膜技术在电子工业纯水制造中的应用

　　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。   

　　关键字：膜技术 纯水

　　一、纯水在电子元器件生产中的作用

　　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。

　　在电解电容器生产中，铝箔及工作件的清洗需用纯水，如水中含有氯离子，电容器就会漏电。在电子管生产中，电子管阴极涂敷碳酸盐，如其中混入杂质，就会影响电子的发射，进而影响电子管的放大性能及寿命，因此其配液要使用纯水。在显像管和阴极射线管生产中，其荧光屏内壁用喷涂法或沉淀法附着一层荧光物质，是锌或其他金属的硫化物组成的荧光粉颗粒并用硅酸钾粘合而成，其配制需用纯水，如纯水中含铜在8ppb以上，就会引起发光变色；含铁在50ppb以上就会使发光变色、变暗、闪光跳跃；含有机物胶体、微粒、细菌等，就会降低荧光层强度及其与玻壳的粘附力，并会造成气泡、条迹、漏光点等废次品。在黑白显像管荧光屏生产的12个工序中，玻壳清洗、沉淀、湿润、洗膜、管颈清洗等5个工序需使用纯水，每生产一个显像管需用纯水80kg[1]。液晶显示器的屏面需用纯水清洗和用纯水配液，如纯水中存在着金属离子、微生物、微粒等杂质，就会使液晶显示电路发生故障，影响液晶屏质量，导致废、次品。显像管、液晶显示器生产对纯水水质的要求见表1。

表1   显像管、液晶显示器用纯水水质

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。

表2  集成电路（DRAM）对纯水水质的要求[4][5][6]

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。

表3  纯水制造中常用的膜技术

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，第一类为前级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。