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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(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、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(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	去除無機(jī)鹽離子	去除無機(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前的保安過濾(3-10μm)2、離子交換濾除樹脂碎片(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(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，透過水250m³/h，濃縮水排放，回收率約90%。UF組件為美國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。UF前采用5μm保安過濾器。
　　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(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。
　　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。
　　5.微濾
　　本系統(tǒng)的微濾可分為三類，第一類為前級(jí)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(fù)合膜元件外，還有使用CA醋酸纖維素膜元件。

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