur Identifika-tion der Partikel-quellen in der Pro-duktion, entwickeltfür die Automobil -industrie, hier angewendet in der Fertigung einermikrotechnischenBaugruppe
