Le clean room, o camere bianche, sono ambienti particolari utilizzati per la produzione di componenti elettronici miniaturizzati. Essenziali per la qualità del prodotto, queste stanze garantiscono un'aria purificata e sono fondamentali per settori come la microelettronica e i semiconduttori.

Cosa sono le clean room?

Le clean room, o camere bianche, sono ambienti detti “a contaminazione controllata”, dove avviene il filtraggio attivo dell’aria. Questi ambienti controllati sono tradizionalmente noti per essere impiegati nel settore alimentare, farmaceutico e sanitario, ma oggi trovano sempre più applicazione anche in settori come quello dell’ottica, dei materiali compositi e della microelettronica. In quest’ultimo contesto, anche un singolo granello di polvere può avere dimensioni comparabili a diverse piste conduttrici affiancate, compromettendo l’integrità e la funzionalità di un intero chip. Pertanto, la purificazione dell’aria diventa fondamentale per la produzione e la manipolazione di componenti elettronici miniaturizzati, migliorando significativamente la qualità del prodotto finale.

All’interno delle clean room, l’ambiente è caratterizzato da un contenuto estremamente basso di particelle sospese nell'aria grazie a specifiche tecnologie di controllo atmosferico. A garantire la sterilità della produzione e della manipolazione, è un sistema formato da ventilatori a soffitto che immettono continuamente aria filtrata in una stanza sigillata, mentre le ventole posizionate in basso aspirano l'aria e la espellono all'esterno. Questo sistema di filtrazione assicura il riciclo costante dell'aria, rimuovendo così tutte quelle microparticelle di contaminanti che possono essere presenti.

Negli ultimi decenni, l'introduzione delle camere bianche ha reso possibile la realizzazione di componenti sempre più piccoli, permettendo enormi progressi nella miniaturizzazione della tecnologia, riducendo i difetti di fabbricazione e migliorando la produttività.

 

La produzione dei semiconduttori in una clean room

Con il termine “semiconduttori” si fa riferimento ai materiali con cui si realizzano i circuiti elettronici ma spesso è utilizzato anche per indicare i microchip, rappresentando quindi un settore cardine dell’intera industria elettronica. Le clean room dedicate al settore dei semiconduttori hanno caratteristiche peculiari, date dalla necessità di controlli ambientali molto stringenti per la natura sensibile dei prodotti trattati. Inoltre, è un settore caratterizzato da una grande velocità nell’aggiornamento delle tecnologie e dalla delicatezza delle attività che si svolgono all’interno, i processi possono avere una durata anche piuttosto lunga ed essere molto complessi. Per questo motivo, le lavorazioni in questo settore coinvolgono macchinari delicati e costosi. Di conseguenza, la clean room deve essere flessibile e modificabile per adattarsi agli impianti presenti.

La purezza dell'aria influisce significativamente sulla qualità del prodotto finale, poiché le operazioni si svolgono spesso a livello microscopico e le microparticelle possono alterare o danneggiare i componenti finali. La microelettronica, in particolare, ha sviluppato le clean room per proteggere le micro-fotoincisioni necessarie alla produzione dei chip.

Tuttavia, le applicazioni delle clean room nella produzione dei semiconduttori riguardano diversi settori oltre a quello della microelettronica. Per esempio, nel fotovoltaico la clean room evita le contaminazioni che possono minare l’efficacia del prodotto nella realizzazione di celle fotovoltaiche; nel settore della fotonica consente di ottenere componenti sterili per sistemi fotonici e ottici; infine, nei reparti di ricerca e sviluppo delle realtà industriali assicura la sterilità di tutti gli elementi dedicati allo studio dell’innovazione tecnologica.

 

Come si progetta una clean room per semiconduttori

A causa della natura sensibile dei prodotti trattati e del rischio di perdita di integrità e funzionalità in caso di contaminazione, le clean room per le applicazioni microelettroniche e dei semiconduttori sono soggette a rigorosi controlli ambientali. Questo include il monitoraggio di variabili critiche come particelle, microbi, ma anche pressione, temperatura, umidità e flussi d’aria. I trasmettitori sono strumenti largamente impiegati nel monitoraggio e nella regolazione automatica dei parametri delle clean room poiché rilevano misure fisiche, come le variabili ambientali, e le convertono in segnali elettrici trasmettendo questi dati in tempo reale.

Un altro aspetto da non sottovalutare è che le camere bianche ospitano attrezzature di precisione dai costi elevatissimi ed eventuali carenze nella pulizia e nella manutenzione della camera possono influenzare l’intero processo di produzione.

In generale, la progettazione di una clean room deve soddisfare alcuni requisiti fondamentali per garantirne la conformità, tra cui:

• alta resistenza meccanica delle pareti;
• sistemi di pareti antistatiche per rispettare gli standard di fabbricazione dei semiconduttori;
• pareti removibili per facilitare il trasferimento di attrezzature di grandi dimensioni;
• elevata flessibilità;
• resistenza agli agenti chimici per la pulizia;
• ermeticità;
• impianto di luci UV per la sterilizzazione;
• non ritenzione di particelle;
• non proliferazione di agenti contaminanti.

Ogni componente della camera bianca deve dunque essere progettato per prevenire contaminazioni che potrebbero compromettere la qualità del prodotto o la sicurezza del processo.

 

Cosa fa l’ingegnere elettronico in clean room

Gli ingegneri elettronici svolgono un ruolo fondamentale all’interno di una clean room dove lavorano per realizzare microlavorazioni, prototipi di microsistemi, assemblaggi e altri dispositivi elettronici. Grazie alle tecnologie disponibili, gli ingegneri elettronici possono sviluppare applicazioni avanzate come biosensori per la diagnostica medica, chip microfluidici per studi biologici, sensori magnetici, memorie, dispositivi per la nanoelettronica e la fotonica integrata, oltre a componenti per il fotovoltaico.

Il Politecnico di Milano, per esempio, attraverso la realizzazione del centro Polifab, ospita al suo interno una clean room di 370 m² dove gli ingegneri elettronici lavorano sulle nano e microtecnologie. PoliFab è un progetto che fornisce il contesto ideale per lo sviluppo e l'applicazione di tecnologie avanzate in fotonica, micro e nanoelettronica, e biotecnologie. La clean room è dotata di strumentazione all'avanguardia per la fabbricazione di dispositivi su wafer fino a 6 pollici e fa di PoliFab un centro in grado di contribuire al progresso tecnologico e alla creazione di nuove sinergie con il mondo industriale. L’Ingegneria Elettronica, attraverso l'utilizzo delle clean room e delle tecnologie di Polifab, è quindi al centro dell'innovazione, e permette di sviluppare soluzioni avanzate e mantenere così la competitività dell'Italia nei settori più strategici delle nuove tecnologie.

Oltre alla produzione e alla manipolazione dei componenti elettronici, per l’ingegnere elettronico che opera in clean room si apre anche l’opportunità di collaborare con gli altri professionisti del settore, al fine di:

• sviluppare nuove tecnologie per eliminare i contaminanti con la massima precisione;
• lavorare al prolungamento della vita degli apparecchi elettronici;
• aumentare l’affidabilità e la qualità della produzione;
• garantire la conformità agli standard dell’industria.

L'ingegnere elettronico in clean room è, dunque, una figura altamente specializzata, capace di affrontare complessi problemi tecnici, ma anche estremamente versatile, adattabile a una vasta gamma di settori e applicazioni tecnologiche.