潔凈技術(shù)(cleanroom)是適應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究與產(chǎn)品加工的精密化、微型化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性等方面要求而誕生的一門新興技術(shù)。
潔凈室(cleanroom)這個(gè)名詞和概念源于18世紀(jì)六十年代的歐洲醫(yī)學(xué),當(dāng)時(shí)的理解僅限于經(jīng)噴灑消毒后可以控制創(chuàng)部感染率的處置室、手術(shù)室這類滅菌處理的工作環(huán)境。
現(xiàn)代潔凈室雖然延用了這個(gè)名詞,但在定義和內(nèi)涵上都與原有的概念有根本的不同,現(xiàn)代潔凈室形成一項(xiàng)專門技術(shù),其歷史不過(guò)只有半個(gè)世紀(jì)。
一切技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展,都是出于生產(chǎn)的需要,潔凈室技術(shù)也不例外。在第二次世界大戰(zhàn)期間,美國(guó)生產(chǎn)的飛機(jī)導(dǎo)航用氣浮陀羅儀,由于質(zhì)量不穩(wěn)定,每10個(gè)陀羅儀平均要返工120次。50年代初朝鮮半島戰(zhàn)爭(zhēng)期間,美國(guó)的16萬(wàn)臺(tái)電子通訊設(shè)備,更換了百萬(wàn)個(gè)以上的電子部件,雷達(dá)出故障的時(shí)間占84%,潛水艇聲納出故障的時(shí)間占48%。原因都是電子器件、零部件的可靠性差,質(zhì)量不穩(wěn)定。軍方與廠商究其原因,最終從多方面判定與生產(chǎn)環(huán)境不清潔有關(guān)。盡管當(dāng)時(shí)曾不惜工本,采取了種種嚴(yán)密措施來(lái)封閉生產(chǎn)車間,但收效甚微。直到50年代初,將美國(guó)原子能委員會(huì)為解決對(duì)人體有害的放射性塵埃的捕集問(wèn)題,于1951年研制成功的高效空氣過(guò)濾器(HEPA—HighEfficiencyParticulateAirFilter)應(yīng)用于生產(chǎn)車間的送風(fēng)過(guò)濾,才真正誕生了具有現(xiàn)代意義的潔凈室。
1961年美國(guó)桑第阿國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SandiaNationalLaboratories)的高級(jí)研究人員懷特菲爾特(WillisWhitfield)提出了當(dāng)時(shí)稱之為層流(laminarflow),現(xiàn)正名為單向流(unidirectionalflow)的潔凈空氣流組織方案,并應(yīng)用于實(shí)際工程。從此潔凈室達(dá)到了前所未有的更高潔凈級(jí)別。
同年美國(guó)空軍制定頒發(fā)了世界上第一個(gè)潔凈室標(biāo)準(zhǔn)TO—00—25——203空軍指令“潔凈室與潔凈工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)轉(zhuǎn)特性標(biāo)準(zhǔn)”。在此基礎(chǔ)上,1963年12月公布了將潔凈室劃分為三個(gè)級(jí)別
的美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FED—STD—209。至此形成了完善的潔凈室技術(shù)的雛形。以上的這三個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)步,常被譽(yù)為現(xiàn)代潔凈室發(fā)展歷史上的三個(gè)里程碑。
上世紀(jì)六二年代中期,潔凈室在美國(guó)如雨后春筍涌現(xiàn)在各種工業(yè)部門。它不僅用于軍事工業(yè),也在電子、光學(xué)、微型軸承、微型電機(jī)、感光膠片、超純化學(xué)試劑等工業(yè)部門得到推廣,對(duì)當(dāng)時(shí)科學(xué)
技術(shù)和工業(yè)發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。
七十年代初潔凈室的建設(shè)重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向醫(yī)療、制藥、食品及生化等行業(yè)。除美國(guó)而外,其它工業(yè)先進(jìn)國(guó)家,日本、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、瑞士、前蘇聯(lián)、荷蘭等也都十分重視并先后大力發(fā)展了潔凈技術(shù)。
?、?、中國(guó)潔凈技術(shù)的發(fā)展歷程
六十年代初是中國(guó)潔凈技術(shù)發(fā)展的起步階段,大致比國(guó)外晚了十年。在中國(guó),那是一個(gè)非常特殊的困難年代,一方面剛度過(guò)三年自然災(zāi)害,經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱,另一方面與世界科技先進(jìn)國(guó)家沒(méi)有直接交往,得不到必要的科技數(shù)據(jù)、信息和樣品。在這種艱難條件下,圍繞精密機(jī)械、航空儀表和電子工業(yè)的需要,中國(guó)的潔凈技術(shù)工作者開始了自己的創(chuàng)業(yè)歷程。
潔凈技術(shù)在中國(guó)發(fā)展的歷程劃分為如下幾個(gè)階段:
Ⅱ-1、起步和奠基階段
六十年代初至七十年代末,這十多年是中國(guó)潔凈技術(shù)的起步和奠基階段。
1965年,由中國(guó)建筑科學(xué)研究院空氣調(diào)節(jié)研究所和蚌埠絕緣材料廠等單位研制完成帶波紋隔板的高效空氣過(guò)濾器通過(guò)鑒定,標(biāo)志了我國(guó)潔凈技術(shù)開始正式起步。當(dāng)時(shí)所用濾紙有兩種材質(zhì),一種是藍(lán)石
棉纖維濾紙的GS系列高效空氣過(guò)濾器,但因生產(chǎn)過(guò)程對(duì)人體健康不利很快被淘汰;另一種是超細(xì)玻璃纖維濾紙的GB系列高效空氣過(guò)濾器,一直沿用至今。經(jīng)國(guó)內(nèi)多次與國(guó)外同類產(chǎn)品對(duì)比測(cè)試,以及美國(guó)明尼
蘇達(dá)大學(xué)氣溶膠研究所對(duì)中國(guó)高效過(guò)濾器濾紙所作測(cè)試的結(jié)果,都證明國(guó)產(chǎn)高效空氣過(guò)濾器的主要技術(shù)指標(biāo),達(dá)到同期國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
值得提及的是,盡管日本自50年代末已著手與美國(guó)合作在日本制造高效空氣過(guò)濾器,潔凈技術(shù)起步較早,但技術(shù)與濾紙來(lái)自美國(guó),直到1969年日本的HEPA過(guò)濾器才完全國(guó)化。
與此同時(shí),先后于1963年研制成功濾料鈉焰試驗(yàn)臺(tái),1964年建成了高效過(guò)濾器的鈉焰試驗(yàn)臺(tái),這時(shí)高效空氣過(guò)濾器的正常生產(chǎn)和質(zhì)量提高了保證作用。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生研究所、清華大學(xué)核能所等單位,為此付出了艱辛的工作。
如果把高效空氣過(guò)濾器比喻為潔凈技術(shù)的“心臟”,那么檢測(cè)技術(shù)及儀器則是潔凈技術(shù)的眼睛,靠它來(lái)鑒別與把關(guān)。六十年代中期,中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生研究所、哈爾濱建工學(xué)院、
丹東儀表研究所、中科院安徽光機(jī)所、建研院空調(diào)所等單位先后投入力量研制光散射粒子計(jì)數(shù)器。1973年,建研院歷時(shí)三年研制成功了中國(guó)第一臺(tái)型號(hào)為J—73型的塵埃粒子計(jì)數(shù)器,以及標(biāo)定粒子計(jì)數(shù)器用的標(biāo)準(zhǔn)粒子——單分散聚苯乙烯膠乳標(biāo)準(zhǔn)粒子(PSL),其平均粒徑從0.177~1.460μm,共九種,標(biāo)準(zhǔn)差很小,均方根差變系數(shù)σ/χ<5%。J—73型共設(shè)有15個(gè)粒徑檔,測(cè)量范圍是0.3~10μm,采樣流量為300ml/min。這兩項(xiàng)成果于1974年通過(guò)國(guó)家鑒定并認(rèn)為已達(dá)到或接近當(dāng)時(shí)的世界水平。塵埃粒子計(jì)數(shù)器的推廣應(yīng)用,推動(dòng)了中國(guó)潔凈技術(shù)的科研、設(shè)計(jì)和凈化設(shè)備生產(chǎn),沿著自立、自強(qiáng)的道路向前進(jìn)步。
同時(shí),一些電子技術(shù)、精密機(jī)械和國(guó)防工業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)院,也在探索、研究潔凈室的工程設(shè)計(jì)。1965年建成的沈陽(yáng)119廠和石家莊13所就是由三機(jī)部四院(現(xiàn)航空工業(yè)部第四設(shè)計(jì)院)和四機(jī)部第二設(shè)計(jì)院(現(xiàn)中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院)分別參照原蘇聯(lián)的妝化等級(jí)設(shè)計(jì)建設(shè)的。
中國(guó)科學(xué)院設(shè)計(jì)院1966年選用國(guó)產(chǎn)GB系列高效空氣過(guò)濾器設(shè)計(jì)了中國(guó)科學(xué)院面積為760平方米的精密機(jī)械裝配車間,1970年投入生產(chǎn)。后經(jīng)測(cè)定,在靜態(tài)條件下,室內(nèi)換氣次數(shù)為20AC/h時(shí),室內(nèi)潔凈度達(dá)到當(dāng)時(shí)美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209A的10000級(jí)。
1973年初,四機(jī)部第十設(shè)計(jì)院和第十一設(shè)計(jì)院,分別著手進(jìn)行了878廠和4433廠的潔凈車間設(shè)計(jì),兩個(gè)工廠的潔凈室級(jí)別包括從FED—STD—209A的100,000級(jí)至100級(jí),采用的氣流流
型有垂直單向流、水平單向流和亂流等。
在這個(gè)階段內(nèi),與潔凈室配套的凈化設(shè)備陸續(xù)試制成功,一些原來(lái)生產(chǎn)無(wú)線電、半導(dǎo)體專用設(shè)備的、生產(chǎn)醫(yī)療器械的工廠轉(zhuǎn)向凈化設(shè)備的生產(chǎn),在國(guó)內(nèi)形成了初步的潔凈室設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模與布局。這些工廠當(dāng)時(shí)主要分布在北京、天津、蘇州、上海和重慶。從設(shè)計(jì)制造多種型式的
潔凈工作臺(tái)(cleanbench)開始,隨后陸續(xù)設(shè)計(jì)制造了吹淋室、氣閘室、物料傳遞窗、余壓閥等相關(guān)設(shè)備。
為了適應(yīng)六十年代末、七十年代初,一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)小型潔凈工作環(huán)境的需求,以及一些舊廠房進(jìn)行小規(guī)模潔凈室改造的需要,建研院空調(diào)所、六機(jī)部九院(現(xiàn)船舶工業(yè)總公司第九設(shè)計(jì)院)、
三機(jī)部四院、天津醫(yī)療器械廠天津醫(yī)藥凈化設(shè)備廠前身)等單位,研制成功了裝配式垂直單向流、水平單向流潔凈室。這種由凈化設(shè)備廠生產(chǎn)的裝配式潔凈室,特別在利用原有建筑物進(jìn)行技術(shù)改造,
所需凈化面積又比較小的場(chǎng)合,發(fā)揮了設(shè)計(jì)、施工快捷,技術(shù)性能穩(wěn)定的特點(diǎn),1974年在天津通過(guò)了國(guó)家鑒定。
1974年以來(lái),建研院空調(diào)所、四機(jī)部十院等單位分別建立了潔凈技術(shù)試驗(yàn)室,開展了一些基礎(chǔ)研究。如建研院空調(diào)所在該所試驗(yàn)室中進(jìn)行了亂流潔凈室均勻分布與不均勻分布計(jì)算
的研究,全頂棚送風(fēng)兩側(cè)下回風(fēng)潔凈室氣流特性的研究等;四機(jī)部第十設(shè)計(jì)研究院在該院的潔凈試驗(yàn)室中進(jìn)行了亂流潔凈室的試驗(yàn)研究,高效過(guò)濾器送風(fēng)口的氣流分布研究,人體發(fā)塵
量研究等多項(xiàng)課題。
與此同時(shí),一些研究單位及設(shè)計(jì)院,如七機(jī)部七院(航天工業(yè)部七院)、建研院空調(diào)所、四機(jī)部十院、十一院、二機(jī)部二院(核工業(yè)部二院)、六機(jī)部九院等,和一些大專院校如天津大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、河北工學(xué)院組成了配合國(guó)家大規(guī)模集成電路攻關(guān)的潔凈室技術(shù)研究協(xié)作組,為規(guī)范與提高中國(guó)的潔凈技術(shù)水平,進(jìn)行了一系列的測(cè)試與調(diào)研工作。如在北京、西安、上海等地進(jìn)行了不同環(huán)境室外大氣含塵濃度的長(zhǎng)期臨測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析,在全國(guó)各地對(duì)已建潔凈室進(jìn)行了測(cè)試,并著手對(duì)潔凈室設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及設(shè)備生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。
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