ReinRaumTechnik - HEPA und ULPA Filter als endständige Filter in klassifizierten Reinraumumgebungen müssen strenge Auflagen erfüllen. Sie müssen die vorgegebenen Anforderungen an die Luftqualität zur Optimierung der Prozesseffizienz und Gewährleistung der Produktqualität sicherstellen. Mit zunehmendem Fokus auf Umweltverträglichkeit, angeregt sowohl durch Rechtsvorschriften oder als wesentlicher Bestandteil des Geschäftsmodells, ist der Beitrag der Luftfiltration zur Einhaltung der Nachhaltigkeitsziele sehr wichtig geworden.

Expandiertes PTFE (ePTFE) ist seit über 30 Jahren als Luftfiltrationsmedium im Einsatz. Es besitzt einzigartige Materialeigenschaften wie einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine sehr hohe Stabilität und hervorragende Beständigkeit gegenüber Chemikalien. In kritischen Prozessschritten der Halbleiterfertigung ist es seit Jahren unverzichtbar.
Die neueste, weiterentwickelte Generation der ePTFE Membran von AAF bietet ein deutlich breiteres Anwendungsspektrum und löst daher reges Interesse für verschiedenste sensible Reinraumanwendungen aus. In der Vergangenheit waren ePTFE Membran-Luftfiltermedien nur als ULPA-Filter der Klasse U16 (nach EN1822-1:2009) erhältlich, die heutige möglichkeiten reichen von Klasse H13 bis U16 (nach EN1822-1:2009).
Eine wesentliche Innovation liegt in der bis zu 50 % niedrigeren Betriebsdruckdifferenz. Sie wurde durch weitere patentierte Prozessschritte auf ein Niveau reduziert, welches derzeit von keinem anderen Luftfiltermedium der genannten Filterklassen erreicht wird. Eine aktuelle Vergleichsstudie für mechanische Festigkeit, demonstrierte darüber hinaus die überlegene Leistung des ePTFE Membran Luftfiltermediums gegenüber dem traditionell nass gelegten Mikro­glasfaservlies.

Technologie
Neben der niedrigen Betriebsdruckdifferenz ist der Gesamtabscheidegrad geprüft nach EN 1822-1 (2009) für ePTFE Membran Luftfiltermedien wesentlich höher als bei traditionellen nass gelegten Medien. Der geringere Druckverlust und die verbesserte Effizienz für HEPA Filter mit ePTFE Membranfiltermedien wird durch eine Reihe von Faktoren erreicht. Wesentlichen Einfluss hat der Slip-Flow Air Movement Effekt. Dieses Phänomen ist typisch für Fasern im Nanometer-Bereich < 0,5 µm [1]. Wegen des geringen Ausmaßes der Nanofasern ist der Abstand zwischen den Luftmolekülen deutlich größer als der Faserdurchmesser. Die Luftmoleküle kollidieren kaum mit der Faseroberfläche und behalten so ihre Geschwindigkeit beim Durchqueren des Filtermediums. Da das Luftvolumen die Filtermembran leichter passieren kann, gelangen auch die Verunreinigungen wesentlich näher an die Faseroberfläche und können damit besser abgeschieden werden. Im Gegensatz hierzu erlauben die größeren Faserdurchmesser von nass gelegten Medien keine Slip-Flow Luftbewegung.

Energieeffizienz
Die geringere Druckdiffernz von ePTFE Membran Luftfiltermedien bietet mehrere Vorteile für Reinraumumgebungen. Der auf die Luftfiltration anrechenbare Energieverbrauch, reduziert sich um den entsprechenden Faktor des geringeren Betriebswiderstandes. Mit folgender Gleichung wird der Energieverbrauch eines Luftfilters berechnet [2]:
W = jährlicher Energieverbauch in kWh, = nominaler Luftstrom in m3/s, = mittlere Druckdifferenz in Pa, = Betriebsdauer pro Jahr und = Ventilatorwirkungsgrad.
Basierend auf vergleichenden Labortestergebnissen für ePTFE Membran Luftfiltermedien und nass gelegten Medien lassen sich die resultierenden Einsparungen je nach Betriebseckdaten sehr exakt berechnen. Durch die hohen Luftmengen und meist Ganzjahresvollbetrieb im Reinraum kommen oft erhebliche Kosteneinsparungen zum Tragen.
Neben den direkten Einsparungen, bewirkt eine geringere Druckdifferenz auch andere Vorteile wie reduzierte Betriebsgeräusche des Ventilators, eine Erhöhung der Luftmenge bei identischem Energieverbrauch, reduziertem Strombedarf des Ventilators (damit verbunden kleinere Bauweise und geringerer Kühlbedarf) und kompakter gebaute Anlagen anhand geringerer Media Pack Tiefen der ePTFE Membran Luftfiltermedien.

Betriebssicherheit und Stabilität
Eine Kontamination von klassifizierten Umgebungen hat verheerende Auswirkungen auf die Produktqualität und/oder die menschliche Gesundheit. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung neuer Produkte ist eine gesicherte Leistung kritischer Reinraumbereiche unerlässlich. Daher wurden Richtlinien für die Gestaltung von Fertigungsprozessen in Reinräumen zur Optimierung von Kontaminationskontrollen, wie die GMP für die pharmazeutische und SEMI E44 für die Mikroelektronik-Industrie entwickelt.
Die Untersuchungen der mechanischen Festigkeitseigenschaften von ePTFE Membran Luftfiltermedien gegenüber nass gelegten Medien wurden durch ÖP Textiltestlabor in Deutschland ausgeführt.
Testmethode und Bedingungen:

• 1. Die Zugfestigkeit zur Identifizierung der Bruchkraft und Bruchdehnung gemäß DIN EN 29073-3.
• 2. Messung des Berstdrucks für Flachmedien gemäß DIN EN 13938-2.
• 3. Abriebfestigkeit nach DIN EN 12947-2.

Die in Abbildung 2 beschriebenen Testergebnisse zeigen die überlegene Leistung der ePTFE Membran Luftfiltermedien in allen Tests (Abb. 2). Für kritische Reinraumprozesse lässt sich somit das Prozess- und Qualitätsrisiko drastisch reduzieren. Risikominderung ist nach ISO/IEC Guide 73:2009 [3] wie folgt definiert:

• Risiko = Eintrittswahrscheinlichkeit x Auswirkungen des Ereignisses
• Speziell für endständige Filter in Reinräumen kann diese Definition von Risiko umbenannt werden in:
• Risiko = Wahrscheinlichkeit des Filterausfalls x Auswirkungen des Filterausfalls

Der Defekt von endständigen Filtereinheiten führt zu Kontamination von Produkt und/oder Menschen. Dies kann einen Verlust der Produktionsmenge, teure Ausfälle und Rückrufaktionen oder schwere Schäden an Leib und Seele nach sich ziehen. Das Risiko von Filtermedienausfällen sollte daher auf ein Minimum reduziert werden. Basierend auf den Ergebnissen der Forschung zur vergleichenden mechanischen Festigkeit, tragen Luftfilter mit ePTFE Membran Luftfiltermedien zur Reduzierung dieses ersten Teils der Gleichung bei. Aufgrund der langen Lebensdauer von HEPA- und ULPA-Filtern, wird die Möglichkeit einer Schädigung des Filters bei der Installation, Wartung und Re-Qualifizierungsaktivitäten verringert. Die Konsequenz ist eine geringere Wahrscheinlichkeit von gefährlichen Kontaminationen in Reinraumumgebungen.

Literatur auf Anfrage bei den Autoren erhältlich.