Không khí đạt cấp nhưng bề mặt vẫn bẩn: đọc ISO 14644-9, -10 và -17

Một phòng sạch có thể đạt ISO Class 5 trong mọi lần đo không khí mà sản phẩm vẫn dính hạt. Điều đó không mâu thuẫn: phép phân loại theo ISO 14644-1 đo nồng độ hạt lơ lửng trong một mét khối không khí, còn thứ làm hỏng sản phẩm là số hạt đã nằm trên bề mặt. Đó là hai đại lượng khác nhau, có đơn vị khác nhau, và bộ ISO 14644 dành hẳn ba phần riêng cho vế bề mặt: phần 9 cho nồng độ hạt trên bề mặt, phần 10 cho nhiễm bẩn hoá chất trên bề mặt, phần 17 cho tốc độ lắng đọng hạt. Bài viết giải thích ba đại lượng đó đo gì, vì sao thang đo của chúng đều là thang log, vì sao hạt lớn mới là thứ quyết định bề mặt, và cách ghép dữ liệu máy đếm hạt sẵn có vào một chương trình kiểm soát bề mặt mà không phải mua thêm hạ tầng.

Vì sao số đếm không khí không nói được gì về bề mặt

Phép phân loại phòng sạch trả lời một câu hỏi rất hẹp: tại thời điểm đo, trong một mét khối không khí ở vị trí đó có bao nhiêu hạt lớn hơn hoặc bằng một cỡ đã chọn. Kết quả là một nồng độ thể tích, đơn vị hạt/m³. Nó là ảnh chụp của khối khí đang chuyển động, không phải của vật đang nằm yên.

Bề mặt thì tích luỹ. Một chi tiết đặt trên bàn thao tác trong tám giờ nhận hạt suốt tám giờ đó, kể cả những lúc số đếm không khí ở mức thấp nhất. Hai bề mặt trong cùng một phòng, cùng một cấp sạch, có thể chênh nhau hàng chục lần về số hạt trên đó chỉ vì một cái nằm dưới miệng gió cấp còn một cái nằm trong vùng khuất sau thiết bị. Bảng phân loại không phân biệt được hai chỗ đó, vì cả hai đều nằm trong tập điểm lấy mẫu và cùng cho ra một con số đạt.

Hệ quả thực tế: khi có lô hàng bị trả về vì tạp chất nhìn thấy được, hồ sơ phân loại phòng sạch gần như không giúp gì cho việc điều tra. Nó chứng minh không khí đạt cấp; nó không chứng minh bề mặt sản phẩm sạch. Muốn có bằng chứng cho vế thứ hai thì phải đo vế thứ hai.

Ba phần tiêu chuẩn, ba đại lượng, ba đơn vị

Bộ ISO 14644 tách vấn đề bề mặt thành ba phần, và điều quan trọng nhất cần nhớ là chúng không thay thế cho nhau. Mỗi phần trả lời một câu hỏi riêng.

Phần	Đại lượng	Đơn vị	Câu hỏi nó trả lời
ISO 14644-9 (bản 2022)	Độ sạch bề mặt theo nồng độ hạt, ký hiệu SCP	hạt/m² bề mặt, ở một cỡ hạt đã chọn	Ngay lúc này, trên một mét vuông bề mặt đó có bao nhiêu hạt?
ISO 14644-10	Độ sạch bề mặt theo nồng độ hoá chất, ký hiệu SCC	g/m² bề mặt (thang log)	Trên bề mặt đó còn bao nhiêu khối lượng chất hoá học?
ISO 14644-17 (bản 2021)	Tốc độ lắng đọng hạt, ký hiệu PDR	hạt/m²/giờ	Mỗi giờ trôi qua thì bề mặt đó nhận thêm bao nhiêu hạt?

Phần 9 và phần 10 là ảnh chụp trạng thái: chúng nói bề mặt đang bẩn tới mức nào. Phần 17 là phép đo tốc độ: nó nói bề mặt đang bẩn đi nhanh tới mức nào. Với một dây chuyền, đại lượng thứ hai thường hữu ích hơn, vì nó cho phép tính ngược ra thời gian phơi tối đa mà một chi tiết được để hở trước khi vượt ngưỡng.

ISO 14644-9 áp dụng cho mọi bề mặt rắn trong phòng sạch — tường, trần, sàn, mặt bàn thao tác, dụng cụ, thiết bị và cả sản phẩm — và phạm vi cỡ hạt của phép đánh giá nằm trong khoảng từ 0,05 µm tới 500 µm. Tiêu chuẩn cũng cho phép biểu diễn kết quả theo phần trăm diện tích bị che phủ (PAC), tính bằng tổng diện tích hạt trên một đơn vị diện tích bề mặt quan sát, thay vì theo số đếm.

Thang log: vì sao “chỉ hơn một mức” là hiểu sai

Cả ba phần đều dùng thang logarit, và đây là chỗ hay bị đọc nhầm khi thương lượng chỉ tiêu với khách hàng hoặc với nhà thầu.

Lớp SCP được xác định bằng cách lấy log cơ số 10 của nồng độ bề mặt. Nghĩa là mỗi bước một đơn vị trên thang SCP tương ứng với gấp mười lần số hạt trên cùng một mét vuông:

Lớp SCP	Số hạt tối đa trên 1 m² (ở cỡ hạt đã chọn)	Quy ra 1 cm²
SCP 3	1.000	0,1 hạt
SCP 5	100.000	10 hạt
SCP 6	1.000.000	100 hạt
SCP 7	10.000.000	1.000 hạt

Đi từ SCP 5 lên SCP 7 nghe như “hai mức”, nhưng thực chất là một trăm lần. Một hợp đồng gia công viết “bề mặt phải đạt tối thiểu SCP 6” và một hợp đồng viết SCP 5 khác nhau đúng mười lần về số hạt cho phép, và thường khác nhau rất nhiều lần về chi phí làm sạch cùng tần suất kiểm tra.

Phần 10 dùng cùng logic cho khối lượng chất hoá học: thang gồm 13 mức, đánh số từ 0 xuống −12, trong đó số càng âm thì bề mặt càng sạch, vì đó là log cơ số 10 của khối lượng tính bằng gam trên mét vuông. Đây là quy ước ngược trực giác so với thang cấp sạch không khí, nơi số càng nhỏ càng sạch nhưng luôn là số dương.

Phần 17 cũng đặt các mức tốc độ lắng đọng theo bội số mười, từ 1 lên tới 100.000, kèm bảng giá trị tối đa cho từng cỡ hạt được xét — tiêu chuẩn nêu các mốc cỡ 5, 10, 20, 50, 200 và 500 µm. Danh sách cỡ hạt này tự nó đã là một thông điệp, và đó là nội dung phần tiếp theo.

Hạt lớn quyết định bề mặt, hạt nhỏ quyết định bảng phân loại

Bảng phân loại ISO 14644-1 mà hầu hết nhà máy quen thuộc xoay quanh các cỡ 0,1 µm, 0,3 µm và 0,5 µm. Trong khi đó, các phần về bề mặt bắt đầu từ 5 µm và chạy tới 500 µm. Lý do nằm ở hình học.

Diện tích chiếu của một hạt tỉ lệ với bình phương đường kính, còn khối lượng tỉ lệ với lập phương. So một hạt 10 µm với một hạt 0,5 µm, tỉ số đường kính là 20 lần, nên:

Đại lượng	Hạt 0,5 µm	Hạt 10 µm	Tỉ lệ
Diện tích chiếu	0,196 µm²	78,5 µm²	400 lần
Thể tích (và khối lượng nếu cùng tỉ trọng)	0,065 µm³	524 µm³	8.000 lần

Một hạt 10 µm nằm trên bề mặt che khuất bằng bốn trăm hạt 0,5 µm và mang khối lượng bằng tám nghìn hạt 0,5 µm. Với một chi tiết quang học, một tiếp điểm mạ, hay một lớp phủ, cái quyết định là hạt lớn — dù nó hiếm tới mức phép phân loại không khí gần như không bao giờ ghi nhận được.

Thử chiều ngược lại để thấy vì sao PAC hay bị đọc sai: giả sử bề mặt có 10⁶ hạt cỡ 10 µm trên mỗi mét vuông, tức lớp SCP 6. Tổng diện tích chúng chiếm là 10⁶ × 78,5 µm² = 78,5 mm², trên nền một mét vuông bằng 10⁶ mm². Phần trăm diện tích bị che chỉ là 0,00785%. Con số đếm nghe rất lớn còn con số PAC nghe rất nhỏ, nhưng cả hai mô tả cùng một bề mặt. Khi ký chỉ tiêu, phải thống nhất trước là dùng đại lượng nào, vì hai cách diễn đạt tạo ra hai cảm giác hoàn toàn khác nhau về mức độ nghiêm trọng.

Bốn cách lấy mẫu bề mặt và giới hạn của từng cách

Máy đếm hạt không khí không đo được bề mặt. Phải đưa hạt từ bề mặt sang một dạng mà thiết bị đo được. Có bốn con đường thông dụng, và mỗi con đường bỏ sót một thứ khác nhau.

1. Tấm chứng (witness plate)

Đặt một tấm phẳng đã làm sạch và đã đếm nền vào đúng vị trí cần bảo vệ, phơi trong một khoảng thời gian đã ghi, rồi mang đi đếm dưới kính hiển vi. Đây là phương pháp mà ISO 14644-17 mô tả cho việc theo dõi hằng ngày tốc độ lắng đọng, thường tính theo hạt cỡ từ 10 µm trở lên trên mỗi mét vuông mỗi giờ. Ưu điểm: đo đúng thứ ta quan tâm — hạt rơi xuống trong điều kiện vận hành thật. Nhược điểm: cần thời gian phơi đủ dài và cần quy trình vận chuyển, bảo quản tấm chứng rất kỷ luật, nếu không thì phần lớn số đếm sinh ra trên đường đi tới kính hiển vi.

2. Dán bóc (tape lift)

Dùng băng dính chuyên dụng áp lên bề mặt thật rồi bóc ra và soi. Ưu điểm: lấy được mẫu từ bề mặt cong, từ thiết bị đang lắp, từ chỗ không thể tháo. Nhược điểm: hiệu suất bóc phụ thuộc vào lực dán, vào vật liệu nền và vào cỡ hạt; kết quả là số đếm tương đối, chỉ so sánh được giữa các lần lấy mẫu cùng loại băng và cùng thao tác viên.

3. Rửa chiết rồi đếm trong dịch

Rửa bề mặt bằng dung môi sạch, hứng toàn bộ dịch rửa, rồi đếm hạt trong dịch bằng máy đếm hạt lỏng hoặc lọc dịch lên màng và soi. Đây là cách duy nhất trong bốn cách cho ra số đếm trên toàn bộ diện tích chi tiết chứ không phải trên một ô lấy mẫu. Với phòng thí nghiệm đã có sẵn thiết bị chạy dược điển, hạ tầng này gần như không phải đầu tư thêm: một máy lấy mẫu dung dịch PMS SLS-2000 ghép với đầu đếm phù hợp, hoặc hệ PMS APSS-2000 dùng cho phép thử USP 788, đều chạy được mẫu dịch rửa nếu quy trình pha loãng và mẫu trắng được thẩm định lại cho nền dung môi mới. Nhược điểm: phải chứng minh được hiệu suất chiết, và mẫu trắng phải sạch hơn ngưỡng cần đo ít nhất một bậc.

4. Đếm tại chỗ bằng kính hiển vi

Soi trực tiếp bề mặt dưới kính hiển vi có chiếu sáng nghiêng. Không có bước chuyển mẫu nên không mất hạt, nhưng chỉ áp dụng được cho mẫu nhỏ, phẳng và mang được tới kính.

Không cách nào trong bốn cách này là “đúng nhất”. Cái phải chốt trong quy trình là: dùng cách nào, ở đâu, bao lâu một lần, hiệu suất thu hồi đã thẩm định bằng gì, và mẫu trắng chấp nhận tới mức nào.

Tốc độ lắng đọng: chiếc cầu giữa hai bộ dữ liệu

ISO 14644-17 nêu rõ giá trị của tốc độ lắng đọng: nó cho một quan hệ trực tiếp giữa độ sạch không khí và nhiễm bẩn bề mặt, và có thể dùng vừa như một yêu cầu kỹ thuật tại vị trí trọng yếu, vừa như một thông số giám sát — đặc biệt trong phòng sạch có con người làm việc. Tiêu chuẩn tổ chức việc áp dụng theo ba bước: đặt yêu cầu, thiết lập kiểm soát, và chứng minh duy trì được kiểm soát trong vận hành.

Đây chính là chỗ dữ liệu máy đếm hạt sẵn có trở nên hữu dụng cho bài toán bề mặt. Ba mối liên hệ dùng được ngay:

Một, kênh cỡ lớn. Nếu điểm giám sát liên tục chỉ báo cáo 0,5 µm thì mọi thông tin về hạt gây bẩn bề mặt đã bị cắt bỏ ngay từ khâu cấu hình. Một cảm biến cố định có kênh ở dải trên — ví dụ PMS Airnet II 501-4 với dải 0,5 tới 10 µm — cho một chuỗi số tương quan tốt hơn nhiều với tốc độ lắng đọng so với một cảm biến chỉ báo cáo hai kênh nhỏ nhất.

Hai, thời điểm. Đỉnh hạt lớn thường trùng với thao tác của con người và với chuyển động vật liệu. Ghép biểu đồ số đếm theo giờ với nhật ký thao tác cho biết khung giờ nào bề mặt nhận nhiều hạt nhất, và từ đó biết nên phơi tấm chứng vào khung nào để phép đo có ý nghĩa thay vì phơi đủ 24 giờ rồi lấy trung bình.

Ba, phép thử đối chứng. Khi thay đổi thứ gì đó — đổi loại trang phục, đổi quy trình lau, đổi hướng miệng gió — hãy đo song song: số đếm không khí ở kênh lớn và tấm chứng ở đúng vị trí sản phẩm. Nếu hai đường cùng đi xuống thì thay đổi có tác dụng thật. Nếu số đếm không khí giảm mà tấm chứng không đổi thì hạt lắng xuống bề mặt đang đến từ tiếp xúc trực tiếp chứ không từ đường không khí — và biện pháp phải hoàn toàn khác.

Đưa bề mặt vào chương trình giám sát hiện có

Không cần dựng một chương trình mới song song. Bốn việc dưới đây đủ để bổ sung vế bề mặt vào chương trình đang chạy.

Việc	Nội dung tối thiểu
Chọn bề mặt trọng yếu	Liệt kê những chỗ sản phẩm thực sự tiếp xúc hoặc nằm hở: mặt bàn thao tác, khay, đồ gá, cửa thiết bị. Không rải đều toàn phòng.
Chọn đại lượng	Với dây chuyền: ưu tiên tốc độ lắng đọng theo phần 17. Với nghiệm thu chi tiết rời: dùng nồng độ bề mặt theo phần 9. Nếu tồn dư hoá chất là rủi ro thì thêm phần 10.
Chốt cỡ hạt	Chọn theo kích thước gây hỏng của chính sản phẩm, không chọn theo cỡ mà máy đếm không khí đang báo cáo.
Cấu hình lại kênh đo	Bật kênh cỡ lớn trên các điểm giám sát liên tục gần khu vực trọng yếu, và lưu dữ liệu kênh đó lâu bằng dữ liệu kênh nhỏ.

Với các phòng đang dùng máy cầm tay để phân loại định kỳ, một máy đếm hạt PMS Lasair III 110 vẫn giữ vai trò cũ cho phép phân loại, nhưng nên thêm một lần chạy riêng ở kênh lớn tại chính vị trí sản phẩm, cùng thời điểm với lần phơi tấm chứng. Hai con số đó đi cùng nhau sẽ có giá trị hơn nhiều so với việc lưu thêm một bản báo cáo phân loại nữa.