IC铜合金引线框架生产污染状况分析与治理措施

若腾1991 2019-09-11

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IC引线框架用铜带是集成电路的重要基础材料。通过蚀刻法生产引线框架的生产工艺流程及原理入手, 分析工艺污染物产生环节、污染物特征以及排放方式等, 针对性的提出相应的治理措施, 为今后同类型的建设项目提供借鉴。

The Pollution Situation Analysis and Pollution Control Measures of the IC Copper Alloy Lead Frame Production

YU Zhao-yang MA Guo MA Pu-li SHI Yun-jie

Northwest Research Institute of Mining & Metallurgy

Abstract：

IC lead frame with copper belt is an important basis material for integrated circuit.This paper started from analyzing the production process and principle of the etching method to produce lead frame, then analyzed the generating links, characteristics and emissions patterns of pollutants At last, it put forward the corresponding measures to control pollution, simultaneously, this paper will provide reference for the same type construction projects for the future.

Keyword：

etching;selective plating;steel belt;step purifier;absorption tower;washing tower;

Received： 2016-10-20

1引言

众所周知, 自1958年美国两公司 (得克萨斯仪器公司和仙童公司) 发明了半导体集成电路 (IC) 后, 半个世纪以来, IC得到了迅速发展, 经过了小规模、中规模时代, 已进入了超大规模和特大规模集成电路时代。集成电路发展极大地促进了生产力发展。以IC为核心的信息时代, 是人类继石器时代、青铜时代、铁器时代之后一个更高级的时代。美国以IC为主的电子信息产业已占国民经济总产值 (GNP) 的第1位。集成电路技术已经是许多国家国民经济和国防建设的战略核心, 国外已把IC技术看成是掌握世界的钥匙, 谁掌握了它, 谁就掌握了世界。

集成电路 (IC) 由芯片、引线框架和塑封三部分组成。其中, 引线框架的主要功能是为芯片提供机械支撑载体, 并作为导电介质连接IC外部电路, 传送电信号, 以及与塑封材料一起, 向外散发芯片工作时产生的热量, 成为IC中极为关键的零部件^[1]。

封装用引线框架是极为精密的零部件, 随着引线框架的引脚数不断增加, 引线宽度和间距不断减小, 对引线框架的设计的制造提出了新的要求。在集成电路元件的生产制造过程中, 引线框架给IC芯片提供了支撑的基座, 并提供焊接的引线及导脚。为了保证封装工艺中的装片/键合性能, 引线框架的装片/键合区域 (内引线脚上的和小岛) 一般要求压印, 然后在上面镀银或镀铜。引线框架上的镀层为功能性镀层, 镀层的可焊性、导电性、位置均有严格的要求;镀件尺寸小, 批量大, 要求采用低成本、高效率的电镀生产方式^[2]。

引线框架的生产按生产工艺分为冲制选择电镀工艺和蚀刻选择电镀工艺, 而蚀刻选择电镀又根据细节的处理不同又细分为总工艺电镀、压板电镀和菲林电镀三种工艺。

而蚀刻选择电镀具有工艺简单、过程易控、产品成品率高等特点被大量企业所采用, 在这里主要针对蚀刻选择电镀的工艺进行介绍说明。

2引线框架生产原料及设备

2.1生产原料

关于引线框架生产的主要生产原料为纯铜卷带、UV感光干膜、盐酸 (30%) 、除油粉、活化盐、碳酸钠、氯酸钠、氯化铜、氰化钾、氰化银、氰化亚铜、氰化银钾、氢氧化钠、铜5保护剂、T13药水、550酸盐、显影液、乳酸等。

从以上原材料中可以看出关于引线框架的生产中涉及到大量的剧毒品。

2.2生产设备

生产设备主要有:原材料清洗机、显影机、去膜机、压板电银机、蚀刻机、干燥机、高温小烘箱、曝光机、压膜机、曝光机、纯水制备机、氢氧化钠二级洗涤塔、银回收系统及铜回收系统等设备。

3生产原理及工艺流程

3.1生产原理及方法

⑴生产原理。

引线框架的生产原理是将铜带进行清洗干净后, 双面镀膜进行曝光显影后再进行蚀刻, 退膜清洗后再根据工艺需求是进行压板电镀还是菲林电镀等工序。

在压板电镀中由于氰化亚铜和铜板的溶解以及氰化银及氰化银钾的加入, 外排废水中铜离子及银的含量较高, 为了确保废水中的铜离子和银离子能够达标排放, 需增加铜回收设施和银回收设施。其原理主要是利用电解工艺将废水中的铜离子和银离子电解吸附到铜阴极板上或银阴极板上。处理后的废液排入厂区污水处理站, 处理后排入园区污水处理厂。具体的化学反应方程式见下。

⑵生产方法。

(1) 总工艺。总生产工艺主要分为:前清洗、上干膜、曝光显影、蚀刻、退膜、后清洗、电镀等工序。

(2) 压板电镀。压板电镀中又细分为前清洗、镀铜、预浸银、镀银、铜保护、防银胶扩散、检验包装等工序。

(3) 菲林电镀。菲林电镀又细分为前清洗、电菲林、曝光显影处理、部分压板电镀工艺、脱膜、铜保护、防限胶扩散及检验包装工序。

3.2生产工艺流程

总工艺、压板电镀及菲林电镀的工艺流程及产污节点见图1、图2、图3。

图1 总工艺流程及产污节点图下载原图

图2 压板电镀工艺流程及产污节点图下载原图

图3 菲林电镀工艺流程及产污节点图下载原图

4污染物产排情况分析

4.1废气

引线框架生产时产生的废气主要是各类槽罐逸散的含酸、含氰废气 (编号G1) 。引线框架在每个液体槽罐上都安装了密封罩, 收集的逸散废气经槽罐上部的干湿分离装置处理后, 一起进入厂内的二级氢氧化钠洗涤塔处理后经25 m排气筒外排。

4.2废水

引线框架生产时产生的各类生产废水 (主要是含酸废水、含氰废水、重金属废水) 一并排入厂区内的污水处理站处理后, 排入园区内的污水处理厂处理。

4.3固废

引线框架生产时产生的固废主要是Q板和检验工序产生的不合格品、退膜工序产生的废膜、电镀槽底产生的电镀渣、拗片工序产生的废铜板边角料、铜回收工序产生的铜粉、银回收工序产生的银粉。

4.4噪声

引线框架生产时产生的噪声来源于二级洗涤塔、各类水泵、各类风机等设备运行过程中产生的噪声。

引线框架生产时的产污节点及治理情况具体见图1、图2、图3和环保治理措施一节。

5环保治理措施

5.1废气

引线框架生产时产生的废气主要是电镀所需的各类槽罐逸散的含酸、含氰废气。在此类工程中在每个液体槽罐上都安装了密封罩, 收集的逸散废气经槽罐上部的干湿分离装置处理后, 一起进入二级氢氧化钠洗涤塔处理后经25 m排气筒外排。

在这里逸散的废气经槽罐上部的干湿分离装置处理, 主要是为了进一步的减少后续工段的湿度;而采用25 m排气筒外排, 主要是在《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中针对含氰废气的排放排气筒的高度不得低于25 m这一规定。

而采用二级氢氧化钠洗涤塔处理废气主要是碱式废气处理塔 (喷淋塔) 具有以下特点:⑴工艺简单, 管理、操作及维修方便简洁, 对生产造成影响较小;⑵过程压降较低, 操作弹性大, 且具有很好的除雾性能;⑶净化过滤废气, 效果较好, 去除率可高达99%以上。

经以上措施处理后的外排废气可以满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 表5中的新建企业大气污染物排放浓度限值要求, 即:氯化氢30mg/m³、氰化氢0.5 mg/m³。

5.2废水

引线框架生产中产生的废水主要有纯水制备机产生的废水、二级洗涤塔产生的废液、半成品在水洗后产生的水洗废水 (此类废水又分为含酸、含氰废水及含重金属废水) 以及生活污水。

⑴纯水制备机产生的废水。纯水站产生的浓水直接排入园区内的污水处理站。浓水中的主要成分为Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-, 但其浓度较低且不含有毒有害物质, 浓水中的各项污染物均可以满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中的标准限值要求。

⑵二级洗涤塔产生的废液。氢氧化钠二级洗涤塔每级洗涤塔都有其独立的洗涤液及吸收液循环系统。洗涤废液串级使用, 即后一级的洗涤液饱和后, 抽取一定量的废液进入前一级的洗涤废液作为洗涤液的补充液, 但前一级的洗涤液饱和后排入厂内的污水处理站处理后排入园区的污水处理站作进一步的处理。

⑶生产废水。引线框架生产时产生的生产废水根据工艺产生点的不同又分为含酸废水、含氰废水和含重金属废水, 其中含重金属废水又细分为含铜废水和含银废水。

(1) 含酸废水、含氰废水。引线框架生产时产生的含酸、含氰废水直接进入厂内的污水处理站处理, 满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中的标准限值要求后外排。

(2) 含重金属废水。含重金属废水又细分为含铜废水和含银废水。

引线框架生产镀铜后的三级水洗工序产生含铜废水, 为了减轻厂内污水处理站的负担, 在电镀车间内设立了铜回收工序, 将镀铜后三级水洗工序产生的废水进行铜回收作业后排入厂内的污水处理站处理, 满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中的标准限值要求后外排。

引线框架生产镀银后的三级水洗工序产生的含银废水先进入车间内的银回收系统回收废水中的银, 满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中的车间排放要求后进入厂内的污水处理站进行深度处理后外排。

引线框架生产中的铜回收及银回收工序均采用电积原理进行回收废水中的铜和银。化学反应方程式如下:

含重金属废水经车间内的铜回收工序及银回收工序处理后, 废水中的铜离子及银离子满足《电镀污染物排放标准》 (GB21900-2008) 中的车间或生产设施排放口后进入厂区污水处理站做进一步的处理。处理后外排。

(3) 厂内的污水处理站。针对引线框架生产厂区污水处理站采用“一步净化器”作为主体处理设备对生产时产生的含酸、含氰废水、含碱废水以及含重金属废水进行处理。

“一步净化器”集多项先进技术为一体, 设备内部由喷射回流混合器、第一反应室、第二反应室、澄清单元、过滤单元组成, 将反应、絮凝、沉淀、澄清、过滤等工序组合在一个专用设备内依次完成。喷射回流混合器能够快速进行混合反应, 同时进行污泥回流, 充分利用使反应更加迅速, 药剂使用更加充分;过滤部分采用专用高效轻质滤料, 并带有水力旋转冲洗装置, 使滤料清洗简单方便。设备内部进行环氧树脂防腐处理, 外部刷防锈漆和面漆, 使用寿命长, 一般正常使用寿命大于20年;因此“一步净化器”具有流程简单、占地少、上马快、能耗低、效率高、操作方便、免维护等优点。

其处理工艺流程见图4。

含氰废水经过预处理后将氰根氧化分解, 然后与酸碱洗清洗废水一起排入综合废水池;酸碱清洗废水与预处理后的含氰废水还有压滤机滤液经综合废水池水量水质均衡后, 再用泵送入“一步净化器”进行处理, 同时进行泵前加药, 出水流入清水池, 水质无色无味, 完全达到排放要求, 节能减排。“一步净化器”污泥排入污泥池后用泵送至厢式压滤机脱水, 泥饼外运。

⑷生活污水。生活污水经化粪池处理后各项污染物均可以满足《污水综合排放标准》 (GB 8978-1996) 中的三级标准限值后外排。