膜技术在电子工业纯水制造中的应用
时间:2010-01-16 阅读:3699
摘要:纯水在电子工业主要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及对水质的要求也不同。
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[2],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[3],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。
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。
膜组件名称 | ED | RO | NF | UF | MF |
微孔孔径 | | 5-50埃 | 15-85埃 | 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90%左右,使离子交换柱的周期产水量提高10倍左右[7],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%[8],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膜技术的实况,说明膜技术在电子工业纯水制造中的应用。其纯水制造系统工艺流程见图1。
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280m3/h,透过水250 m3/h,浓缩水排放,回收率约90%。UF组件为美国Romicon公司生产,型号HF-BZ-20-PM80,组件直径5in,长43in,内压式中空纤维膜,纤维直径20mil(0.51mm),共有2940根纤维,膜面积132ft2,膜材料为PS(聚砜),截留分子量8万。UF前采用5μm保安过滤器。
2.一级RO
水中加入还原剂Na2SO3(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(NaPO3)6(加药量为5ppm)以防止CaCO3、CaSO4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元件,总共为210个RO元件,进水250m3/h,透过水188m3/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元件为美国HYDRANAUTICS(海德能)公司生产,型号CPA3。元件直径8in,长40in,卷式膜,膜面积400ft2,膜材料为芳香聚酰胺复合膜,元件脱盐率≥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CO2生成HCO3-,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元件,共60只RO元件,进水70m3/h,出水62m3/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元件的生产厂、型号与一级RO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 m3/h,出水90 m3/h,浓水排至一级RO水箱,回收率约98%。UF组件为美国Romicon公司生产,型号HF-132-20-PM10,组件直径5in,长43in,内压式中空纤维膜,纤维直径20mil(0.51mm),共有2940根纤维,膜面积132ft2,膜材料为PS(聚砜),截留分子量1万。
B系统后级UF为8组,每组9支,共72支组件,进水168 m3/h,出水164 m3/h,回收率约98%,UF组件制造厂及型号与A系统后级UF相同。
C系统后级UF有3支组件,进水4 m3/h,出水3.9 m3/h,回收率约98%,UF元件为美国HYDRANAUTICS公司生产,型号4040-FTV-2120,组件直径3.94in,长40in,卷式膜,膜面积55ft2,膜材料为聚烯烃,截留分子量5万。
5.微滤
本系统的微滤可分为三类,*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。以上滤芯均为核工业部第八研究所生产。
除上述水站外,该厂还有另几套高纯水制造系统,RO除使用复合膜元件外,还有使用CA醋酸纤维素膜元件。