Reinheit ist harte Arbeit


Titelthema a:lot 08 - Herbst 2013

Reinraumtechnik ist zum unverzichtbaren Hilfsmittel in allen Hightech-Branchen geworden. Sie ist eine Querschnittstechnologie ersten Ranges. Immer mehr und immer neue Produkte werden zukünftig unter reinen Bedingungen hergestellt werden. Auch in der Elektronikindustrie gewinnt die Reinraumtechnik wieder an Bedeutung. Es ist deshalb an der Zeit, sich diesem Trend zu stellen, wenn man wettbewerbsfähig bleiben will.

Was ist das: Reinraumtechnik? Allgemein gesagt ist es die Aufgabe der Reinraumtechnik, anfällige Prozesse vor den kleinsten Verunreinigungen zu schützen, seien es organische oder anorganische Teilchen. Nicht nur Produkte und Fertigungsprozesse werden durch Reinraumtechnik vor Kontaminationen geschützt, sondern auch die Mitarbeiter. Dazu gilt es einerseits, die Verunreinigungen während der Forschung oder Produktion zu begrenzen, andererseits diese unmittelbar abzuführen. Was recht einfach klingt, setzt in der Praxis ein umfangreiches Spektrum hochtechnologischer und organisatorischer Maßnahmen voraus, da sich eine reine Umgebung von vielen Quellen und Einflüssen beeinträchtigen lässt. Nötig ist die Kontrolle von Lüftung, Filtern, Gebäudestruktur, Personal, Kleidung, Maschinen, Werkstoffen, Oberflächen, Elektrostatik, Schleusen, Logistik, u.s.w.. Daran wird deutlich: Reinraumtechnik muss eine extrem komplexe Aufgabe lösen.

Die Konserve als Pionierleistung der Reinraumtechnik

Die Wurzeln der Reinraumtechnik liegen in der Medizin. Schon den hippokratischen Ärzten im Altertum war bekannt, dass Sauberkeit zur Krankheitsbekämpfung von elementarer Bedeutung ist. Allerdings erreichte das Thema der Sterilität erst Anfang des 19. Jahrhunderts ein wissenschaftliches Niveau – und das ausgerechnet in der Küche. In einer Urkunde ließ sich der französische Konditor und Erfinder François Nicolas Appert im Jahr 1803 bescheinigen, dass ihm als Erstem die Herstellung von sterilen Lebensmitteln – bei ihm waren es Fleischbrühe, Bohnen und Erbsen – gelungen sei. Der Gründer der ersten Konservenfabrik der Welt hatte die Konservierungsmethode des Einkochens entdeckt. Diese Pioniertat der sterilen Produktabfüllung war, so kann man behaupten, die Entdeckung der Reinraumtechnik.
Seitdem hat sich diese Technik rasant weiterentwickelt und passende Lösungen für immer neue Probleme gefunden, sodass Ingenieure heute den Störfaktor Staub in sehr vielen Branchen und Produktionsfeldern unter Kontrolle haben. Aber es entwickeln sich immer neue Herausforderungen wie zurzeit zum Beispiel Reinräume in kunststoffverarbeitenden Betrieben. Die Beherrschung der Reinraumtechnik ist damit zur Vorbedingung geworden, neue Arbeitsverfahren in Hochtechnologien überhaupt entwickeln und anwenden zu können.

Ein Menschenhaar als zerstörerischer Balken

In der Umgebungsluft wimmelt es von Staub-, Dreck- und sonstigen Partikeln und Aerosolen sowohl in fester als auch in flüssiger Form. Dabei handelt es sich zum Beispiel um Ruß, Rauch, Feinstaub, Bakterien, Viren, Keime oder Pollen. Ebenso befinden sich Gase permanent in unserer Umgebung, zum Beispiel Stickoxide oder Schwefeldioxid. Hinzu kommen elektromagnetische Strahlungen wie Funk-, Mobiltelefon und sonstige Strahlen – auch diese wirken ständig auf uns ein. All diese Partikel, chemischen Substanzen und Ladungen sind natürlich auch in Fertigungsbereichen anzutreffen – dort häufig sogar in erhöhtem Maße.
Aber auch die Mitarbeiter sondern unglaublich hohe Mengen an Haaren, Schuppen, Hautresten und Wassertröpfchen ab. Auch diese wirken sich – sind das Produkt oder der Produktionsprozess nur empfindlich genug – in fataler Weise aus. Die Strukturbreite einer elektronischen Leiterbahn auf einem heute üblichen Mikrochip beträgt rund 50-250 Nanometer. Ein Haar ist 300+x-mal so dick. Ein solcher Balken, über die Leiterbahnen gelegt, würde den Chip unbrauchbar machen.

Nur ein einziges Schlagloch zwischen Rosenheim und Kiel

Die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung von Oberflächen- und Schaltstrukturen in der Mikroelektronik setzt eine noch gründlichere Reinraumtechnik voraus: Heute werden Mikrochips bereits mit Strukturen unter 180 Nanometer Breite bis hinab zu 20 Nanometern gefertigt. Das liegt weit unter der Wellenlänge des Lichts. Um so exakt in wirtschaftlicher Weise fertigen zu können, darf natürlich kein Partikel dazwischenkommen. Die Produktionsbedingungen kommen dem Anspruch von null Toleranz nahe – und das bei der Arbeit in einem Bereich der Kristallgitter in den obersten 1.000 Atomlagen! Abweichungen in der Chipstruktur sind nur in einer Größe von eins zu zehn Milliarden erlaubt. Das entspräche einem winzigen Schlagloch von einem Zehntel Millimeter Tiefe auf einer Strecke von Rosenheim bis Kiel.
Überhaupt nicht zu sehen sind die elektrostatischen Aufladungen, die innerhalb von Reinräumen ebenso sorgfältig vermieden werden müssen wie Partikel oder Keime. Kleine Strukturen in der Mikrotechnik können bereits bei Entladungen von einigen 10 Volt zerstört oder geschädigt werden. Zudem steigt mit der Aufladung auch die Anziehungskraft für Partikel – zu besichtigen zum Beispiel am ewig schmutzigen Fernsehbildschirm. Eine Verstärkung kritischer Partikel-Depositionen ist bereits bei Aufladungen von 50 bis 100 Volt nachweisbar. Die qualitätsmindernden Auswirkungen der Elektrostatik insbesondere in der Mikrostrukturfertigung sind daher schon bei der Planung von Fertigungsstätten zu beachten, indem statische Elektrizität der jeweiligen Atmosphäre eliminiert wird.

Ein Toast ist weniger rein als ein Mikrochip

Welche Reinraumklasse nötig ist, hängt schlicht und einfach vom Produkt ab. Eine Scheibe Toastbrot muss nicht in einer so hyperreinen Umgebung hergestellt werden wie ein Mikrochip. Reinraum ist daher nicht gleich Reinraum. Zur Umsetzung der Anforderungen wurden standardisierte Luftreinheitsklassen festgelegt. Jede dieser Reinheitsklassen steht für eine bestimmte Partikelkonzentrationsgrenze oder für eine Konzentrationsgrenze für koloniebildende Einheiten (KBE), also Keime.
Daraus folgt dann der jeweilige technische Aufwand. Es gilt das Prinzip: So viel wie nötig, so wenig wie möglich. Denn sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten steigen mit der Reinheitsklasse. Wegen der hohen Kosten großflächiger Reinräume und der Grenzen der Reinheit des Arbeitsfaktors Mensch sind alternative Reinraumkonzepte auf dem Vormarsch, in denen lediglich punktuell die gewünschte hohe Reinheitsklasse herrscht.

Raum-in-Raum-Konzepte liegen im Trend

Die Belüftung spielt für die Qualität des Reinraums eine große Rolle. Hierbei sind zwei Konzepte zu unterscheiden. Durch die kontinuierliche Zufuhr gereinigter Luft kann entweder eine Verdünnung der Konzentration der luftgetragenen Schwebstoffteilchen erreicht werden oder deren Verdrängung („Turbulent / Laminar Flow“). Neben Reinräumen mit vertikaler Laminarströmung gibt es auch solche mit horizontaler Luftströmung. Eine einfache und sehr kostengünstige Lösung ist der Laminar-Flow-Tunnel. Dieser besteht aus zwei Seitenwänden und einer Decke mit offenem Ende. Die reine Luft strömt hierbei laminar durch den Tunnel und wird seitlich sowie vom anderen Ende zurückgesaugt. Die Reinheitsbedingungen, welche direkt vor der Filterwand herrschen, sind sehr hoch.
Statt mit viel Mühe großflächig und damit kostspielig für Reinheit zu sorgen, wird immer häufiger das Raum-in-Raum-System umgesetzt. Dabei werden durch geschickte Unterteilung und Abtrennung Zonen verschiedener Reinheitsgrade eingerichtet. Höchste Reinheit herrscht also nur dort, wo es wirklich darauf ankommt. In jüngster Zeit gibt es einen durchaus harten Wettstreit zwischen zwei alternativen Raum-in-Raum-Konzepten, die sich vor allem für die Pharmabranche eignen: RABS und Isolatoren.

Nur eine gründliche Fehlerbehebung führt zum Erfolg

Doch ein perfekter Reinraum und entsprechende Maschinen genügen noch lange nicht, um den Produktionsprozess auf das gewünschte Niveau zu heben. Nötig ist ein ganzheitlicher Ansatz, der Gebäudearchitektur, -technik, Klima und Belüftung, Logistik, Zulieferer und nicht zuletzt das Personal einbezieht. Selbst wenn die Zahl der Menschen im Reinraum dank der Technik verringert wird, ist der Tag sehr fern, an dem eine menschenleere, automatische, logistisch optimale Reinraumfabrik möglich wird. Daher bleibt die zwischenmenschliche Kommunikation im Betriebsalltag ein wesentlicher Teil der Reinraumtechnik.
Die Liste der möglichen Fehlerquellen ist lang. Diese Liste muss aber komplett abgearbeitet werden. Es macht zum Beispiel sämtliche Anstrengungen zunichte, wenn zwar die beste verfügbare Technik installiert wird, jedoch bei der Personalschulung gespart wird. Ebenso nutzt die disziplinierteste Reinraumbelegschaft nichts, wenn sich beim Design der Produktionslinie Fehler eingeschlichen haben. Der schlechteste Parameter bestimmt das Ergebnis.
Die Einrichtung oder Erneuerung eines Reinraums sollte deshalb unbedingt fachmännisch begleitet werden und nicht nur auf einem Halbwissen basieren. Es gibt aber einige Grundsätze, die Reinraumanwender immer berücksichtigen sollten:

Produktanalyse zu Beginn
Bei der Planung einer Fertigung unter reinraumtechnischen Bedingungen ist die strikte und kompromisslose Produktanalyse unter Berücksichtigung der einschlägigen Richtlinien und Verordnungen zwingend notwendig. Als Faustregel gilt: Bei technischen Produkten sind die Vorgaben des Kunden maßgeblich, bei medizinischen Produkten die einzuhaltenden Normen und Standards.

Ausreichend Zeit für die Vorbereitung
Es gibt keinen Reinraum von der Stange. Falsche Planung rächt sich schnell. Wie bei jeder Prozessplanung gilt es, die beste Kombination aus Aufwand und Nutzen zu finden – doch ausgerechnet bei der Planung eines so komplexen Prozesses wie der Reinraumproduktion erwarten viele Kunden offenbar Hexerei. Es herrscht durchaus die Erwartung, nach dem Beschluss, in die Reinraumproduktion einsteigen zu wollen, könne alles sehr schnell gehen. Doch es ist unmöglich, auf die Schnelle eine solche Fertigungslinie inklusive passender Umgebung einzurichten. Statt sechs Wochen dauert solch ambitioniertes Vorhaben eher sechs Monate und länger.

Interdisziplinärer Ansatz
Im Reinraum hängt eins mit dem anderen zusammen, die einzelnen reinraumtechnischen Subsysteme sind eng miteinander verknüpft. Daher bleiben nachträgliche Korrekturen, die an einer Stelle vorgenommen werden, nicht ohne Folgen für die anderen Bereiche: Eine andere Maschine verlangt andere Lüftungskonzepte, diese wiederum ziehen eine Änderung der Laufwege nach sich oder gar Umbaumaßnahmen. Daher sind an der Planung mehrere Fachleute zu beteiligen: Neben Vertretern des Verarbeiters gehören Reinraumexperten, Spezialisten des Maschinen- und des Werkzeugbaus und der Materialversorgung zum Team. Je nach geplantem Produktionsaufwand können Fachleute aus den Bereichen Rohstoffe, Weiterverarbeitung, Verpackung und Handhabung hinzugezogen werden.

So viel Reinraum wie nötig
Viel hilft nicht immer viel. Raum-in-Raum-Konzepte sind häufig nicht nur kostengünstiger als großflächige Lösungen, die hohe Investitions- und Betriebskosten verursachen, sondern sorgen oft auch für höhere Reinheit.
Angesichts der aktuellen Unsicherheiten, die viele Märkte erfasst haben, geraten viele Unternehmer ins Zweifeln und hadern mit den hohen Investitionen für einen Reinraum. Diese Einstellung ist im Hinblick auf die internationale Wettbewerbsfähigkeit gefährlich, denn die Produktion in keim- oder partikelarmer Umgebung wird in vielen Industriebranchen immer wichtiger. Außerdem sei zögernden Entscheidern das chinesische Schriftzeichen für das Wort „Krise“ dechiffriert. Es besteht aus zwei Zeichen: eins bedeutet „Gefahr“, das andere „Chance“. Und beide gehören zusammen.


Unser Autor: Prof. Gernod Dittel ist studierter Maschinenbauer. 1993 gründete er die Dittel Engineering, der er heute als CEO vorsteht. Prof. Dittel lehrt den Fachbereich „Reinraumtechnologie“ an der Carinthia University Villach in Österreich sowie am Lehrstuhl für „Neue Technologien“ an der Xi’an Jianotong University in China. Gernod Dittel ist stellvertretender Vorsitzender des Spiegelausschusses im DIN, Vorsitzender des Deutschen Reinrauminstituts und Mitglied in vielen weiteren Gremien.
Kontakt: DITTEL Engineering, Prof. Gernod Dittel, Von-Velsen-Strasse 8, 82431 Kochel am See, Tel: 08857.8990-0, Mobil: 0171.6113047, Mobil: 0175.8915350


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