Geschikte waterkwaliteit voor het reinigen van onderdelen

Dr. Steffen Orben - Managing Partner

Ionenwisselaarinstallatie voor de levering van reinwater aan de FH Kaiserslautern/locatie Zweibrücken (Foto: W. Pfeifer)

Ionenuitwissers (Foto: Orben)

Ionenuitwissers (Foto: Orben)

Harzregeneratie (Foto: Orben)

De voorbereiding van onderdelen voor de volgende bewerkingstappen en de netheid van de producten interesseren alle productiebedrijven. Grondige reiniging betekent voor de ene productfabrikant een vetvrije oppervlakte. Een ander wil na de reiniging geen sporen van mineralen op het onderdeel aantreffen, want zelfs de kleinste afzettingen kunnen de producten onbruikbaar maken. Voor alle toepassingen geldt: het reinigingsresultaat kan slechts zo goed zijn als de laatste spoelbeurt.

Schoon water is niet gelijk aan zuiver water

Leidingwater is daarom vaak niet voldoende voor het reinigen van onderdelen. In plaats daarvan is gedemineraliseerd water nodig. Het verwijdert vuil beter dan leidingwater, waarin zouten en andere stoffen opgelost zijn. De zoutconcentratie wordt vastgesteld door de elektrische geleidbaarheid van het water te meten. Deze wordt uitgedrukt in micro-Siemens per cm [μS/cm]. Gemiddeld leidingwater heeft ongeveer 700 μS/cm. Waterbehandelingssystemen kunnen zouten uit het water verwijderen en de geleidbaarheid verminderen. De gebruiker kan kiezen uit verschillende methoden die hem verschillende waterkwaliteiten leveren.

Verschillende manieren naar een doel

Bij omgekeerde osmose wordt water door fijne filtratie ontzout. Leidingwater wordt onder druk door een halfdoorlatende membraan geleid, die de zouten tegenhoudt. Zuiver water stroomt erdoorheen. Het ontstaat water dat met ongeveer 30 μS/cm een fractie van de geleidbaarheid van het uitgangswater heeft, maar nog niet aan veel eisen voor technische reinheid voldoet. Daarom dient omgekeerde osmose meestal als voorbehandeling voor ionenuitwisseling, wanneer er een grote behoefte is aan volledig ontzout water en de levensduur van de ionenwisselaarpatronen verlengd moet worden.

De volledige ontzouting (deionisatie) met ionenwisselaarpatronen verwijdert de ionen van de opgeloste zouten in het water. Kationen- en anionenwisselaarharzen worden met water doorstroomd en binden de elektrisch geladen waterinhoudsstoffen. Het resultaat is met ongeveer 0,1 μS/cm nog aanzienlijk minder zout dan bij omgekeerde osmose. Een 40-liter patroon produceert gemiddeld 5.000 liter volledig ontzout water uit leidingwater. De harsen kunnen steeds opnieuw worden geregenereerd. De investering en de eisen aan het hanteren zijn relatief gering. Voorwaarde is een dienstverlener met on-site service en betrouwbare batchdocumentatie. Bedrijfskosten ontstaan alleen door de vervangingsservice van de patronen.

kwaliteit heeft zijn prijs. Dit geldt vooral voor de aanschaf- en bedrijfskosten van de reinigingsinstallaties. Wie geld bespaart op volledige ontzouting, kan later kwaliteitsverlies en hogere nazorgkosten klagen.

Wie heeft volledig ontzout water nodig?

Benodigde waterkwaliteiten verschillen afhankelijk van de producteisen van verschillende productiebedrijven. Ook de afzetcijfers van de geproduceerde producten beïnvloeden de benodigde dagelijkse hoeveelheid proceswater aanzienlijk.

In een cleanroom van een hogeschool worden prototypes van microsystemen vervaardigd. Hier ontstaan fijnste structuren en elektronische schakelingen in de micrometermaat. De reinheidsvereisten voor productie en eindreiniging zijn hoog. Voor de micromechanische of micro-elektronische onderdelen, voor analyses en experimenten wordt volledig ontzout water geëist. Zelfs kleinste minerale afzettingen tussen de geleidende banen van de producten zouden tot storingen en beschadiging van de onderdelen kunnen leiden. Ionenwisselaarpatronen leveren proceswater met een geleidbaarheid onder 0,1 μS/cm. De ontzoutingsefficiëntie van de ionenwisselaars neemt na verloop van tijd af. In de nulserie worden echter reproduceerbare resultaten vereist. Dit wordt gerealiseerd door het gebruik van twee identieke patronen die zorgen voor een constante waterkwaliteit. Steeds meer ionen binden zich aan de harsen van het eerste patroon. Wanneer een bepaalde drempelwaarde wordt overschreden, wordt overgeschakeld op het tweede patroon. Het verbruikte patroon kan tijdig worden vervangen. Het waterverbruik in de prototype-cleanroom is relatief laag. Extra waterbehandelingsmaatregelen zouden hier niet rendabel zijn.

Voor laboratoria met een hoog waterverbruik biedt zich een gecombineerde waterbehandelingsinstallatie aan. Omgekeerde osmose verbetert eerst de geleidbaarheid van leidingwater aanzienlijk. De daaropvolgende ionenwisselaar brengt het water op proceskwaliteit en heeft daardoor een veel langere standtijd.

In cleanroomlaboratoria die aan strenge hygiëne-eisen moeten voldoen, wordt vaak nog de stap van waterdesinfectie door UV-C-straling toegepast. Pathogenen zoals bacteriën, virussen of algen, die via het water worden overgedragen, vormen voor veel processen een groot probleem. De UV-technologie verwijdert deze contaminaties, die nog in het zuivere water kunnen aanwezig zijn, zonder toevoeging van chemicaliën.

De hoogste reinheid, ook in de serieproductie

In de halfgeleiderproductie wordt een cleanroomomgeving vereist om de hoogcomplexe onderdelen te beschermen tegen verontreinigingen en hun functionaliteit te behouden. Ondanks de cleanroomomgeving zijn er nog steeds tal van bronnen van verontreiniging. De belangrijkste oorzaken hiervoor zijn het personeel op de productielijn, de omgevingslucht en chemicaliën die tijdens het proces vrijkomen. Vaak gaat het om microscopische verontreinigingen zoals partikels, moleculaire contaminaties door koolwaterstoffen uit pompen of ionische vervuilingen, bijvoorbeeld door handlassen. Deze hechten zich aan het oppervlak van de siliciumwafer en kunnen vervolgens talrijke negatieve effecten op de producten hebben. Zo kunnen schaduweffecten optreden bij de belichting van de fotolak op de siliciumschaal. Ook kunnen versnelde ionen bij implantatieprocessen van het waferoppervlak worden geweerd. Ingesloten partikels laten aangebrachte lagen op die plaatsen barsten. Moleculaire vervuilingen diffunderen in de lagen. De hechting van daaropvolgende lagen kan hierdoor verslechteren, evenals hun elektrische eigenschappen.

Een typische reinigingsvolgorde kan er als volgt uitzien. De wafers worden eerst in een ultrasoonbad gereinigd, een oplossing van water en ultrasoonreinigings- en netmiddelen, om partikels van het oppervlak te verwijderen. Metaal- en moleculaire vervuilingen worden deels gebonden door het reinigingsmiddel. Vervolgens verwijderen aceton of ethanol organische vervuilingen zoals vet of olie. Hierbij blijven koolstofrestanten op het oppervlak achter. Tot slot worden ionische vervuilingen weggespoeld met volledig ontzout water en onder stikstofatmosfeer in een droogtrommel gedroogd. De wafers worden na elke processtap gespoeld met zuiver water. Daarom heeft de halfgeleiderproductie een zeer grote hoeveelheid zuiver water nodig, dat bijna geen verontreinigingen meer mag bevatten. Volledig ontzout water, afhankelijk van het product en het toepassingsgebied ook UV-geïrradieerd water, is onmisbaar bij deze processen.

Veel helpt veel!?

De reinigingskwaliteiten en benodigde waterhoeveelheden variëren sterk afhankelijk van het product en de branche. Toch is het voor alle gebruikers met waterreinigingsbehoefte aan te raden om een investering in waterbehandeling te overwegen. Onderhoudsintervallen voor reinigingsbaden kunnen worden verlengd, reinigingsmiddelen kunnen worden bespaard. Betere reinigingsresultaten leiden tot hogere productkwaliteit. Preventie voorkomt nabewerking.