Qualità dell'acqua adeguata per la pulizia dei componenti

Dott. Steffen Orben - Amministratore Delegato e Socio Gestore

Impianto di scambio ionico per la fornitura di acqua per ambienti sterili presso la FH Kaiserslautern / sede di Zweibrücken (Foto: W. Pfeifer)

Resine a scambio ionico (Foto: Orben)

Cartucce di scambio ionico (Foto: Orben)

Rigenerazione delle foreste di montagna (Foto: Orben)

La preparazione dei componenti per le fasi successive di lavorazione e la pulizia dei prodotti interessano tutte le aziende di produzione. Una pulizia accurata significa per un produttore di prodotti una superficie priva di grasso. Un altro desidera che dopo la pulizia non siano presenti tracce di minerali sul componente, poiché anche le più piccole incrostazioni potrebbero rendere i prodotti inutilizzabili. Per tutte le applicazioni vale: il risultato della pulizia può essere buono solo quanto l'ultimo risciacquo.

L'acqua pulita non è uguale all'acqua pura

Perciò, l'acqua di rubinetto spesso non è sufficiente per la pulizia dei componenti. È invece necessaria acqua demineralizzata. Essa rimuove le impurità meglio dell'acqua di rubinetto, in cui sono disciolti sali e altre sostanze. La concentrazione dei sali viene determinata misurando la conducibilità elettrica dell'acqua. Questa viene espressa in microsiemens per centimetro [μS/cm]. La media dell'acqua di rubinetto è circa 700 μS/cm. I sistemi di trattamento dell'acqua possono rimuovere i sali dall'acqua e ridurne la conducibilità. L'utente può scegliere tra diversi metodi che forniscono diverse qualità dell'acqua.

Diversi metodi per un obiettivo

Con l'osmosi inversa, l'acqua viene desalinizzata tramite filtrazione molto fine. L'acqua di rubinetto viene fatta passare con pressione attraverso una membrana semipermeabile che trattiene i sali. L'acqua pura passa attraverso di essa. Si ottiene acqua con una conducibilità di circa 30 μS/cm, una frazione della conducibilità dell'acqua di partenza, ma ancora non sufficiente per molte esigenze di purezza tecnica. Perciò, l'osmosi inversa viene spesso usata come pretrattamento prima dello scambio ionico, quando si ha un grande fabbisogno di acqua completamente demineralizzata e si vuole prolungare la durata della cartuccia di scambio ionico.

La deionizzazione (deionizzazione) tramite cartucce di scambio ionico rimuove gli ioni dei sali disciolti nell'acqua. Le resine a scambio cationico e anionico vengono fatte passare con acqua e legano i componenti disciolti caricati elettricamente. Il risultato è un'acqua con una conducibilità di circa 0,1 μS/cm, molto più priva di sali rispetto all'osmosi inversa. Una cartuccia da 40 litri produce in media 5.000 litri di acqua demineralizzata dall'acqua di rubinetto. Le resine possono essere rigenerate più volte. I costi di investimento e le esigenze di gestione sono relativamente bassi. È necessario un fornitore con servizio sul posto e una documentazione affidabile delle partite. I costi operativi derivano solo dal servizio di sostituzione delle cartucce.

La qualità ha il suo prezzo. Questo vale in particolare per i costi di acquisto e di esercizio degli impianti di pulizia. Chi risparmia sulla deionizzazione potrebbe poi lamentarsi di perdite di qualità e di costi di follow-up più elevati.

Chi ha bisogno di acqua demineralizzata?

Le qualità dell'acqua necessarie variano a seconda delle esigenze di prodotto di diverse aziende di produzione. Anche il numero di pezzi prodotti influisce notevolmente sulla quantità di acqua di processo richiesta giornalmente.

Nel laboratorio di una università vengono realizzati prototipi di microsistemi. Qui si creano strutture molto sottili e circuiti elettronici in scala micrometrica. I requisiti di purezza per la produzione e la pulizia finale sono elevati. Per i componenti micro-meccanici o microelettronici, per analisi e prove, è richiesta acqua demineralizzata. Anche le più piccole incrostazioni minerali tra le piste dei prodotti potrebbero causare malfunzionamenti e danni ai componenti. Le cartucce di scambio ionico forniscono acqua di processo con una conducibilità inferiore a 0,1 μS/cm. La capacità di desalinizzazione delle cartucce diminuisce nel tempo. Tuttavia, in produzione di serie zero, sono necessari risultati riproducibili. Questo si ottiene utilizzando due cartucce identiche che garantiscono una qualità dell'acqua costante. Sempre più ioni si legano alle resine della prima cartuccia. Quando si supera una soglia di conducibilità definita, si passa alla seconda cartuccia. La cartuccia usata può essere sostituita tempestivamente. Il consumo di acqua nel laboratorio di prototipazione è relativamente basso. Al momento, ulteriori sistemi di trattamento dell'acqua non sarebbero convenienti.

Per i laboratori con elevato fabbisogno di acqua, è consigliato un sistema combinato di trattamento dell'acqua. L'osmosi inversa migliora inizialmente significativamente la conducibilità dell'acqua di rubinetto. Il successivo scambio ionico porta l'acqua a uno standard di processo e quindi ha una durata molto più lunga.

Nei laboratori di camere bianche che devono rispettare requisiti igienici particolari, spesso si aggiunge anche il passaggio di disinfezione dell'acqua tramite radiazioni UV-C. Patogeni come batteri, virus o alghe, trasmessi dall'acqua, rappresentano un grosso problema per molti processi. La tecnologia UV elimina queste contaminazioni, che possono ancora essere presenti nell'acqua pura, senza l'aggiunta di sostanze chimiche.

Massima pulizia, anche nella produzione in serie

Per la produzione di semiconduttori si richiede un ambiente di sala bianca per proteggere i componenti altamente complessi da contaminazioni e preservarne la funzionalità. Nonostante l'ambiente di sala bianca, ci sono ancora molte fonti di contaminazione. Le principali sono il personale in linea di produzione, l'aria dell'ambiente e le sostanze chimiche generate nel processo. Spesso si tratta di contaminazioni microscopiche come particelle, contaminazioni molecolari da idrocarburi provenienti dalle pompe o impurità ioniche, ad esempio da saldature manuali. Queste si depositano sulla superficie dei wafer di silicio e possono avere effetti negativi sui prodotti. Ad esempio, possono causare ombreggiature durante l'esposizione della maschera fotografica sui wafer di silicio. Oppure, ioni accelerati durante i processi di implantazione possono essere respinti dalla superficie del wafer. Particelle intrappolate fanno scoppiare i rivestimenti applicati in quei punti. Le contaminazioni molecolari diffondono nei rivestimenti. L'adesione degli strati successivi può peggiorare, così come le proprietà elettriche.

Una sequenza di pulizia tipica può essere la seguente: i wafer vengono prima puliti in un bagno ad ultrasuoni con una soluzione di acqua e detergenti ultrasuoni e tensioattivi, rimuovendo particelle dalla superficie. I metalli e le contaminazioni molecolari vengono parzialmente legati dal detergente. Successivamente, vengono rimossi contaminanti organici come grasso o olio con acetone o etanolo. In questo processo, residui di carbonio rimangono sulla superficie. Infine, si risciacqua con acqua demineralizzata per eliminare le impurità ioniche e si asciuga in un essiccatore sotto azoto. Dopo ogni fase, i wafer vengono risciacquati con acqua pura. Perciò, la produzione di semiconduttori richiede grandi quantità di acqua pura, che non deve contenere quasi nessuna contaminazione. L'acqua demineralizzata, e in alcuni casi anche disinfettata con UV, è indispensabile in questi processi.

Meglio troppo che troppo poco!?

Le qualità di pulizia e le quantità di acqua richieste variano molto a seconda del prodotto e del settore. Tuttavia, per tutti gli utenti con esigenze di acqua di pulizia, si consiglia di valutare un investimento nel trattamento dell'acqua. Gli intervalli di manutenzione delle apparecchiature di pulizia possono essere estesi, i detergenti ridotti. Risultati di pulizia migliori portano a una qualità superiore dei prodotti. La prevenzione evita lavori di rifacimento.