Razvoj tehnologije nam je omogočil proizvodnjo vedno manjših elektronskih komponent. V sodobnih elektronskih vezjih imamo na tisoče miniaturnih elementov, ki so veliki nekaj nanometrov.
Avtor: Emanuel Nikl Hutinski, mag. el.
Laboratorij za elektronske in informacijske sisteme (LEIS)
Inštitut za elektroniko in telekomunikacije (IETK)
Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko (FERI)
Univerza v Mariboru (UM)
Takšna velikost komponent pomeni, da so prašni delci večji od samega izdelka in da je nadziranje parametrov okolice kritično za produkt.
Na kvaliteto končnega produkta vplivajo dejavniki kot je temperatura, pritisk in vlažnost. Zaradi tega smo prisiljeni v izgradnjo tako imenovane čiste sobe. Čista soba je okolje v katerem je potrebno nadzirati številne parametre in jih vzdrževati. Takšni parametri so kontaminacija prostora, pritisk v prostoru, temperatura v prostoru, vlažnost v prostoru, omejen dostop osebja in diferencial pritiska med sobo in predsobo oziroma koridorjem ali okolico.
Temperatura in vlažnost sta pomembna dejavnika, katera nujno potrebujeta nadzor in vzdrževanje. Razlogov za to je več in se navadno nanašajo glede na namen čiste sobe. Za primer si lahko vzamemo formacijo in zdravstvo, kjer je pomemben nadzor temperature in relativne vlažnosti. Z nadzorom temperature in relativne vlažnosti se zaščitimo pred ekstremnimi dogodki, ki lahko vplivajo na kožo človeka/operaterja, ali na oblačila v čisti sobi, ki se lahko uničijo in povzročijo kontaminacijo čiste sobe.
V primeru, da se ukvarjamo z občutljivo elektroniko moramo paziti, da omejimo rast mikrobov in nadzor statičnega naboja ter hkrati zagotoviti udobje zaposlenih, saj lahko že najmanjše napake močno vplivajo na kvaliteto izdelka. Eden izmed glavnih krivcev za to je relativna vlažnost (RH). Relativna vlažnost sicer vpliva na več dejavnikov v čisti sobi in sicer:
- Prevelika relativna vlažnost v čisti sobi bi povečala rast bakterij in posledično kontaminirala čisto sobo
- Statična elektrika se pojavi takrat, ko se stakneta dva materiala in si izmenjata valenčni elektron, vlažnost v zraku naredi zrak bolj prevoden in absorbira ter enakomerno porazdeli odvečne naboje. To pomeni, da okolje z visoko vlažnostjo ne drži statičnega naboja.
- Prevelika vlažnost v čisti sobi poveča možnost korozije kovin oziroma jo pospeši
- Prevelika vlažnost v čisti sobi lahko povzroči nabiranje kondenzacijske vlage
- Prevelika relativna vlažnost v čisti sobi lahko povzroči večjo absorpcijo snovi
- Prevelika relativna vlažnost lahko v čisti sobi pospeši degradacijo snovi
- Prevelika relativna vlažnost v čisti sobi moti osebje v njej, saj povzroči potenje osebja
- Prenizka relativna vlažnost v čisti sobi lahko vodi v suhost, razpokano kožo, nelagodje pri dihanju ter vpliva na nezadovoljstvo osebja.
- Razpon relativne vlažnosti se giblje nekje med 40% in 60%, saj v tem območju zmanjšamo vpliv bakterij ter hkrati zadostimo delo v območju dobrega osebnega udobja.
Na sliki 1 je graf, ki prikazuje povezavo med temperaturo in relativno vlažnostjo in kako ta parametra vplivata na samo udobje osebja. Na sliki 2 je prikazano kako relativna vlažnost vpliva na rast statičnega naboja v prostoru.
Absolutni in relativni tlak
Pri načrtovanju čiste sobe je pametno razmisliti o kaskadnih prehodih ali čistih koridorjih, ki nam pomagajo, da čista soba ostane čista. V kolikor v čisti sobi uporabljamo materiale z nizko vlažnostjo npr. tabletke, kapsule, proizvodnjo čipov ipd. se tveganje za nastanek napak poveča zaradi kontaminacije. Pod kontaminacijo sodi vse kar lahko pokvari proces ali ustvari nečistoče v produktu, navadno so za to krivi ljudje, ki vstopajo v prostor čiste sobe. Ti seboj prinesejo razne prašne delce, ki se nahajajo v predsobi čiste sobe, na oblačilih, ali pa kontaminirajo z mikroskopskimi delci kože, ki se odražajo v obliki praha, olja, las in raznih telesnih tekočin. Najpogostejši dejavniki kontaminacije so trdne snovi, kot je prah, ter kapljevine, kot so razni plini. Kontaminacijo merimo s številom trdnih delcev na kubični meter zraka. Delci so minimalnih dimenzij in se merijo v mikronih(človeški las je debel približno 50-70 mikronov). Čiste sobe se klasificirajo glede na velikost delcev v zraku, le-ti so lahko veliki največ 0,5 mikrona.
Prašni delci ter plini, se vedno gibljejo v smeri iz prostora z višjim pritiskom v prostor z nižjim pritiskom, kot je prikazano na sliki 3. Zaradi tega naravnega pojava je potrebno vedno spremljati oziroma nadzorovati tlak v čisti sobi, predsobi čiste sobe, kaskadnem prehodu, čistem koridorju ter okolico. Obstajata dve vrsti tlaka , ki se običajno uporabljata v čistih prostorih:
- absolutni tlak
- relativni tlak
Absolutni tlak je dejanski tlak zraka v čistem prostoru, merjen glede na vakuum. Običajno je izražen v enotah pascal (Pa). Relativni tlak je razlika v tlaku med dvema točkama oziroma med čistim prostorom in okolico . Pozitiven relativni tlak pomeni, da je zračni tlak v čisti sobi višji od zunanjega, medtem ko negativni relativni tlak pomeni, da je zračni tlak v čisti sobi nižji kot zunaj. Tlak v čisti sobi moramo konstanto vzdrževati tako, da imamo ves čas pozitiven relativen tlak. Razliko med tlakom v okolici in čisto sobo določimo glede na standard katerega moramo izpolnjevati, navadno pa se giblje med 5 do 40 Pa. Če naprave za vzdrževanje tlaka v prostoru ne morejo več vzdrževati diferencialnega pritiska med prostori in okolico je to znak, da moramo zamenjati ali očistiti HEPA filter, ki skrbi, da čiste sobe ne kontaminiramo z zrakom iz okolice.
Čiste sobe se kvalificirajo v različne standarde, ki jih klasificiramo v različne razrede. Osnovni standard za čiste sobe je ISO 14644, ki je razdeljen na več delov. Najmanj zahtevnejši razred sodi v ISO 9 standard, kateri dopušča 35.200.000 delcev velikosti 0,5um v enem kubiku zraka. Formacijske čiste sobe morajo zadoščati minimalno klasi ISO 5, kjer je dovoljeno 3.520 takšnih delcev v enem kubiku zraka, čiste sobe v katerih je glavni produkt mikroelektronika pa mora izpolnjevat vsaj klaso ISO 4, katera dopušča 352 takšnih delcev v enem kubiku zraka. Podrobna klasifikacija je prikazana na sliki 4.
Zasnova senzorskega sistema po konceptu Interneta Stvari (IoT)
Senzor temelji na programirljivem sistemu podjetja Olimex, ki je zgrajen iz integriranega vezja ESP32-POE-EA-IND. Razvojna plošča nam omogoča napajanje preko Ethernet priključka (Power over Etthernet – PoE), kar naredi integracijo senzorskega sistema v čisto sobo preprostejšo, saj potrebujemo le omrežno stikalo, ki omogoča napajanje preko priključka do Ethernet omrežja (PoE). Ethernet omrežje pa nam omogoča uporabo omrežnega protokola MQ Telemetry Transport oz. MQTT, ki je zasnovan za povezave z oddaljenimi lokacijami. Povezava poteka preko transportnega protokola, ki zagotavlja urejeno dvosmerno povezavo brez izgub, najpogosteje preko TCP/IP protokola. Za razvojno ploščo smo v programskem orodju Altium Designer narisali tiskano vezje, ki je prikazano na sliki 5 in sliki 8, katero vsebuje senzor diferencialnega pritiska ter temperature (SM9333) in senzor relativne vlažnosti, temperature ter pritiska (MS8607). Oba senzorja imata komunikacijo preko vodila I2C z različnimi naslovi, kar nam omogoča preprosto gospodar-suženj komunikacijo na enem I2C vodilu. Shema celotnega sistema je predstavljena na sliki 6
Potek programa
Programska koda na vgrajenem mikrokrmilniku deluje tako, da najprej ponastavi povezavo vmesnika Ethernet med mikrokrmilnikom in omrežnim stikalom. Ker uporabljamo več IoT senzorjev za čisto sobo naenkrat, moramo vsaki napravi dodeliti omrežni naslov dostopa do medija (MAC naslov) preko katerega se kasneje identificira. Po uspešno vzpostavljeni povezavi program ponastavi MQTT teme oziroma MQTT topics, ter sam MQTT. Po uspešno vzpostavljeni povezavi do interneta in serverja lahko vzpostavimo podatkovno komunikacijo med gospodarjem in sužnjem. I2C nastavimo tako, da deluje na konstantni frekvenci 100 kHz, saj na tej frekvenci delujeta oba senzorja. Senzor MS8607 ima možnost kompenziranja temperature in pritiska, saj vplivata en na drugega, zato je potrebno predhodno nastaviti in izračunati osnovne kompenzacijske parametre, s katerimi si naknadno izračunamo točne vrednosti. Po opravljenih ponastavitvah začne senzorski sitem zbirati podatke periodično na 50 ms. Ko prejmemo vse podatke iz senzorjev program pogleda ali obstaja naprava v omrežju, ki želi vedeti parametre čiste sobe. V kolikor takšne naprave ni, senzor nadaljuje s periodičnim branjem parametrov. Če se v omrežju pojavi naprava katera želi vedeti parametre čiste sobe, podatke, ki so v obliki strukture, zapakira v objektni zapis JavaScript (JSON) in jih pošlje preko MQTT na server, posamezni element strukture kasneje izrišemo na grafu. Potek programa je grafično prikazan na diagramu poteka na sliki 7.
Izvedba mehanskega dela
Po končanem programskem delu je potrebno senzorski sistem zapakirati v ohišje, ki je primerno za namestitev v čisto sobo. Pri tem moramo biti pozorni, da so senzorski deli izpostavljeni okolju, ki ga merimo. Tako mora biti senzor, ki meri relativno vlažnost prostora izven ohišja vendar vseeno zaščiten pred zunanjimi udarci, da ne pride do trajnih mehanskih poškodb. Enako velja za senzor, ki meri diferencialni pritisk, temperaturo prostora in pritisk v prostoru. Ohišje mora prav tako imeti dostop do USB priključka, ki omogoča programiranje mikrokrmilnika v primeru, da nastane kakšna napaka in ga je potrebno reprogramirati. Ohišje mora prav tako imeti vhod do Ethernet priključka, da se vezje lahko napaja in pošlje podatke na server. Končna izvedba senzorskega sistema je računalniško upodobljena na slikah 9 in 10, realna izvedba brez ohišja pa je prikazana na sliki 11. Takšen izdelek je pripravljen za takojšno implementacijo v čiste sobe. Interval, s katerim želimo brati podatke si lahko uporabnik nastavi po želji, saj ta ni določen s programsko kodo na mikrokrmilniku ampak ga določi uporabnik glede na njegove potrebe.
Shranjevanje in prikaz merilnih rezultatov
Za prikaz rezultatov meritev oziroma trenutnega stanja parametrov se uporablja klasični IoT koncept. To pomeni, da naš senzorski sistem najprej zajame vse meritve in jih posreduje v oblak, ki uporablja MQTT protokol. MQTT je komunikacijski protokol, ki napravam omogoča objavljanje in naročanje na sporočila, zaradi česar je idealna rešitev za aplikacije IoT. Oblak služi kot centralizirano skladišče za vse podatke, zbrane s temi napravami, do katerih je mogoče dostopati, analizirati in obdelati od koder koli z internetno povezavo. Kombinacija MQTT-ja z oblakom zagotavlja razširljivo in prilagodljivo rešitev za sisteme IoT, ki podjetjem omogoča učinkovito upravljanje in uporabo podatkov, ki jih ustvarijo povezane naprave. Sistem torej tvori omrežje povezanih naprav, ki zbirajo in posredujejo podatke, kateri se shranijo v bazo PostGreSql v kateri lahko dostopamo do celotne zgodovine meritev. To nam omogoča preprosto diagnosticiranje v primeru napake. Za prikaz aktualnih meritev se uporablja programska oprema Grafana, v kateri je izveden grafični prikaz kot časovni potek parametrov in nadzor le-teh. Opisan sistem je že implementiran v podjetju SkyLabs, kjer morajo dosegati standarde čiste sobe za vesoljske tehnologije. Na sliki 12 je prikazana čista soba v podjetju SkyLabs ter grafični vmesnik na katerem se spremljajo aktualne meritve čiste sobe.
Viri:
Vir1:https://www.ivtnetwork.com/article/humidex-cleanroom-why-temperature-and-humidity-control-matters (junij 2022, podatki prvi graf)
Vir2:https://www.pharmout.net/basic-cleanroom-requirements/ (nekaj informaciji)
Vir3:https://staticdefense.com/static-shock-explained/ (junij 2022, podatki za drugi graf)
