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膜技術(shù)在電子工業(yè)純水制造中的應用
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)，就會影響電子的發(fā)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(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，就會引起發(fā)光變色；含鐵在50ppb以上就會使發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(zhì)，就會使液晶顯示電路發(fā)生故障，影響液晶屏質(zhì)量，導致廢、次品。顯像管、液晶顯示器生產(chǎn)對純水水質(zhì)的要求見表1。
表1 顯像管、液晶顯示器用純水水質(zhì)
| 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(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）會使絕緣膜耐壓不良，重金屬（Au、Ag、Cu等）會使PN結(jié)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(qū)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(chǎn)對純水水質(zhì)的要求見表2。
表2 集成電路（DRAM）對純水水質(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(shù)（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(shù)在純水制造中的應用
純水制造中應用的膜技術(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、作用等見表3
表3 純水制造中常用的膜技術(shù)
| 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(yōu)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(shù)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(tǒng)的水處理技術(shù)相比，膜技術(shù)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(zhì)效率高、運行成本低等優(yōu)點，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)，滿足日益發(fā)展的電子工業(yè)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(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），從而使計算機、雷達、通訊、自動控制等現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展和應用得以實現(xiàn)。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(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(huán)境的污染，并可使純水水質(zhì)得到提高并長期穩(wěn)定。據(jù)統(tǒng)計，在我國電子工業(yè)引進的純水制造系統(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在我國國產(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?shù)谋壤?BR>
三、微電子工廠純水站使用膜技術(shù)實況
現(xiàn)以某微電子工廠中的某一純水站使用膜技術(shù)的實況，說明膜技術(shù)在電子工業(yè)純水制造中的應用。其純水制造系統(tǒng)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(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。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(jié)垢，再經(jīng)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(nèi)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(chǎn)，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(tǒng)，先加NaOH（CP級）調(diào)節(jié)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(zhì)。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(nèi)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(chǎn)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(shè)備。
A系統(tǒng)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(chǎn)，型號HF-132-20-PM10，組件直徑5in，長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。
B系統(tǒng)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(tǒng)后級UF相同。
C系統(tǒng)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(chǎn)，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(tǒng)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(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除使用復合膜元件外，還有使用CA醋酸纖維素膜元件。
上一條：生活飲用水水源水質(zhì)標準
下一條：含油污泥來源與處理方法綜述
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