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膜技术在电子工业纯水制造中的应用

时间:2010-08-18 08:40:32  来源:软化水设备网  作者:锅炉水处理设备

膜技术在电子工业纯水制造中的应用

 

一、纯水在电子元器件生产中的作用

  纯水在电子工业尤其是电子元器件生产中的重要作用日益突出,纯水水质已成为影响电子元器件产品质量、生产成品合格率及生产成本的重要因素之一,水质要求也越来越高。在电子元器件生产中,高纯水主要用作清洗用水及用来配制各种溶液、浆料,不同的电子元器件生产中纯水的用途不同,因此对水质的要求也不同。

  在电解电容器生产中,铝箔及工作件的清洗需用纯水,如水中含有氯离子,电容器就会漏电。在电子管生产中,电子管阴极涂敷碳酸盐,如其中混入杂质,就会影响电子的发射,进而影响电子管的放大性能及寿命,因此其配液要使用纯水。在显像管和阴极射线管生产中,其荧光屏内壁用喷涂法或沉淀法附着一层荧光物质,是锌或其他金属的硫化物组成的荧光粉颗粒并用硅酸钾粘合而成,其配制需用纯水,如纯水中含铜在8ppb以上,就会引起发光变色;含铁在50ppb以上就会使发光变色、变暗、闪光跳跃;含有机物胶体、微粒、细菌等,就会降低荧光层强度及其与玻壳的粘附力,并会造成气泡、条迹、漏光点等废次品。在黑白显像管荧光屏生产的12个工序中,玻壳清洗、沉淀、湿润、洗膜、管颈清洗等5个工序需使用纯水,每生产一个显像管需用纯水80kg。液晶显示器的屏面需用纯水清洗和用纯水配液,如纯水中存在着金属离子、微生物、微粒等杂质,就会使液晶显示电路发生故障,影响液晶屏质量,导致废、次品。显像管、液晶显示器生产对纯水水质的要求见表1。

表1   显像管、液晶显示器用纯水水质

项目单位

电阻率

MΩ·cm

(25t)

细菌

个/ml

微粒

个/ml

TOC

mg/L

Na +

μg/L

K +

μg/L

Cu

μg/L

Fe

μg/L

Zn

μg/L

黑白显像管,彩色显像管,液晶显示器

≥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

  在晶体管、集成电路生产中,纯水主要用于清洗硅片,另有少量用于药液配制,硅片氧化的水汽源,部分设备的冷却水,配制电镀液等。集成电路生产过程中的80%的工序需要使用高纯水清洗硅片,水质的好坏与集成电路的产品质量及生产成品率关系很大。水中的碱金属(K、Na等)会使绝缘膜耐压不良,重金属(Au、Ag、Cu等)会使PN结耐压降低,Ⅲ族元素(B、Al、Ga等)会使N型半导体特性恶化,Ⅴ族元素(P、As、Sb等)会使P型半导体特性恶化,水中细菌高温碳化后的磷(约占灰分的20-50%)会使P型硅片上的局部区域变为N型硅而导致器件性能变坏,水中的颗粒(包括细菌)如吸附在硅片表面,就会引起电路短路或特性变差。集成电路生产对纯水水质的要求见表2。

表2  集成电路(DRAM)对纯水水质的要求

集成电路(DRAM)集成度

16K

64K

256K

1M

4M

16M

相邻线距(μm)

4

2.2

1.8

1.2

0.8

0.5

微粒

直径(μm)

0.4

0.2

0.2

0.1

0.08

0.05

个数(PCS/ml)

<100

<100

<20

<20

<10

<10

细菌(CFU/100ML)

<100

<50

<10

<5

<1

<0.5

电阻率(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、膜技术在纯水制造中的应用

  纯水制造中应用的膜技术主要有电渗析(ED)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、微滤(MF),其工作原理、作用等见表3。

表3  纯水制造中常用的膜技术

膜组件名称

ED

RO

NF

UF

MF

微孔孔径

5-50

15-85

50-1000埃(1μm)

0.03-100μm

工作原理

离子选择透过性

1.优先吸附-毛细管理论

2.氢链理论

3.扩散理论

同左

滤膜筛滤作用

同左

作用

去除无机盐离子

  去除无机盐离子,以及有机物、微生物、胶体、热源、病毒等

去除二价、三价离子,M>100的有机物,以及微生物、胶体、热源、病毒等

去除悬浊物、胶体以及M>6000的有机物

去除悬浊物

组件形式

膜堆式

大多为卷式,少量为中空纤维

同左

大多为中空纤维,少量为卷式

摺迭滤筒式

工作压力(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

使用寿命(年)

3-8

3-5

3-5

3-5

3-6个月

水站位置

除盐工序

除盐工序

1.除盐工序

2.RO前的软化

大多为纯水站终端精处理,少数为RO前的预处理

1.RO、NF、UF前的保安过滤(3-10μm)

2.离子交换后滤除树脂碎片(1μm)

3.UV后滤除细菌死体(0.2或 0.45μm)

4.纯水站终端过滤(0.03-0.45μm)

  与传统的水处理技术相比,膜技术具有工艺简单、操作方便、易于自动控制、能耗小、无污染、去除杂质效率高、运行成本低等优点,特别是几种膜技术的配合使用,再辅之以其他水处理工艺,如石英砂过滤、活性炭吸附、脱气、离子交换、UV杀菌等,为去除水中的各种杂质,满足日益发展的电子工业对高纯水的需要,提供了有效而可靠的手段,而且也只有应用了多种膜技术,才能生产出合格、稳定的高纯水,才能生产出大规模、超大规模、甚大规模集成电路(LSI、VLSI、ULSI),从而使计算机、雷达、通讯、自动控制等现代电子工业的发展和应用得以实现。值得一提的是:当原水的含盐量大于400mg/L时,纯水制造的除盐工序采用RO-离子交换工艺后,比早先单用离子交换可节约酸、碱约90%左右,使离子交换柱的周期产水量提高10倍左右,事实证明,可以降低纯水制造的运行费用和制水成本,可以减少工人的劳动强度,可以减少对环境的污染,并可使纯水水质得到提高并长期稳定。据统计,在我国电子工业引进的纯水制造系统中,有RO的约占系统总数的90%,有UF的约占20%,有MF的几乎为100%,而ED在我国国产的纯水系统特别是早期投产的纯水系统,以及为数众多的对纯水水质要求不高的一般电子元器件(如电阻、电容、黑白显像管、电子管等)制造厂的纯水系统中占有相当的比例。

  三、微电子工厂纯水站使用膜技术实况

  现以某微电子工厂中的某一纯水站使用海德能膜技术的实况,说明膜技术在电子工业纯水制造中的应用。

  1.前级UF

  前级UF是用于去除水中的悬浊物、胶体及有机物,降低水的SDI值,确保RO的安全运行。前级UF有5组,每组45根组件,共225根组件,进水280m 3 /h,透过水250 m 3 /h,浓缩水排放,回收率约90%。UF组件为海德能公司生产的中空纤维膜。UF前采用5μm保安过滤器。

  2.一级RO

  水中加入还原剂Na 2 SO 3 (加药量为水中余氯值的1.8倍)以防止余氯氧化腐蚀RO膜,加入防垢剂(NaPO 3 6 (加药量为5ppm)以防止CaCO 3 、CaSO 4 等在RO膜上结垢,再经5μm 保安过滤器后由高压泵打进一级RO。一级RO有4组,均为二段。其中三组为每组8根膜容器,呈(5+3)排列,第4组为11根膜容器,呈(8+3)排列,膜容器由FRP(玻璃钢)制成,每根内装6个RO膜元件,总共为210个RO膜元件,进水250m 3 /h,透过水188m 3 /h,浓缩水排放,回收率为75%,脱盐率>90%(初始脱盐率>99%),操作压力1.55Mpa。RO膜元件采用海德能公司生产的芳香聚酰胺复合反渗透膜,膜元件平均脱盐率99.5%。

  3.二级RO

  一级RO水箱出水中一部分进入A系统,先加NaOH(CP级)调节pH为8.2-8.6,使水中CO 2 生成HCO 3 - ,被二级RO除去,以减轻混床离子交换的负担,采用二级RO可以使混床再生周期延长一倍,减少再生酸碱耗量,并可进一步去除TOC和胶体物质。二级RO前采用3μm保安过滤器,二级RO为一组三段,共10根膜容器,按(6+3+1)排列,每根容器内装6只RO膜元件,共60只RO膜元件,进水70m 3 /h,出水62m 3 /h,浓水排至超滤水箱,回收率为90%,脱盐率>70%(初始脱盐率>80%),RO膜元件采用海德能公司反渗透膜,型号与一级RO膜元件相同。

  4.后级UF

  后级UF是用于去除水中的微粒、微生物、胶体、有机物等的终端过滤设备。

  A系统后级UF为3组,每组18支,共54支组件,进水92 m 3 /h,出水90 m 3 /h,浓水排至一级RO水箱,回收率约98%。UF组件采用海德能公司生产的中空纤维膜。

  B系统后级UF为8组,每组9支,共72支组件,进水168 m 3 /h,出水164 m 3 /h,回收率约98%,UF组件采用海德能公司生产的中空纤维膜。

C系统后级UF有3支组件,进水4 m 3 /h,出水3.9 m 3 /h,回收率约98%,UF组件采用海德能公司生产的中空纤维膜。

  5.微滤

  本系统的微滤可分为三类,第一类为前级UF、RO前的保安过滤器,用于去除水中的悬浊物微粒,降低水的SDI值,滤芯为PP(聚丙烯)膜摺迭式滤芯,孔径为5μm或3μm。第二类在离子交换后,用于滤除离子交换树脂碎片,滤芯为PP膜摺迭式滤芯,孔径为1μm。第三类在UV杀菌器后,用于滤除微生物尸体,滤芯为N-6(尼龙6)膜摺迭式滤芯,孔径为0.45μm或0.2μm。

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