膜技術在電子工業純水制造中的應用
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。
關鍵詞：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。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/mlTOCmg/LNa μg/LK μg/LCuμg/LFeμg/LZnμg/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，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。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16K64K256K1M4M16M
相鄰線距（μm）42.21.81.20.80.5
微粒直徑（μm）0.40.20.20.10.080.05
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EDRONFUFMF
微孔孔徑5-50埃15-85埃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，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）0.03-0.31-40.5-1.50.1-0.50.05-0.5
水回收率（%）50-8050-7550-8590-95100
使用壽命（年）3-83-53-53-53-6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UF有5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（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UF為3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UF為8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UF有3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）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。論文出處(作者):
重提“關于負荷計算問題”
抓住關鍵縮短模具開發周期*
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