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膜技術在電子工業純水制造中的應用
  • 作者:    來源:江蘇新純江環保工程有限公司    時間:2017-9-6    點擊:1306
    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。  
  
關鍵字: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**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??塹惱掣攪?,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,??喬逑?、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

    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]


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



    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**值的1.8倍)以防止余**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**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。
 
 
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