Neue Richtlinien für Reinräume

Reinräume sind Arbeitsplätze, bei denen besonders hohe Anforderungen an die Arbeitsumgebung und an die Mitarbeiter gestellt werden. In einem Reinraum soll die Luft möglichst wenig kontaminierende Teilchen tragen. Insbesondere in der Halbleiterfertigung, aber zunehmend auch in der Fertigung hochempfindlicher Elektronikbaugruppen ist die Arbeit in Reinräumen nötig, um Kontamination und damit Fertigungsschäden bzw. verringerte Zuverlässigkeit der Produkte zu vermeiden. So liegen korrekte Ergebnisse vor und elektronische Baugruppen bzw. Geräte werden fehlerfrei ausgeliefert. Aufgrund der großen Unterschiedlichkeit der technologischen Fertigungsprozesse bezüglich der Reinheitsanforderungen an sie etablierte man Standards, in denen diese Unterschiede in Form von Reinraumklassen definiert wurden.

Hohe Komplexität der Einflussgrößen in Reinräumen

Um die nachfolgenden Ausführungen zum großen Umfang der Standardisierungs- bzw. Normungsarbeit im Sektor ‚Clean Rooms' besser verstehen zu können, wird zunächst die große Einflussvielfalt beim Bau und Betrieb von Reinräumen umrissen.

Der Reinraum-Arbeitsplatz ist mit strengen Verhaltensregeln, aber auch baulichen Vorgaben verbunden. Eine Filterung der Luft und strenge Hygiene im Arbeitsbereich genügen nicht. Der Reinraum ist ein abgeschlossener Bereich, der nur unter bestimmten Bedingungen betreten werden darf. Um Einflüsse durch die Außenluft zu vermeiden, ist er von der Außenwelt abgeschnitten und wird ausschließlich in geeigneter Kleidung und in sauberen Schuhen durch Schleusen aufgesucht. Im Reinraum sind alle Oberflächen abriebfest. Dadurch können keine gelösten Partikel in die Luft gelangen. Um die Luft ständig zu filtern, ist er mit einem leistungsfähigen Lüftungssystem ausgestattet.

Am Reinraum-Arbeitsplatz ist das Tragen spezieller Kleidung besonders wichtig, um die Abgabe von Partikeln an die Luft so gering wie möglich zu halten. Kunstfasern sind am besten geeignet, da sie abriebfester sind als natürliche Fasern. Je nach Reinraumklasse tragen die Mitarbeiter komplette Anzüge oder Ober- und Unterbekleidung aus Kunstfaser. Zusätzlich benötigen sie Schuhe mit abriebfester Sohle und einen Haar- und Mundschutz, um den Raum von Haaren, Hautschuppen oder Mikroorganismen freizuhalten.

Auch die Einrichtung und die Arbeitsgeräte müssen auf die Anforderungen des Reinraumes abgestimmt sein. Die Möbel verfügen über glatte und geschlossene Flächen. Dadurch sind sie leicht zu reinigen und es können sich keine Partikel festsetzen. Gepolsterten Reinraumstühlen gilt besondere Aufmerksamkeit. Damit die Partikelemission der Polster besonders gering ist, sind sie mit Kunststoff oder Kunstleder überzogen und speziell hinterschäumt. Der Arbeitsplatz im Reinraum ist mit strengen Verhaltensregeln verknüpft, die in Standards bzw. Richtlinien fixiert sind. Nur durch strikte Einhaltung dieser Vorschriften können die Vorgaben für die einzelnen Reinraumklassen erfüllt werden [1].

Definition der Reinraumklassen

Als internationale Basis für die Arbeit in und mit Reinräumen gilt der Standard ISO 14644. Diese inzwischen 18-teilige Dokumentenreihe behandelt alle für den Betrieb von Reinräumen grundlegenden Themen. Sie umfasst sowohl die Planung und den Betrieb als auch die Kontrolle der Reinräume, Reinraumbereiche und Reinraumtechnik sowie Prozesse, die im unmittelbaren Zusammenhang mit diesen stehen. Diese internationale Norm wurde weitestgehend von fast allen Ländern in nationale Normen übernommen.

Elektronikfertigung im Clean Room ISO 8 für das Space-Programm bei Hi-Tech Elettronica in ItalienDie Teile 1 und 2 von ISO 14644 lösten den alten US Federal Standard 209E ab. Dieser ist in den Jahren zuvor zum Ermitteln einer Reinraumklassifikation verwendet worden. ISO 14644 wurde als EN ISO 14644 in den EU-Bereich übernommen und die Reinraumklassifikationen sind mit denen des Federal Standard vergleichbar. In Deutschland ist die Norm als DIN EN ISO 14644 veröffentlicht. DIN EN ISO 14644-1, also Teil 1 der ISO-Serie, definiert den Reinheitsgrad der Luft. Es werden die Reinheitsklassen ISO 1 bis ISO 9 unterschieden. Der Reinheitsgrad wird durch die Festlegung von Grenzwerten festgesetzt. Die ISO-Klassifizierung richtet sich nach der Partikelkonzentration pro m³. Die höchste Reinheit liegt bei der ISO-Klasse 1, während die niedrigste in die ISO-Klasse 9 eingeordnet wird. Mehr dazu ist unter [1] zu finden. Diese Norm für Reinraumklassen findet vor allem in Reinraumanlagen Verwendung, die zur Fertigung in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. Aber auch in der Leiterplatten- und Baugruppenfertigung wird sie zunehmend genutzt.

VDI-Richtlinie 2083

Zur einheitlichen und branchen- sowie länderübergreifenden Beschreibung von Prozessen und Spezifikationen in der Reinraumtechnik wurden die genannten internationalen bzw. nationalen Standards durch weitere nationale Richtlinien untersetzt. In Deutschland ist es VDI 2083. Diese ist genauer betrachtet eine Richtlinienreihe. Sie nimmt Bezug auf die ISO 14644-1 und stellt zusätzlich Richtwerte für praktische Aspekte des Betriebs von Reinräumen bereit. Das Dokument gilt als anerkannte Regel der Technik, da es sinnvolle Ergänzungen beispielsweise zur Biokontamination oder Energie- und Kosteneffizienz bietet und stetig neue Forschungsergebnisse einfließen. Die VDI-Richtlinie trägt damit zu einer nachhaltigen Wirtschaft unter Verwendung der Reinraumklassen bei. Deswegen ist ihre Anwendung in der Praxis gegenüber der bloßen Erfüllung der ISO-Klassifizierung ein Wettbewerbsvorteil, was hier nicht unerwähnt bleiben soll.

Inhaltsunterschiede zwischen ISO 14644 und VDI 2083 [2]In der vergleichenden Abbildung oben sind die Unterschiede zwischen ISO 14644 und VDI 2083 herausgearbeitet. Es lohnt sich, bei der Planung eines Reinraumes einen Blick in die VDI-Richtlinie 2083 zu werfen. Neben der ISO-Standard-Familie 14644 wird häufig in der Praxis auch die Richtlinienreihe VDI 2083 zur Beschreibung des Standes der Technik sowie zur Klassifizierung von Parametern und Grenzwerten herangezogen. Beide Dokumente liefern einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung.

VDI 2083 unterscheidet zwischen den sieben Reinraumklassen 0 bis 6, wobei die Klasse 0 hinsichtlich Partikelanzahl pro Kubikmeter die höchsten Anforderungen an den Reinraum stellt. In einem Blog-Beitrag mit dem Titel „ISO 14644 und VDI 2083: Zusammenhänge und Unterschiede“ werden unter [2] weitere Zusammenhänge zwischen dem „Dachdokument“ und der deutschen Richtlinie herausgearbeitet.

Der auffälligste Unterschied zwischen den beiden Regelwerken DIN EN ISO 14644 und VDI 2083 ist durch deren Tiefe gegeben. Während die ISO-14644-Normenfamilie die Reinraumtechnik in lediglich 16 Teilen behandelt, stellt die VDI 2083-Familie mit über 21 Einzel- und Unterblättern zu den verschiedenen Reinraumaspekten und -bereichen das weltweit umfassendste Regelwerk dar.

Reinraumüberwachung

Voraussetzung für das sichere Funktionieren eines Reinraumarbeitsplatzes ist ein stabiles kontrolliertes Klima. Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit und Partikelanzahl in der Luft müssen ständig überwacht werden. Darum gehört ein leistungsfähiges Reinraum-Monitoring unbedingt zu jedem Reinraum – egal, welcher Reinraumklasse er angehört. Abweichungen vom erforderlichen oder gesetzlich geforderten Standard können Menschenleben gefährden oder die Produktion stören.

In einigen Bereichen der Technik wie der Mikroelektronik, der Feinmechanik und der Medizintechnik werden besondere Anforderungen gestellt. Das betrifft u. a. folgende Aspekte:

• Reinheit der Luft im Produktionsraum
• Eingesetzte Betriebsmittel
• Arbeitsplatz
• Arbeitende Personen
• Prozessmedien

Deshalb gab die VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik (GBG), Fachbereich Technische Gebäudeausrüstung, im August 2022 die 71-seitige Richtlinie VDI 2083 Blatt 3 ‚Reinraumtechnik – Messtechnik' heraus [3].

Anhand der ausgewiesenen großen Seitenzahl darf man sich von dem Begriff ‚Blatt 3' nicht irritieren lassen, denn in den sechs Kapiteln sowie den beiden Anhängen A und B werden umfangreiche Informationen bzw. Hinweise zu den Themen Messtechnik und -verfahren gegeben, was den Preis von 158,10 € durchaus rechtfertigt. Es werden Messverfahren für Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche beschrieben, die bei der Übergabe, im Rahmen der Qualifizierung von Neuanlagen, der Routinekontrolle und der laufenden Überwachung eingesetzt werden. Die in der Richtlinie beschriebenen Methoden sind speziell auf die Erfordernisse von Reinräumen ausgerichtet. Die Richtlinie gilt für erstmalige und einmalige Messungen sowie die fortlaufende oder periodische Überwachung. Kontinuierliche Messungen zum Zweck des Monitorings werden in VDI 2083 Blatt 3.1 beschrieben. Die spezifizierten Methoden sind für die Übergabe von reinraumtechnischen Anlagen sowie für die Durchführung von Routine- und Überwachungsmessungen nach DIN EN 12599, VDI 2083 Blatt 2 und DIN EN ISO 14644-4 vorgesehen und sollen, soweit möglich, anwenderspezifische Verfahren ersetzen. Die neue Richtlinie ist in Deutsch und Englisch erschienen (englischer Titel: ‚Cleanroom technology – Metrology') und kann beim Beuth-Verlag bezogen werden [4]. Für fachliche Fragen steht Dipl.-Phys. Thomas Wollstein, VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik (GBG), Telefon: +49 211 6214-500, E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, zur Verfügung.

Referenzen

[1] www.bimos.com
[2] https://blog.colandis.com/iso-14644-vdi-2083
[3] www.vdi.de/richtlinien/details/vdi-2083-blatt-3-reinraumtechnik-messtechnik
[4] www.beuth.de/en/publication/vdi-handbuch-reinraumtechnik/125065721