DE102005063101B4 - Prüfstand zur Erfassung von Partikelemission - Google Patents

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Abstract

Prüfstand zur Erfassung von Partikelemissionen aus reibenden Werkstoffpaarungen, mit
einer Vorrichtung zum Halten der Werkstoffpaarung aus Grundkörper und Gegenkörper und zur Erzeugung von Reibung in der Werkstoffpaarung, einer Vorrichtung zur Erhaltung einer weitgehend laminaren Luftströmung über die Werkstoffpaarung,
eine Messsonde zur Aufnahme von Luft aus der laminaren Luftströmung luftstromabwärts und benachbart zu der Werkstoffpaarung, sowie
eine Vorrichtung zur Erfassung der in der von der Sonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikel,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zur Erhaltung einer laminaren Luftströmung einen luftstromabwärts von der Werkstoffpaarung angeordneten Luftschacht aufweist, der einen konstanten Querschnitt aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand zur Erfassung von Partikelemissionen aufgrund von reibenden (tribologischen) Belastungen an Werkstoffpaarungen. Ein derartiger Prüfstand wird insbesondere zum Einsatz in Reinräumen benötigt, um die dort auftretenden Partikelbelastungen durch eine reibende Werkstoffpaarung zu ermitteln bzw. die dort eingesetzten Werkstoffpaarungen diesbezüglich zu optimieren.
  • Bei einer Fertigung in reinen Bereichen ist der Schutz der Fertigungsteile vor Kontaminationen von größter Bedeutung. Entsprechend müssen potenzielle Kontaminationsquellen in der Produktionsumgebung identifiziert und nach Möglichkeit beseitigt werden. Eine wesentliche Kontaminationsquelle insbesondere für luftgetragene, partikuläre Verunreinigungen sind die für die Produktion erforderlichen Maschinen und Anlagen. Hier gilt es primär, die Entstehung von Kontaminationen zu verhindern, als sekundäre Maßnahmen kommen Vorrichtungen zur Beseitigung oder Kapselung der Kontaminationen in Betracht. Kritische Komponenten sind hier insbesondere Bauteile, bei denen Oberflächen in Kontakt kommen, sich dabei relativ zueinander bewegen und während dieser tribologischen Belastung Partikel generieren. Durch eine problemangepasste Werkstoffauswahl bezüglich der sich berührenden Oberflächen kann die Partikelemission kritischer Komponenten erheblich verringert werden. Durch die modellhafte Simulation der tribologischen Belastung von Werkstoffpaarungen in Kombination mit der Erfassung generierter Partikel wird eine wesentliche Voraussetzung für die objektive Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen geschaffen.
  • Zu den Branchen, in denen die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann, zählen alle Bereiche, deren Fertigung Reinräume der höchsten Luftreinheitsklassen erfordert. Dazu zählt die Halbleiterindustrie, die Fertigung optischer Instrumente, sowie generell die Produktion mit Fertigungsstrukturen im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft also den Bereich der Tribologie, bei der der Verschleiß einer Werkstoffpaarung als Auswirkung von Reibungsvorgängen untersucht wird. Hierbei werden unterschiedlichste Versuche realisiert, die von der Begutachtung von Bauteilen aus realen Produktionsanlagen bis hin zu standardisierten Modellversuchen an definierten Prüfkörpern und beherrschten Versuchsbedingungen reichen. Dabei werden als variable Parameter insbesondere die Anpresskraft, die Relativgeschwindigkeit zwischen den reibenden Werkstoffen aber auch Systemkomponenten, wie Temperatur, relative Luftfeuchte und Vakuum betrachtet.
  • Diese Untersuchungen sind von großer Bedeutung für ein reinheitsgerechtes Anlagendesign bei der Konstruktion von Anlagen und Maschinen für den Einsatz in reinen Bereichen. Maßgeblich sind hier unter anderem die Eigenschaften der Oberflächen hinsichtlich chemischer Beständigkeit, ESD-Verhalten, Ausgasung und Reinigbarkeit. Insofern kommt der Auswahl geeigneter Oberflächen eine besondere Bedeutung zu.
  • Die in den Regelwerken zur Reinraumtechnologie zu findenden Empfehlungen hinsichtlich des Einsatzes unterschiedlicher Oberflächen sind in der Regel sehr allgemein gehalten und unspezifisch. Insbesondere erfolgt nur eine qualitative Beurteilung der angegebenen Materialien, was hinsichtlich der Breite des Anwendungsspektrums in reinen Einsatzbereichen unzureichend ist.
  • Da bei den Anwendern der Bedarf zur Evaluierung von Oberflächen besteht, wird of auf Untersuchungsverfahren zurückgegriffen, die von den jeweiligen Anwendern selbst erarbeitet und dokumentiert werden. Die Ergebnisse dieser Tests sind jedoch nur im Kontext der jeweiligen Versuche verwertbar, eine Vergleichbarkeit mit den Ergebnissen anderer Tests ist aufgrund der unterschiedlichen Vorgehensweisen in der Regel nicht möglich.
  • Eine weiteres Kriterium zur Auswahl von Oberflächen sind Erfahrungswerte aus der praktischen Verwendung Diese Erfahrungen liegen jedoch nicht systematisch und strukturiert vor.
  • Bei den bisher vorhandenen Evaluierungsverfahren haben die Anwender außerdem keine Möglichkeit, von Ihnen favorisierte Werkstoffe hinsichtlich einer potenziellen Partikelemission beim vorgesehenen Reinheitseinsatz miteinander zu vergleichen.
  • Zur Detektion luftgetragener partikelförmiger Verunreinigungen haben sich optische Partikelzähler etabliert. Optische Partikelzähler arbeiten nach dem Streulichtprinzip. Mittels einer Probenahmesonde wird ein definierter Luftvolumenstrom (üblicherweise 1 cubic foot/min = 28,3 l/min) angesaugt und über einen angeschlossenen Messschlauch in eine verspiegelte Messkammer geleitet. Dort wird die Luft durch einen Laserstrahl geführt. Sobald ein vom Luftstrom mitgetragenes Partikel vom Laserstrahl getroffen wird, tritt eine Lichtstreuung auf, die von Photodetektoren erfasst wird. Die Zahl der registrierten Impulse entspricht der Zahl der im Volumen befindlichen Partikel, die Intensität der Impulse ist dabei ein Maß für die Partikelgröße. Durch entsprechende Kalibrierung ist eine Differenzierung der gezählten Partikel in Größenklassen realisierbar.
  • Optische Partikelzähler ermöglichen die echtzeitgetreue Erfassung luftgetragener, teilchenförmiger Verunreinigungen. Die Daten stehen in Echtzeit zur Kontrolle und Bearbeitung mittels PC zur Verfügung. So kann z. B. die Partikelemission von Maschinen und Anlagen direkt während des Betriebs bestimmt werden und der Verlauf der Emission über unterschiedliche Stadien des Betriebs verfolgt werden.
  • Die mit den in der Tribologie vorhandenen gerätetechnischen Lösungen gewonnenen Erkenntnisse lassen jedoch bisher keine Rückschlüsse auf das Partikelemis sionsverhalten entsprechender Werkstoffpaarungen zu. Das Partikelemissionsverhalten ist aber hinsichtlich eines Einsatzes in reinen Bereichen eine wesentliche Größe.
  • Eine kontinuierliche der bei tribologischer Belastung entstehenden Partikel ist mit den vorhandenen Geräten der Tribologie nicht möglich. Weder sind entsprechende Vorrichtungen vorhanden noch entspricht der Aufbau der Geräte den Voraussetzungen, die eine Erfassung der Partikelemission ermöglichen würden.
  • Die Geräte selbst sind insbesondere nicht für die besonderen Anforderungen eines Einsatzes in reinen Bereichen ausgelegt. Dadurch ist eine querkontaminationsfreie Messung der Partikelemission nicht gewährleistet.
  • Die vorliegende Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen Prüfstand zur Verfügung zu stellen, mit dem unter definierter tribologischer Belastung definierte vorausgewählte Werkstoffpaarungen bezüglich der Erzeugung luftgetragener Partikel in Echtzeit untersucht werden können. Dies soll dann auch die Erstellung einer Messgröße ermöglichen, durch die eine standardisierte Beurteilung von tribologischen Werkstoffpaarungen möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch den Prüfstand nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Prüfstandes werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß weist der Prüfstand eine Vorrichtung zum Halten der tribologischen Werkstoffpaarung aus Grundkörper und Gegenkörper auf, mit der auch eine Reibung zwischen diesen beiden Werkstoffen erzeugt werden kann. Es kann sich hier um eine Halterung, wie beispielsweise ein „Backenfutter" in Kombination mit einem motorischen Antrieb, beispielsweise einem Elektromotor, handeln.
  • Weiterhin weist der erfindungsgemäße Prüfstand eine Vorrichtung auf, mit der eine laminare Luftströmung über die Werkstoffpaarung erhalten werden kann. Der erfindungsgemäße Prüfstand ist besonders zum Einsatz in Reinst- oder Reinräumen vorgesehen, in denen gewöhnlich bereits eine laminare Luftströmung von oben (Decke) nach unten (Boden) des Raumes erzeugt wird. Diese laminare Luftströmung wird durch die Vorrichtung zur Erhaltung der laminaren Luftströmung erhalten und über eine Messsonde geleitet. Diese Messsonde dient der Aufnahme von Luft aus der laminaren Luftströmung luftstromabwärts und benachbart zu der tribologischen Werkstoffpaarung. Die so erfasste Luft wird erfindungsgemäß beispielsweise in einem Partikelzähler bezüglich der Partikelfracht vermessen. Der erfindungsgemäße Prüfstand ermöglicht es nun, Materialpaarungen hinsichtlich des für die Fertigung in reinen Bereichen wichtigen Aspekts der Partikelemission zu vergleichen. Auf diese Weise dient er der Auswahl von Materialien und deren Optimierung und damit dem verbesserten Einsatz von Anlagen oder Maschinen in diskreten Luftreinheitsklassen. Die mit dem erfindungsgemäßen Prüfstand gemessene Partikelemission eignet sich als Kinngröße zur Beurteilung reinheitstechnischer Anlagen. Insbesondere ist diese Messgröße eine dynamische Messgröße, während bisherige tribologische Kenngrößen statische Kenngrößen sind. Der erfindungsgemäße Prüfstand ermöglicht eine große Variationsmöglichkeit bei der Ausgestaltung der tribologischen Belastung, beispielsweise der Kraft, mit der Grundkörper und Gegenkörper aufeinander drücken, der Laufstrecke des Gegenkörpers auf dem Grund körper und der Positionierung des Gegenkörpers auf dem Grundkörper. So wird die tribologische Vorgehensweise auch für die Beurteilung der Reinheitstauglichkeit einer untersuchten Werkstoffpaarung erschlossen.
  • Die Partikelemission kann zusätzlich nicht nur quantitativ und in Echtzeit erfasst werden, sondern es bietet sich mit einem Partikelzähler als Vorrichtung zur Erfassung der in der Sonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikeln auch die Möglichkeit, die Größenverteilung der emittierten Partikel zu bestimmen.
  • Insgesamt ist damit erstmals ein auf experimentellen Ergebnissen beruhendes reinraumgerechtes Design der in einem Gerät eingesetzten Einzelkomponenten möglich.
  • Entscheidender Ansatz der vorliegenden Erfindung ist es dabei, die bereits in dem Raum, in dem der Prüfstand aufgestellt wird, befindliche laminare Strömung von oben nach unten zu erhalten und über sowohl die tribologische Werkstoffpaarung als auch über die nachgeordnete Messsonde zu führen. Dabei werden verschiedene Maßnahmen realisiert, die dazu beitragen, dass die Luftströmung laminar ist. Hierzu werden verschiedene Aspekte berücksichtigt, die in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind.
  • Im Folgenden wird nun ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Prüfstand gegeben.
  • Es zeigen
  • 1 das Prinzip des Kugel-Scheibe-Tests;
  • 2 das Prinzip des Scheibe-Scheibe-Tests;
  • 3 einen erfindungsgemäßen Prüfstand im Querschnitt schematisch;
  • 4 denselben Prüfstand wie in 3 in anderem Querschnitt schematisch;
  • 5 den erfindungsgemäßen Prüfstand in Aufsicht;
  • 6 ein Detail des erfindungsgemäßen Prüfstandes;
  • 1 zeigt nun das Prinzip des Kugel-Scheibe-Tests. Beim Kugel-Scheibe-Verfahren wird eine Kugel 2 mit der Normalkraft F bei einem Radius r auf eine Scheibe 3 gepresst. Die Scheibe 3 rotiert dabei mit der Frequenz f, sodass sich an der Kontaktstelle die Relativgeschwindigkeit v ergibt. Die Einzelmessstrecke s berechnet sich aus dem Umfang des Kreises mit dem Radius r. Die Belastungswiederholungszahl N gibt die Anzahl kompletter Umdrehungen der Scheibe unter der Kugel während des Versuchs wieder. Der Radius r entspricht der Position des Gegenkörpers 2 relativ zum Grundkörper 1 und kann beispielsweise mittels einer Rändelschraube eingestellt werden.
  • Das Kugel-Scheibe-Verfahren simuliert eine reine Gleitreibung zwischen zwei Werkstoffen. Die Kontaktstelle ist punktförmig, was bei der Beurteilung der resultierenden lokalen Anpressdrücke zu berücksichtigen ist.
  • 2 zeigt das Prinzip des Scheibe-Scheibe-Tests. Beim Scheibe-Scheibe-Verfahren liegen die Stirnflächen des scheibenförmigen Grundkörpers 1b und scheibenförmigen Gegenkörpers 1a in einer Ebene. Der Umfang des Gegenkörpers wird dann mit der Normalkraft F auf den Umfang des mit der Frequenz f rotierenden Grundkörpers 1b gedrückt, die Scheiben laufen aufeinander ab. Die Einzelmessstrecke s ist hier aus dem Umfang der beiden Scheiben gegeben (in der Regel beide Scheiben 1a und 1b mit gleichem Umfang bzw. Radius r). In Abhängigkeit von der Frequenz f des Grundkörpers ergibt sich an der Kontaktstelle die Relativgeschwindigkeit v. Die Bewegung des Grundkörpers ist dabei reversierend, das Ablaufen der beiden Scheiben 1a und 1b findet nur über max. ¼ des Umfangs statt. Die Frequenz bzw. Relativgeschwindigkeit an der Kontaktstelle folgt dabei einer Dreiecksrampe.
  • Das Prinzip des ebenfalls häufig angewandten Block-Scheibe-Verfahrens wird hier nicht figürlich dargestellt. Es entspricht jedoch demjenigen des Scheibe-Scheibe-Tests, wobei jedoch der Gegenkörper blockiert ist. Dadurch können die Prüfkörper nicht aufeinander ablaufen und es kommt an der Kontaktstelle zu Gleitreibungen. Die Kontaktstelle ist in diesem Falle linienförmig.
  • 3 zeigt nun einen erfindungsgemäßen Prüfstand in seitlicher Schnittansicht. Bei diesem Prüfstand 10 ist auf einem Rahmengestell 28 eine Prüfanordnung angeordnet, mit der tribologische Abriebtests durchgeführt werden können. Das Rahmengestellt 28 weist einen Rahmen aus Seitenpfosten 30, oberen Kanten 31 und unteren Kanten 32 auf, wobei das Rahmengestellt seitlich zumindest an einer der Seiten oder an allen Seiten offen ist. Die Oberseite des Rahmengestells 28 ist mit einem Lochblech 33 abgedeckt, auf dem die oberhalb des Rahmengestells befindlichen Komponenten des Prüfstandes montiert sind. Oberhalb des Lochbleches 33 befindet sich nun eine Halterung 14 für einen Gegenkörper, beispielsweise eine Kugel. Diese Halte rung 14 ist mit einer Krafteinleitungseinheit 13 verbunden, mit der Druckkraft auf den Gegenkörper 14 ausgeübt werden kann. Die Halterung 14 des Gegenkörpers ist über Rändelschrauben 15a und 15b in der Ebene des Lochbleches 33 sowie in der Höhe über dem Lochblech 33 verstellbar.
  • Der Halterung 14, gegenüber angeordnet, ist eine Halterung 18 für einen Grundkörper, der in der vorliegenden 3 mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist. Es handelt sich hier beispielhaft um eine Scheibe für einen Kugel-Scheibe-Test. Die Scheibe 16 wird über eine Vorrichtung zur Übertragung einer Antriebskraft, beispielsweise einer Welle 19, drehbar angetrieben. Die Welle 19 ist im Eingriff mit einem Riemen 21 der nicht nur mit der Welle 19, sondern auch mit einem Motor 22 im Eingriff ist und eine Drehbewegung vom Motor 22 auf die welle 19 überträgt. Zum Ausgleich von Drehgeschwindigkeitsschwankungen ist weiterhin an dem Ende der Welle 19, das der Scheibe 16 abgewandt ist, ein Schwungrad 20 vorgesehen. Die Halterung 18 und die Welle 19 sind über ein Gestell 24 auf der Lochplatte 33 bzw. dem Rahmen 28 angeordnet.
  • Innerhalb des Rahmengestells 28 ist nun ein Partikelzähler 12 herkömmlicher Bauart, beispielsweise ein optischer Partikelzähler, angeordnet. Dieser weist einen Einlassstutzen 38 für Messluft auf, an den ein Schlauch 37 angeschlossen ist. Oberhalb des Partikelzählers 12 erstreckt sich in senkrechter Richtung ein Schacht 35, bis kurz unterhalb der tribologischen Reibungsstelle zwischen dem Gegenkörper und dem Grundkörper 16. An dieser Stelle ist weiterhin unterhalb dieser tribologischen Reibungsstelle eine Messsonde 36 angeordnet, die von oben über die tribologi sche Reibungsstelle strömende Luft auffängt und in den Schlauch 37 und damit über den Stutzen 38 in den Partikelzähler 12 weiterleitet. Der Schacht 35 erstreckt sich dabei sehr weit unterhalb des Lochbleches 33, um eine möglichst laminare Strömung innerhalb des Schachtes und oberhalb des Schachtes 35 zu ermöglichen. Wäre dieser Schacht kürzer ausgeführt, so könnten Verwirbelungen an seinem Ende zurückwirken auf den Einlass des Schachtes 35.
  • Der erfindungsgemäße Prüfstand ist zum Einsatz in einem Reinraum vorgesehen, bei dem bereits anlagentechnisch ein laminarer Luftstrom von oben nach unten vorliegt. Dieser ist in 4 mit Pfeilen A als Reinraumerstluftströmung dargestellt. Wie in 4 zu erkennen ist, ist die Halterung 18 und die Welle 19 mit einer Haube 40 versehen, die die Reinraumerstluft A möglichst gleichmäßig um die Halterung 18 und die Welle herum ableiten soll. Die Haube besitzt an ihrem dem Grundkörper 16 zugewandten Ende ein Blech 43, das einen gefalzten Bereich 44 aufweist, der sich in Richtung der Welle vom Grundkörper 16 weg erstreckt. Dieses Blech 43 dient als Leitblech für die Reinraumerstluft und erzeugt eine Luftströmung um dieses Ablenkblech 43 herum, deren Strömungsrichtung mit den Pfeilen D dargestellt ist. Diese Strömung D strömt dann über die tribologische Reibpaarung in möglichst laminarer Weise, strömt über die Messsonde 36 und dann in den Schacht 35 und verlässt diesen erst wieder an seinem, unteren Ende 39. Durch den Schacht 35 wird bewirkt, dass im Bereich der Messsonde 36 die Luftströmung D noch weitgehend laminar vorliegt.
  • Die Messsonde 36 nimmt dann Messluft auf und leitet sie über den Schlauch 37 in den Partikelzähler 12.
  • Mit dem Pfeil C ist die aus dem Schacht 35 ausströmende, immer noch weitgehend laminare Luftströmung bezeichnet, während im übrigen Bereich innerhalb des Gestelles 28 zumindest teilweise turbulente Strömungen vorliegen, die mit den Pfeilen B bezeichnet sind.
  • 5 zeigt nun eine reale Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prüfstandes, wobei jedoch hier die Halterung 18 und die Welle 19 ohne die Abdeckung durch die Haube 40 dargestellt sind. Demgegenüber ist der Gegenkörper 17 in Form einer Rolle in dieser Figur eingezeichnet. Hier, wie bei den vorigen und bei den nachfolgenden Figuren, bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauelemente.
  • 6 zeigt nun einen Detailausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Prüfstand, nämlich die Haube 40 sowie das Ableitblech 43. In 6 ist zu erkennen, dass die Haube 40 einen gerundeten oberen Bereich 41 aufweist, der in gerade Seitenbleche 42 übergeht. Das Ableitblech 43 besitzt seinerseits eine senkrechte Fläche 45, in die ein Loch 46 eingebracht ist. Die Öffnung 46 dient dem Durchtritt der Welle 19 und der Halterung 18, um den Grundkörper 16 zu haltern. Letztere sind in 6 nicht dargestellt.
  • Das Ableitblech 43 weist einen gefalzten Bereich 44 auf, der sich in Richtung der Welle erstreckt.
  • In 6 ist weiterhin die Messsonde 36 eingezeichnet, die unmittelbar unterhalb der Öffnung 46 angeordnet ist und sich in dem Schacht 35 befindet.
  • Im Folgenden sollen nun die einzelnen Aspekte dieses erfindungsgemäßen Prüfstandes nochmals erläutert werden.
  • Bei der reinraumgerechten Konstruktion des Werkstoffprüfstands 10 wurden folgende Aspekte berücksichtigt:
    Komponenten mit potenziell hohem Partikelemissionsniveau werden im Hinblick auf die meist vorherrschende vertikale Verdrängungsströmung im Reinraum im unteren Bereich des Prüfstands platziert. Dazu zählen der Motor 22, der Schaltschrank mit Kühler 23, und der optische Partikelzähler 12 mit Abluft.
  • Bei der Welle 19 und dem Riemenantrieb 21 ist eine solche Anordnung nicht möglich. Deshalb wird der entsprechende Bereich mit einer abgerundeten Haube 40 gekapselt und zusätzlich durch einen Lüfter 25 die kontaminierte Umgebungsluft nach unten zum Unterboden des Gestells 28 hin abgeführt. Die beweglichen Elemente der Krafteinleitungseinheit 13 sind ebenfalls gekapselt, ein in die Bodenplatte der Krafteinleitungseinheit 13 integrierter Lüfter (nicht dargestellt) sorgt für die Abfuhr kontaminierter Luftvolumina.
  • Die Oberflächen des Werkstoffprüfstands sind alle gut abreinigbar; bei der konstruktiven Umsetzung wurden Hinterschneidungen und Toträume soweit wie möglich vermieden.
  • Dieser reinraumtaugliche Werkstoffprüfstand bietet die Möglichkeit, Werkstoffpaarungen auf unterschiedliche Weise tribologisch zu belasten. Durch die Variationsmöglichkeiten können Belastungen an realen Bauteilen zumindest näherungsweise simuliert werden.
  • Im Bereich der Kontaktstelle von Grundkörper 16 und Gegenkörper 17 unmittelbar oberhalb des Messrohrs 36 wurde die Strömungsführung optimiert, sodass generierte Partikel nicht durch Verwirbelungen einer Detektion entzogen werden.
  • In Reinräumen mit laminarer Verdrängungsströmung wird die hochreine Erstluft A durch die Filterdecke in den Raum eingebracht und durch den Doppelboden abgezogen. Dabei verläuft die Strömung laminar (turbulenzfrei) mit definierter Geschwindigkeit (0,4 bis 0,5 m/s) senkrecht nach unten. Die Strömung wird durch das Ablenkblech 43 zum Luftschacht 35 beschleunigt. Parallel zu den Wänden des Luftschachts 35 entsteht eine laminare Strömung D, insbesondere im Bereich der Kontaktstelle. Durch die Länge des Luftschachts 35 wird erreicht, dass auch an der unteren Austrittsöffnung noch eine laminare Luftströmung C beobachtet werden kann.
  • Für die horizontalen Flächen des Prüfstands wurden Lochbleche 33 belegt, sodass auch hier Stauungen und Turbulenzen minimiert werden. Die Lochbleche verhindern im Zusammenspiel mit der laminaren Strömung auch eine Diffusion kontaminierter Luft aus dem unteren Bereich des Gestells 28 in die Umgebung der Messstelle. Eine vollständige laminare Strömung ist unterhalb der Lochbleche jedoch nicht mehr gewährleistet.
  • Zur Vermeidung von Agglomerationen einzelner Partikel aufgrund elektrostatischer Effekte (ESD-Effekte) wurde der Werkstoffprüfstand 10 durchgehend ableitend konzipiert (Verwendung von leitfähigen Werkstoffen, Standfüßen, etc.). Auch ist eine Erdung der modularen Komponenten gewährleistet.
  • Oberhalb des Werkstoffprüfstands wurden Ionisationsspitzen (nicht dargestellt) angebracht. Diese generieren geladene Luftionen, die durch die vertikale Luftströmung A im Reinraum nach unten bewegt werden und am Prüfstand 10 entstehende Oberflächenladungen neutralisieren.
  • Die konstruktive Umsetzung erlaubt es, zur echtzeitgetreuen Erfassung der bei der tribologischen Belastung entstehenden Partikel unterschiedliche Partikelzähler 12 einzusetzen. Dadurch können in Abhängigkeit von dem beobachteten Partikelaufkommen gezielt Partikelzähler mit geeigneter Größenklassenauflösung verwendet werden. Beispielsweise können bei Werkstoffpaarungen, deren Partikel zur Agglomeration neigen, Partikelzähler mit einer Auflösung größerer Partikel (etwa die geometrischen Partikelgrößenkanäle von 0,7 μm/5,0 μm/10 μm und 25 μm) genutzt werden, um gegebenenfalls Aufschluss über die Stärke der Agglomeratbildungen im Versuch zu erhalten.
  • Hier besteht auch die Möglichkeit, den potenziellen Einsatzort der Werkstoffpaarung 16, 17 zu berücksichtigen. Die Halbleiterindustrie hat mit einem kritischen Partikeldurchmesser von deutlich unter 1 μm die derzeit höchsten Anforderungen hinsichtlich partikulärer Kontaminationen. Bei der Untersuchung relevanter Werkstoffpaarungen können entsprechend Geräte mit einer besseren Auflösung kleiner Partikel (z. B. 0,1/0,2/0,3 μm) zur Anwendung kommen.
  • Die Zufuhr des Probenvolumens an den optischen Partikelzähler 12 erfolgt über den Probennameschlauch 37, der im Messschacht 35 an das Messrohr 36 angeschlossen wird. Das Messrohr 36 ist im 45°-Winkel ange fasst, wodurch eine höhere Zähleffizienz erreicht wird.
  • Die Erfassung der Partikelemissionswerte erfolgt während der tribologischen Belastung der Werkstoffpaarung kontinuierlich und mit festem zeitlichem Messintervall. Die Datenreihe gibt Aufschluss über die Entwicklung der Partikelemission über die gesamte Versuchsdauer. Die Daten liegen im Hinblick auf die untersuchten Größenkanäle in kumulativer Form vor, d. h. die für einen Größenkanal angezeigte Anzahl an Partikeln schließt alle Partikel ein, die gleich groß oder größer als die dem Kanal zugeordnete Partikelgröße ist (Beispiel: Die für den Größenkanal 0,2 μm angegebenen Werte umfassen alle Partikel mit einem Durchmesser ≥ 0,2 μm, also insbesondere auch die Partikel, die im Größenkanal 0,3 μm angezeigt werden). Diese Darstellungsweise hat sich in der Reinraumtechnik und Partikelmesstechnik etabliert.
  • Aus den erhaltenen Daten können dann Kenngrößen abgeleitet werden, die zur Charakterisierung der Werkstoffpaarung hinsichtlich ihres Partikelemissionsverhaltens bei definierter tribologischer Belastung dienen können. Hierzu werden drei Ansätze verfolgt:
    Es werden die Anteile der einzelnen untersuchten Größenkanäle an der Gesamtzahl emittierter Partikel (Zahl der Partikel, die gleich groß oder größer als die kleinsten mit dem Gerät detektierbaren Partikel sind) untersucht. Die Untersuchung erfolgt für den gesamten Versuchsablauf, so dass gegebenenfalls Änderungen bei den Anteilswerten beobachtet werden können.
  • Um Fehlinterpretationen der Werte zu vermeiden, wird als Berechnungsgrundlage für jeden Anteilswert eine bestimmte Mindestgesamtzahl an Partikeln gefordert. Dazu werden die einzelnen Messwerte so weit aufsummiert, dass diese Mindestgesamtzahl an Partikeln gerade erreicht wird. Die Anteilswerte liegen entsprechend nicht zwingend für jeden Messwert vor, das resultierende Intervall der berechneten Anteilswerte ist z. T. nicht einheitlich und kann vom Messintervall abweichen.
  • Es wird eine Charakterisierung des Verlaufes der Partikelemission über die Versuchsdauer vorgenommen. Dabei werden die Partikelmesswerte zunächst einer mathematischen Integration unterworfen, d. h. die Partikelwerte werden über die Versuchsdauer hin aufsummiert. Die erhaltenen Werte geben entsprechend an, wie viele Partikel während des Versuchs insgesamt bis zu diesem Messwert emittiert wurden. Die erhaltenen Kurven entsprechen von der Art dem mathematischen Modell des exponentiellen Wachstums. Mit Hilfe einer nichtlinearen Regression können Regressionskurven erstellt werden, die in der Regel in ausreichender Genauigkeit den Verlauf der Partikelemissionskurve wiedergeben. Diese Regressionskurven können unter Berücksichtigung des mathematischen Ansatzes y = a·ebx (Exponentialkurve) mittels der Parameter a und b eindeutig beschrieben werden und können für die Charakterisierung der der Regressionskurve zugrunde liegenden Partikelemissionskurve verwendet werden. Die Gegenüberstellung unterschiedlicher Werkstoffpaarungen 16, 17 im Hinblick auf ihr Partikelemissionsverhalten wird dadurch erheblich erleichtert.
  • Es wird eine Klassifizierung der Werkstoffpaarungen bezüglich ihres Partikelemissionsverhaltens durchgeführt. Grundlage der Klassifizierung ist die Gesamtzahl der während der tribologischen Belastung emittierten Partikel, wobei die untersuchten Größenkanäle berücksichtigt werden. In Anlehnung an das in der DIN EN ISO 14644-1 dargelegte Verfahren zur Bestimmung der zulässigen Partikelkonzentration unterschiedlicher Luftreinheitsklassen werden unter Berücksichtigung der Versuchsbedingungen Grenzwerte für die angegebenen Größenklassen ermittelt. Der Grenzwert ergibt sich dabei aus dem während des Versuchs untersuchten Luftvolumens (Versuchsdauer multipliziert mit dem konstanten Volumenstrom des Partikelzählers von 28,3 l/min) und den für die jeweilige Luftreinheitsklassen und Größenkanal angegebenen zulässigen Partikelkonzentrationen (Partikel/m3). Der Vergleich dieser Grenzwerte mit den Gesamtzahlen emittierter Partikel ergibt die Klassifizierung der Werkstoffpaarung.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass durch den erfindungsgemäßen Prüfstand tribologische Vorgehensweisen für die Beurteilung der Reinraumtauglichkeit einer untersuchten Werkstoffpaarung erschlossen werden. Die Messgröße „Partikelemission" ist erstmals bei tribologischen Untersuchungen zugänglich, d. h. quantitativ und in Echtzeit erfassbar. Auch die Größenverteilung der emittierten Partikel kann bestimmt werden. Dies alles setzt jedoch das erfindungsgemäße reinraumgerechte Design des Prüfstandes, insbesondere die strömungstechnische Optimierung im Kontaktbereich der Werkstoffpaarung als Ort der Partikelgenerierung, voraus.

Claims (19)

  1. Prüfstand zur Erfassung von Partikelemissionen aus reibenden Werkstoffpaarungen, mit einer Vorrichtung zum Halten der Werkstoffpaarung aus Grundkörper und Gegenkörper und zur Erzeugung von Reibung in der Werkstoffpaarung, einer Vorrichtung zur Erhaltung einer weitgehend laminaren Luftströmung über die Werkstoffpaarung, eine Messsonde zur Aufnahme von Luft aus der laminaren Luftströmung luftstromabwärts und benachbart zu der Werkstoffpaarung, sowie eine Vorrichtung zur Erfassung der in der von der Sonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikel, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erhaltung einer laminaren Luftströmung einen luftstromabwärts von der Werkstoffpaarung angeordneten Luftschacht aufweist, der einen konstanten Querschnitt aufweist.
  2. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Halterung und Erzeugung von Reibung auf einem Gestellrahmen angeordnet ist, dessen Oberseite von einem Lochblech und dessen Seitenwände von geschlossenen Blechen gebildet werden.
  3. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite des Gestellrahmens zumindest teilweise nicht abge deckt ist oder von einem Lochblech abgedeckt ist.
  4. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Halten der Werkstoffpaarung und zur Erzeugung von Reibung in der Werkstoffpaarung eine erste Halterung für den Grundkörper und eine zweite Halterung für den Gegenkörper aufweist sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der ersten Halterung und der zweiten Halterung.
  5. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Halterung drehbar sind.
  6. Prüfstand nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Halterung in Richtung der zweiten bzw. der ersten Halterung verfahrbar sind.
  7. Prüfstand nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Halterung derart angeordnet sind, dass der Fluss der laminaren Strömung zu der Werkstoffpaarung und von der Werkstoffpaarung weg unbehindert ist.
  8. Prüfstand nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Halterung bzgl. der Position von Grundkörper und Gegenkörper in zumindest einer räumlichen Richtung senkrecht zur Andruckrichtung und/oder bzgl. des Anpressdruckes zwischen Grundkörper und Gegenkörper einstellbar sind.
  9. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Halterung durch ein Gehäuse eingehaust sind, wobei die Gehäuseform die laminare Strömung geringstmöglich oder nicht verwirbelt.
  10. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse bzw. die Gehäuse eine strömungsaufwärts abgerundete Haube mit geraden, sich in Richtung der laminaren Strömung erstreckenden Seitenwänden aufweisen.
  11. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der ersten und/oder der zweiten Halterung an ihrer dem Grundkörper bzw. dem Gegenkörper zugewandten Stirnseite ein Leitblech aufweisen, das sich in einer Ebene mit der Richtung der laminaren Strömung erstreckt und im strömungsaufwärts gelegenen Bereich einen in Richtung der Halterung des Grundkörpers abgewinkelten Bereich aufweist.
  12. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech eine Öffnung zum Durchtritt der Halterung des Grundkörpers aufweist.
  13. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde in der der Werkstoffpaarung zugewandten Einlassöffnung des Luftschachtes angeordnet ist.
  14. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Luftschachtes größer als sein Durchmesser ist.
  15. Prüfstand nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Luftschachtes über das 3-fache, vorteilhafterweise über das 5-fache, vorteilhafterweise über das 10-fache seines Durchmessers beträgt.
  16. Prüfstand nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde ein Messrohr mit einem 45° angefasten Querschnitt aufweist oder als isokinetische Messsonde ausgeführt ist.
  17. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung der in der von der Sonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikel mit der Messsonde über einen Schlauch verbunden ist.
  18. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung der in der von der Sonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikel ein optischer Partikelzähler bzw. ein Partikelzähler nach dem Streulichtprinzip ist.
  19. Prüfstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung der in der von der Messsonde aufgenommenen Luft enthaltenen Partikel die Anzahl und/oder Größe der Partikel erfasst.
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