¿Cómo se supervisan los sistemas de aire en la fabricación de semiconductores?

Los sistemas de aire en la fabricación de semiconductores se supervisan mediante instrumentos de presión diferencial que miden el caudal de aire, el estado de los filtros, el rendimiento del sistema de extracción y las relaciones de presión entre los espacios controlados.

Mantener un flujo de aire y una presión ambiental adecuados es esencial para controlar las partículas en suspensión en las salas limpias de semiconductores. Pequeños cambios de presión pueden indicar que un filtro está obstruido, que el flujo de aire es insuficiente, que hay un problema en el sistema de extracción o que se ha perdido la presión positiva que ayuda a evitar que los contaminantes entren en una zona controlada.

Con décadas de experiencia en el diseño de instrumentos de presión para entornos controlados, Ashcroft ayuda a los fabricantes de semiconductores y a los diseñadores de sistemas a evaluar soluciones de medición para los sistemas de aire de las salas blancas. Lee este artículo para descubrir cómo los instrumentos de presión diferencial contribuyen al funcionamiento de las unidades de ventilación con filtro, los sistemas de filtración, los sistemas de extracción y la presurización de las salas blancas.

¿Por qué son importantes los sistemas de aire en la fabricación de semiconductores?

Los sistemas de aire ayudan a mantener el entorno controlado necesario para la fabricación de semiconductores mediante la filtración del aire, la gestión de la ventilación y el control del flujo de aire entre los distintos espacios.

Una gestión adecuada del aire contribuye a varias funciones importantes:

• Control de partículas: El aire filtrado reduce los contaminantes en suspensión que podrían afectar a las obleas, a los procesos sensibles o a los equipos de fabricación. La norma ISO 14644-1 establece el marco para clasificar la pureza del aire de las salas blancas en función de la concentración de partículas en suspensión.
• Dirección del flujo de aire: Las diferencias de presión controladas ayudan a que el aire se desplace desde los espacios más limpios hacia las zonas menos controladas.
• Ventilación: Los sistemas de extracción extraen el aire de las zonas designadas y ayudan a mantener el equilibrio deseado entre el aire de entrada y el de salida.
• Coherencia del proceso: Unas condiciones ambientales estables contribuyen a reducir las variaciones que podrían afectar a la calidad o al rendimiento de la fabricación.

Aunque estos sistemas funcionan a presiones muy bajas, incluso un pequeño cambio puede afectar al flujo de aire o indicar que hay alguna parte del sistema que requiere atención.

¿Cómo ayuda la presión diferencial a evaluar los sistemas de aire para semiconductores?

Los transductores de presión diferencial permiten a los equipos de mantenimiento comparar la presión en dos puntos de un sistema de aire. Los puntos de medición dependen de la aplicación. Pueden colocarse a ambos lados de un filtro, entre salas contiguas o en puntos seleccionados de un conducto de aire.

Estas mediciones pueden ayudar a determinar si:

• El aire circula correctamente: la lectura permite confirmar que el aire fluye en la dirección prevista entre los espacios controlados.
• Un filtro se está obstruyendo: un aumento de la diferencia de presión a través del filtro puede indicar una acumulación de partículas.
• Un ventilador funciona según lo previsto: las variaciones de presión pueden indicar una disminución del rendimiento del ventilador o cambios en las condiciones del sistema.
• Un sistema de extracción funciona correctamente: esta medición puede ayudar a confirmar el flujo de aire a través de los conductos y los equipos de ventilación.
• Se mantiene la presión de la sala: un medidor de presión diferencial puede controlar la relación entre una sala limpia y un espacio contiguo.

La presión diferencial suele expresarse en pulgadas de columna de agua, o in. H₂O. Las diferencias de presión en las salas blancas pueden ser tan solo una pequeña fracción de una pulgada de columna de agua, por lo que el instrumento debe estar diseñado para medir presiones muy bajas.

¿Cómo se supervisan las unidades de ventilación con filtro y los filtros?

Las unidades de filtrado con ventilador y los filtros se supervisan midiendo la presión diferencial asociada al flujo de aire y a la resistencia al flujo.

Las unidades de ventilación con filtro, conocidas comúnmente como FFU, combinan un ventilador con un filtro de alta eficiencia para suministrar aire limpio al espacio de fabricación. Se pueden instalar varias unidades en el techo de la sala limpia para proporcionar un flujo de aire filtrado uniforme.

¿Cómo puede la presión diferencial revelar el rendimiento de un ventilador?

La presión diferencial puede revelar el rendimiento del ventilador, ya que indica si la unidad está generando las condiciones de flujo de aire previstas. Dependiendo del diseño del sistema, la presión puede medirse a través del ventilador o en puntos seleccionados del sistema de distribución de aire. Las variaciones en la lectura pueden indicar:

• Rendimiento reducido del ventilador: una diferencia de presión inferior a la esperada puede indicar que el ventilador no está generando el caudal de aire necesario.
• Restricciones del flujo de aire: un valor inesperado puede indicar una obstrucción u otra afección que limite el movimiento del aire.
• Cambios en la posición del regulador: Un cambio en la posición del regulador puede alterar la resistencia del sistema y afectar a la presión medida.
• Distribución irregular del aire: la comparación de las mediciones realizadas en distintas zonas puede ayudar a identificar variaciones en la distribución del aire.

La señal del instrumento también puede enviarse a un sistema de gestión o control del edificio, lo que permite a los equipos de mantenimiento realizar un seguimiento de las tendencias y recibir alertas cuando las condiciones se salen de los límites establecidos.

¿Cómo indica la presión diferencial el estado del filtro?

La presión diferencial indica el estado del filtro midiendo la resistencia al flujo de aire a través del mismo. A medida que se acumulan partículas, se necesita más presión para mantener el mismo caudal de aire. Esto hace que aumente la presión diferencial a través del filtro.

El seguimiento de este indicador puede ayudar a los equipos de las instalaciones a:

• Detecta las restricciones que se van produciendo: un aumento gradual puede indicar que el filtro se está saturando de partículas.
• Planificar el mantenimiento basado en el estado: los equipos pueden basarse en el rendimiento real del sistema para tomar decisiones sobre la sustitución de filtros, en lugar de guiarse únicamente por un calendario fijo.
• Detecta los cambios repentinos: un aumento o una disminución brusca puede indicar que el filtro está dañado, que hay una fuga, que la instalación no es correcta o que existe algún otro problema en el sistema.
• Confirmar los resultados de la sustitución: Una comprobación tras la intervención puede ayudar a los equipos a evaluar si el nuevo filtro y los componentes relacionados funcionan correctamente.

La velocidad del ventilador, la posición del regulador de tiro y la demanda de flujo de aire también pueden influir en la lectura. Por lo tanto, la presión diferencial del filtro debe evaluarse junto con otros datos del sistema.

¿Cómo se controla el flujo de aire en los sistemas de extracción y de volumen de aire?

Los sistemas de extracción y de volumen de aire se supervisan mediante mediciones de presión diferencial para evaluar el flujo de aire a través de los conductos y los equipos de ventilación. Las instalaciones de semiconductores utilizan sistemas de extracción para eliminar el aire de las zonas de proceso y mantener el equilibrio deseado entre el suministro y la extracción. Un flujo de aire de extracción excesivo o insuficiente puede afectar a la presión de la sala y al control ambiental general.

Una forma de determinar el caudal de aire consiste en medir la diferencia entre la presión estática y la presión total en puntos seleccionados de un conducto. Un elemento de medición de caudal, como un tubo de Pitot, proporciona los datos de presión al instrumento de presión diferencial. 

La relación entre la presión diferencial y la velocidad del aire no es lineal. Esto significa que un pequeño cambio de presión en el extremo inferior del rango puede suponer un cambio significativo en el caudal de aire.

El control de los gases de escape y del volumen de aire puede ayudar a los equipos a:

• Comprobar el flujo de aire en los conductos: Las mediciones indican si el aire circula por los conductos tal y como está previsto.
• Detectar cambios en el rendimiento: un cambio puede indicar una restricción del flujo de aire o una disminución del rendimiento del ventilador.
• Equilibrar el suministro y la extracción: La información sobre la presión puede ayudar a los equipos de mantenimiento a mantener la relación deseada entre el aire que entra y el que sale.
• Control del sistema de asistencia: La salida del instrumento puede proporcionar información de retroalimentación a los sistemas de control de la ventilación.

El rango de presión debe seleccionarse con cuidado. Un rango demasiado amplio puede no ofrecer la resolución suficiente en condiciones normales, mientras que un rango demasiado estrecho puede no dar cabida a las variaciones previstas.

¿Cómo se mide la presurización de una sala limpia?

La presurización de una sala limpia se mide normalmente comparando la presión en el interior de la sala limpia con la presión en un espacio adyacente.

Las salas limpias de semiconductores suelen mantenerse a una presión ligeramente superior a la de las zonas circundantes, que están menos controladas. Cuando se abre una puerta, esta presión positiva favorece que el aire salga de la sala limpia, en lugar de permitir que entre aire sin filtrar.

Algunas instalaciones cuentan con varias zonas con presión controlada, en las que las áreas más limpias se mantienen a presiones relativas más elevadas. Los instrumentos de presión diferencial permiten supervisar estas relaciones entre las salas blancas, las salas contiguas y los pasillos.

Las mediciones de la presión en las salas permiten a los equipos de mantenimiento:

• Comprueba la dirección del flujo de aire: la presión positiva favorece que el aire se desplace hacia el espacio menos controlado.
• Detectar una pérdida de presión: una lectura baja puede indicar que hay una puerta abierta, un problema con el ventilador o un desequilibrio en el flujo de aire.
• Admite ajustes automáticos: la señal de salida puede ayudar a un sistema de control a regular los ventiladores, los reguladores de caudal o el volumen del flujo de aire.
• Análisis de desviaciones: los datos registrados permiten a los equipos de las instalaciones identificar tendencias en la presión e investigar los cambios en las condiciones.

Una mayor presión no es necesariamente mejor. Una presión excesiva en la sala puede dificultar el funcionamiento de las puertas y aumentar las necesidades de ventilación. El valor de consigna adecuado depende del diseño de las instalaciones y de los requisitos aplicables a la sala limpia. 

¿Por qué resulta tan complicado medir presiones muy bajas?

La medición de presiones muy bajas supone un reto, ya que incluso las condiciones ambientales y de instalación más insignificantes pueden influir notablemente en la lectura. Entre los factores importantes se incluyen:

• Cambios de temperatura: Las variaciones de temperatura pueden afectar a la densidad del aire en el interior de los tubos de presión y provocar errores de medición.
• Instalación de los tubos: los tramos largos, las curvas cerradas, las obstrucciones o las fugas pueden afectar a la forma en que la presión llega al instrumento.
• Orientación de montaje: Algunos instrumentos de baja presión deben instalarse en una posición concreta para mantener el rendimiento especificado.
• Vibraciones: Los ventiladores y otros equipos mecánicos pueden provocar vibraciones cerca del instrumento o de las líneas de detección.
• Desviación del cero: un pequeño cambio en el punto cero puede resultar significativo cuando todo el rango de medición es muy bajo.
• Turbulencias de aire: Un flujo de aire inestable cerca de un punto de medición puede provocar lecturas fluctuantes que no reflejan las condiciones generales del sistema.

Seguir las instrucciones de instalación del fabricante y ubicar cuidadosamente los puntos de detección puede ayudar a limitar estos efectos.

¿Qué hay que tener en cuenta a la hora de elegir un instrumento?

A la hora de seleccionar un instrumento para un sistema de aire de semiconductores, hay que tener en cuenta qué se va a medir, el rango de presión previsto y cómo se va a utilizar la medición.

Entre los aspectos clave a tener en cuenta se incluyen:

• Rango de presión: Selecciona un rango que cubra las condiciones previstas y que, al mismo tiempo, ofrezca una resolución adecuada cerca del punto de funcionamiento normal.
• Precisión y estabilidad: Determina la tolerancia de medición necesaria y el nivel de deriva a largo plazo que la aplicación puede admitir.
• Tiempo de respuesta: El control del caudal de aire puede requerir una respuesta más rápida que la medición básica de las condiciones del filtro.
• Sentido de medición: Compruebe si la aplicación mide la presión en una sola dirección o si debe detectar tanto la presión positiva como la negativa.
• Integración del sistema: Asegúrese de que la señal de salida sea compatible con el sistema de gestión o control del edificio de la instalación.
• Funcionalidad local: una pantalla puede facilitar la observación, mientras que las salidas de los interruptores pueden servir para activar alarmas o controlar equipos.
• Acceso para el mantenimiento: Ten en cuenta cómo se revisará o calibrará el instrumento tras su instalación.

Los transductores de presión diferencial Ashcroft® CXLdp, DXLdp y GXLdp son ejemplos de instrumentos de baja presión que pueden utilizarse para la presurización de salas blancas, la supervisión de filtros y el control del flujo de aire. La elección del instrumento adecuado depende del rango de presión, el rendimiento requerido y el diseño del sistema.

Más información sobre la medición de presión con semiconductores

El tratamiento del aire es uno de los diversos ámbitos en los que la medición de la presión contribuye a la fabricación de semiconductores. Los instrumentos de medición de la presión también pueden utilizarse en los sistemas de suministro de gas, distribución de productos químicos, agua ultrapura y otros sistemas de instalaciones y procesos.

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