Deutsch
Menü

HEPA-Filter vs. ULPA-Filter: Definition des Abscheidegrads, Filterklassen, MPPS und Einsatz im Reinraum

HEPA- und ULPA-Filter sind Hochleistungs-Luftfilter aus feinen Glasfasern oder ähnlichen Filtermedien, die in Falten gelegt sind. Sie werden in Reinraumdecken oder FFUs eingebaut, um Partikel aus der Luft zu entfernen. Der Unterschied liegt im Abscheidegrad. Die japanische JIS-Terminologienorm (JIS Z 8122) definiert einen HEPA-Filter so, dass er bei Nennvolumenstrom mindestens 99,97 % der Partikel mit 0,3 µm abscheidet, und einen ULPA-Filter so, dass er mindestens 99,9995 % der Partikel mit 0,15 µm abscheidet. Die europäische Norm EN 1822-1 teilt Filter dagegen nach ihrem Abscheidegrad bei der Partikelgröße mit dem höchsten Durchlass (MPPS) ein: Die Klassen H13 und H14 sind HEPA, U15 bis U17 sind ULPA. ULPA-Filter halten mehr Partikel zurück, haben bei gleichem Volumenstrom aber einen höheren Druckverlust und kosten mehr, daher richtet sich die Wahl nach der geforderten Reinheit.

MerkmalHEPA-FilterULPA-Filter
Bedeutung des NamensHigh Efficiency Particulate Air (Hochleistungs-Schwebstofffilter)Ultra Low Penetration Air (Filter mit äußerst geringem Partikeldurchlass)
Definition nach JIS (JIS Z 8122)Scheidet bei Nennvolumenstrom mindestens 99,97 % der Partikel mit 0,3 µm abScheidet bei Nennvolumenstrom mindestens 99,9995 % der Partikel mit 0,15 µm ab
Klassen nach EN 1822-1 (Gesamtabscheidegrad bei MPPS)H13: mindestens 99,95 %; H14: mindestens 99,995 %U15: mindestens 99,9995 %; U16: mindestens 99,99995 %; U17: mindestens 99,999995 %
Anteil durchgelassener PartikelHöchstens 0,05 % bei H13 und 0,005 % bei H14 (5 von 10.000 bzw. 5 von 100.000)Höchstens 0,0005 % bei U15 (5 von 1 Million); jede Klassenstufe senkt ihn um den Faktor 10
Partikelgröße mit dem höchsten Durchlass (MPPS)Hängt vom Filtermedium ab, typischerweise etwa 0,1 bis 0,3 µm; größere Partikel werden durch Trägheit und Sperreffekt, kleinere durch Diffusion abgeschiedenDieselben Mechanismen, typischerweise etwa 0,1 bis 0,3 µm; das dichtere Medium lässt auch bei dieser Größe weniger Partikel durch
Druckverlust und KostenGeringerer Druckverlust bei gleichem Volumenstrom, daher lassen sich Ventilatorleistung und Preis leichter niedrig haltenBei gleichem Volumenstrom meist höherer Druckverlust, daher steigen Ventilatorleistung und Preis
Typischer Einsatz im ReinraumBereiche um ISO-Klasse 5 bis 8, Operationssäle, Pharmawerke; in Halbleiterfabriken Bereiche mit geringeren ReinheitsanforderungenISO-Klasse 4 und reiner sowie Orte mit besonders hohen Reinheitsanforderungen, etwa die Minienvironments von Fertigungsanlagen
Was sie nicht entfernenGasförmige molekulare Kontamination (AMC) wie Ammoniak und organische Stoffe; dafür ist ein separater Chemiefilter nötigEbenso keine Gase; wenn aus Glasfasermedien freigesetztes Bor ein Problem ist, werden borarme Medien oder PTFE-Medien verwendet

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

HEPA-Filter
Für Bereiche, in denen eine Reinheit um ISO-Klasse 5 oder geringer genügt. Der niedrigere Druckverlust hält die Ventilatorleistung gering, auch wenn viele Filter eine große Fläche bedecken.
ULPA-Filter
Für besonders reine Bereiche, in denen auch sehr kleine Partikel verringert werden müssen, etwa Halbleiterprozesse mit feinen Strukturen. Der höhere Abscheidegrad geht mit höherem Druckverlust und höheren Kosten einher.
Der Filter allein bestimmt die Reinheit nicht
Die Reinheit eines Raums hängt nicht nur von der Filterklasse ab, sondern auch davon, wie viel der Decke mit Filtern belegt ist, von der Downflow-Strömung, von Partikeln, die Personen und Anlagen abgeben, und von Leckagen an den Filterrahmen. Ein Filter höherer Klasse hilft nicht, wenn die Strömung verwirbelt ist.

Häufige Fragen

Was bedeutet „99,97 % bei 0,3 µm“ bei einem HEPA-Filter?

Strömt Luft mit Partikeln von 0,3 µm bei Nennvolumenstrom durch den Filter, scheidet er mindestens 99,97 % davon ab, es gelangen also höchstens 3 von 10.000 hindurch. 0,3 µm liegt nahe an der Größe, die Fasern am schlechtesten abscheiden (MPPS), weshalb diese Größe zur Angabe der Leistung verwendet wurde. Größere oder kleinere Partikel werden im Allgemeinen noch besser abgeschieden.

Was bedeuten H13 und U15?

Das sind Klassen der europäischen Norm EN 1822-1. Der Gesamtabscheidegrad des Filters wird mit Partikeln der Größe mit dem höchsten Durchlass (MPPS) gemessen: H13 mindestens 99,95 %, H14 mindestens 99,995 % und U15 mindestens 99,9995 %; jede Stufe senkt den durchgelassenen Anteil um den Faktor 10. Die internationale Norm ISO 29463 teilt Filter nach weitgehend demselben Prinzip ein. Die Prüfpartikelgröße unterscheidet sich von der JIS-Definition, daher sollten die Zahlen nicht direkt verglichen werden.

Macht ein ULPA-Filter jeden Raum sehr rein?

Nein. Die Reinheit hängt stark davon ab, wie viel der Decke mit Filtern belegt ist, ob der Downflow gleichmäßig ist, wie viele Partikel Personen und Anlagen abgeben und ob die Filterrahmen dicht sind. Nach dem Einbau werden Filterflächen und Rahmen mit einem Partikelzähler abgetastet, um Leckagen zu finden, und die Partikelanzahl im Raum wird nach ISO 14644-1 gemessen.

Können HEPA- oder ULPA-Filter Gase entfernen?

Nein. Beide scheiden Partikel ab, und Moleküle wie Ammoniak und organische Stoffe passieren das Medium. Halbleiterfabriken kombinieren sie mit Chemiefiltern, etwa aus Aktivkohle, um die molekulare Kontamination (AMC) zu verringern.

Verständnis prüfen

Welcher Hochleistungsfilter dient dazu, Feinstpartikel aus der Reinraumluft zu entfernen?

  1. ATiefpassfilter
  2. BFarbfilter
  3. CULPA-Filter (HEPA-Filter)
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: C. ULPA-Filter (HEPA-Filter)

HEPA-Filter und die noch leistungsfähigeren ULPA-Filter sind Luftfilter mit einem gefalteten Filtermedium aus feinen Glasfasern, das Feinstpartikel aus der Luft abscheidet; sie werden z. B. in der Reinraumdecke eingebaut. Auch Partikel, die kleiner als die Faserzwischenräume sind, stoßen durch Trägheit und Diffusion an die Fasern und werden abgeschieden. Ein Tiefpassfilter ist eine elektrische Schaltung, die hohe Frequenzen unterdrückt; ein Farbfilter ist ein Bauteil, das z. B. in Bildsensoren die Farben trennt.

Welche Aussage zur üblichen Definition der Leistung eines HEPA-Filters ist richtig?

  1. AEr scheidet Partikel von 0,3 µm Durchmesser zu mindestens 99,97 % ab
  2. BEr scheidet Partikel von 10 µm Durchmesser zu mindestens 50 % ab
  3. CEr entfernt gasförmige Moleküle zu mindestens 99,99 %
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Er scheidet Partikel von 0,3 µm Durchmesser zu mindestens 99,97 % ab

Ein HEPA-Filter ist als Filter definiert (z. B. nach JIS), der für Partikel von etwa 0,3 µm, nahe der am schwersten abzuscheidenden Größe, einen Abscheidegrad von mindestens 99,97 % aufweist. Größere Partikel werden durch Trägheit, kleinere durch Diffusion infolge der Brownschen Bewegung leicht an den Fasern abgeschieden; die mittleren Größen passieren daher am leichtesten. Der noch leistungsfähigere ULPA-Filter erreicht bei 0,15 µm mindestens 99,9995 %. Beide entfernen keine Gase.

Welche Einrichtung vereint Filter und Ventilator und wird in der Decke angeordnet, um saubere Luft auszublasen?

  1. AFFU (Fan Filter Unit)
  2. BEFEM
  3. COHT
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. FFU (Fan Filter Unit)

Eine FFU ist eine Einheit, die einen Ventilator mit einem HEPA-/ULPA-Filter vereint; viele davon werden in der Reinraumdecke nebeneinander angeordnet und blasen saubere Luft nach unten aus. Der Luftstrom lässt sich pro Einheit einstellen, und Layoutänderungen oder eine teilweise Änderung der Reinheit sind leicht umsetzbar; deshalb wird sie anstelle von Verfahren mit großen Luftkanälen breit eingesetzt. Das EFEM ist ein Frontmodul der Anlage, das OHT ein Deckentransportfahrzeug.

  1. Welches Element, das z. B. aus Glasfaserfiltern freigesetzt wird, kann eine unbeabsichtigte Dotierung (Kontamination) von Wafern verursachen?
  2. Welcher Filter wird verwendet, um molekulare Kontamination (AMC) wie Ammoniak und organische Stoffe aus der Reinraumluft zu entfernen?
  3. Welche Aussage zu den Reinheitsklassen nach ISO 14644-1 ist richtig?

Übungsfragen zu Reinraum und Fertigungsanlagen

Wichtige Begriffe erklärt

HEPA-Filter
Hochleistungs-Luftfilter, der mindestens 99,97 % der Partikel mit 0,3 µm Durchmesser abscheidet. Filter, die noch feinere Partikel abscheiden, sind ULPA-Filter.
ULPA-Filter
Hochleistungs-Luftfilter, der noch feinere Partikel als ein HEPA-Filter abscheidet. Wird in der Decke von Reinräumen mit hoher Reinheit eingesetzt.
ISO 14644-1
Internationale Norm, die die Reinheitsklassen von Reinräumen anhand der Partikelanzahl in der Luft festlegt. Je kleiner die Zahl, desto höher die Reinheit.
FFU (Fan-Filter-Unit)
Einheit, die Ventilator und Hochleistungsfilter integriert. In der Reinraumdecke angeordnet, bläst sie saubere Luft nach unten.
Downflow (Vertikalströmung)
Strömungsart im Reinraum, bei der saubere Luft über die gesamte Decke einseitig nach unten zum Boden strömt. Entstandene Partikel werden rasch unter den Boden abgeführt.
Reinraum
Raum, in dem die Zahl der Partikel in der Luft unter einem festgelegten Niveau gehalten wird und auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck kontrolliert werden. Die Halbleiterfertigung findet in Reinräumen statt, damit die Wafer nicht verunreinigt werden.
Molekulare Kontamination (AMC)
Gasförmige Verunreinigungen in der Luft wie Säuren, Basen und organische Stoffe. Partikelfilter halten sie nicht zurück; sie werden mit chemischen Filtern entfernt.
Minienvironment
Konzept, nur den engen Raum um den Wafer auf hoher Reinheit zu halten. Durch Kombination geschlossener Behälter wie FOUP mit dem EFEM an der Anlagenfront sinken die Reinheitsanforderungen an den gesamten Raum und damit die Kosten.

Verwandte Vergleiche