膜技術在電子工業純水制造中的應用

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/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 16K 64K 256K 1M 4M 16M
相鄰線距（μm） 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（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） 0.03-0.3 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 3-5 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，用于去除水中的懸濁物微粒，降低水的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。