無塵室的設計標準: ISO 14644-1 及其他標準
在精密產業中，即使是微小的粒子也可能導致嚴重的問題，因此無塵室至關重要。從半導體製造到製藥生產，潔淨的環境有助於確保產品的品質與安全。為了建造並維護高效的無塵室，遵循正確的設計與嚴格的標準（如 ISO 14644-1）非常重要。本文將解釋無塵室的用途、解析無塵室設計的基礎知識，並概述 ISO 14644-1 的要點及其執行方式。
無塵室的用途是什麼？
無塵室是一個受控環境，旨在管理空氣中的微粒、溫度、濕度、氣流模式以及潛在的污染源。無塵室廣泛應用於各種產業，包括半導體製造、製藥、光學、航太和醫療器材生產。
然而，值得注意的是，每個產業和產品所需的處理環境各不相同。無塵室必須根據預期用途的具體要求進行設計。無塵室設計的主要國際標準是 ISO 14644-1，此外還有一些相關或舊有的標準，在特定行業中仍被持續引用。這些標準將在下一節詳細討論。
無塵室標準：ISO 14644-1 與其他標準
在開始無塵室設計之前，必須根據產業要求和產品規格確定適當的無塵室等級。選擇不合適的無塵室等級會直接影響產品良率、生產效率和整體的業務競爭力。因此，無塵室設計必須符合相關的行業法規和技術要求，以確保最佳性能和可靠性。
ISO 14644-1（國際標準）
ISO 14644-1 是目前全球主流的無塵室標準。它根據每立方公尺空氣中尺寸 ≥0.1μm 的粒子數量，將無塵室從 ISO Class 1 分類至 ISO Class 9。一般而言，ISO 數值越小，環境越潔淨——ISO Class 1 最為潔淨，而 ISO Class 9 則與普通室內空氣相似。
等級 最大粒子數/m³a FED STD 209E 對應等級 ≥0.1 µm ≥0.2 µm ≥0.3 µm ≥0.5 µm ≥1 µm ≥5 µm ISO 1 10b d d d d e - ISO 2 100 24b 10b d d e - ISO 3 1,000 237 102 35b d e Class 1 ISO 4 10,000 2,370 1,020 352 83b e Class 10 ISO 5 100,000 23,700 10,200 3,520 832 d, e, f Class 100 ISO 6 1,000,000 237,000 102,000 35,200 8,320 293 Class 1,000 ISO 7 c c c 352,000 83,200 2,930 Class 10,000 ISO 8 c c c 3,520,000 832,000 29,300 Class 100,000 ISO 9 c c c 35,200,000 8,320,000 293,000 一般室內空氣 註解：
- 所有濃度值均為累積值。
- 可能需要大量的空氣樣本或連續採樣。
- 由於粒子水平極高而不適用。
- 粒子太少，無法準確測量。
- 由於濃度低或粒子流失，可能會發生採樣誤差。
- 對於 ISO Class 5，粒子 $\ge 5.0 \ \mu\text{m}$ 有特殊要求。
FED STD 209E（美國標準）
FED STD 209E 是早期的美國無塵室標準，根據每立方英尺空氣中尺寸 ≥0.5 μm 的懸浮微粒數量進行分類（範圍從 Class 1 到 Class 100,000）。等級從 Class 1（最潔淨）到 Class 100,000（最不潔淨）。雖然此標準在 2001 年正式被 ISO 14644-1 取代，但在某些產業（如國防和航太）中仍在使用。這兩個標準之間的主要對應關係如下：
FED STD 209E ISO 14644-1 Class 1 ISO 3 Class 10 ISO 4 Class 100 ISO 5 Class 1,000 ISO 6 Class 10,000 ISO 7 Class 100,000 ISO 8
GMP（製藥廠無塵室標準）
GMP 無塵室標準用於藥品製造，以確保產品的安全與無菌。下表顯示了無塵室中空氣微粒的最大允許水平，分別包括「靜態」（設備已安裝，無人員在場）和「動態」（正常工作條件）狀態。
分類期間懸浮微粒最大允許濃度
分級 微粒最大限制
≥0.5 µm/m³微粒最大限制
≥5 µm/m³靜態 (at rest) 動態 (in operation) 靜態 (at rest) 動態 (in operation) A 3,520 3,520 不適用 不適用 B 3,520 352,000 不適用 2,900 C 352,000 3,520,000 2,900 29,000 D 3,520,000 不適用 29,000 未定義 第二張表列出了無塵室認證的微生物限制，這有助於確保關鍵環境中的微生物控制：
認證期間微生物污染限制
分級 空氣樣本
cfu/m³沉降皿 (90 mm)
cfu/4 小時接觸皿 (55 mm)
cfu/皿A 無菌生長 B 10 5 5 C 100 50 25 D 200 100 50
無塵室設計的關鍵考量因素
無塵室氣流型式選擇
- 層流 (Laminar Flow)：
適用於高潔淨度要求（ISO Class 2-5）。空氣以單一方向流動（垂直或水平），使污染物能被快速排除。
- 亂流 (Turbulent Flow)：
適用於較低潔淨度要求（ISO Class 6-8）。透過高效率過濾系統和空氣循環來控制污染。
- 混合式氣流 (Mixed Flow)：
層流與亂流設計的結合。這種方法可增強無塵室內特定潔淨區的效果。
為了說明不同氣流型式在實務中的應用，以下範例聚焦於微電子無塵室，其各個工作區的潔淨度要求各不相同。
如光刻和晶圓製造等製程對微粒高度敏感，通常需要單向流（層流）氣流來快速排除污染物。
相比之下，不直接接觸敏感組件的支持區和公用設施區可以容忍較高的微粒水平，通常使用非單向流（亂流或混合流）氣流。
下表顯示了不同氣流型式如何對應各種 ISO 無塵室分類及其典型應用。
動態下的空氣潔淨度等級
(ISO Class)氣流型式 平均氣流速度
(m/s)每小時換氣次數
(m³/m²·h)應用範例 2 單向流 (層流) 0.3 至 0.5 不適用 光刻、半導體製程區 3 單向流 (層流) 0.3 至 0.5 不適用 工作區、半導體製程區 4 單向流 (層流) 0.3 至 0.5 不適用 工作區、多層光罩處理、光碟製造、半導體維修區、公用設施區 5 單向流 (層流) 0.2 至 0.5 不適用 工作區、多層光罩處理、光碟製造、半導體維修區、公用設施區 6 非單向流或混合流 (亂流或混合流) 不適用 70 至 160 公用設施區、多層處理、半導體維修區 7 非單向流或混合流 (亂流或混合流) 不適用 30 至 70 維修區、表面處理 8 非單向流或混合流 (亂流或混合流) 不適用 10 至 20 維修區 備註：
na = 不適用
過濾系統
- 高效率網 (HEPA)：
可移除 99.97% 尺寸 ≥0.3μm 的粒子。常用於 ISO Class 5-9 無塵室。
- 超高效率網 (ULPA)：
對於 ≥0.12 μm 的粒子提供高達 99.9995% 的過濾效率。通常用於需要 ISO Class 1 到 4 的環境。
- 風扇過濾網風車組 (FFU)：
適用於模組化無塵室，提供穩定的氣流並增強潔淨度。
環境控制
- 溫度控制：
通常維持在 20-24°C 之間。某些精密製造程序（如半導體生產）可能需要更精確的溫度範圍。
- 濕度控制：
常用範圍為 30-60% RH，以防止靜電（低濕度）或微生物生長（高濕度）。
- 壓力控制：
- 正壓：防止外部污染物進入無塵室。適用於電子、製藥和精密製造產業。
- 負壓：確保內部污染物不會外洩。適用於生物安全實驗室和醫療隔離病房。
結論
無塵室設計需要仔細規劃、遵循 ISO 14644-1 等國際標準，並關注氣流、過濾和環境控制等關鍵因素。不同的產業和應用需要不同的潔淨等級，因此量身定制的無塵室設計對於確保產品品質和營運效率至關重要。
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