Tốc độ lắng đọng hạt (Particle Deposition Rate) trong phòng sạch là gì? Nguyên lý, phương pháp đo và giới hạn kiểm soát

Trong bài viết này, Thiết bị phòng sạch VCR cùng bạn tìm hiểu Tốc độ lắng đọng hạt là gì, nguyên lý, phương pháp đo, công thức tính và cách xác lập giới hạn PDR phù hợp với yêu cầu của từng quy trình.

Tốc độ lắng đọng hạt trong phòng sạch là gì?

Particle Deposition Rate - PDR (tốc độ lắng đọng hạt) là chỉ số mô tả số lượng hạt từ môi trường lắng xuống một diện tích bề mặt xác định trong một khoảng thời gian xác định. Theo định nghĩa trong ISO 14644-17:2021, PDR được biểu thị bằng số hạt trên mét vuông trong một giờ. Nói một cách đơn giản, PDR trả lời câu hỏi: “Một mét vuông bề mặt sẽ nhận thêm bao nhiêu hạt trong một giờ?”

Điểm quan trọng nằm ở chữ “rate” - tốc độ. Nếu chúng ta chỉ đếm số hạt hiện có trên một bề mặt, chúng ta đang đánh giá tình trạng sạch của bề mặt tại thời điểm đo. Nhưng nếu biết số hạt tăng lên trong một khoảng thời gian, chúng ta có thể đánh giá tốc độ môi trường đang làm bẩn bề mặt đó. Điều này đặc biệt có giá trị đối với các sản phẩm được để mở trong phòng sạch trong nhiều phút hoặc nhiều giờ.

Khái niệm liên quan rất quan trọng là vulnerable surface - bề mặt nhạy cảm với nhiễm hạt. ISO 14644-17 mô tả đây là bề mặt mà chức năng có thể bị suy giảm khi xuất hiện những hạt lớn hơn kích thước tới hạn. Bề mặt này có thể là sản phẩm, linh kiện, tấm wafer, kính quang học, vùng công nghệ hoặc bất kỳ bề mặt nào mà sự hiện diện của hạt có khả năng làm giảm chất lượng hay chức năng.

Một thuật ngữ khác là critical particle size - kích thước hạt tới hạn. Đây là kích thước nhỏ nhất của hạt có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm hoặc quy trình. Ví dụ, một hạt 20 µm có thể không quan trọng đối với một quá trình cơ khí thông thường nhưng lại trở thành vấn đề nghiêm trọng đối với một sản phẩm quang học chính xác. Vì vậy, PDR không nên được xem xét tách khỏi kích thước hạt và độ nhạy của sản phẩm.

Vì sao chỉ đo nồng độ hạt trong không khí chưa đủ để đánh giá nguy cơ nhiễm bẩn bề mặt?

Một trong những nhầm lẫn thường gặp khi đánh giá phòng sạch là cho rằng nếu nồng độ hạt trong không khí đạt yêu cầu ISO Class thì sản phẩm bên trong phòng cũng đương nhiên được bảo vệ khỏi nhiễm hạt. Trên thực tế, hai vấn đề này có liên quan nhưng không hoàn toàn giống nhau. Phòng sạch có thể đáp ứng giới hạn hạt trong không khí nhưng một bề mặt nhạy cảm vẫn có thể nhận hạt trong quá trình sản xuất.

Airborne Particle Concentration - nồng độ hạt trong không khí cho biết tại thời điểm lấy mẫu có bao nhiêu hạt thuộc kích thước xác định tồn tại trong một thể tích không khí. ISO 14644-1:2015 sử dụng nồng độ hạt trong không khí để phân loại độ sạch của phòng sạch và vùng sạch. Đối với mục đích phân loại theo tiêu chuẩn này, khoảng kích thước hạt được xem xét chủ yếu từ 0,1 µm đến 5 µm.

Sự khác biệt này càng rõ khi xét đến các hạt lớn. ISO 14644-17 lưu ý rằng trong phòng sạch đang hoạt động, số lượng hạt lớn trên bề mặt có thể cao hơn nhiều so với điều mà việc đo hạt trong không khí gợi ý. Một nguyên nhân là hạt lớn có thể bị thất thoát trong đường ống lấy mẫu hoặc lắng trước khi đi tới bộ đếm hạt, khiến việc lấy mẫu không khí không phải lúc nào cũng thể hiện đầy đủ nguy cơ hạt lớn đi tới bề mặt.

Các hạt lớn cũng có hành vi rất khác hạt nhỏ. Theo phần giới thiệu của ISO 14644-17, đối với hạt trên 10 µm, một phần đáng kể được loại khỏi không khí thông qua lắng đọng trên bề mặt; khi kích thước tăng lên trên 40 µm, lắng đọng trở thành cơ chế rất quan trọng. Vì vậy, trong những ứng dụng nhạy cảm với hạt lớn, chỉ dựa vào kết quả của bộ đếm hạt trong không khí có thể chưa phản ánh hết nguy cơ đối với sản phẩm.

Xem thêm: Vì sao ISO Class không đủ để đánh giá một phòng sạch hiện đại?

Vì vậy, có thể hiểu đơn giản như sau:

Điều này không có nghĩa PDR thay thế việc đo hạt trong không khí. Hai phép đo cung cấp hai góc nhìn khác nhau. Trong một chương trình kiểm soát nhiễm bẩn tốt, doanh nghiệp cần lựa chọn chỉ số phù hợp với rủi ro thực tế của sản phẩm và quy trình.

Hạt trong phòng sạch lắng xuống bề mặt theo nguyên lý nào?

Hạt trong phòng sạch không đứng yên. Chúng liên tục chịu tác động của luồng khí, trọng lực, chuyển động nhiệt, lực quán tính, tĩnh điện và hoạt động của con người hoặc máy móc. Chính sự kết hợp của các yếu tố này quyết định một hạt sẽ tiếp tục lơ lửng, bị hệ thống thông gió đưa tới bộ lọc hay cuối cùng đi tới một bề mặt.

• Đối với các hạt có kích thước tương đối lớn, gravitational settling - lắng do trọng lực là cơ chế quan trọng. Khi hạt đủ lớn và nặng, trọng lực kéo hạt xuống trong khi lực cản của không khí chống lại chuyển động. Sau một khoảng thời gian, hạt có thể đạt một vận tốc lắng tương đối ổn định. Nhìn chung, hạt càng lớn thì ảnh hưởng của trọng lực càng rõ rệt.
• Một cơ chế khác là inertial impaction - va đập do quán tính. Khi luồng không khí đổi hướng để đi vòng qua một vật thể, những hạt có quán tính đủ lớn có thể không đổi hướng nhanh như dòng khí. Thay vì đi theo đường dòng, hạt tiếp tục chuyển động và va vào bề mặt. Cơ chế này có thể xuất hiện quanh thiết bị, sản phẩm, mép vật cản hoặc những vùng dòng khí thay đổi đột ngột.
• Interception - cơ chế chặn bắt xảy ra khi hạt đang di chuyển theo luồng khí nhưng quỹ đạo của hạt đi đủ gần bề mặt để hạt tiếp xúc và bị giữ lại. Đối với các cấu trúc nhỏ hoặc vật liệu lọc, cơ chế này có ý nghĩa đáng kể. Trong môi trường thực tế, interception thường không tồn tại tách biệt mà kết hợp với các cơ chế vận chuyển khác.
• Với các hạt rất nhỏ, Brownian diffusion - khuếch tán Brown trở nên đáng chú ý. Các phân tử khí liên tục va chạm không đều với hạt khiến hạt chuyển động ngẫu nhiên. Hiện tượng này đặc biệt rõ ở những hạt rất nhỏ và góp phần làm chúng khuếch tán khỏi đường dòng trung bình. Cơ chế của nhóm hạt rất nhỏ vì thế khác đáng kể so với các hạt lớn chịu tác động mạnh của trọng lực.
• Ngoài ra còn có electrostatic attraction - lực hút tĩnh điện. Nếu hạt và bề mặt mang điện tích hoặc tồn tại điện trường, quỹ đạo của hạt có thể bị thay đổi. Trong những ngành như điện tử hoặc bán dẫn, kiểm soát tĩnh điện không chỉ liên quan đến nguy cơ phóng tĩnh điện mà còn có thể liên quan đến hành vi của hạt trên bề mặt.

Tìm hiểu: Cách kiểm định phòng sạch bằng máy đếm hạt cầm tay

Luồng khí trong phòng sạch đóng vai trò trung tâm trong toàn bộ quá trình này. Trong khu vực unidirectional airflow - dòng khí một chiều, không khí được tổ chức để di chuyển chủ yếu theo một hướng với vận tốc tương đối đồng đều. Mục tiêu là đưa chất nhiễm ra khỏi vùng quan trọng và hạn chế hạt từ vùng khác xâm nhập vào sản phẩm.

Ngược lại, trong phòng sử dụng dòng khí không một chiều hoặc dòng hỗn hợp, hạt có thể trải qua các quỹ đạo phức tạp hơn. Hoạt động của người, chuyển động máy móc, mở cửa, xe đẩy hoặc vật liệu di chuyển đều có thể tạo ra các vùng nhiễu động. Hạt đã lắng trên sàn hoặc thiết bị cũng có khả năng được phát tán trở lại khi có hoạt động đủ mạnh.

Vì vậy, nói rằng PDR chỉ là “tốc độ bụi rơi xuống do trọng lực” là chưa đầy đủ. Particle deposition - sự lắng đọng hạt là kết quả của nhiều cơ chế vận chuyển và tương tác giữa hạt, luồng khí, bề mặt và hoạt động trong phòng sạch.

Những yếu tố nào làm tốc độ lắng đọng hạt tăng lên?

• Trong một phòng sạch đang vận hành, con người thường là một trong những nguồn tạo hạt quan trọng. Da, tóc, quần áo, găng tay và chuyển động cơ thể đều có khả năng phát sinh hoặc phát tán hạt. Khi nhân viên đi lại nhanh, thao tác mạnh hoặc đứng gần sản phẩm mở, nguy cơ hạt được đưa tới bề mặt nhạy cảm có thể tăng.
• Trang phục phòng sạch giúp giảm phát tán nhưng không loại bỏ hoàn toàn nguồn hạt từ con người. Cách mặc trang phục, chất lượng quần áo, tần suất thay, tình trạng giặt sạch và hành vi làm việc đều ảnh hưởng đến hiệu quả kiểm soát. Một phòng sạch được thiết kế tốt nhưng vận hành kỷ luật kém vẫn có thể tạo ra PDR cao tại vị trí sản phẩm.
• Máy móc là nguồn thứ hai cần xem xét. Ma sát giữa các bộ phận chuyển động, dây đai, ổ trục, motor, cơ cấu robot, vật liệu trượt trên nhau hoặc quá trình cắt, mài đều có thể phát sinh hạt. Trong các dây chuyền tự động hóa cao, việc loại bỏ con người khỏi vùng sản xuất không có nghĩa nguy cơ hạt biến mất; nguồn nhiễm có thể chuyển từ người sang thiết bị và quy trình.
• Vật liệu mang vào phòng sạch cũng có thể tạo hạt. Carton, giấy, bao bì thông thường hoặc vật liệu có bề mặt dễ bong tróc không phù hợp với khu vực sạch. Vì vậy, nhiều cơ sở sử dụng quy trình material transfer - chuyển vật liệu qua Pass Box hoặc khu vực trung gian, đồng thời thay lớp bao bì bên ngoài trước khi đưa vật liệu vào vùng sạch cao hơn.
• Hoạt động vệ sinh có tác động hai mặt. Vệ sinh đúng giúp loại bỏ hạt đã lắng trên bề mặt. Nhưng thao tác lau không đúng, sử dụng vật liệu không phù hợp hoặc di chuyển quá mạnh lại có thể phát tán hạt trở lại không khí. ISO 14644-17 lưu ý rằng hạt lớn đã lắng có thể được tái phát tán bởi các hoạt động như đi lại và vệ sinh.
• Hệ thống HVAC cũng có ảnh hưởng trực tiếp đến PDR. Lưu lượng khí, số lần trao đổi khí, vị trí cấp và hồi gió, hiệu suất lọc, chênh lệch áp suất và đặc biệt là cách tổ chức dòng khí quanh bề mặt nhạy cảm đều có thể làm thay đổi khả năng hạt đi tới sản phẩm.

Không nên chỉ nhìn vào tổng lưu lượng khí. Một khu vực có lưu lượng cao nhưng dòng khí bị thiết bị cản trở vẫn có thể hình thành vùng xoáy hoặc vùng chết. Nếu nguồn phát hạt nằm trong vùng này, hạt có thể tích tụ hoặc lắng xuống những bề mặt gần đó. Bởi vậy, vị trí tương đối giữa người vận hành, nguồn nhiễm, cửa gió, thiết bị và sản phẩm rất quan trọng.

Hướng của bề mặt cũng ảnh hưởng đến sự tích tụ. Một bề mặt nằm ngang thường dễ nhận các hạt chịu tác động mạnh của trọng lực hơn một bề mặt thẳng đứng. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa bề mặt thẳng đứng không thể bị nhiễm. Nhiễu động, quán tính, lực tĩnh điện và các cơ chế khác vẫn có thể đưa hạt tới bề mặt.

Cuối cùng là thời gian. Nếu mọi điều kiện khác giống nhau, một bề mặt để mở càng lâu thì tổng số hạt có cơ hội lắng xuống càng nhiều. Vì vậy, một trong những biện pháp kiểm soát rất thực tế không phải lúc nào cũng là tăng cấp độ phòng sạch, mà có thể đơn giản là rút ngắn thời gian bề mặt nhạy cảm tiếp xúc với môi trường.

Phương pháp đo Particle Deposition Rate trong phòng sạch

Nguyên tắc cơ bản để đo PDR khá dễ hiểu: sử dụng một bề mặt có diện tích và mức độ sạch ban đầu đã biết, đặt nó tại vị trí cần đánh giá trong một khoảng thời gian xác định, sau đó đo số lượng và kích thước hạt đã tích tụ. Từ sự thay đổi số hạt, diện tích và thời gian phơi nhiễm, người sử dụng tính được tốc độ lắng đọng.

ISO 14644-17 gọi bề mặt này là test surface - bề mặt thử nghiệm. Bề mặt thử nghiệm có thể là một witness plate - tấm thu hạt, hoặc có thể là phần tích hợp của một thiết bị đo. Witness plate thường là một tấm phẳng sạch với diện tích xác định, được đặt gần bề mặt nhạy cảm để đại diện cho mức lắng đọng tại vị trí đó.

Điểm đặt mẫu rất quan trọng. Nếu mục tiêu là đánh giá nguy cơ đối với sản phẩm, tấm thu hạt nên được bố trí tại hoặc gần critical location - vị trí tới hạn, tức vị trí mà bề mặt nhạy cảm đang tiếp xúc với nguy cơ nhiễm hạt. Đặt tấm ở một góc phòng cách xa sản phẩm có thể tạo ra một con số PDR, nhưng con số đó chưa chắc phản ánh đúng nguy cơ tại khu vực sản xuất.

Trước khi phơi mẫu, cần biết mức nhiễm ban đầu của bề mặt. Sau thời gian phơi nhiễm, bề mặt được phân tích để xác định lượng hạt cuối cùng. Phần tăng thêm chính là lượng hạt đã tích tụ trong thời gian thử nghiệm. Nếu bỏ qua mức nhiễm ban đầu của test surface, kết quả có thể bị sai lệch, đặc biệt khi số lượng hạt lắng xuống tương đối thấp.

Phương pháp xác định hạt trên bề mặt phụ thuộc vào kích thước hạt, loại bề mặt và yêu cầu của quy trình. Có thể sử dụng các phương pháp quang học, kính hiển vi hoặc các hệ thống đo hạt trên bề mặt phù hợp. Một số hệ thống cho phép giám sát deposition gần thời gian thực, trong khi witness plate thường được thu về sau thời gian phơi nhiễm rồi mới phân tích.

Thời gian phơi mẫu cần đủ dài để thu được lượng hạt có ý nghĩa nhưng không nên dài đến mức vượt phạm vi đo hoặc khiến việc truy nguyên nguồn phát trở nên khó khăn. Trong môi trường rất sạch, khoảng thời gian quá ngắn có thể tạo ra số hạt thấp đến mức khó đánh giá. Ngược lại, nếu phơi mẫu nhiều ngày, kết quả trung bình có thể che mất các đỉnh PDR xảy ra trong một công đoạn cụ thể.

Do đó, thời gian đo nên được lựa chọn theo mục tiêu. Nếu cần đánh giá toàn bộ một ca sản xuất, có thể đo xuyên suốt ca. Nếu cần điều tra một hoạt động cụ thể, nên tập trung vào khoảng thời gian hoạt động đó diễn ra. Việc kết hợp dữ liệu PDR với nhật ký hoạt động có thể giúp tìm ra nguồn nhiễm.

Kích thước hạt cũng phải được xác định trong kế hoạch đo. Một con số “500 hạt/m²/giờ” gần như không có đủ ý nghĩa nếu không biết đó là hạt ≥5 µm, ≥10 µm hay ≥50 µm. Đối với mỗi sản phẩm, critical particle size - kích thước hạt tới hạn có thể khác nhau, vì vậy giới hạn PDR cần gắn với kích thước cụ thể.

Xem thêm: Kích thước hạt 0,1 µm, 0,3 µm, 0,5 µm là gì và tại sao chúng quan trọng trong phòng sạch?Cách kiểm định phòng sạch bằng máy đếm hạt cầm tay

Một chương trình đo PDR tốt nên ghi nhận ít nhất vị trí đo, diện tích bề mặt, thời gian bắt đầu và kết thúc, trạng thái vận hành của phòng, kích thước hạt được đánh giá, số hạt ban đầu, số hạt cuối, phương pháp đo, hoạt động diễn ra trong khoảng thời gian thử nghiệm và kết quả PDR tính được.

Đặc biệt, ISO 14644-17 nhấn mạnh trạng thái operational - đang vận hành. Hạt lớn trong phòng sạch thường liên quan nhiều đến hoạt động của con người và máy móc. Khi phòng ở trạng thái nghỉ, nguồn phát hạt có thể rất thấp, nên đo PDR lúc đó có thể không phản ánh nguy cơ thực tế của quá trình sản xuất.

Công thức tính Particle Deposition Rate và ví dụ thực tế

Về nguyên tắc, PDR được tính từ sự thay đổi của nồng độ hạt trên bề mặt trong khoảng thời gian phơi nhiễm. Có thể biểu diễn đơn giản như sau:

PDR(D) = [Cf(D) - Ci(D)] / (tf - ti)

Trong đó:

• PDR(D) là tốc độ lắng đọng của các hạt có kích thước bằng hoặc lớn hơn D;
• Cf(D) là nồng độ hạt trên bề mặt sau khi phơi nhiễm;
• Ci(D) là nồng độ hạt trên bề mặt trước khi phơi nhiễm;
• tf - ti là khoảng thời gian phơi nhiễm tính bằng giờ.

Ví dụ, một witness plate có diện tích 0,1 m² được đặt gần sản phẩm trong 2 giờ. Trước khi thử nghiệm, người đo xác định có 2 hạt ≥10 µm trên tấm. Sau 2 giờ, tổng số tăng lên 22 hạt. Như vậy có 20 hạt mới lắng xuống.

Mật độ hạt tăng thêm trên 1 m² là: 20 / 0,1 = 200 hạt/m².

Vì thời gian phơi nhiễm là 2 giờ: PDR ≥10 µm = 200 / 2 = 100 hạt/m²/giờ.

PDR cũng có thể được sử dụng để ước tính số hạt có khả năng đi tới một bề mặt sản phẩm. Nếu tốc độ lắng đọng tại vị trí sản phẩm đã được xác định, có thể sử dụng diện tích bề mặt và thời gian phơi nhiễm để ước tính lượng hạt lắng xuống:

N ≈ PDR × A × t

Trong đó: N là số hạt dự kiến lắng lên bề mặt; PDR là tốc độ lắng đọng; A là diện tích bề mặt tiếp xúc; t là thời gian tiếp xúc.

Ví dụ, nếu PDR đối với hạt ≥10 µm là 100 hạt/m²/giờ, sản phẩm có bề mặt nhạy cảm rộng 0,05 m² và được để mở trong 2 giờ thì lượng hạt dự kiến theo mô hình đơn giản sẽ là: 100 × 0,05 × 2 = 10 hạt.

Một khái niệm khác trong ISO 14644-17 là Particle Deposition Rate Level - PDRL (mức tốc độ lắng đọng hạt). PDRL mô tả mức PDR đối với một dải kích thước hạt, thay vì chỉ xem xét một kích thước riêng lẻ.

Bên cạnh PDR, ISO 14644-17 còn đề cập Particle Obscuration Rate - POR (tốc độ che phủ bề mặt bởi hạt). POR mô tả tốc độ thay đổi phần diện tích bề mặt bị các hạt che phủ theo thời gian. Chỉ số này đặc biệt có ý nghĩa đối với những sản phẩm mà hiệu năng phụ thuộc vào khả năng truyền, phản xạ hoặc hấp thụ ánh sáng, chẳng hạn kính, gương hoặc các cấu kiện quang học.

Giới hạn Particle Deposition Rate trong phòng sạch được xác định như thế nào?

Một trong những câu hỏi thường gặp nhất là: “PDR bao nhiêu thì đạt?” Câu trả lời quan trọng là: không có một giới hạn PDR duy nhất áp dụng cho tất cả các phòng sạch.

ISO 14644-17 không xây dựng một hệ thống phân loại phòng sạch theo PDR tương tự ISO Class của ISO 14644-1. Phạm vi của tiêu chuẩn nói rõ rằng tài liệu không cung cấp phương pháp phân loại phòng sạch theo Particle Deposition Rate hoặc Particle Obscuration Rate. Thay vào đó, PDR được sử dụng trong chương trình kiểm soát nhiễm bẩn để đánh giá và kiểm soát rủi ro đối với bề mặt nhạy cảm.

Để xác định giới hạn PDR, trước hết cần xác định vulnerable surface - bề mặt nhạy cảm. Nếu không có bề mặt nào mà hạt gây ảnh hưởng đến chất lượng hoặc chức năng, việc thiết lập một giới hạn PDR rất thấp có thể không mang lại giá trị thực tế. Ngược lại, đối với một sản phẩm cực kỳ nhạy cảm, ngay một số lượng rất nhỏ hạt vượt kích thước tới hạn cũng có thể đáng quan tâm.

Bước tiếp theo là xác định critical particle size - kích thước hạt tới hạn. Câu hỏi cần trả lời là: hạt phải lớn đến mức nào thì bắt đầu gây ra vấn đề đối với sản phẩm hoặc quy trình? ISO 14644-17 định nghĩa kích thước hạt tới hạn là kích thước nhỏ nhất có ảnh hưởng bất lợi đến chất lượng sản phẩm hoặc quy trình.

Sau đó cần xác định lượng hạt tối đa có thể chấp nhận trên bề mặt. Đây không nhất thiết là một con số do tiêu chuẩn ISO đưa sẵn mà thường phải xuất phát từ yêu cầu sản phẩm, kinh nghiệm quá trình, nghiên cứu chất lượng, thử nghiệm chức năng hoặc đánh giá rủi ro.

Giả sử một sản phẩm có diện tích nhạy cảm là 0,05 m², thời gian bề mặt mở ra môi trường là 2 giờ, và đánh giá chất lượng xác định rằng không nên có quá 10 hạt ≥20 µm lắng xuống trong khoảng thời gian đó.

Có thể suy ra PDR yêu cầu:

• PDR tối đa = 10 / (0,05 × 2) = 100 hạt ≥20 µm/m²/giờ.

Trong ví dụ này, con số 100 không phải là “giới hạn ISO chung”. Đây là giới hạn được suy ra từ yêu cầu riêng của sản phẩm, diện tích và thời gian phơi nhiễm.

ISO 14644-17, ISO 14644-9 và ISO 14644-1 khác nhau như thế nào?

Ba tiêu chuẩn này đều liên quan đến hạt trong phòng sạch nhưng giải quyết ba câu hỏi khác nhau. Hiểu rõ sự khác biệt sẽ tránh một lỗi phổ biến là dùng giới hạn của tiêu chuẩn này để giải thích cho đại lượng thuộc tiêu chuẩn khác.

ISO 14644-1:2015 tập trung vào Classification of air cleanliness by particle concentration - phân loại độ sạch không khí theo nồng độ hạt. Tiêu chuẩn sử dụng bộ đếm hạt trong không khí để xác định nồng độ các hạt bằng hoặc lớn hơn những kích thước quy định tại các vị trí lấy mẫu. Đây là nền tảng để nói một môi trường đạt ISO Class 5, ISO Class 7 hay cấp độ khác.

ISO 14644-9:2022 lại tập trung vào Assessment of surface cleanliness for particle concentration - đánh giá độ sạch bề mặt theo nồng độ hạt. Tiêu chuẩn này áp dụng cho các bề mặt rắn như tường, trần, sàn, khu vực làm việc, dụng cụ, thiết bị và sản phẩm. Phạm vi đánh giá SCP - Surface Cleanliness by Particle Concentration áp dụng cho hạt từ 0,05 µm đến 500 µm. ISO 14644-9 vì vậy trả lời câu hỏi gần với: “Trên bề mặt hiện có bao nhiêu hạt?” Nó mô tả trạng thái sạch của bề mặt.

ISO 14644-17:2021 lại bổ sung yếu tố thời gian. Tiêu chuẩn tập trung vào Particle Deposition Rate Applications - ứng dụng tốc độ lắng đọng hạt, tức đánh giá hạt đang tích tụ lên bề mặt nhanh đến mức nào.

Có thể hình dung ba tiêu chuẩn bằng bảng sau:

Ví dụ, một bề mặt sau khi vệ sinh có thể rất sạch theo đánh giá bề mặt. Nhưng nếu đặt trong một vị trí có PDR cao, nó sẽ nhanh chóng bị nhiễm trở lại. Ngược lại, một bề mặt đang bẩn chưa chắc chứng minh PDR hiện tại cao; hạt có thể đã tích tụ từ quá trình trước đó.

Ứng dụng PDR trong các ngành phòng sạch công nghệ cao

• Trong sản xuất semiconductor - bán dẫn, wafer trải qua nhiều công đoạn mà bề mặt cần được kiểm soát rất chặt. Khi kích thước cấu trúc trên chip ngày càng nhỏ, việc hiểu con đường hạt đi tới bề mặt sản phẩm ngày càng quan trọng. Không phải mọi khu vực của nhà máy đều có cùng mức rủi ro; những vị trí wafer hoặc vật liệu nhạy cảm được mở ra môi trường cần được xem xét đặc biệt.
• Trong optics - quang học, các hạt trên gương, thấu kính hoặc bề mặt quang học có thể làm thay đổi khả năng truyền hoặc phản xạ ánh sáng. Đối với ứng dụng này, không chỉ số hạt mà diện tích bề mặt bị che phủ cũng có ý nghĩa, vì vậy ISO 14644-17 đưa thêm khái niệm Particle Obscuration Rate - POR.
• Trong sản xuất thiết bị y tế, một số linh kiện hoặc bề mặt chức năng có yêu cầu kiểm soát hạt nghiêm ngặt. PDR có thể hỗ trợ đánh giá khu vực lắp ráp, đóng gói hoặc các bước mà sản phẩm được mở trước môi trường.
• Trong dược phẩm và công nghệ sinh học, kiểm soát nhiễm còn liên quan đến vi sinh vật và các yêu cầu đặc thù khác. Cần lưu ý ISO 14644-17 không trực tiếp thiết lập phương pháp kiểm soát sự lắng đọng của hạt mang vi sinh, mặc dù về mặt vật lý chúng cũng có thể tồn tại dưới dạng hạt. Tiêu chuẩn cũng không giải quyết nhiễm bẩn truyền trực tiếp do tiếp xúc, chẳng hạn nhân viên chạm vào sản phẩm.

Điều này cho thấy PDR chỉ là một phần của Contamination Control Programme - chương trình kiểm soát nhiễm bẩn. Không nên dùng một phép đo PDR để thay thế tất cả các biện pháp kiểm soát hạt, vi sinh, hóa học, tĩnh điện hoặc nhiễm do tiếp xúc.

Một ứng dụng rất thực tế khác của PDR là so sánh các phương án tổ chức quy trình. Ví dụ, doanh nghiệp có thể đo PDR tại khu vực sản phẩm trước và sau khi thay đổi vị trí người vận hành, bổ sung FFU, điều chỉnh dòng khí hoặc thay đổi thao tác. Nếu PDR giảm đáng kể, dữ liệu sẽ cung cấp bằng chứng định lượng về hiệu quả của biện pháp cải tiến.

PDR cũng có thể hỗ trợ điều tra sự cố. Nếu sản phẩm xuất hiện hạt nhưng kết quả phân loại không khí vẫn bình thường, kỹ sư có thể theo dõi deposition tại các vị trí cụ thể. Khi dữ liệu cho thấy một đỉnh PDR xuất hiện đúng lúc mở cửa, vệ sinh, thay vật liệu hoặc máy hoạt động, nguyên nhân tiềm năng sẽ dễ xác định hơn.

Làm thế nào để giảm tốc độ lắng đọng hạt trong phòng sạch?

Muốn giảm PDR, cách hiệu quả nhất thường bắt đầu từ kiểm soát nguồn phát hạt. Nếu nguồn tạo hạt nằm ngay cạnh sản phẩm, tăng số lần trao đổi khí cho cả căn phòng chưa chắc là giải pháp tối ưu. Cần xác định hạt đến từ người, thiết bị, vật liệu, thao tác hay quá trình sản xuất rồi xử lý tại nguồn.

• Đối với con người: Các biện pháp gồm lựa chọn trang phục phòng sạch phù hợp, đào tạo thao tác, giảm di chuyển không cần thiết, không đứng ở vị trí khiến dòng khí đưa hạt từ người tới sản phẩm và xây dựng quy trình ra vào hợp lý.
• Đối với thiết bị: Cần kiểm tra các bộ phận phát sinh hạt do ma sát, lựa chọn vật liệu phù hợp, bảo trì định kỳ và nếu cần thiết thì cô lập nguồn phát. Một máy nằm trong môi trường ISO Class cao không đồng nghĩa bản thân máy không tạo hạt.
• Tổ chức airflow - dòng khí: Các bề mặt nhạy cảm nên được đặt trong vùng được bảo vệ tốt, tránh đường đi của chất nhiễm từ người hoặc máy. Trong một số trường hợp có thể sử dụng FFU, Clean Booth hoặc khu vực dòng khí một chiều để bảo vệ cục bộ.
• Thời gian phơi nhiễm: Cần được giảm khi có thể. Đậy sản phẩm ngay sau khi hoàn thành thao tác, rút ngắn thời gian chờ giữa hai công đoạn hoặc tự động hóa khâu chuyển sản phẩm đều có thể làm giảm tổng lượng hạt lắng xuống ngay cả khi PDR của môi trường không thay đổi.
• Kiểm soát chuyển vật liệu: Lựa chọn Pass Box và Air Shower cần phù hợp với quy trình chuyển vật liệu, quy trình ra vào và yêu cầu kiểm soát hạt của từng khu vực.
• Hệ thống lọc: Việc lựa chọn lọc HEPA và lọc ULPA cần đi cùng thiết kế hệ thống, cân bằng lưu lượng, bố trí cấp hồi khí và đánh giá thực tế của khu vực cần bảo vệ.

Quan trọng nhất, khi PDR cao, không nên mặc định “cần mua thêm thiết bị”. Dữ liệu PDR nên được dùng để tìm nguồn nhiễm, xác định thời điểm xảy ra, phân tích dòng khí và đánh giá hành vi vận hành. Trong nhiều trường hợp, thay đổi quy trình hoặc vị trí thao tác có thể mang lại hiệu quả đáng kể.

FAQ - Câu hỏi thường gặp về Particle Deposition Rate

• Phòng sạch ISO Class thấp hơn có luôn có PDR thấp hơn không?

Không nên mặc định như vậy. ISO Class và PDR đo hai đặc tính khác nhau. ISO Class dựa trên nồng độ hạt trong không khí, trong khi PDR còn phụ thuộc vào nguồn phát hạt tại chỗ, kích thước hạt, hoạt động con người, máy móc, dòng khí, vị trí bề mặt và thời gian. Một vị trí cục bộ có thể có nguy cơ deposition đáng kể dù phòng vẫn đạt yêu cầu phân loại không khí.

• Nên đo PDR ở vị trí nào trong phòng sạch?

Nếu mục tiêu là đánh giá nguy cơ đối với sản phẩm, nên ưu tiên critical location - vị trí tới hạn, tức khu vực mà bề mặt nhạy cảm thực sự tiếp xúc với nguy cơ nhiễm. Đo ở vị trí không đại diện cho sản phẩm có thể tạo ra dữ liệu chính xác về điểm đo nhưng không phản ánh đúng rủi ro của quy trình.

• PDR nên được đo khi phòng sạch nghỉ hay đang sản xuất?

Đối với việc đánh giá nguy cơ thực tế, trạng thái operational - đang vận hành thường quan trọng hơn vì hoạt động của con người, máy móc và quy trình là nguồn tạo và phát tán nhiều hạt lớn. ISO 14644-17 cũng lưu ý PDR đối với các hạt lớn đặc biệt có ý nghĩa trong điều kiện vận hành.

• Nếu PDR vượt giới hạn kiểm soát thì phải làm gì?

Không nên chỉ tăng lưu lượng khí hoặc nâng cấp thiết bị ngay lập tức. Trước hết cần xác định thời điểm PDR tăng, nguồn phát hạt, hoạt động của nhân viên, máy móc, vật liệu, quy trình vệ sinh và tổ chức dòng khí. Sau khi xác định nguyên nhân mới lựa chọn giải pháp như thay đổi thao tác, giảm thời gian phơi nhiễm, cải thiện vệ sinh, điều chỉnh airflow hoặc bổ sung bảo vệ cục bộ.

Kết luận: PDR giúp nhìn phòng sạch từ góc độ của sản phẩm

Tốc độ lắng đọng hạt trong phòng sạch giúp đánh giá nguy cơ nhiễm tại bề mặt sản phẩm theo thời gian. Để sử dụng PDR hiệu quả, cần chọn đúng vị trí đo, ngưỡng kích thước hạt và điều kiện vận hành đại diện. Giới hạn kiểm soát phải được xác lập theo yêu cầu sản phẩm, diện tích bề mặt và thời gian phơi nhiễm. Kết quả đo còn giúp nhận diện nguồn hạt, đánh giá hiệu quả cải tiến quy trình và lựa chọn biện pháp bảo vệ tại khu vực quan trọng.

Thiết bị phòng sạch VCR cung cấp FFU, lọc HEPA/ULPA, Pass Box, Air Shower, Clean Booth và nhiều nhóm thiết bị phòng sạch cho các nhà thầu thi công phòng sạch. Đối với những dự án cần tăng cường kiểm soát hạt hoặc bảo vệ các khu vực sản xuất nhạy cảm, việc lựa chọn thiết bị nên được thực hiện dựa trên yêu cầu kỹ thuật, luồng khí, quy trình vận hành và mức độ rủi ro của từng khu vực.

Liên hệ Thiết bị phòng sạch VCR để được tư vấn lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu kiểm soát nhiễm và thiết kế của dự án phòng sạch.