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膜技術在電子工業純水制造中的應用

2009/4/14

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。
　　在電器電容器生產中，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，電子管陰極涂甫碳酸鹽，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，在顯象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；含奇有機物膠體、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。在黑白顯象管熒光屏生產的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，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。
表1 顯像管、液晶顯示器用純水水質

項目單位	電阻率MΩ·cm(25t)	細菌個/ml	微粒個/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，Ⅲ族元素（B、Al、Ga等）會使N型半導體特性惡化，V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化為N型硅而導致器件性能變壞[3]，水中的顆粒（包括細菌）如吸咐在硅片表面，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。
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		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
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埃	１５－８５埃	50-1000埃	0.03-100μm
工作原理	離子選擇透過性	２.優先吸－毛細管理論 ３.氫鏈理論 ４.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，Ｍ>100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Ｍ>6000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	35	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ＲＯ前的預處理	１.RO、NF、UF前的保安過濾(3-10μm)2、離子交換濾除樹脂碎片(1μm) 3.UV后濾除細菌死體(0.2或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，再輔之經其他水處理工藝，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，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SDO值，確保RO的安全運行。前級UF在5組，每組45根組件，共225根組件，進水280m³/h，透過水250m³/h，濃縮水排放，回收率約90%。UF組件為美國Romicon公司，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。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膜上結垢，再經5μm保安過濾器后由高壓泵打進一級RO。一級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，每根內裝6個RO元件，總共為210個RO元件，進水250 m³/h，透過水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NaOH（CP級）調節pH為8.2-8.6，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6只RO元件，共60只RO元件，進水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元件的生產廠、型號一級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UF為3組，每組18支，共54支組件，進水92m³/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。
　　B系統后級UF有3支組件，進水168m³/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UF有3支組件，進水4m³/h，出水3.9 m³/h，回收率98%，UF元件為美國HYDRANAUTICS公司生產，型號4040-FTV-2120，組件3.94 min，長40 in，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0.45μm或0.2μm。以上濾芯均為核工業部第八研究所生產。
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。

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