ANALYSE ESSENTIELLE DE LA SALLE BLANCHE

Introduction

La salle blanche est essentielle à la maîtrise de la pollution. Sans elle, la production en série de pièces sensibles à la pollution est impossible. Selon la norme FED-STD-2, une salle blanche est définie comme un espace doté de systèmes de filtration, de distribution et d'optimisation de l'air, de matériaux de construction et d'équipements adaptés, et où des procédures opératoires régulières et spécifiques sont mises en œuvre pour contrôler la concentration de particules en suspension dans l'air et atteindre le niveau de propreté particulaire requis.

Pour obtenir un niveau de propreté optimal en salle blanche, il est essentiel non seulement de mettre en œuvre des mesures de purification de l'air adéquates, mais aussi d'exiger des procédés, de la construction et des autres spécialités qu'elles prennent les mesures appropriées : une conception rationnelle, une construction et une installation rigoureuses conformes aux spécifications, ainsi qu'une utilisation correcte de la salle blanche et une maintenance et une gestion scientifiques. De nombreuses publications, tant nationales qu'internationales, abordent la question de l'obtention d'un niveau de propreté optimal en salle blanche sous différents angles. En pratique, il est difficile d'atteindre une coordination idéale entre les différentes spécialités, et les concepteurs peinent à maîtriser la qualité de la construction et de l'installation, ainsi que celle de l'utilisation et de la gestion, en particulier cette dernière. En ce qui concerne les mesures de purification des salles blanches, de nombreux concepteurs, voire des entreprises de construction, négligent souvent les conditions nécessaires, ce qui entraîne un niveau de propreté insuffisant. Cet article présente brièvement les quatre conditions nécessaires au respect des exigences de propreté en matière de purification des salles blanches.

1. Propreté de l'air ambiant

Pour garantir que la propreté de l'air fourni réponde aux exigences, la clé réside dans la performance et l'installation du filtre final du système de purification.

Sélection du filtre

Le filtre final du système de purification est généralement un filtre HEPA ou un filtre sub-HEPA. Selon les normes en vigueur dans mon pays, l'efficacité des filtres HEPA est classée en quatre catégories : classe A (≥ 99,9 %), classe B (≥ 99,9 %), classe C (≥ 99,999 %) et classe D (≥ 99,999 % pour les particules ≥ 0,1 µm, également appelée filtre ultra-HEPA). Les filtres sub-HEPA (pour les particules ≥ 0,5 µm) offrent une efficacité de 95 à 99,9 %. Plus l'efficacité est élevée, plus le filtre est cher. Par conséquent, lors du choix d'un filtre, il convient de prendre en compte non seulement les exigences de pureté de l'air ambiant, mais aussi le rapport coût-efficacité.

Du point de vue des exigences de propreté, le principe est d'utiliser des filtres à faible performance pour les salles blanches de faible niveau et des filtres à haute performance pour les salles blanches de haut niveau. De manière générale : les filtres à haute et moyenne efficacité conviennent au niveau 1 million ; les filtres HEPA sub-HEPA ou HEPA de classe A sont utilisés pour les niveaux inférieurs à 10 000 ; les filtres de classe B pour les niveaux de 10 000 à 100 ; et les filtres de classe C pour les niveaux de 100 à 1. Il semble donc qu'il existe deux types de filtres pour chaque niveau de propreté. Le choix entre filtres à haute et basse performance dépend de la situation : en cas de forte pollution environnementale, de taux d'extraction d'air intérieur élevé ou si la salle blanche revêt une importance particulière et exige un facteur de sécurité plus important, un filtre de haute performance est recommandé ; dans le cas contraire, un filtre à performance moindre peut être choisi. Pour les salles blanches exigeant le contrôle des particules de 0,1 µm, les filtres de classe D sont recommandés, quelle que soit la concentration de particules contrôlée. Ce qui précède ne concerne que le filtre. En réalité, pour choisir un bon filtre, il faut également prendre en compte les caractéristiques de la salle blanche, du filtre lui-même et du système de purification.

Installation du filtre

Pour garantir la pureté de l'air ambiant, il ne suffit pas d'utiliser des filtres de qualité. Il est également essentiel de s'assurer : a) que le filtre n'est pas endommagé pendant le transport et l'installation ; b) que l'installation est parfaitement étanche. Pour ce faire, le personnel de construction et d'installation doit être qualifié et posséder les connaissances nécessaires à l'installation de systèmes de purification ainsi que les compétences requises. Dans le cas contraire, il sera difficile de garantir l'intégrité du filtre. Ce point est crucial. Deuxièmement, l'étanchéité de l'installation dépend principalement de la qualité de la structure de montage. Les manuels de conception recommandent généralement : pour un filtre unique, une installation ouverte, afin que même en cas de fuite, l'air ne s'infiltre pas dans la pièce ; l'utilisation d'une sortie d'air HEPA pré-assemblée facilite également l'étanchéité. Pour les systèmes à plusieurs filtres, les joints à gel et les joints à pression négative sont fréquemment utilisés ces dernières années.

Le joint en gel doit garantir l'étanchéité du raccord du réservoir de liquide et l'horizontalité de l'ensemble du châssis. L'étanchéité par dépression consiste à créer une dépression autour du joint entre le filtre, le boîtier de pression statique et le châssis. Comme pour une installation ouverte, même en cas de fuite, le liquide ne s'infiltrera pas dans la pièce. En pratique, dès lors que le châssis est plat et que la face d'extrémité du filtre est en contact uniforme avec celui-ci, l'étanchéité du filtre est facilement assurée, quel que soit le type d'installation.

2. Organisation du flux d'air

L'organisation du flux d'air d'une salle blanche diffère de celle d'une salle climatisée classique. Elle exige que l'air le plus pur soit acheminé en premier lieu vers la zone de travail. Son rôle est de limiter et de réduire la contamination des objets traités. À cette fin, les principes suivants doivent être pris en compte lors de la conception du flux d'air : minimiser les courants de Foucault afin d'éviter l'introduction de polluants extérieurs dans la zone de travail ; limiter la dispersion secondaire des poussières afin de réduire les risques de contamination des pièces ; assurer un flux d'air aussi uniforme que possible dans la zone de travail, dont la vitesse doit être conforme aux exigences du procédé et d'hygiène. À la sortie d'air de reprise, les poussières doivent être efficacement éliminées. Le choix des modes d'insufflation et de reprise d'air dépend des exigences de propreté.

Les différentes organisations de flux d'air ont leurs propres caractéristiques et leurs propres champs d'application :

(1) Flux vertical unidirectionnel

Outre les avantages communs que sont l'obtention d'un flux d'air descendant uniforme, la simplification de l'agencement des équipements de process, une forte capacité d'auto-épuration et la simplification des installations courantes telles que les systèmes de purification individuelle, les quatre méthodes d'alimentation en air présentent chacune leurs propres avantages et inconvénients : les filtres HEPA à couverture intégrale offrent l'avantage d'une faible résistance et d'un cycle de remplacement des filtres long, mais leur structure de plafond est complexe et leur coût élevé ; les avantages et inconvénients des systèmes de soufflage par le haut avec filtres HEPA à couverture latérale et par plaques perforées sont inverses à ceux des systèmes de soufflage par le haut avec filtres HEPA à couverture intégrale. Parmi ces derniers, le soufflage par plaques perforées est sujet à l'accumulation de poussière sur la surface interne des plaques en cas de fonctionnement discontinu, et un entretien insuffisant peut nuire à la propreté ; le soufflage par diffuseur dense nécessite une couche de mélange et ne convient donc qu'aux salles blanches de plus de 4 mètres de hauteur ; ses caractéristiques sont similaires à celles du soufflage par plaques perforées. La méthode de reprise d'air pour la plaque avec des grilles des deux côtés et les sorties d'air de reprise disposées uniformément au bas des murs opposés ne convient qu'aux salles blanches dont l'espacement net est inférieur à 6 m de chaque côté ; les sorties d'air de reprise disposées au bas du mur d'un seul côté ne conviennent qu'aux salles blanches dont la distance entre les murs est faible (par exemple ≤ < 2 à 3 m).

(2) Flux horizontal unidirectionnel

Seule la première zone de travail atteint un niveau de propreté de 100. Lorsque l'air circule vers l'autre côté, la concentration de poussière augmente progressivement. Par conséquent, ce système convient uniquement aux salles blanches présentant des exigences de propreté différentes pour un même processus au sein d'une même pièce. La répartition locale de filtres HEPA sur la paroi d'alimentation en air permet de réduire leur utilisation et l'investissement initial, mais peut engendrer des turbulences localisées.

(3) Flux d'air turbulent

Les caractéristiques de la soufflage par le haut avec plaques à orifices et avec diffuseurs denses sont identiques à celles mentionnées précédemment : le soufflage latéral présente l’avantage d’une installation simplifiée des canalisations, de l’absence de couche intermédiaire technique, d’un faible coût et d’une aptitude à la rénovation d’usines anciennes. Ses inconvénients résident dans une vitesse du vent élevée dans la zone de travail et une concentration de poussière supérieure sous le vent. Le soufflage par le haut avec filtres HEPA offre l’avantage d’un système simple, sans canalisations en aval du filtre, et d’un flux d’air propre directement acheminé vers la zone de travail. Cependant, la diffusion de cet air propre est lente et le flux d’air dans la zone de travail est plus uniforme. Néanmoins, la mise en place de plusieurs bouches d’aération uniformément réparties ou l’utilisation de bouches d’aération avec filtres HEPA et diffuseurs permettent également d’obtenir un flux d’air plus uniforme. En revanche, lorsque le système ne fonctionne pas en continu, les diffuseurs sont sujets à l’accumulation de poussière.

La discussion précédente se situe dans des conditions idéales et est conforme aux spécifications, normes et manuels de conception nationaux en vigueur. Dans la pratique, l'organisation des flux d'air est souvent imparfaite, en raison de contraintes objectives ou de choix subjectifs du concepteur. Parmi les exemples courants, on peut citer : un flux vertical unidirectionnel avec reprise d'air par le bas de deux parois adjacentes ; une salle blanche de classe 100 avec insufflation et reprise d'air par le haut (sans rideau sous la sortie d'air locale) ; et une salle blanche à flux turbulent avec insufflation par le haut et reprise d'air par le haut ou par le bas (avec un espacement important entre les parois). Ces méthodes d'organisation des flux d'air ont été mesurées et la plupart ne répondent pas aux exigences de conception. Compte tenu des spécifications actuelles d'acceptation à vide ou statique, certaines de ces salles blanches atteignent difficilement le niveau de propreté requis dans ces conditions, leur résistance aux interférences polluantes est très faible et, une fois en service, elles ne répondent plus aux exigences.

Dans les zones de travail, une ventilation adéquate doit être mise en place, avec des rideaux descendant jusqu'à la hauteur de la zone de travail. Les installations de classe 100 000 ne doivent pas utiliser de soufflage ni de reprise d'air par le haut. Par ailleurs, la plupart des fabricants produisent actuellement des bouches d'aération à haut rendement avec diffuseurs, mais ces diffuseurs ne sont que des plaques à orifices décoratives et ne contribuent pas à la diffusion du flux d'air. Les concepteurs et les utilisateurs doivent être particulièrement vigilants à ce sujet.

3. Volume d'air fourni ou vitesse de l'air

Un volume de ventilation suffisant permet de diluer et d'éliminer l'air intérieur pollué. Selon les exigences de propreté, la fréquence de ventilation doit être augmentée en fonction de la hauteur sous plafond de la salle blanche. Le volume de ventilation des salles blanches de classe 1 million est calculé selon un système de purification à haute efficacité (HEPA), de même que celui des autres salles blanches. Lorsque les filtres HEPA des salles blanches de classe 100 000 sont concentrés dans la salle des machines ou que des filtres sub-HEPA sont utilisés en fin de circuit, la fréquence de ventilation peut être augmentée de 10 à 20 %.

Concernant les valeurs de volume de ventilation recommandées ci-dessus, l'auteur estime que : la vitesse du vent dans la section de la salle blanche à flux unidirectionnel est faible, et que la salle blanche à flux turbulent présente une valeur recommandée avec un facteur de sécurité suffisant. Flux unidirectionnel vertical ≥ 0,25 m/s, flux unidirectionnel horizontal ≥ 0,35 m/s. Bien que les exigences de propreté soient satisfaites lors de tests à vide ou en conditions statiques, la capacité anti-pollution est faible. Une fois la salle en service, la propreté risque de ne plus être conforme aux exigences. Ce type d'exemple n'est pas isolé. Par ailleurs, aucun ventilateur adapté aux systèmes de purification n'est disponible dans la gamme de ventilateurs de mon pays. Généralement, les concepteurs négligent souvent le calcul précis de la résistance à l'air du système, ou ne vérifient pas si le ventilateur choisi fonctionne à un point optimal de sa courbe caractéristique, ce qui entraîne un volume d'air ou une vitesse de vent inférieurs aux valeurs nominales peu après la mise en service du système. La norme fédérale américaine (FS209A~B) stipule que la vitesse du flux d'air dans une salle blanche unidirectionnelle, à travers sa section transversale, est généralement maintenue à 90 ft/min (0,45 m/s), et que la non-uniformité de cette vitesse est inférieure à ±20 % en l'absence de toute interférence dans la salle. Toute diminution significative de la vitesse du flux d'air augmente la probabilité d'un allongement du temps d'autonettoyage et d'une contamination entre les postes de travail (après la promulgation de la norme FS209C en octobre 1987, aucune réglementation n'a été établie pour les autres paramètres que la concentration de poussières).

Pour cette raison, l'auteur estime qu'il convient d'augmenter de manière appropriée la valeur de conception nationale actuelle de la vitesse de flux unidirectionnel. Notre unité l'a fait dans des projets concrets, avec des résultats relativement satisfaisants. Les salles blanches turbulentes ont une valeur recommandée assortie d'un facteur de sécurité relativement suffisant, mais de nombreux concepteurs restent sceptiques. Lors de la conception de salles blanches spécifiques, ils augmentent le volume de ventilation des salles blanches de classe 100 000 à 20-25 renouvellements d'air par heure, celui des salles blanches de classe 10 000 à 30-40 renouvellements d'air par heure et celui des salles blanches de classe 1 000 à 60-70 renouvellements d'air par heure. Ceci augmente non seulement la capacité des équipements et l'investissement initial, mais aussi les coûts futurs de maintenance et de gestion. En réalité, cela n'est pas nécessaire. Lors de l'élaboration des mesures techniques de purification de l'air en Chine, plus de 100 salles blanches de classe 100 ont été étudiées et mesurées. De nombreuses salles blanches ont été testées en conditions dynamiques. Les résultats ont montré que des volumes de ventilation ≥ 10 fois/h pour les salles blanches de classe 100 000, ≥ 20 fois/h pour les salles blanches de classe 10 000 et ≥ 50 fois/h pour les salles blanches de classe 1000 satisfont aux exigences. La norme fédérale américaine (FS2O9A-B) stipule que pour les salles blanches non unidirectionnelles (classes 100 000 et 10 000) d'une hauteur sous plafond de 2,44 à 3,66 m (8 à 12 pieds), on considère généralement que la salle entière est ventilée au moins une fois toutes les 3 minutes (soit 20 fois/h). Par conséquent, le cahier des charges intègre une marge de sécurité importante, et le concepteur peut choisir en toute sécurité le volume de ventilation recommandé.

4. Différence de pression statique

Le maintien d'une pression positive minimale dans une salle blanche est une condition essentielle pour garantir que celle-ci ne soit pas contaminée ou le soit moins, et ainsi maintenir le niveau de propreté requis. Même pour les salles blanches à pression négative, il est indispensable de disposer de salles ou de suites adjacentes dont le niveau de propreté est au moins équivalent afin de maintenir une pression positive suffisante et, par conséquent, de préserver la propreté de la salle blanche à pression négative.

La surpression d'une salle blanche correspond à la valeur pour laquelle la pression statique intérieure est supérieure à la pression statique extérieure, portes et fenêtres fermées. Elle est obtenue en veillant à ce que le débit d'air insufflé par le système de purification soit supérieur aux débits d'air repris et extrait. Afin de garantir cette surpression, il est préférable que les ventilateurs d'insufflation, de reprise et d'extraction soient synchronisés. Lors de la mise en marche du système, le ventilateur d'insufflation démarre en premier, suivi des ventilateurs de reprise et d'extraction. Lors de l'arrêt du système, le ventilateur d'extraction s'arrête en premier, suivi des ventilateurs de reprise et d'insufflation, afin d'éviter toute contamination de la salle blanche lors des manœuvres de mise en marche et d'arrêt.

Le volume d'air nécessaire au maintien de la surpression dans une salle blanche dépend principalement de l'étanchéité de l'enceinte. Aux débuts de la construction des salles blanches dans mon pays, la faible étanchéité de l'enceinte nécessitait 2 à 6 renouvellements d'air par heure pour maintenir une surpression ≥ 5 Pa. Aujourd'hui, grâce aux progrès considérables réalisés en matière d'étanchéité, 1 à 2 renouvellements d'air par heure suffisent pour maintenir la même surpression, et 2 à 3 renouvellements par heure suffisent pour maintenir une surpression ≥ 10 Pa.

Les spécifications de conception de mon pays [6] stipulent que la différence de pression statique entre les salles blanches de classes différentes et entre les zones propres et les zones non propres ne doit pas être inférieure à 0,5 mm H₂O (environ 5 Pa), et que la différence de pression statique entre la zone propre et l'extérieur ne doit pas être inférieure à 1,0 mm H₂O (environ 10 Pa). L'auteur estime que cette valeur semble trop faible pour trois raisons :

(1) La surpression désigne la capacité d'une salle blanche à limiter la pollution de l'air intérieur par les interstices entre les portes et les fenêtres, ou à minimiser la pénétration de polluants lorsque les portes et les fenêtres sont brièvement ouvertes. L'importance de la surpression indique l'efficacité de cette limitation. Naturellement, plus la surpression est importante, mieux c'est (ce point sera abordé ultérieurement).

(2) Le volume d'air nécessaire à la surpression est limité. La différence de volume d'air requis pour une surpression de 5 Pa et de 10 Pa est d'environ 1 fois par heure seulement. Pourquoi ne pas opter pour cette solution ? Il est manifestement préférable de prendre la limite inférieure de surpression à 10 Pa.

(3) La norme fédérale américaine (FS209A~B) stipule que, lorsque toutes les entrées et sorties sont fermées, la différence de pression positive minimale entre la salle blanche et toute zone adjacente de propreté inférieure est de 0,05 pouce de colonne d'eau (12,5 Pa). Cette valeur a été adoptée par de nombreux pays. Cependant, plus la pression positive d'une salle blanche est élevée, mieux c'est. D'après les tests d'ingénierie réalisés par notre unité depuis plus de 30 ans, lorsque la pression positive est ≥ 30 Pa, l'ouverture des portes est difficile. Une fermeture brutale peut provoquer un claquement et effrayer le personnel. Lorsque la pression positive est ≥ 50 à 70 Pa, les interstices entre les portes et les fenêtres sifflent, et les personnes fragiles ou présentant des symptômes inhabituels peuvent ressentir une gêne. Or, les spécifications et normes en vigueur dans de nombreux pays et à l'étranger ne fixent pas de limite supérieure de pression positive. De ce fait, de nombreuses unités se contentent de respecter la limite inférieure, sans se soucier de la limite supérieure. Dans la salle blanche rencontrée par l'auteur, la surpression atteint 100 Pa, voire plus, ce qui entraîne des conséquences néfastes. En réalité, le réglage de la surpression est relativement simple et peut être maintenu dans une certaine plage. Un document mentionne qu'un pays d'Europe de l'Est préconise une surpression de 1 à 3 mm H₂O (environ 10 à 30 Pa). L'auteur estime que cette plage est plus appropriée.