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膜技术在电子工业纯水制造中是如哈应用的-哈尔滨除铁锰水处理设

2010-03-16 08:56:38

膜技术在电子工业纯水制造中是如哈应用的-哈尔滨电子行纯水设备,哈尔滨医疗水处理设备,哈尔滨除铁锰水处理设备,哈尔滨EDI超纯水设备

 
   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。
  在电器电容器生产中,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,电子管阴极涂甫碳酸盐,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,在显象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;含奇有机物胶体、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。在黑白显象管荧光屏生产的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,每生产一个晶体管需用纯水80kg[1]。液晶显示器的屏面需有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                           

集成电路(DRAM)集成度 16K 64K 256K 1M 4M 16M
相邻线距 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

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化为N型硅而导致器件性能变坏[3],水中的颗粒(包括细菌)如吸咐在硅片表面,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 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 0.03-100μm
工作原理 离子选择透过性 2.优先吸-毛细管理论
3.氢链理论
4.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 35 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RO前的预处理 1.RO、NF、UF前的保安过滤(3-10μm)2、离子交换滤除树脂碎片(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,再辅之经其他水处理工艺,如石英砂、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SDO值,确保RO的安全运行。前级UF在5组,每组45根组件,共225根组件,进水280m3/h,透过水250m3/h,浓缩水排放,回收率约90%。UF组件为美国Romicon公司,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20min(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250 m3/h,透过水188 m3/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70 m3/h,出水62 m3/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92m3/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20min(0.5mm),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有3支组件,进水168m3/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4m3/h,出水3.9 m3/h,回收率98%,UF元件为美国HYDRANAUTICS公司生产,型号4040-FTV-2120,组件3.94 min,长40 in,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,用于支除水中的的悬浊物微粒,降低水中的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。
 

 

 

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