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膜技術(shù)在電子工業(yè)純水制造中的應(yīng)用
2009/4/14
一、純水在電子元器件生產(chǎn)中的作用
純水在電子工業(yè)主要是電子元器件生產(chǎn)中的重要作用日益突出,純水水質(zhì)已成為影響電子元器件產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成品率及生產(chǎn)成本的重要因素之一,水質(zhì)要求也越來(lái)越高。在電子元器件生產(chǎn)中,高純水主要用作清洗用水及用來(lái)配制各種溶液、漿料,不同的電子元器件生產(chǎn)中純水的用途及對(duì)水質(zhì)的要求也不同。
在電器電容器生產(chǎn)中,鋁箔及工作件的清洗需用純水,如水中含有氯離子,電容器就會(huì)漏電。在電子管生產(chǎn)中,電子管陰極涂甫碳酸鹽,如其中混入雜質(zhì),就會(huì)影響電子的發(fā)射,進(jìn)而影響電子管的放大性能及壽命,因此其配液要使用純水,在顯象管和陰極射線(xiàn)管生產(chǎn)中,其熒光屏內(nèi)壁用噴涂法或沉淀法附著一層熒光物質(zhì),是鋅或其他金屬的硫化物組成的熒光粉顆粒并用硅酸鉀粘合而成,其配制需用純水,如純水中含銅在8ppb以上,就會(huì)引起發(fā)光變色;含鐵在50ppb以上就會(huì)使發(fā)光變色、變暗、閃光跳躍;含奇有機(jī)物膠體、微粒、細(xì)菌等,就會(huì)降低熒光層強(qiáng)度及其與玻殼的粘附力,并會(huì)造成氣泡、條跡、漏光點(diǎn)等廢次品。在黑白顯象管熒光屏生產(chǎn)的12個(gè)工序中,玻殼清洗、沉淀、濕潤(rùn)、洗膜、管頸清洗等5個(gè)工序需使用純水,每生產(chǎn)一個(gè)晶體管需用純水80kg[1]。液晶顯示器的屏面需有純水清洗和用純水配液,如純水中存在著金屬離子、微生物、微粒等雜質(zhì),就會(huì)使液晶顯示電路發(fā)生故障,影響液晶屏質(zhì)量,導(dǎo)致廢、次品。顯像管、液晶顯示器生產(chǎn)對(duì)純水水質(zhì)的要求見(jiàn)表1。
表1 顯像管、液晶顯示器用純水水質(zhì)
項(xiàng)目單位 | 電阻率MΩ·cm(25t) | 細(xì)菌個(gè)/ml | 微粒個(gè)/ml | TOC mg/L | Na+ μg/L | K+ μg/L | Cu μg/L | Fe μg/L | Zn μg/L |
黑白顯像管 彩色顯像管 液晶顯示器 | ≥5 ≥5 ≥5 | ≤5 ≤1 ≤1 | ≤10(φ>0.5μ) ≤10(φ>1μ) ≤10(φ>1μ) | ≤0.5 ≤0.5 ≤ 1 | ≤10 ≤10 ≤10 | ≤10 ≤10 ≤10 | ≤8 ≤10 ≤10 | ≤10 ≤10 ≤10 | ≤10 ≤10 ≤10 |
在晶體管、集成電路生產(chǎn)中,純水主要用于清洗硅片,另有少量用于藥液配制,硅片氧化的水汽源,部分設(shè)備的冷卻水,配制電鍍液等。集成電路的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成品率關(guān)系很大。水中的堿金屬(K、Na等)會(huì)使絕緣膜耐壓不良,重金屬(Au、Ag、Cu等)會(huì)使PN結(jié)耐壓降低,Ⅲ族元素(B、Al、Ga等)會(huì)使N型半導(dǎo)體特性惡化,V族元素(P、As、Sb等)會(huì)使P型半導(dǎo)體特性惡化[2],水中細(xì)菌高溫碳化后的磷(約占灰分的20-50%)會(huì)使P型硅片上的局部區(qū)域變化為N型硅而導(dǎo)致器件性能變壞[3],水中的顆粒(包括細(xì)菌)如吸咐在硅片表面,就會(huì)引起電路短路或特性變差。集成電路生產(chǎn)對(duì)純水水質(zhì)的要求見(jiàn)表2。
表2 集成電路(DRAM)對(duì)純水水質(zhì)的要求[4][5][6]
集成電路(DRAM)集成度 | 16K | 64K | 256K | 1M | 4M | 16M | |
相鄰線(xiàn)距 | 4 | 2.2 | 1.8 | 1.2 | 0.8 | 0.5 | |
微粒 | 直徑(μm) | 0.4 | 0.2 | 0.2 | 0.1 | 0.08 | 0.05 |
個(gè)數(shù)(PCS/ml) | <100 | <100 | <20 | <20 | <10 | <10 | |
細(xì)菌(CFU/100ML) | <100 | <50 | <10 | <5 | <1 | <0.5 | |
電阻率(μs/cm,25℃) | >16 | >17 | >17.5 | >18 | >18 | >18.2 | |
TOC(ppb) | <1000 | <500 | <100 | <50 | <30 | <10 | |
DO(ppb) | <500 | <200 | <100 | <80 | <50 | <10 | |
Na+(ppb) | <1 | <1 | <0.8 | <0.5 | <0.1 | <0.1 |
二、膜技術(shù)在純水制造中的應(yīng)用
純水制造中應(yīng)用的膜技術(shù)主要有電滲析(ED)、反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、微濾(MF),其工作原理、作用等見(jiàn)表3
表3 純水制造中常用的膜技術(shù)
膜組件名稱(chēng) | ED | RO | NF | UF | MF |
微孔孔徑 | 5-50埃 | 15-85埃 | 50-1000埃 | 0.03-100μm | |
工作原理 | 離子選擇透過(guò)性 | 2.優(yōu)先吸-毛細(xì)管理論 3.氫鏈理論 4.擴(kuò)散理論 | 同左 | 濾膜篩濾作用 | 同左 |
作用 | 去除無(wú)機(jī)鹽離子 | 去除無(wú)機(jī)鹽離子,以及有機(jī)物,微生物、膠體、熱源、病毒等 | 去除二價(jià)、三價(jià)離子,M>100的有機(jī)物,以及微生物,膠體,熱源、病毒等 | 去除懸濁物、膠體以及M>6000的有機(jī)物 | 去除懸濁物 |
組件形式 | 膜堆式 | 大多為卷式,少量為中空纖維 | 同左 | 大多為中空纖維,少量為卷式 | 摺迭濾筒式 |
工作壓力(Mpa) | 0.03-0.3 | 1-4 | 0.5-1.5 | 0.1-0.5 | 0.05-0.5 |
水回收率(%) | 50-80 | 50-75 | 50-85 | 90-95 | 100 |
使用壽命(年) | 3-8 | 3-5 | 3-5 | 35 | 3-6個(gè)月 |
水站位置 | 除鹽工序 | 除鹽工序 | 1.除鹽工序 2.RO前的軟化 | 大多為純水站終端精處理,少數(shù)RO前的預(yù)處理 | 1.RO、NF、UF前的保安過(guò)濾(3-10μm)2、離子交換濾除樹(shù)脂碎片(1μm) 3.UV后濾除細(xì)菌死體(0.2或0.45μm) 4.純水站終端過(guò)濾(0.03-0.45μm) |
與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比,膜技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、操作方便、易于自動(dòng)控制、能耗小、無(wú)污染、去除雜質(zhì)效率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),特別是幾種膜技術(shù)的配合使用,再輔之經(jīng)其他水處理工藝,如石英砂、活性炭吸附、脫氣、離子交換、UV殺菌等,為去除水中的各種雜質(zhì),滿(mǎn)足日益發(fā)展的電子工業(yè)對(duì)高純水的需要,提供了有效而可靠的手段,而且也只有應(yīng)用了多種膜技術(shù),才能生產(chǎn)出合格、穩(wěn)定的高純水,才能生產(chǎn)出大規(guī)模、超大規(guī)模、甚大規(guī)模集成電路(LSI、VLSI、ULSI),從而使計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、通訊、自動(dòng)控制等現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。值得一提的是:當(dāng)原水的含鹽量大于400mg/L時(shí),純水制造的除鹽工序采用RO-離子交換工藝后,比早先單用離子交換可節(jié)約酸、堿90%左右,使離子交換柱的周期產(chǎn)水量提高10倍左右[7],事實(shí)證明,可以降低純水制造的運(yùn)行費(fèi)用和制水成本,可以減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,可以減少對(duì)環(huán)境的污染,并可使純水水質(zhì)得到提高并長(zhǎng)期穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)電子工業(yè)引進(jìn)的純水制造系統(tǒng)中,有RO的約占系統(tǒng)總數(shù)的90%,有UF的約占20%,有MF的幾乎為100%[8],而ED在我國(guó)國(guó)產(chǎn)的純水系統(tǒng)特別是早期投產(chǎn)的純水系統(tǒng),以及為數(shù)眾多的對(duì)純水水質(zhì)要求不高的一般電子元器件(如電阻、電容、黑白顯像管、電子管等)制造廠的純水系統(tǒng)中占有相當(dāng)?shù)谋壤?BR>
三、微電子工廠純水站使用膜技術(shù)實(shí)況
現(xiàn)以某微電子工廠中的某一純水站使用膜技術(shù)的實(shí)況,說(shuō)明膜技術(shù)在電子工業(yè)純水制造中的應(yīng)用。其純水制造系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。
1.前級(jí)UF
前級(jí)UF是用于去除水中的懸濁物、膠體及有機(jī)物,降低水的SDO值,確保RO的安全運(yùn)行。前級(jí)UF在5組,每組45根組件,共225根組件,進(jìn)水280m3/h,透過(guò)水250m3/h,濃縮水排放,回收率約90%。UF組件為美國(guó)Romicon公司,型號(hào)HF-BZ-20-PM80,組件直徑5in,長(zhǎng)43in,內(nèi)壓式中空纖維膜,纖維直徑20min(0.51mm),共有2940根纖維,膜面積132ft2,膜材料為PS(聚砜),截留分子量8萬(wàn)。UF前采用5μm保安過(guò)濾器。
2.一級(jí)RO
水中加入還原劑Na2SO3(加藥量為水中余氯值的1.8倍)以防止余氯腐蝕RO膜,加入防垢劑(NaPO3)6(加藥量為5PPm)以防止CaCO3 、CaSO4 等在RO膜上結(jié)垢,再經(jīng)5μm保安過(guò)濾器后由高壓泵打進(jìn)一級(jí)RO。一級(jí)RO有4組,均為二段。其中三組為每組8根膜容器,呈(5+3)排列,第4組為11根膜容器,呈(8+3)排列,膜容器由FRP(玻璃鋼)制成,每根內(nèi)裝6個(gè)RO元件,總共為210個(gè)RO元件,進(jìn)水250 m3/h,透過(guò)水188 m3/h,濃縮水排放,回收率為75%,脫鹽率>90%(初始脫鹽率>99%),操作壓力1.55Mpa。RO元件為美國(guó)HYDRANAUTICS(海德能)公司生產(chǎn),型號(hào)CPA3。元件直徑8in,長(zhǎng)40in,卷式膜,膜面積400ft2,膜材料為芳香聚酰復(fù)合膜,元件脫鹽率≥99.5%
3.二級(jí)RO
一級(jí)RO水箱出水中一部分進(jìn)入A系統(tǒng),先加NaOH(CP級(jí))調(diào)節(jié)pH為8.2-8.6,使水中CO2生成HCO3,被二級(jí)RO除去,以減輕混床離子交換的負(fù)擔(dān),采用二級(jí)RO可以使混床再生周期延長(zhǎng)一倍,減少再生酸堿耗量,并可進(jìn)一步去除TOC和膠體物質(zhì)。二級(jí)RO前采用3μm保安過(guò)濾器,二級(jí)RO為一組三段,共10根膜容器,按(6+3+1)排列,每根容器內(nèi)裝6只RO元件,共60只RO元件,進(jìn)水70 m3/h,出水62 m3/h,濃水排至超濾水箱,回收率為90%,脫鹽率>70%(初始脫鹽率>80%),RO元件的生產(chǎn)廠、型號(hào)一級(jí)RO相同。
4.后級(jí)UF
后級(jí)UF是用于去除水中的微粒、微生物、膠體、有機(jī)物等的終端過(guò)濾設(shè)備。
A系統(tǒng)后級(jí)UF為3組,每組18支,共54支組件,進(jìn)水92m3/h,出水90 m3/h,濃水排至一級(jí)RO水箱,回收率約98%。UF組件為美國(guó)Romicon公司生產(chǎn),型號(hào)HF-132-20-PM10,組件直徑5in,長(zhǎng)43in,內(nèi)壓式中空纖維膜,纖維直徑20min(0.5mm),共有2940根纖維,膜面積132ft2,膜材料為PS(聚砜),截留分子量1萬(wàn)。
B系統(tǒng)后級(jí)UF有3支組件,進(jìn)水168m3/h,出水164 m3/h,回收率約98%,UF組件制造廠及型號(hào)與A系統(tǒng)后級(jí)UF相同。
C系統(tǒng)后級(jí)UF有3支組件,進(jìn)水4m3/h,出水3.9 m3/h,回收率98%,UF元件為美國(guó)HYDRANAUTICS公司生產(chǎn),型號(hào)4040-FTV-2120,組件3.94 min,長(zhǎng)40 in,卷式膜,膜面積55ft2,膜材料為聚烯烴,截留分子量5萬(wàn)。
5.微濾
本系統(tǒng)的微濾可分為三類(lèi),第一類(lèi)為前級(jí)UF、RO前的保安過(guò)濾器,用于支除水中的的懸濁物微粒,降低水中的SDI值,濾芯為PP(聚丙烯)膜摺迭式濾芯,孔徑為5μm或3μm。第二類(lèi)在離子交換后,用于濾除離子交換樹(shù)脂碎片,濾芯為PP膜摺迭式濾芯,孔徑為1μm。第三類(lèi)在UV殺菌器后,用于濾除微生物尸體,濾芯為N-6(尼龍6)膜摺迭式濾芯,孔徑為0.45μm或0.2μm。以上濾芯均為核工業(yè)部第八研究所生產(chǎn)。
除上述水站外,該廠還有另幾套高純水制造系統(tǒng),RO除使用復(fù)合膜元件外,還有使用CA醋酸纖維素膜元件。
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