Использование воды высокой чистоты для устранения загрязнений и чтобы добиться чистоты: обсуждение производительности и затрат.

Аннотация.

Производители печатных плат используют ряд мокрых процессов. Во многих из этих процессов вода используется для ополаскивания, а также для отмывки ванны. Влияние качества воды на производственные процессы и качество продукции часто игнорируется. Очистка поверхностей для достижения определенного уровня чистоты с точки зрения частиц и других загрязнений теперь внесена в новые стандарты ISO. Многие предприятия по производству МПП не используют воду высокого качества из-за высоких затрат. В этом документе обсуждается, как можно производить деионизированную воду высокой чистоты с меньшими затратами, используя подход при производстве печатных плат к переработке деионизированной воды с использованием технологии «EDI» (электродеионизация), которая представляет собой электромембранную технологию. Будет представлено обсуждение этой новой технологии, позволяющей снизить затраты на производство ДИ воды. В этом документе также будут представлены данные клиентов и различных третьих сторон о том, как вода высокой чистоты снижает загрязнение, накапливающееся на деталях во время обработки, улучшая качество продукции и уменьшая количество брака.

Введение.

Продолжающаяся миниатюризация высокотехнологичной продукции во многих отраслях промышленности привела к увеличению потребности в более чистых деталях. Загрязнение поверхностей электронных деталей и механических узлов может снизить производительность и ожидаемый срок службы продукта. Производители внедрили процедуры очистки, чтобы гарантировать чистоту прецизионных компонентов и отсутствие негативного воздействия на готовый продукт.

Кроме того, поскольку использование растворителей при очистке было постепенно прекращено , многие пользователи перешли на очистку и ополаскивание составами на водной основе. В различных техпроцессах используется вода для удаления загрязнений или химических веществ например, при нанесении гальванических покрытий из различных химических веществ, используемых при обработке печатных плат. Хорошее качество воды имеет основополагающее значение для любой водной технологической системы. Чрезмерная жесткость воды и общее количество растворенных твердых веществ (TDS) снижает эффективность процесса, что приводит к поверхностному загрязнению и накоплению примесей и остатков на паяных соединениях.

Смягченная вода не является решением. В процессе умягчения более тяжелые элементы просто заменяются натрием. Натрий и другие растворенные твердые вещества, такие как хлориды; сульфаты и соли кальция, оставшиеся на поверхности металла, могут инициировать процесс коррозии, вызывая расслоение, даже если последняя промывка содержит подкисленный герметик.

Вода становится все более важным материалом в производстве печатных плат с точки зрения качества и количества. Однако большинство производителей в индустрии печатных плат тратят небольшое количество ресурсов на обеспечение высокого качества воды для своих процессов. Средняя гальваническая ванна на 80% состоит из воды. Большинство этапов гальванопокрытия и мокрых процессов сопровождаются одной или несколькими промывками водой. Вода может быть причиной многих проблем на этих операциях. Источником сырой воды, используемой в цехах по производству печатных плат для подпитки и ополаскивания ванн, может быть:

• Городская вода из городского водопровода.
• Поверхностная вода из реки, озера или водохранилища.
• Грунтовая вода из колодца или источника.
• Перелив охлаждающей воды.

Вода, поступающая в цех по производству печатных плат, содержит примеси, которые могут ухудшить технологические процессы и повлиять на качество продукции. В таблице 1 ниже перечислены компоненты воды и проблемы, связанные с их присутствием.

Таблица 1. Присутствующие в воде примеси, которые могут быть вредными для процессов гальванического и нанесения покрытий.

Тип примесей	Проблемы, вызванные примесями
Растворенные минеральные соли (ионы).
Кальций и магний (жесткость).	Относительно нерастворимы в воде, растворимость снижается при нагревании и может концентрироваться при испарении, образуя пленку на заготовках и осадок в воде
Натрий и калий.	Значительные количества могут вызвать хрупкость никелевой пластины или снизить максимально допустимую плотность тока.
Тяжелые металлы (присутствующие в виде солей).	Могут вызывать различные проблемы, например, снижение активности ингредиентов в гальванических ваннах и ваннах для нанесения покрытий; придает воде характерный цвет.
Кислоты (присутствуют в виде солей)	Требуется использование коррозионностойких трубопроводов и резервуаров, требуется добавление щелочи для нейтрализации.
Растворенные органические соли, такие как бикарбонат.	При нагревании превращается в карбонат, который образует осадок с кальцием.
Растворенные газы, такие как углекислый газ, кислород и азот.	Углекислый газ сам по себе коррозионно-активен; в растворе образует угольную кислоту, которая снижает pH и ускоряет коррозию; растворенный кислород сильно разъедает железо и сталь.
Нерастворенные вещества, такие как мутность (взвесь) и осадок (взвесь, которая быстро оседает).	Нежелательны для большинства применений.
Микроорганизмы	Могут вызывать появление пятен, слизистых отложений или засорение труб.

Качество воды для полоскания и подпитки: почему качество воды важно?

Концентрация этих примесей измеряется в частях на миллион (ppm). Одна ppm равна 0,001 грамму (1 миллиграмму), растворенному в литре воды. Незначительные количества одной примеси могут создать серьезные проблемы и привести к потере времени, материалов, прибыли и, возможно, клиентов. В случае декоративного покрытия водяные пятна и пятна, вызванные загрязнениями, нежелательны и могут потребовать доработки, протирки или полировки. Это увеличивает стоимость эксплуатации и, особенно в случае полировки, может снизить коррозионную стойкость покрытия. Присутствие 10 ppm хроматов в никелевой ванне приводит к снижению верхнего предела плотности тока, что приводит к неудовлетворительному осаждению. Примеси в поступающей воде могут присутствовать в таких низких концентрациях, что не вызывают проблем, но могут концентрироваться гальванических ваннах при нагревании или вследствие испарения. Концентрация примесей может легко достичь достаточно высокого уровня, чтобы привести к отказу. Примером этого являются хлориды в ванне химического восстановления никеля. Еще одним важным фактором является влияние качества воды на извлечение металлов из технологических растворов. Примеси в воде могут привести к неэффективной работе технологии восстановления. Эффективным использованием ионного обмена является умягчение жесткой воды перед нанесением гальванического покрытия. Ионообменная смола для ионов жесткой воды дешевле, чем смола для тяжелых металлов.

Методы улучшения качества поступающей воды.

Многие цеха по производству печатных плат используют ту или иную форму предварительной очистки воды. Городская водопроводная вода, как правило, прозрачная и бесцветная, с низким содержанием железа и марганца. Она безопасна для питья, но недостаточно мягкая для всех видов гальванического покрытия. Благодаря современным технологиям можно очистить любую сырую воду, чтобы она была приемлема для гальванического покрытия металлов. Затраты, связанные с некачественными результатами, перевешивают затраты на очистку воды. Очистка сырой воды от примесей осуществляется в основном с помощью ионного обмена или обратного осмоса, которые также используются для очистки сточных вод или восстановления металлов.

Ионный обмен.

Ионный обмен используется примерно в 95% всех процессов очистки воды.

Ионообмен очищает воду следующим образом:

• Умягчение, при котором для удаления жесткости (железа, кальция и магния) используется катионная колонка.
• Деионизация (или деминерализация), при которой используются как катионные, так и анионные колонки для удаления практически всех ионизированных веществ (минеральных солей), растворенных в воде.

Обратный осмос.

Обратный осмос (RO) — это система мембранной фильтрации, используемая для очистки воды из природных источников для использования в качестве промывочной воды. RO производит воду, аналогичную по качеству деминерализованной или дистиллированной воде, путем удаления органических загрязнений и неорганических солей.

Усовершенствованная электродеионизация (AEDI) для переработки технологической промывной воды.

Компания разработала продукт для получения деионизированной воды высокой чистоты непосредственно на месте использования для мокрых технологических процессов. Эта концепция заключается в замене традиционной системы предварительной очистки на систему усовершенствованной электродеионизации (AEDI) и постоянного восстановления и повторном использовании деионизированной воды, которая очень необходима для большинства процессов, но обычно считается, что ее производство слишком дорого.

Усовершенствованная электродеионизация (AEDI) удаляет ионизируемые компоненты из воды с помощью ионообменных мембран, ионообменных смол и электрического потенциала постоянного тока. AEDI предоставляет две технологии в одном модуле: электродиализ и ионный обмен. Ионообменные мембраны отделяют смешанный слой ионообменников от электродов. Ионообменные смолы удаляют ионные вещества из технологической воды, а электроды обеспечивают электрорегенерацию смолы при подаче питания от выпрямителя постоянного тока. Системы AEDI обеспечивают превосходное отделение ионных технологических растворов от сточных и технологических вод. Применение AEDI включает прямое восстановление электролитов из промывок, а также восстановление и повторное использование технологической воды и сточных вод в промышленных целях. На рис. 1 показана типичная внутренняя часть блока.

Для AEDI требуется вода определенного качества или спецификации, чтобы она могла работать наиболее эффективно. Вот почему первоначальный запуск системы должен осуществляться с деионизированной водой. При запуске системы в воде не должно быть жесткости или кремнезема. Тогда система сможет эффективно удалять все технологические примеси. Теперь компания также предлагает помимо стандартных модулей высокотемпературный модуль для медицинского применения.

Обычным источником воды может быть вода RO или технологическая вода, если ранее она была DI или RO. Система может работать от низкого до немного более высокого pH, также доступна онлайн-регулировка pH. В систему должна поступать вода с нулевым содержанием твердых частиц или кремнезема.

Рис. 1 – Блок AEDI.

Системы AEDI могут удалять примеси, которые могут привести к повреждению деталей во время производства. Например, AEDI удаляет ионы и окислители из поступающей воды, используемой для промывки. Непрерывное удаление примесей позволяет проводить технологические промывки без загрязнений.

В Таблице 2 показан список отдельных отраслей промышленности и их прикладные потребности в отношении чистоты, а также типичный размер частиц примесей, которые разрешены для содержания в деталях.

Сложность систем промывочной очистки приводит к множеству потенциальных проблем, в том числе:

• Выход из строя фильтра.
• Проблемы водоснабжения.
• Необычно загрязненные входящие детали или детали с разным уровнем загрязнения.

Деионизированная вода может помочь производителям обеспечить промывку без твердых частиц, а регенерация и повторная очистка воды в режиме онлайн позволяют использовать неограниченное количество воды высокого качества для повторного использования.

Зачем нужна система утилизации отходов?

Типичная система производства сверхчистой воды включает в себя обратный осмос, ионный обмен, приборы и средства контроля, оборудование для дегазации, фильтрующее оборудование, насосы и клапаны, хранилища и трубопроводы — это требует много усилий и действий. Крайне важно, чтобы каждый компонент системы сверхчистой воды (UPW) постоянно поддерживал высокую чистоту. В целом, с эксплуатацией таких систем связано множество затрат. Характеристики сверхчистой воды могут варьироваться в зависимости от места производства или типа производственных операций. Например, при производстве полупроводников или дисковых накопителей входящая промывочная вода должна соответствовать предельному содержанию органических соединений в 0,05 частей на миллиард, а также постоянному удельному сопротивлению 18 МОм•см при 25°C 18 — это максимальное удельное сопротивление, которое практически достижимо в промышленных условиях. При таком высоком сопротивлении (низкой проводимости) точность технологического оборудования становится критически важной, и требуются специальные материалы там, где технологическое оборудование вступает в контакт с водой, чтобы гарантировать отсутствие попадания загрязняющих веществ в полученную воду.

Таблица 2. Требования к применению очистки деталей в некоторых отраслях промышленности.

ОТРАСЛИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ	ПРИМЕНЕНИЕ	РАЗМЕР ЧАСТИЦ
Микроэлектроника	Детали инструментов. Обработка и хранение пластин. МЭМС-сенсоры.	< 100 нм < 100 нм < 100 нм
Средства хранения данных	Компоненты средства хранения данных.	100–500 нм 100–500 нм
Аэрокосмические	Датчики. Компоненты топлива. Специальные детали.	>2 микрон >2 микрон >2 микрон
Автомобильные датчики	Датчики. Топливные форсунки.	>2 микрон >2 микрон
Медицинское оборудование	Импланты. Производственное оборудование.	>10 микрон >10 микрон

На протяжении многих десятилетий считалось, что для производства UPW для любого мокрого процесса или технологии необходимо использовать пресную воду. В этом документе обсуждается, как вода, уже очищенная для производственного использования (технологическая вода), может быть переработана в «точке использования» (POU) и возвращена обратно для повторного использования в том же процессе. Сегодня многие клиенты сталкиваются с высокими затратами на очистку и управление водными ресурсами, поэтому сегодня более чем когда-либо концепция восстановления POU и повторного использования UPW имеет смысл.

Система AEDI позволяет восстанавливать и повторно использовать воду в POU – либо на инструменте, либо в отсеке для инструментов, с помощью полностью интегрированной системы. Этот подход позволяет повторно очищать и доводить деионизированную воду до исходных характеристик путем непрерывного удаления примесей.

Различные мокрые химические процессы (такие как травление, очистка и т. д.) обычно сопровождаются процессами промывки. Смешивание различных потоков сточных вод, поступающих от каждого химического процесса, может быть несовместимым и может вызвать проблемы для очистки, а также для эффективных систем, которые обрабатывают смешанные сточные воды. В тех случаях, когда химические составы совместимы, до 90% промывочной воды можно восстановить для повторного использования. Восстановленные промывные жидкости можно сразу отправить обратно, чтобы обеспечить соответствие уровня чистоты внутренним спецификациям предприятия.

В ближайшие годы, по мере развития химии и внедрения более сложных процессов, рециркуляция воды при смешанных промывках приведет к снижению степени восстановления; и поэтому процесс будет менее эффективным. Например, в полупроводниковые процессы внедряются новые химические технологии нанесения покрытий. Эти химические вещества требуют дополнительной очистки, если их сливать в центральные системы очистки отходов, нейтрализации кислотных отходов больше не будет достаточно. Поэтому необходимо добавить дополнительную обработку отходов, что увеличивает стоимость переработки отходов. Например, предприятиям приходится устанавливать системы осаждения, восстановления, окисления или другие методы обработки, чтобы справиться с этими сложными химическими процессами. POU позволяет удалять и разделять эти конкретные химические вещества, а также позволяет автономно восстанавливать и перерабатывать эти материалы, особенно если они имеют ценность. Эти химические вещества не только во многих случаях дороги, но, если они основаны на металлах (например, меди, кобальте и т.д.), они будут более пригодны для восстановления.

Восстановление в точке использования позволяет избежать утилизации после одного использования, что приводит к постоянной необходимости в пресной воде и очистке отходов как на производственной площадке, так и за ее пределами. Переработка и повторное использование POU позволяет клиентам-производителям существенно снизить себестоимость продукции. Это устраняет непрерывный цикл потребления и заменяет его повторным использованием материалов и ресурсов. Практический пример: переработка промывочной воды POU.

Пример использования линии печатных плат.

Компания собрала данные о стоимости владения от потенциальных и реальных клиентов. Ниже приведены два тематических исследования, в которых был успешно продемонстрирован AEDI. Одна из первых систем AEDI была установлена рядом с линией очистки плат. Экономия от установленных систем оправдала или превзошла ожидания клиентов. Из этих данных становится ясно, что общая стоимость владения системой компании лучше, чем стоимость конкурирующих систем, что обусловлено эффективностью, обеспечиваемой системой компании. Целью линий является обеспечение чистоты внутренних слоев печатной платы и покрытие этого ядра сухим пленочным резистом. Объект был обременен повышенными расходами на воду и канализацию из-за высокого использования воды и сброса сточных вод. На заводе также действовали определенные ограничения мощности, которые ограничивали будущее расширение и операционные расходы.

AEDI обеспечила высокое качество ДИ воды для линий с 2003 года, пока предприятие не было закрыто в 2014 году. Технологические линии требовали 16 галлонов в минуту ДИ воды. Клиенту удалось сэкономить на расходах на городскую воду и канализацию, очистку сточных вод и эксплуатационных расходах на систему рециркуляции промывочной воды AEDI. Качество воды, производимой системой, контролировалось заказчиком в течение 24 месяцев. Мембранные модули AEDI спроектированы и изготовлены для обеспечения очистки технологической воды с низким содержанием загрязнений вместо использования ионообменной системы. Снижение содержания загрязнений более чем на 99% было достигнуто последовательно, а полученная вода имеет ДИ качество воды.

На диаграмме выше показано стабильно высокое качество воды, производимое системой AEDI, установленной более 40 месяцев назад. На рис. 2 показаны сводные данные за период примерно 36 месяцев эксплуатации.

Пример использования системы очистки дисков.

Системы прецизионной очистки, подобные примеру, показанному на рисунке 3, широко используются в высокотехнологичных отраслях производства, таких как производство жестких дисков и производство печатных плат. В этом конкретном оборудовании очистки детали проходят многоэтапный процесс очистки. Детали первоначально помещаются в ванну с поверхностно-активным веществом и подвергаются воздействию ультразвуковых волн, которые образуют кавитационные пузырьки. Образование и схлопывание кавитационных пузырьков эффективно очищают поверхность механических деталей. После ванны с поверхностно-активным веществом детали опрыскиваются чистой деионизированной водой и помещаются в промывочные ванны с ещё большей чистотой. В ваннах для промывки деионизированной водой детали подвергаются ещё большему воздействию ультразвуковых волн и непрерывному потоку чистой деионизированной воды. После последней промывочной ванны детали сушат и отправляют на производственную линию. Большинство прецизионных систем очистки основаны на ультразвуке, но отдельные ванны обычно имеют водную основу. Водные ванны состоят либо из воды с поверхностно-активными веществами, либо просто (сверхчистой) деионизированной воды.

Следующий практический пример основан на данных, собранных в 2014 и 2015 годах в ходе мокрых процессов, включающих очистку жесткого диска в ходе операций поточной очистки. Система рекуперации на месте использования была протестирована и проверена на соответствие спецификациям предприятия, что доказало возможность повторно использовать и перерабатывать воду в процессе эксплуатации. Пилотная система эксплуатировалась несколько месяцев, поэтому представленные ниже данные — лишь краткий обзор результатов испытаний. В базовой платформе, используемой для применения, использовалась технология AEDI, а также блок предварительной фильтрации для удаления органических веществ, а также элементы удаления и дезинфекции для борьбы с образованием частиц и бактерий в замкнутой системе. Система была установлена и запущена в середине 2014 года. Данные, показанные на рисунке 4, были собраны в течение трех месяцев для этапа проекта, который включал удаление чистящих растворов из промывных вод с одновременным возвратом воды в технологические процессы. На рисунке 3 показаны сводные результаты измерений удельного сопротивления внутри и снаружи системы за период более 3 месяцев. Как можно видеть, система смогла производить рекуперированную воду марки UPW (18 МОм•см) для повторного использования.

Выводы.

AEDI в процессе переработки промывочной воды обеспечивает удаление примесей в режиме реального времени и стабильную воду высокой чистоты для промывки печатных плат. Технология была проверена и одобрена клиентами с гораздо более высокими требованиями к качеству воды, например, в отрасли жестких дисков, а несколько систем были успешно установлены в промышленности печатных плат. Подход к восстановлению при использовании AEDI позволяет клиентам сократить потребление воды в процессе и снизить эксплуатационные расходы, связанные с водой.