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環保工藝
膜技術在電子工業純水制造中的應用
信息來源:   發布時間:2014-3-27   瀏覽:1817次

 

摘要:純水在電子工業主要是電子元器件生產中的重要作用日益突出,純水水質已成為影響電子元器件產品質量、生產成品率及生產成本的重要因素之一,水質要求也越來越高。在電子元器件生產中,高純水主要用作清洗用水及用來配制各種溶液、漿料,不同的電子元器件生產中純水的用途及對水質的要求也不同。 
 
  關鍵字:膜技術 純水

  一、純水在電子元器件生產中的作用

 

  純水在電子工業主要是電子元器件生產中的重要作用日益突出,純水水質已成為影響電子元器件產品質量、生產成品率及生產成本的重要因素之一,水質要求也越來越高。在電子元器件生產中,高純水主要用作清洗用水及用來配制各種溶液、漿料,不同的電子元器件生產中純水的用途及對水質的要求也不同。
 

  在電解電容器生產中,鋁箔及工作件的清洗需用純水,如水中含有氯離子,電容器就會漏電。在電子管生產中,電子管陰極涂敷碳酸鹽,如其中混入雜質,就會影響電子的發射,進而影響電子管的放大性能及壽命,因此其配液要使用純水。在顯像管和陰極射線管生產中,其熒光屏內壁用噴涂法或沉淀法附著一層熒光物質,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,就會引起發光變色;含鐵在50ppb以上就會使發光變色、變暗、閃光跳躍;含有機物膠體、微粒、細菌等,就會降低熒光層強度及其與玻殼的粘附力,并會造成氣泡、條跡、漏光點等廢次品。在黑白顯像管熒光屏生產的12個工序中,玻殼清洗、沉淀、濕潤、洗膜、管頸清洗等5個工序需使用純水,每生產一個顯像管需用純水80kg[1]。液晶顯示器的屏面需用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,就會使液晶顯示電路發生故障,影響液晶屏質量,導致廢、次品。顯像管、液晶顯示器生產對純水水質的要求見表1。
 

1   顯像管、液晶顯示器用純水水質 

項目單位

電阻率

MΩ·cm

(25t)

細菌

/ml

微粒

/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(Φ0.5μ)

≤10(Φ1μ)

≤10(Φ1μ)

≤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,部分設備的冷卻水,配制電鍍液等。集成電路生產過程中的80%的工序需要使用高純水清洗硅片,水質的好壞與集成電路的產品質量及生產成品率關系很大。水中的堿金屬(K、Na等)會使絕緣膜耐壓不良,重金屬(Au、Ag、Cu等)會使PN結耐壓降低,族元素(B、Al、Ga等)會使N型半導體特性惡化,族元素(P、As、Sb等)會使P型半導體特性惡化[2],水中細菌高溫碳化后的磷(約占灰分的20-50%)會使P型硅片上的局部區域變為N型硅而導致器件性能變壞[3],水中的顆粒(包括細菌)如吸附在硅片表面,就會引起電路短路或特性變差。集成電路生產對純水水質的要求見表2。

集成電路(DRAM)對純水水質的要求[4][5][6]

集成電路(DRAM)集成度

16K

64K

256K

1M

4M

16M

相鄰線距(μm

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

個數(PCS/ml

100

100

20

20

10

10

細菌(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、膜技術在純水制造中的應用

  純水制造中應用的膜技術主要有電滲析(ED)、反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、微濾(MF),其工作原理、作用等見表3。

純水制造中常用的膜技術

 

膜組件名稱

ED

RO

NF

UF

MF

微孔孔徑

5-50

15-85

50-1000埃(1μm

0.03-100μm

工作原理

離子選擇透過性

1.優先吸附-毛細管理論

2.氫鏈理論

3.擴散理論

同左

濾膜篩濾作用

同左

作用

去除無機鹽離子

    去除無機鹽離子,以及有機物、微生物、膠體、熱源、病毒等

    去除二價、三價離子,M100的有機物,以及微生物、膠體、熱源、病毒等

    去除懸濁物、膠體以及M6000的有機物

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

3-5

3-6個月

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,少數為RO前的預處理

1.RO、NF、UF前的保安過濾(3-10μm)

2.離子交換后濾除樹脂碎片(1μm)

3.UV后濾除細菌死體(0.2 0.45μm)

4.純水站終端過濾(0.03-0.45μm)

  與傳統的水處理技術相比,膜技術具有工藝簡單、操作方便、易于自動控制、能耗小、無污染、去除雜質效率高、運行成本低等優點,特別是幾種膜技術的配合使用,再輔之以其他水處理工藝,如石英砂過濾、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,滿足日益發展的電子工業對高純水的需要,提供了有效而可靠的手段,而且也只有應用了多種膜技術,才能生產出合格、穩定的高純水,才能生產出大規模、超大規模、甚大規模集成電路(LSI、VLSI、ULSI),從而使計算機、雷達、通訊、自動控制等現代電子工業的發展和應用得以實現。值得一提的是:當原水的含鹽量大于400mg/L時,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約酸、堿90%左右,使離子交換柱的周期產水量提高10倍左右[7],事實證明,可以降低純水制造的運行費用和制水成本,可以減少工人的勞動強度,可以減少對環境的污染,并可使純水水質得到提高并長期穩定。據統計,在我國電子工業引進的純水制造系統中,有RO的約占系統總數的90%,有UF的約占20%,有MF的幾乎為100%[8],而ED在我國國產的純水系統特別是早期投產的純水系統,以及為數眾多的對純水水質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)制造廠的純水系統中占有相當的比例。

  三、微電子工廠純水站使用膜技術實況

  現以某微電子工廠中的某一純水站使用膜技術的實況,說明膜技術在電子工業純水制造中的應用。其純水制造系統工藝流程見圖1。

  1.前級UF

  前級UF是用于去除水中的懸濁物、膠體及有機物,降低水的SDI值,確保RO的安全運行。前級UF5組,每組45根組件,共225根組件,進水280m3/h,透過水250 m3/h,濃縮水排放,回收率約90%。UF組件為美國Romicon公司生產,型號HF-BZ-20-PM80,組件直徑5in,長43in,內壓式中空纖維膜,纖維直徑20mil0.51mm),共有2940根纖維,膜面積132ft2,膜材料為PS(聚砜),截留分子量8萬。UF前采用5μm保安過濾器。

  2.一級RO

  水中加入還原劑Na2SO3(加藥量為水中余氯值的1.8倍)以防止余氯氧化腐蝕RO膜,加入防垢劑(NaPO36(加藥量為5ppm)以防止CaCO3、CaSO4等在RO膜上結垢,再經5μm 保安過濾器后由高壓泵打進一級RO。一級RO4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,每根內裝6RO元件,總共為210RO元件,進水250m3/h,透過水188m3/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HYDRANAUTICS(海德能)公司生產,型號CPA3。元件直徑8in,長40in,卷式膜,膜面積400ft2,膜材料為芳香聚酰胺復合膜,元件脫鹽率≥99.5%。

  3.二級RO

  一級RO水箱出水中一部分進入A系統,先加NaOHCP級)調節pH8.2-8.6,使水中CO2生成HCO3-,被二級RO除去,以減輕混床離子交換的負擔,采用二級RO可以使混床再生周期延長一倍,減少再生酸堿耗量,并可進一步去除TOC和膠體物質。二級RO前采用3μm保安過濾器,二級RO為一組三段,共10根膜容器,按(6+3+1)排列,每根容器內裝6RO元件,共60RO元件,進水70m3/h,出水62m3/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元件的生產廠、型號與一級RO相同。

  4.后級UF

  后級UF是用于去除水中的微粒、微生物、膠體、有機物等的終端過濾設備。

  A系統后級UF3組,每組18支,共54支組件,進水92 m3/h,出水90 m3/h,濃水排至一級RO水箱,回收率約98%。UF組件為美國Romicon公司生產,型號HF-132-20-PM10,組件直徑5in,長43in,內壓式中空纖維膜,纖維直徑20mil(0.51mm),共有2940根纖維,膜面積132ft2,膜材料為PS(聚砜),截留分子量1萬。

  B系統后級UF8組,每組9支,共72支組件,進水168 m3/h,出水164 m3/h,回收率約98%,UF組件制造廠及型號與A系統后級UF相同。

  C系統后級UF3支組件,進水4 m3/h,出水3.9 m3/h,回收率約98%,UF元件為美國HYDRANAUTICS公司生產,型號4040-FTV-2120,組件直徑3.94in,長40in,卷式膜,膜面積55ft2,膜材料為聚烯烴,截留分子量5萬。

  5.微濾

  本系統的微濾可分為三類,第一類為前級UF、RO前的保安過濾器,用于去除水中的懸濁物微粒,降低水的SDI值,濾芯為PP(聚丙烯)膜摺迭式濾芯,孔徑為5μm3μm。第二類在離子交換后,用于濾除離子交換樹脂碎片,濾芯為PP膜摺迭式濾芯,孔徑為1μm。第三類在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0.45μm0.2μm。

  除上述水站外,該廠還有另幾套高純水制造系統,RO除使用復合膜元件外,還有使用CA醋酸纖維素膜元件。

                           新聞來源:中國環保技術論文網

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