Ультрачистое – значит уникальное

Развитие РФ в качестве индустриальной державы, в первую очередь в таких инновационных областях, как микроэлектроника и приборостроение, а также магистральное направление на цифровизацию экономики, основанное на собственной современной компонентной и приборной базе, невозможно без опоры на фундамент релевантной сегодняшним вызовам нормативной базы. Технический директор проектного института «АДМ Специальные Решения и Технологии» Андрей Абрамов и главный редактор журнала «Умное производство» Геннадий Климов обсуждают вопрос о современном состоянии нормативной базы в сфере строительства чистых производственных помещений для предприятий микроэлектронной и приборостроительной промышленности.
Технический директор проектного института «АДМ Специальные Решения и Технологии» Андрей Абрамов

– Как известно, вы недавно сформулировали для правительства важные предложения, которые возникли в результате работы вашего института по одному реальному проектоу создания сверхчистого производства.

– Проектный институт АДМ СпецРТ разрабатывая решения для предприятий промышленности в том числе в настоящий момент завершает очень непростой проект в области микроэлектроиники. Создаются производственные помещения общей площадью в несколько тысяч квадратных метров с классом чистоты ISO 3. При этом в процессе проектирования мы плавно перешли от понятия «чистые производственные помещения большой площади» к понятию «особо чистые производственные помещения» и «ультрачистые среды». И по ходу проекта мы столкнулись с тем, что действующие в России градостроительные нормативы не позволяют без разработки утверждения Специальных Технических Условий (СТУ) создавать подобные помещения, соответствующие мировым стандартам, то есть такие, какие делают наши зарубежные партнеры. Вот вам одна из причин технологического проигрыша – ведь выпуск современной конкурентоспособной микроэлектронной и приборостроительной продукции в иных условиях невозможен.

И это отставание возникло не вчера. Текущие нормативы во многом основываются на стандартах 80-х годов и некоторые параметры например, по ультрачистым средам превышают по своим требованиям, предельные требования по ГОСТам более чем на два порядка.

Взять, к примеру, ситуацию с воздухообменом. Воздухообмен в таких помещениях, начиная с 5 класса ISO, должен быть 300-кратный, что  в 100 раз больше, чем в любом здании бизнес-класса, даже в самом элитном административном офисе. А уж с воздухообменом в обычных производственных помещениях это и вовсе несравнимо. Соответственно, это огромные воздушные потоки, и они во многом попадают в противоречие с нашими пожарными нормами, что часто нельзя реализовать, не разработав специальных СТУ, уникальных для каждого здания.

Огромная проблема и с терминологией. Например, если у нас весь потолок построен из фильтровентиляционных установок, по сути, представляет собой одну большую фильтровентиляционную установку, то это у нас потолок, строительная часть или же оборудование? Длина этой конструкции – 100 метров, площадь – несколько тысяч квадратных метров. Да, внешне это потолок, но по своей сути – это установка. И в каких терминах в этой ситуации следует описывать воздухообмен? Ведь если это потолок, то воздухообмен – это рециркуляция, а если это установка, а потолком мы здесь называем только то, что выполнено в бетоне, то это не рециркуляция. А от этого понимания напрямую зависит трактовка пожарных требований к этому помещению.

Кроме того, ряд вопросов возникает с точки зрения пожарной нагрузки. С формальной точки зрения в ультрачистых помещениях, где применяются в основном керамика, золото, серебро, стекло, ее нет, – но тем не менее, фактически у нас по ряду причин в таких помещениях пожарная нагрузка бывает очень высокой. Возьмем конкретный пример: если у нас оборудование имеет кожух, то есть представляет собой полностью герметичную систему – термос в термосе, нужно ли это учитывать в процессе оценки пожарной нагрузки? С множеством подобных вопросов сталкиваешься везде: в конструктиве, в архитектуре, в вентиляции, в электрике, в холодоснабжении, в противопожарных мероприятиях, в экологических мероприятиях и т.д.

В совокупности наше здание – совершенно уникальная вещь. Но согласно Градостроительному кодексу Российской Федерации особо чистые помещения большой площади формально не являются уникальными. И из-за этого возникает множество сложностей, как на этапе проектирования, так и на этапе строительства и наладки оборудования.

– Как может такой объект не считаться уникальным? Что же тогда уникально?

– Согласно статье 48.1 Градостроительного кодекса РФ к уникальным объектам относятся объекты капитального строительства, в проектной документации которых предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик:

1) высота более чем 100 метров;

2) пролеты более чем 100 метров;

3) наличие консоли более чем 20 метров;

4) заглубление подземной части (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли более чем на 15 метров.

Те, кто причастен к созданию ультрачистых помещений большой площади, понимают, что они по сложности как минимум сопоставимы с такими зданиями: например, наличием большепролетного ангара или глубокого пятнадцатиметрового подвала. Это, как минимум, такой же класс сложных зданий, как и здания, которые сейчас признаны Градостроительным кодексом уникальными и технически сложными.

Надо сказать, что Минстрой и Главгосэкспертиза, еще в 2008 году сталкиваясь с этим, предлагали к уникальным объектам отнести конструкции, инженерное оснащение которых носит экспериментальный характер, то есть, реализуется в первый раз, где эта технология отрабатывается. Это примерно то, что мы реализуем сегодня.

Проектирование и строительство чистых (ISO 6 – 9) и особенно ультрачистых производственных помещений (ISO 1 – 5) для электронной промышленности подразумевает исключительно сложную и взаимообуславливающую связку нестандартных конструктивных, объемно-планировочных, архитектурных и инженерных решений, основой разработки которых является законодательная и нормативная базы (которая, к сожалению, устарела и не соответствует реалиям современного производства).

В частности, в вопросе обеспечения чистоты и порядка обращения технологических сред, используемых в микроэлектронном производстве, существует ряд ограничений, обусловленных устаревшей нормативной базой. Это, к примеру, действующий российский отраслевой стандарт ОСТ 11 029.003-80, действующие российские «Санитарные правила для производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем» N 5181-90, утвержденные в 1990 году, которые не допускают применения рециркуляции в помещениях с обращением гидридных газов, в обязательном порядке используемых в процессах современного микроэлектронного производства, и многое другое…

Эта же норма запрещает открытую прокладку коммуникаций (воздуховодов, трубопроводов, кабелей и др.) в чистых производственных помещениях, что также входит в противоречие с существующей практикой построения особо чистых производственных помещений с общей статической камерой (пленумом).

– А как обстоят дела в этой сфере за рубежом?

– В отличие от действующей российской нормативной базы, международные стандарты, а также стандартизованные на добровольной основе лучшие практики реализации чистых производственных помещений предусматривают прямые рекомендации по проектированию новых промышленных зданий для электронной промышленности на основе отнесения промышленных зданий по конструктивной жесткости к определенному классу, в частности – вибрационному (Vibration Class – VC) стандарта IEST (Institute of Environmental Sciences and Technology) в зависимости от минимально необходимого топологического размера элемента.

– Если нет нормативов, то как обосновывать цены по проектам, выполняемым в рамках федеральных целевых программ?

– Применительно к сметному ценообразованию – на текущий момент в действующих нормах нет ни одной единичной расценки, которая отражала бы реальную технологию проведения строительных и монтажных работ в чистых производственных помещениях, связанную, в первую очередь, с отработкой протокола чистоты (поддержание прецизионных параметров микроклимата на период строительства «скорлупы» чистых комнат, чистую технологическую одежду монтажников и наладчиков, очистку инструмента, материалов и оборудования, поступающих в чистые производственные зоны, создание временных шлюзов для персонала и оборудования и т.д.).

Более того, согласно пункту 5.2.1. МДС 81-40 2006 сводный сметный расчет стоимости строительства включает только затраты на проведение пусконаладочных работ оборудования чистых производственных помещений «вхолостую» (т.е. без нагрузки).

В то же время ГОСТ Р ISO 14644 предусматривает три стадии ввода чистых производственных помещений в эксплуатацию (построенное, оснащенное, работающее), каждая из которых требует работы инженерного оборудования под нагрузкой. Мы имеем противоречия между современными технологиями и нормами 80-ых – 90-ых годов прошлого века.

– Но как в этой ситуации работать сегодня?

– Фактически понадобилась шестимесячная подготовка Частных Технических Заданий (ЧТЗ), — это 28 томов, в которых мы за шесть месяцев прописали многие уникальные, современные для мировой практики, требования. Фактически под объект вместе с Заказчиком создавалась своя нормативная база. После чего были за два месяца разработаны, согласованы с Минстроем и Главным управлением Госпожнадзора специальные техусловия на пожарные мероприятия и на конструктивность зданий. И только после этого мы фактически начали проектировать сам объект. Это огромная восьмимесячная работа по подготовке требований, чтобы такой проект мы могли привязать к действующей нормативной базе, чтобы двигаться вперед. В этом есть сложность.

Понятно, что если мы двигаемся по стандартной парадигме, то все происходит по-другому. Заказчик объявляет конкурс со сроком выполнения работ максимум от двух до четырех месяцев. Его выигрывает тот, кто предложит минимальный срок и минимальную цену. Таким образом проектировщика подводят к тому, чтобы он все сделал так, как это было принято в далеких 1980-1990-ых годах.

Поэтому либо нам нужно все-таки внести коррективы в Градостроительный кодекс, чтобы ультрачистые помещения большой площади для производств микроэлектроники и электронной приборостроительной промышленности получили статус уникальных объектов, с научной проработкой многих вопросов, либо заказчики таких помещений должны обладать квалификацией и компетенциями, позволяющими им понимать все процессы, и к тому же иметь возможность сначала заказать научную проработку решений, а уже потом – непосредственно строительное проектирование.

– Насколько реально сейчас запустить механизм соответствующего изменения нормативов?

– Сейчас Минстрой России рассматривает наше предложение, непосредственно департамент радиоэлектронной промышленности озабочен этим вопросом и проявляет заинтересованность в кратчайшие сроки решить этот вопрос. Также есть понимание со стороны Главгосэкспертизы. Хочется верить и надеяться, что в ближайшем будущем произойдут какие-то положительные сдвиги, будут введены новые нормативы, новые СНИПы, новые ГОСТы, может быть, какие-то ведомственные стандарты. 

– Как специалист, объясните читателям, что означают категории ISO –от 1 до 9?

– Принятый в 2005 году международный стандарт ISO регулирует требования к чистым производственным помещениям в соответствии с классами чистоты. БОльшая цифра обозначения класса соответствует худшим параметрам, то есть, градация осуществляется от девятки к единице. При этом помещения с 9 до 6 класса все же считаются чистыми производственными помещениями, но там допускается перемешивание потоков воздуха, турбулентность потока. Таких помещений у нас строится довольно много. С 5 класса и далее вниз – это особо чистые помещения. Там идет ламинарность потока и чистота воздуха такова, что если в помещение заходит человек в спецодежде, полностью закрывающей тело и голову – у него видны только глаза, то уровень пыли сразу поднимается с 3 до 5 класса. Он выходит, а система должна за несколько минут восстановить чистоту до 3 класса.

Персонал не может ни курить, ни пить алкоголь за несколько часов до момента входа в такое помещение. Потому как даже то, что человек выдыхает, для системы является сигналом появления микронных пылинок. Это не только пылинки, это электромагнитное воздействие, которое измеряется в миллигауссах, это настолько маленькие величины! В сверхчистых помещениях используются технологии, в которых иногда процесс непрерывно идет 48 часов. И таких процессов может быть более 10 для одной наногетероструктуры. А теперь представьте, что рядом с плохо защищенным зданием проедет трамвай – и целая подложка с сотней чипов выбраковывается, месяц работы производства – насмарку. То же самое произойдет, если просело напряжение, солнышко посветило в это помещение, температура воздуха в помещении изменилась более, чем на 0,26 градуса. Вывод: должны быть обеспечены ультрачистые среды, ультрастабильные помещения на большую длительность по времени. Стабильность должна быть обеспечена независимо от того, что происходит снаружи здания. Современные средства мониторинга чипов на выходе позволяют безошибочно определять брак. Представьте, если вдруг окажется, что, к сожалению, в слоях чипа, где-то в 15-ом или седьмом слое, выявлена неоднородность. И на спутник такой чип уже не поставишь, и в операциях на сердце его нельзя использовать…

– Получается, что, по существу, эффективность технологии в значительной степени определяется качеством ультрачистого здания?

– Есть требования, которые мы, как проектировщики, обязаны обеспечить. Конечно, в этих технологиях микроэлектроники есть свои уникальные вещи, в которые великие ученые вкладывают свои идеи, придумывают, как это реализовать. Но если не будет технологической среды, в которой возможно реализовать эту идею, то это будет один-два экспериментальных элемента, без возможности повторяемости. Поэтому так важно уметь проектировать и строить сверхчистые помещения.

– Надо так понимать, что с каждым годом строительный проект все усложняется, скоро сами здания станут частью технологии?

– Мы уже подошли к этому. Есть специализация здания. Производственный корпус для металлообработки отличается, например, от сварочного цеха. Сегодня, если посмотреть соотношение вспомогательных и основных площадей в металлообработке, – это 30 на 70. Соблюдая эту пропорцию при проектировании помещений под вспомогательные инженерные сети и системы, под офис администрации, под раздевалки, мы делаем вполне комфортные, современные и отвечающие всем нормам производственные здания.

А если мы переходим к зданиям для микроэлектроники, то эта пропорция начинает резко меняться. В чистых помещениях там на тысячу метров основных площадей требуется 1,5 тысячи метров на инженерные и вспомогательные системы. Если же речь идет о зданиях ультрачистых, – что соответствует современным требованиям микроэлектроники, фармацевтики, – то эта пропорция становится еще больше: на тысячу квадратных метров производственных помещений необходимо предусматривать 2,5 тысячи квадратов вспомогательных участков.

Говоря простым языком, над этажом, который обеспечивает производство, нужен еще один этаж сверху и этаж снизу. Взять, к примеру, раздевалки, санпропускники: сначала работникам нужно снять уличную одежду, это первое раздевание, потом второе раздевание, облачение в белье, которое выдает предприятие, в спецодежду – практически в скафандр, и только тогда человек попадает в ультрачистое помещение. Это если мы говорим о классах чистоты ISO от 5 до 1.

– Как вам удается накапливать такие компетенции? Это же все очень сложно.

– Пять лет назад, с появлением термина «Специальные решения и технологии», в группе АДМ пришло понимание того, что надо делать компанию с упором на технологические решения. Поэтому мы создаем проектный хаб, привлекаем в команду узкопрофильных технологов, которых мы собираем под ту или иную экспертизу решений, но основа, ядро нашей компании – это наши технологи, которые умеют разговаривать с этими узкими специалистами на их языке. Очень уж тонкой сейчас стала специализация! Люди, которые, например, выращивают пластины нитрида/арсенида галлия, могут совсем не понимать, что дальше с этими пластинами происходит.

Некоторые не знающие всех этих тонкостей заказчики говорят: «Ну, вы там квадратики расставьте по плану – и все!». А это «и все» потом может привести к плачевным последствиям. Есть процессы в том же химическом производстве, когда через сопло должно лететь несколько тысяч волосинок, которые полимеризуются в воздухе, в среде, все это выравнивается в нитку в несколько сотен метров, над такими веществами, что, если нитка опустится, сразу будет возгорание. Все полыхнет, если она падает в ванну с раствором. Пока она в парах, она полимеризуется и создает продукт, но как только она соприкоснется с веществом, от которого она полимеризуется, происходит возгорание… Эти технологии предъявляют особые требования к средам и системам создаваемых нами цехов.

– Юго-восточная Азия стала размещать все эти производства на островах не потому, что там климат внешне устойчивей?

– Как ни странно, в нашей малонаселенной местности строить такие производства даже более рационально. Надо стараться размещать их подальше от больших городов (в России в таких местах, сами понимаете, недостатка нет). Стараемся размещать их в Green Field (GF), то есть в поле, желательно отсутствие высоковольтных сетей, чтобы поблизости не было железной дороги. Представьте поле, вокруг растет зелень, и стоит фабрика, которая нам делает процессоры, – это оптимальный вариант. Чистый воздух Green Field (GF) снижает нагрузку на системы, снижает себестоимость, затраты на очистку воздуха. Поэтому понятно, почему многие стремились до недавнего времени размещать такие производства в юго-восточной Азии, тот же Китай довольно грязный.

И тем не менее Китай ввел у себя таких производств на 6 миллиардов долларов, хотя более экологически воспитанные японцы ввели на $22 миллиарда. Вот вам масштабы мирового производства в двух странах в год. Все понимают, что если мы переходим к микроэлектронике, без этого ничего сделать нельзя. Если мы хотим работать на уровне современных технологий, нужны новые заводы.

А современные технологии – это очень чистые и очень вредные среды. Надо понимать, что в производстве современной микроэлектроники используется целый ряд очень вредных материалов: фосфины, арсины, моноселаны и другие газы, которые изначально относятся к первому классу опасности, также и на выходе с технологических установок летучие соединения, и цианиды на выхлопе.Таков Закон эволюции: еще со времен алхимиков все безопасные материалы уже давно все освоили, а теперь, если хочешь добиться превосходства в технологиях, переходи на те материалы, которые раньше не использовались, на материалы, несовместимые со здоровьем и жизнью. Потому что все, что просто и безопасно, уже попробовали другие. И это порождает принципиально новые требования к производственным зданиям.

– Нужно внутри здания предусматривать системы утилизации всех этих ядов?

– В этом и сложность. С одной стороны, нужно предусматривать огромный воздухообмен, а с другой – утилизацию, защиту от вредных выбросов, как на подаче, чтобы не утекло, так и на выхлопе, который тоже образует вредные элементы, или на сливе.

В современных умных производствах заняты в основном роботы, но робота тоже надо настраивать, у нас производство в любом случае с персоналом, и это накладывает еще более жесткие требования по обеспечению его безопасности. Нормы прошлого века требуют радикального пересмотра, в том числе и в этом вопросе. При трехсоткратном воздухообмене у нас основное направление воздуха – от потолка вниз, в само перекрытие потолка воздух не доходит, поэтому если просто там, как того требуют нормы, установлен дымовой пожарный извещатель, случись что, дым до него дойдет последним, после того как будут «забиты» очень дорогие HEPRA фильтры ФВМ. Поэтому в реальных проектах в дополнение к действующим нормам мы используем системы раннего обнаружения пожара.

– Сверхсложная машина получается?

– Она не сложная. В принципе она простая. Маленький компрессор выкачивает воздух через трубочки большой длины, несколько десятков метров, которые имеют отверстия, рассчитанные специальной программой. Через них засасывается воздух, анализируется лазерным вычислителем задымленность и в случае аварии идет сигнал, что появился дым.

Если мы работаем по заказу, реализуемому, например, в рамках госбюджета, заказчик формально имеет право сказать: «Зачем вы разбрасываетесь государственными деньгами, делайте так, как по нормам положено!», а по нормам такая система раннего обнаружения пожара является избыточной. Но мы же понимаем, к каким последствиям может привести ситуация, если мы, проектировщики, будем формально следовать техническим регламентам.

Поэтому нужны новые стандарты. Если стандартные нормы будут, но не будет специальных технических условий, не будет ЧТЗ, то всем будет понятно, что такие сложные системы в ультрачистых помещениях являются необходимыми, и уж никак не избыточными. От решения этого вопроса во многом зависит будущее нашей национальной микроэлектроники.

Еще один очень важный момент. Если мы преодолеваем все проблемы проектирования сверхчистых производств, тут же возникает целый ряд новых: как запустить такой индустриальный объект, как наладить оборудование? Если он не уникальный, как следует из нынешнего Градостроительного кодекса, то по существующим правилам предусматривается финансирование пуско-наладки только технологии на холостом ходу. Это установка оборудования, 72 часа обкатки – и все. А между тем, чтобы даже монтировать оборудование, уже все системы здания должны обеспечивать заданные параметры среды.

При этом тот же ГОСТ принятый по чистым помещениям требует исполнения трех протоколов: сначала изготовление и приобретение инженерного оборудования, создание помещений, затем работа внутри помещений во время монтажа и наладки, потом работа при работающей вентиляции, когда технология установлена. Если у заказчика деньги есть только на обкатку, кто за это заплатит?

Представьте ситуацию: объект еще не сдан, акт госкомиссии не подписан, идет монтаж чистых помещений, это займет 7-8 месяцев, но уже должна работать система вентиляции, система холода должна поддерживать точность плюс-минус градус, иначе идет деформация стыков панелей. Не может быть открытых окон, должно быть все загерметизировано, люди должны быть уже в масках, в спецодежде, монтаж чистых помещений идет в таких условиях, как и эксплуатация. Если это уникальный объект, то можете написать программу, которая соответствует ГОСТу и на это можно заложить финансирование законно, исключая конфликт между заказчиком и генподрядчиком. Это серьезный момент. Решение по приданию статуса уникальности для таких объектов микроэлектроники решает не только вопросы проекта, но и многие проблемы, связанные с интеллектуальной составляющей проекта в целом.

– Какие, например?

– Как учитывать эту высокотехнологическую сложность проекта в сметной стоимости, обоснованно и нормативно правильно – вот в чем главная проблема. Ввести стадию научной подготовки, ввести дополнительное финансирование, описав по-другому, пусконаладочные работы… Уникальность позволяет многие разделы дополнить необходимыми в данном случае реальными работами. Там, где это неизвестно, не опробовано, никогда не было, это нужно делать обязательно. Уникальность не загоняет ни заказчика, ни проектировщика, ни наладчика в жесткие рамки сроков, исключающие возможность качественно выполнить работу.

Руководство Минстроя безусловно понимает, что нельзя допустить, чтобы добросовестные проектировщики поневоле оказывались в зоне нарушения норм и правил. К слову, и в цифровом производстве, в процессе цифровизации, при создании умных производств, будут те же самые проблемы. В госкорпорациях, осуществляющих цифровизацию, первый вопрос будет об обосновании затрат. Ответа также нет, а есть та же проблема финансирования пуско-наладочных работ. Представьте: закрытый цех, 150 роботов, компьютеров немеряно, полгода нужно все это налаживать, обеспечивать координацию работы оборудования. И все это время станки будут точить детали, получая на выходе практически один брак. Как видим, проблема один в один с теми, что имеет микроэлектроника.

Развитие РФ в качестве индустриальной державы, в первую очередь в таких инновационных областях, как микроэлектроника и приборостроение, а также магистральное направление на цифровизацию экономики, основанное на собственной современной компонентной и приборной базе, требует следующих шагов:

– Включение в статью 48.1. «Особо опасные, технически сложные и уникальные объекты» Градостроительного кодекса Российской Федерации понятия особо чистые производственные помещения (ISO 1-5) как технически сложные или уникальные объекты капитального строительства.

– Создание нормативной базы документов по проектированию и строительству особо чистых (класс чистоты ISO-5 и выше) производственных помещений для микроэлектронной и приборостроительной промышленности и выделение его в отдельный специализированный свод правил.

– Гармонизация этого свода правил с современными зарубежными нормами отраслевых организаций и ассоциаций.

– Переход в нормообразовании от концептуального подхода к прикладному на основании накопленного в Российской Федерации опыта, а также лучших зарубежных прикладных методик и норм, направленных на получении результата с заранее заданными характеристиками.

– Спасибо за беседу!

Версия для печати
Авторы: Геннадий КЛИМОВ
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: