一、前言

 

產業發展現況

2001年全球半導體產業面臨總體經濟不景氣、產能過剩及存貨過多等嚴峻考驗,所有可能影響半導體產業景氣之不利因素幾乎在同一時點出現,全球半導體市場出現32%的衰退幅度,市場值更一舉退回到1,390億美元,幾乎為1995年的水準。

台灣IC製造業在歷經2001年產業景氣寒冬,2002年初總算稍見曙光,台灣IC產業領先全球半導體產業復甦腳步,自2002年第一季開始,晶圓代工產能利用率逐漸攀升、DRAM價格開始轉好,雖然2002下半年景氣復甦力道趨緩,台灣IC製造業在上半年產業景氣回溫及2001年基期較低等因素影響下,2002年台灣IC製造業產值成長25.1%,達3,785億台幣。

圖一、我國IC業之產業結構

 

圖二、我國IC業之產業規模

 

圖三、我國IC設計、製造業規模

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表一、我國8吋晶圓廠投資近況

公司

項目

投資金額(億台幣)

動工啟用

用產能(仟片)

產品型態

世界先進

一廠A

180

- 1994/12

15

DRAM, SRAM

一廠B

200

1995/7 1996/4Q

15

DRAM, SRAM

台積電

三廠

250

1993/12  1995/8

35

代工

四廠

300

1995/4  1996/10

30

代工

五廠

250

1995/11   1997

25

代工

一廠B

130

1994/8   1995/6

20

DRAM

二廠

350

1995/10 1997/2Q

40

DRAM

聯電

三廠

250

1994/12  1995/9

25

SRAM, 代工, DRAM

聯誠

一廠

270

1995/2Q  1996/6

25

代工

聯嘉

一廠

270

1995/12 1997/4Q

25

代工

聯瑞

一廠

294

1995/12 1997/11

25

代工

南亞

一廠

200

1995/1   1996/9

24

DRAM

力晶

一廠

200

1995/3  1996/3Q

25

DRAM

嘉畜

一廠

110

1994/10 1996/4Q

15

Memory, ASIC

旺宏

二廠

300

1995/6  1997/2Q

30

NV Memory, Logic

華邦

三廠

350

1995/6  1997/1Q

40

SRAM, Logic, DRAM

茂矽

二廠

400

1995/10 1997/1H

25

DRAM

世大

一廠

200

1996/1H  1997/6

30

代工(DRAM, Logic)

合泰

二廠

200

1996/1   1997/7

25

MCU, ASIC

華亞

一廠

320

1996/2H 1997/2H

30

ASIC, Memory

合計

 

5,024

 

524

 

資料來源:各公司,工研院電子所ITIS計畫

 

 

廠商排名

2002年台灣IC製造業廠商營收排名而言,晶圓代工雙雄-台積電、聯電維持在第一、二名,IDM業者的部分,華邦電子維持在第三名;旺宏電子因日本客戶訂單縮減、產品售價下跌,2002年營收較2001年衰退25%,排名由2001年的第四降為第六;矽統科技晶片組出貨順暢,營收較2001年成長58%,排名維持在第七;至於DRAM廠商的部分,南亞科技受利於DDR價格上揚,營收較2001年成長156%,排名由2001年的第五上升為第四;茂德科技雖面臨與英飛凌合作關係生變,但受惠於其12吋晶圓廠良率穩定及8吋廠成本下降等有利因素,2002年營收較2001年成長87%,排名由第八上升三個位置至第五;而原排名第六的力晶半導體則因錯估0.15微米製程量產時程及受第二季SDRAM價格由高點滑落影響,相較於其他DRAM廠商營收成長幅度較小,成長率為14%,排名降至第八。

 

表二、台灣IC製造廠商2002年營收排名

單位:億台幣

資料來源:工研院經資中心(2003/03)

 

 

工廠簡介

此公司設廠於楠梓加工區,民國89 年收益達825百萬美元。未來將提供從前段測試、晶圓測試、封裝測試、封裝材料至下游系統組裝之一元化服務。隨著通訊、電腦及消費性3C 產品成型,除主力之球型陣格承載器(BGA)封裝外,亦發展出晶片型(CSP)、覆晶(Flip-chip)、長凸塊(Bumping)等下一代封裝技術,並透過整合各事業單位與內部的資源以徹底發揮經濟規模,避免資源的浪費與提高經營績效。

隨著電腦、通訊及消費性等產品對小型化、高性能化、多功能化、系統化、快速化、可攜性及低價的需求,使得電子元件有必要往高密度、高I/O 數、低操作功率及模組化等多方面突破,這迫使封裝技術朝向輕薄短小、高集積化、多腳/細微化、薄形化、多模組及低成本等方向發展。

 

 

 

 

二、製程

 

2.1 晶圓

晶圓()是指製作矽半導體積體電路所用之矽晶片,狀似圓形,故稱晶圓()。矽晶圓()的材料是"",地殼表面富含砂石(主要成分二氧化矽),當從砂石內萃取出所需的矽元素後,經還原等處理,可萃得約98%野晶體(粗晶體),再經純化過程,可得純化多晶矽,其形狀為粒狀或棒狀,純度高達0.99999999999
   
許多固體材料內的原子具有規則性排列,如石英,鑽石,角閃石等,我們稱之為晶體,IC(積體電路Integrated Circuit)廠用的矽晶片即為矽晶體,因為整片的矽晶片是單一完整的晶體,故又稱為單晶體。若一固態晶體是由許多小晶體形成的,每個小晶體內原子的排列是有規則性的,但在整體固態晶體內,眾多個小晶體的方向是不相同的,我們則稱此固態晶體為複晶體(或多晶體) 。是否能生成單晶體或多晶體與生長晶體的溫度,速率,雜質都有關係。

砂石(二氧化矽)經由電弧爐提煉,鹽酸氯化,並經蒸餾後,可製成了高純度的多晶矽(多晶體)。將此多晶矽融化,並在熔融液內摻入一小顆矽晶體晶種,再慢慢拉出可形成圓柱狀的單晶矽晶棒。一根八吋矽晶棒重量約一百二十公斤,經過研磨、拋光、切割後,即成為積體電路(IC)工廠的一片片八吋矽晶圓(),依面積大小可分為直徑五吋、六吋、八吋等規格。我國自1997年起開始生長八吋(200mm)晶圓(),現已投入生長十二吋晶圓()
   
最後矽晶圓()送至八吋晶圓廠內製造晶片電路 ,每塊矽晶圓()上可翻製出數以百計的相同矽晶片。這些晶片電路再經封裝測試等程序,經過複雜的化學和電子過程處理(製程)後,其上佈滿著多層精細的電子線路,便成為市面上一顆顆的IC(積體電路Integrated Circuit)。積體電路(ICIntegrated Circuit)主要用於電腦及相關產業。是把數以千計萬計的電子元件如電阻、電容等設計均收縮在一片不到指甲大小的矽晶片上,如此傳統電子迴路的體積均予於小型化,例如桌上型電腦縮小成筆記電腦。

 

2.2 積體電路製程單元

積體電路的製造過程主要以晶圓為基本材料。晶圓經過表面氧化膜的形成和感光劑的塗佈後,結合光罩進行曝光、顯像,使晶圓上形成各類型的電路,再經蝕刻、光阻液的去除及不純物的添加後,進行金屬蒸發,使各元件的線路及電極得以形成,此部份叫作晶圓處理製程;最後進行晶圓探針檢測。然後切割成晶片,再經粘著、連線及包裝等組配工程而成電子產品,此部份為IC封裝一般稱晶圓處理製程與晶圓針測製程為前段(Front End)製程,而IC封裝與成品測試製程為後段(Back End)製程。

以下是針對IC封裝之主要加工程序,晶圓研磨(Wafer Back Grinding)、晶圓切割(Die SawD/S)、黏晶粒(Die BoundingD/B)、銲線(Wire BoundingW/B)、封膠(MoldingM/D)、蓋印(MarkingM/K)、電鍍(PlatingP/T)、剪切與成型(Trim/FormT/F)和檢測(InspectionINSP),依序做一簡單的介紹。

 

2.2.1 晶圓研磨(Wafer Back Grinding

該製程的主要目的是將加工製程完成之晶圓,研磨至適當的厚度,以配合產品結構之需求,由於封裝體逐漸演變至薄型化(Thin Package),如1.0mm 膠體厚度之TSOPTSSOPTQFP 等,因此晶圓必須加以研磨。

 

2.2.2 晶圓切割(Die SawD/S

晶圓切割是將前製程加工完成的晶圓上之一顆顆晶粒(Die)切割分離。欲進行晶片切割,首先必須進行晶圓黏片,也就是在晶圓背面貼上膠帶(Blue Tape),並將其置於銅製之框架上,再送至晶片切割機上進行切割。切割完後之晶粒井然有序排列於膠帶上,而框架的支撐是為了避免膠帶的皺摺與切割後的晶粒互相碰撞。

 

2.2.3 黏晶粒(Die BoundingD/B

黏晶粒是將切割後分離的晶粒放置於導線架(LeadFrameL/F)之晶粒座上,並用銀膠(Epoxy)黏著固定。導線架經傳輸至定位後,首先要將銀膠點在晶粒座上預定黏著晶粒的位置,此步驟稱為「點膠」,然後再移至下一位置,由取放臂將切割後的晶粒一顆顆的放置在已點膠的晶粒座上。當晶粒置放於導線上的晶粒座之後,必須經過烘烤的程序,才能使晶粒牢固的黏著於其上。

 

2.2.4 銲線(Wire BoundingW/B

銲線的目的是將晶粒上的接點以極細的金線(18~50μm)連接到導線架上的內引腳,進而藉此將IC 晶粒之電路訊號傳輸到外界。在銲線前必須先以電子影像處理技術確定晶粒上的各個接點位置。

 

2.2.5 封膠(MoldingM/D

封膠的目的是為了防止濕氣等由外部侵入、以機械方式支持導線、有效的將內部產生之熱氣排出至外部,並提供手持之形體以保護金線與晶粒。封膠之過程比較單純,首先將銲線完成之導線架置放於

框架上先行預熱,再將框架置於壓模機(Mold Press)的封裝模上,此時並將預熱好的樹脂投入封裝模上之樹脂進料口;當機器啟動後,將壓模機壓下,封閉上下模並將半溶化之樹脂擠入模中,待樹脂充填硬化後,開模取出成品。在封膠完成後的成品上,可以看到每一條導線架上之每一顆晶粒皆有堅固之外殼包覆著,並伸出引腳互相串連在一起。

 

2.2.6 蓋印(MarkingM/K

蓋印的目的,在註明產品之規格及產品製造者等訊息,封膠完後,一般先蓋背印以避免產品混淆,而在電鍍後蓋正印。蓋印的形式依產品的需求而有所不同,目前塑膠封裝中有油墨蓋印(Ink Marking)及雷射蓋印(Laser Marking)兩種方式。

 

2.2.7 電鍍(PlatingP/T

電鍍的主要目的在於增加外引腳之導電性及抗氧化性,並且防止引腳產生生鏽的情形,由於電鍍機台的設置牽涉到環保標準等問題,在目前設置的新封裝廠中一般皆外包,由相關電鍍廠負責電鍍。

 

2.2.8 切腳與成型(Trim/FormT/F

在此步驟中主要又可細分為去渣/切腳(Dejunk/Trim)及去框/成型(Singular/Form)兩個部份,前者的目的是為了將導線架上封膠完成之晶粒獨立分開,並把導線架上不需要的連接用材料及部份凸出之多餘樹脂切除(Dejunk),後者的目的則是去除導線架的邊框,並將外引腳壓成各種預先設計好之形狀,以便於裝置於電路版上使用。由於定位及動作的連續性,切腳與成型通常都是由一部衝壓機配上多套不同製程之模具,加上進料及出料機構所組成。或者是分在兩部機器(Trim/Dejunk And Form/Singular)上連續完成,其視產品成形需求的複雜度而定。成形後的每一顆IC 都將送入塑膠管( Tube)或是承載盤(Tray)以方便輸送。

 

2.2.9 檢測(InspectionINSP

檢測的目的在於確定封裝完成之產品是否合於使用,檢測項目繁多,視不同的封裝方式而有所不同,其中包含項目有:外引腳之平整性、共面度、腳距、印字清晰度、膠體完整性等等之外觀檢測,當然還包含電路測試(Open/Short)及其他功能上的檢測;希望藉由仔細的分析檢測結果,改善製程並提高良品率。就一般塑膠IC 封裝而言,又分為前段製程與後段製程,前段製程包括晶圓研磨、晶圓切割、黏晶粒、銲線,後段製程則從封膠、蓋印、電鍍、切腳/成型,到最後的測試與包裝,當然在其中也包含了多次的品質檢驗等。

 

 

 

 

圖四、封裝製造流程圖(虛線為選擇性製程)

 

 

 

 

圖五、 IC構裝製程及設備

 

 

 

三、污染防治

 

3.1 水污染防治技術

IC封裝廠產生廢水主要為研磨廢水、酸鹼廢水、重金屬廢水、氰化物廢水以及脫脂廢水等。茲分述如下:

 

(1)        研磨廢水

         研磨廢水含有矽晶粉屑,於製程中回收後排出,排出廢水仍含有SS污染物質,必須納入其他股廢水進行化學混凝沉澱處理,以去除懸浮物。

 

(2)        酸鹼廢水

酸鹼廢水亦先經收集貯留,再排至中和池調整pH值,即可放流。

 

(3)        氰化物廢水

        氰化物處理方法雖多,惟大部分仍以氧化處理為主,以下就數種常用之處理技術加以探討:

1.     使用氯(C12)氧化含氰化物廢水

氰化物具強烈毒性,尤以廢水在酸性時其毒性尤大,(生成HCN毒性氣體),因此含氰廢水之處理,首先須分離收集,再予鹼化,而後氧化。其反應武可分為兩階段:

第一段反應:

CN- + 2 NaOH + C12      NaCNO + 2 NaCl + H2O

           (pH9.0~10.0;溫度低於50)

第二段反應:

2 NaCNO + 4 NaOH + 3 C12        2 CO2 + 6 NaCl + N2 + 2 H2O

           (pH7.5~8;溫度低於50)

整個反應過程約需20~60分鐘完成。

    處理流程如圖六所示,設置氧化槽三座(NO.1,NO.2,NO.3)並以DH計及0RP計為偵測、控制反應之pH範圍,以及NaOH及液氣藥劑量,以防止廢水於酸性狀態下加氯時生成氯化氰(cyanogen chlorideCNCl)之有毒氣體,而於鹼性下加氯,則形成之CNCl即可變成毒性較低之氰酸鹽(cyanate,CNO-),如將此氰酸鹽再於鹼性溶液進一步加氯氧化,則最終生成物為無毒CO2N2氣體。

圖六、氰化物氧化系統流程圖

 

2.     使用次氯酸根(OCl-)氧化氰化物廢水

用次氯酸(OCl-)氧化氰化物,分成二階段進行,最初反應氰化物先生成氯化氰化及氰酸鹽,而最終則生成CO2N2氣體。氰化物與OCl-作用,之反應如下:

pH 7~8間,CN-與次氯酸之化學反應極為容易快速,上次之反應約5分鐘可完成。而CN-與次氨酸之反應宜在pH 10以上,反應較快,且可避免具毒性的CNCl逸散而出。

          CNO-分解所需氧化劑理論量列如表三。唯氧化劑之實際添加量需較理論值為大(約多1096)  ,且如廢水中台有氨時則氯與其作用產生氰胺(ChloramineNH2Cl,NHCl2),而消耗大量氧化劑,宜加以注意。

 

表三、分解1CN-所需氧化劑之量

 

 

 

 

3.     臭氧處理

臭氧之化學特徵及其氧化力如下:

O2 + H2O     O3 + 2H+ + 2e-    E=-2.07V

O2 + 2OH-     O3 + H2O + 2e-   E=-1.24V

          臭氧之氧化力極強,而由還原性生成物為氧分子觀點而言,O2為廢水處理上且好之氧化劑。但其應用之主要關鍵是在臭氧之價格。利用臭氧氧化CN-,其反應式如下:

CN- + O3        CNO- + O2

2 CNO- + 3 O3 + H2O      2 HCO3- + N2 + 3O2

 

          pH值影響反應甚大(一般pH1112時,效率較佳)pH10.5時,分解1g CN-1.86g O3pH9.5時,需2.02g O3。觸媒對臭氧分解反應影響甚大,如有l mg/L之銅存在,分解效果更佳。

4.     電解氧化法

利用陽極電解氧化法處理含CN-廢水已被廣泛採用,此法之特點在陽極氧化時陰極會沉積金屬離子,可加以回收。電解槽可使用一般碳鋼,陰極用不袗或石墨,陽極即為槽本身。陰極電流密度以4A/dm2為宜。陽極面積為陰極面積四倍時效率最高,溫度維持在50~90℃間,可使氧化效率提高,同時減少電之消耗量。電解氧化法最大特點乃在使安定之氰化物錯離子完全分解;包括一段化學無法處理之鐵氰化物及亞鐵氰化物離子在內。再者,本法處理時間較短且沉澱物不具毒性,其電解氧化之反應如下:

陰極:Cu(CN)3 + 3e-     Cu + 3 CN-

            H3O+ + 2e-     H2 + OH-

陽極:CN- + 2 OH-       CNO- + H2O + 2e-

            3 OH-      H3O- O24e-

 

5.     濕式氧化

          針對高濃度氰系廢液之處理,亦有引用濕貳氧化法予以氧化處理者,其流程如圖七所示。此法係將高濃度氰系廢液及空氣予以加壓(70~150大氣壓)、加溫(200~340)送入密閉反應器,使在液相內加速進行氧化之方法。

       

圖六、濕式氧化法

 

 

(4)        重金屬廢水

重金屬廢水的處理通常是採用重金屬化學混凝沉澱法,於廢水中添加NaOHCa(OH)2等鹼劑,調整其pH值,使廢水中重金屬離子形成不溶性的氫氧化物後,添加助凝劑,便成粗大膠羽,再以沉降分離的方法去除之,此法是現今最為實用與普遍的處理方法。

        在一定的範圍內,pH值愈高,廢水中殘餘的金屬離子濃度愈低。但某些兩性的金屬如鉻、鉛等,pH過高時,會導致其氫氧化物形成錯台物而再溶解,因而pH值範圍控制極為重要。又如廢水中含有氰、氨等錯合劑(complexing agent)或者使用脫脂劑而含有EDTA檸檬酸及酒石酸等螯合劑(chelating agent)存在時,會與廢水中金屬離子形成穩定錯合物或螯合物,金屬離子不易解離,無法以氫氧化物沉澱法,使其形成金屬氫氧化物,影響處理效果。為防止上述現象發生,必須特別將含有錯合劑、螯合劑之不同種類的廢水分開收集處理,避免影響整體廢水之處理成效。另外廢水中含有有機物時,亦會增加金屬的溶解度,使廢水中殘餘金屬離子濃度大於理論預測之濃度。理論上,氫氧化銅於pH 9.0~10.3之間溶解度最低,但由於工廠之廢水成份依電鍍程序之控制有很大的影響,各工廠廢水中金屬離子的種類、濃度等都有相當的差異,因此各工廠在實際處理廢水時pH值的控制必須依據各自的水質條件進行瓶杯試驗結果或經驗加以確定。工廠在實際進行重金屬廢水處理時可使用苛性鈉或石灰來進行pH值調整,由於部份重金屬廢水必須有石灰之微粒子為凝核以利膠羽形成,但完全以石灰作為鹼劑來進行pH值調整,反易生成大量的鈣鹽沉澱,大幅增加污泥量,造成污泥處理的困擾,為防止上述現象發生,宜採用苛性鈉(NaOH)為主要鹼劑再配合添加少量Ca(OH)2進行pH值調整,以減少污泥的產生。而氫氧化物膠羽較輕,不易有效的沉降分離,加入少量的Ca(OH)2充當鹼劑及混凝劑亦有助於膠羽的沉澱。處理時因反應速率較慢,廢水pH值的調整控制較為困難,因此可採用二段pH值調整的方武,其方法為先加入NaOH將廢水pH值調整為7~8,再加入Ca(OH)2pH值提高到9~10,經反應凝集沉澱後,綜合廢水中的重金屬離子可有效形成氫氧化物膠羽沉降分離去除,處理後之出流水殘餘金屬濃度可降至0.5~1.0 mg/L

        一般IC構裝廠採24小時生產操作,廢水產出係連續性排出,廢水處理適合採用連續武處理流程。而部份工廠因有氰化物排出,其處理方法宜與重金屬部份分開,先行處理後再匯流進行後續處理。以下乃就氰化物、重金屬、研磨、酸鹼廢水之綜合處理流如圖七,作一說明,各單元設置目的說明如下:

(1)貯槽:分別貯存收集各類廢水、廢液,再平均地送至後續處理單元。其中氰廢水及廢液先納入反應槽I進行鹼氯反應;重金屬廢水-廢液及酸鹼廢水、研磨廢水則平均地送入pH值調整槽進行處理。

(2)反應槽I:以NaOH調高pH值在10.5以上,藉由次氯酸將CN-氧化成為CNO-,並利用pH計及ORP計控制酸、鹼藥劑及氧化劑之添加量。

(3)反應槽Ⅱ:以H2SO4,調整pH7.5左右,再加入NaOClCNO-進一步氧化為N2CO2,並利用pH計及ORP計控制反應過程加入之酸,鹼氧化劑等之添加量。

(4)pH調整槽:提供NaOHH2SO4初步調整pH值至適於金屬氫氧化物形成之範圍。

(5)化學槽:提供鈣鹽、二次調整pH值至金屬氫氧化物形成之範圍,並有利於混凝作用。

    (6)混凝槽:提供鋁鹽或鐵鹽,以凝聚金屬氫氧化物,有利於膠羽形成。

(7)膠凝槽:添加助凝劑,藉慢速攪拌增加膠羽碰撞機會,利於形成較大膠羽以加速沉澱。

(8)沉澱槽:利用重力原理,使固體物與處理水分離。

(9)中間抽水槽:處理水貯槽及後續三級處理泵站。

(10)砂濾槽:利用石英砂或無煙煤截留作用,進一步去除微細膠羽,以減低活性碳吸附槽負荷。

(11)活性碳吸附槽:利用活性碳吸附處理水中殘餘的有機物,以降低放流水之COD污染濃度。

(12)放流槽:放流前監測放流水水質。

(13)污泥貯槽:作為污泥批式脫水程序之貯存污泥用。

(14)脫水機:壓濾式或帶濾式脫水機,減少污泥含水率可降低污泥餅產出量。

 

 

 

圖七、廢水處理流程

 

 

3.2空氣污染防治技術

高科技產業所排放之廢氣具有低濃度、中高風量,且成分多樣的特性,適合利用的技術包括有吸附技術、化學洗滌技術、焚化技術及生物處理技術等。圖八為有機廢氣處理主要技術適用範圍;而IC封裝業製程所產生的廢氣種類如圖九所示。

 

       圖八、有機廢氣處理主要技術適用範圍

圖九、半導體晶圓封裝流程與廢氣產生

 

 

3.2.1吸附技術

固體本身表面力的作用會吸引氣體分子,這個現象稱為吸附。此種具有表面吸附力的固體稱為吸附劑,被吸附於固體表面的物質稱為吸附物質。吸附過程中氣體分子失去動能,而以熱的型式釋放出來,因此吸附為放熱程序。而吸附的逆程序稱脫附,脫附為吸熱程序,換言之,必需供應熱能以使吸附物質由吸附劑表面分離。

依照吸附劑與吸附物質間吸引力之不同,吸附法機制可分為物理吸附與化學吸附二種。物理吸附是藉固體吸附劑與吸附物質分子間的凡得瓦爾力,使吸附物質附著在固體表面。物理吸附乃一可逆現象,一般可藉由改變壓力或溫度再生吸附劑,並回收吸附物質。化學吸附係藉吸附劑與吸附物質間的化學作用產生化學鍵結,使吸附物質附著在吸附劑表面,兩者間的吸引力較物理吸附為強,化學吸附為高放熱反應且通常為不可逆現象。

當吸附劑飽和後需進行處理,其處理方式有拋棄與再生二種,拋棄法使用時機係在吸附物質量小、吸附劑購買成本比再生成本低,則可以掩埋或焚化方式拋棄。當吸附物質具毒性、致癌物或吸附劑為活性碳者,一般以焚化法較合適,但焚化時必須注意控制以避免造成二次污染;至於再生法之脫附方式有加熱、減壓、惰性氣體或蒸氣氣提,以更吸附之物質取代原吸附物質,或以上方法聯合使用。

吸附最大特點係能在符合經濟條件之操作範圍內,幾乎完全除去廢氣中某些VOCs成分,故在空氣污染控制上,特別適於處理風量大含有低濃度VOCs之廢氣。此等廢氣經吸附操作後,其污染物含量一般皆可降低至符合排放標準。

最常用的吸附系統是以活性碳作為吸附劑,主要是由於活性碳對某些特定VOCs成份之物理吸附效果良好,且回收、再生容易。至於其他吸附劑如矽膠、矽藻土、活性氧化鋁、或合成沸石等,則對某些VOCs成份之吸附選擇性較高。

吸附法一般使用在污染控制或溶劑再利用的技術上,設計良好之吸附系統效率可達95~99%。VOCs去除效率主要與廢氣中有機成份之濃度、化學物理性質及氣流特性等有關。入口之進氣濃度受限於吸附床的吸附能力或吸附熱量導致高溫及可燃性蒸氣的安全問題,最大的進氣濃度一般可達10,000ppm。而處理後之排出濃度在一般正常操作下,可以降到50~100pppm,而某些化合物所排出濃度更可低至10~20ppm

活性碳吸附反應與進入吸附床廢氣狀況有關,若廢氣含有液體或固體顆粒、高沸點有機物或易聚合物質時,則必需先進行預處理(如過濾);若廢氣具有高相對濕度(大於50%),則必需進行先除濕;若廢氣溫度超過40℃時,最好先加以冷卻,此因吸附效率在溫度大於40℃時會明顯降低;至於增加氣流壓力雖能提高VOCs處理效率,然需防止氣體冷凝或引火;此外,廢氣進流速度必需相當小,以使吸附機制有足夠時間發生,而吸附床所需之高度與活性碳顆粒尺寸及孔隙率成正比。

為了避免因活性碳床中絕熱吸附過程及氧化反應,造成活性碳床溫度過熱,當廢氣濃度高於10,000ppm者,在吸附之前應採用稀釋方式降低污染物濃度。在活性碳床中如有不能共存溶劑混合時,會產生放熱反應而造成聚合反應,故需確認VOCs進氣濃度必須低於LEL25%。

吸附操作可持續進行至整個吸附床飽和才進行脫附,活性碳再生係以加熱方式或抽真空方式進行。若廢氣含有高濃度VOCs,則使用高壓吸附並以真空脫附方式再生吸附劑。另一種常用方法則以低壓蒸氣或加熱之惰性氣體,使吸附物質脫附,然後將含吸附物質之氣體經冷凝器分離而回收有機物;經再生處理之活性碳可繼續使用,直至其吸附能力下降至需置換為止。

 

圖十、固定床式活性碳回收設備

 

 

 

 

3.2.2化學洗滌技術

化學洗滌法係藉由氣-液接觸,使氣相中之臭味成分轉移至液相,並藉由化學藥劑與臭味成分之中和、氧化或其他化學反應去除臭味物質。可應用化學洗滌方法處理之臭味物質包括有機硫化合物、含氮化合物、有機酸、含氧碳氫化合物、含鹵化物等廢氣。

常見的洗滌塔型式一般採用填充式洗滌塔,廢氣從洗滌器底部進流,首先受填充床之溶液洗滌,氣態污染物藉著紊流、分子擴散等質量傳送以及化學反應等現象傳入液體,達到與進流氣體分離之目的,再排至大氣。濕式洗滌法主要優點在於廢氣處理量大,可同時處理多個污染源所排放廢氣,在處理含多種不同污染物廢氣時,可考慮串聯使用不同洗滌液之洗滌塔,以多段洗滌確保不同特性污染物之去除效率。

常用之化學吸收劑包括下列幾種:

1.鹼性溶液

鹼性吸收液常用含有1~10%氫氧化鈉溶液,對消除硫化氫很有效,其他如甲硫醇、硫化甲基、二硫化甲基、低級脂肪酸等經常在廢水處理場造成臭味之物質,此法均可獲得甚佳處理效果。

2.酸性溶液

酸性洗滌主要用於消除氨、三甲胺等鹼性氣體所致臭味,一般多使用硫酸(0.5~5%之溶液)為洗滌液。

3.次氯酸鈉溶液

次氯酸鈉一般與酸鹼性吸收液一起使用。對於其他方法很難消除之硫化甲基,使用次氯酸鈉吸收液之控制效果甚佳。處理污水處理場高濃度臭氣時,次氯酸鈉溶液濃度(有效氯濃度)約為500~2,000ppm;而處理較低濃度臭氣時,使用次氯酸鈉溶液濃度約50~500ppm

4.臭氧/過氧化氫

對於水溶性高的VOCs成分,藉由溼式洗滌技術將其自氣相轉移至液相,可以達到廢氣中VOCs去除的目的,但維持去除效率的用水量相當大,而且污染物轉移至液相後產生了廢水處理問題。氧化洗滌技術則是結合溼式洗滌技術及化學氧化技術,將前述轉移至液相中的高水溶性VOCs成分以化學氧化方式處理。如圖十一之氧化洗滌方式可將廢氣有機物質傳輸至水中,配合化學氧化將污染物分解成二氧化碳、水或無害之鹽類。

圖十一、氧化洗滌原理示意圖

 

      

洗滌塔                           氧化塔

圖十二、洗滌塔與氧化塔照片

 

 

3.2.3 焚化技術

焚化法乃將含有VOCs成份的氣體在高溫下氧化分解,而達清淨之廢氣以排放,此法主要優點為適用於所有可燃性成份,而其缺點為燃料消耗量大,操作成本高。若廢氣所含VOCs污染物質濃度不高,則來自污染物成份之燃燒產生熱對廢氣溫度提升相當有限,欲如此處理尚需添加適量輔助燃料,才能達到所需之燃燒溫度。

 

圖十三、焚化設備

1. 直接焚化法

在直接焚化法中,有機氣體於650~820℃下停留0.3~0.6秒,並與氧氣充分混合,有機物質即可被氧化,其氧化效率可達95~99%,燃燒產物通常為水、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物等。但由於相當耗費燃料,燃燒不完全時,可能產生甲醛、有機酸、酚醛及不飽和醛類及次氧化物等酸臭味、刺激味及燃焦味之物質。

2. 觸媒焚化法

觸媒是一種能引發或加速化學反應而本身不受影響之材料,因具特殊之化學性質而能降低燃燒溫度,使製程排放氣中所含有機物質或碳氫化合物物質,能於較低之燃燒溫度下即可氧化而轉換成二氧化碳及水等無害物質。當氣體濃度即使低於「低燃燒下限(LEL)」以下之範圍內,亦能藉由觸媒促使完全燃燒反應之進行,由於觸媒焚化法所需之燃燒溫度較低,故輔助燃料之添加可大大地減少。

3. 蓄熱式焚化 (Regenerative Thermal OxidizerRTO)

RTO操作的基本原理是將含有VOC的廢氣提昇至約815℃之汽化溫度,經焚燒後將VOC轉化為二氧化碳及水蒸氣,其熱回收方式屬於熱再生型(thermal regenerative),是利用陶瓷材料的高熱傳導係數特性做為熱交換介質以得到較完整的熱能傳導率,可有效減少輔助燃料用量,降低操作成本。

RTO是利用裝置數個熱交換床(通常採3~5)進行替換收集及釋放來自製程中排出的熱能,熱交換床通常充填有不同型式之陶瓷材料,如馬鞍型或蜂巢型。熱交換床上裝置有一個燃燒室,燃燒室內有1~2組燃燒器。常用之型式為二個熱交換室緊鄰一吹氣用的熱交換室為最基本的系統,含有VOC的廢氣流進入RTO系統時,因多數VOCs之比重大於空氣,所以廢氣多使用強制送風機或誘引式抽風機引導通過充填陶瓷材料的熱反應室,使廢氣在進入燃燒室前先行預熱至接近燃燒溫度再進入燃燒室並與足夠的空氣混合,在溫度約815℃滯留0.5~1秒,再進入另一個熱反應室吸收氣流的熱能至溫度將低至約180℃在排放至大氣中。

圖十四為一RTO裝置示意,一般系統至少包括二個蓄熱床、進氣控制設備、加熱及溫度控制設備。蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料,欲處理氣體先進入一蓄熱床(A)預熱至一定溫度以反應去除其中之VOC,反應後高溫氣體通過另一蓄熱床(B)時,氣體熱能將傳入原已冷卻之蓄熱材,即高溫氣體之顯熱已被儲存,氣體則以較低的溫度排放。待一定時間後,欲處理氣體則導入該高溫床(B)預熱,反應後高溫氣體能量則儲存於A床,完成一操作循環(operation cycle)

圖十四、RTO裝置示意圖

圖十五、RTO

表四、RTO控制設備優缺點之比較

 

 

4. 蓄熱式觸媒氧化器 (Regenerative Catalytic OxidizerRCO)

工業中最常使用且最有效的方法是以氧化的方式來控制低濃度VOCs的排放。氧化反應是在一個特定的溫度下,使碳氫化合物或VOCsO2發生反應,產生CO2H2O,即可排放至大氣中。氧化完全所需的條件-時間、溫度及混合均勻。

RCO是有效減少VOCs的一項新技術,其基本原理是結合蓄熱式氧化及觸媒焚化,此項技術可降低RTO系統的操作溫度,有效提高破壞效率及減少燃料的用量。RCO系統是以RTO的構造做基礎,在氧化爐中加上一層特殊的觸媒材料,利用觸媒氧化提供足以破壞VOCs所需的熱能,以降低RTO系統的操作溫度。

RCO裝置與RTO的裝置相類似,亦是以數個交換床進行替換自製程排放的熱量。常用的基本系統型式為二個熱交換室上接一間氧化焚化室,並加上一層貴重金屬作為材料的觸媒在熱交換室與氧化室之間。含VOCs的廢氣進入RCO系統時,會先在熱交換室進行預熱,約315℃左右,然後通過觸媒後進入氧化燃燒室進行化,氧化完成的氣流離開氧化室後會進入另一個熱交換室,在這個熱交換室中,乾淨的氣流會將含有的熱能釋出,即可排放到大氣中。RCO的熱能回收與RTO相似,可高達95~98%,破壞VOCs的效率也可達92~99%

完成一次氧化後,原先為熱的交換室因將熱能給予廢氣而變冷;原本冷的熱交換室由於吸收乾淨氣流的熱能而變熱,因此第二次的廢氣氣流進口與出口會交換,可以氣閥或多孔閥來加以控制。RCO能逐漸受重視的主要關鍵在於使用貴重金屬作為觸媒材料。結合了觸媒氧化與RTO,使原本需將廢氣溫度提昇至815℃降至只需315℃,減少一半的操作溫度;由於操作溫度降低,可得到四種益處:1.減少加熱器的負擔;流量減少,可減少風扇的耗電。2.破壞VOCs的天然氣需求減少。3.低的操作溫度可延長RCO系統的壽命。4.減少CONOx

 

表五、RCO控制設備優缺點之比較

 

3.2.4 生物處理技術

生物處理法為污染物(如VOCs等)通過生物處理系統的過程中,藉由微生物之分解、氧化、轉化等機制,將污染物完全分解氧化成CO2H2ONO3-SO42-等無害性之無機物。雖然生物處理法具有無二次污染的特性,然而與其它污染防治技術相較下,在選用時尤須考量地域性參數所影響之整體成本,諸如土地價格、水費、電費之高低及法令標準等;除此之外,該技術是否已充分落實本土化及在國內具有相當的成熟性,亦直接影響後續的處理效率及操作維護費用。

生物處理法依微生物之型態,可區分為生物濾床(biofiltration)、生物滴濾塔(biotricking)與生物洗滌塔(bioscrubbing)等三種,如圖11所示。基本原理為廢氣中VOCs經固著於堆肥內部之微生物(生物濾床)、固著於惰性填充物之生物膜(生物滴濾塔)或塔內含微生物之洗滌(生物洗滌塔)吸收氧化後,分解成二氧化碳及水等最終代謝產物。

以生物技術處理VOCs的一項主要限制為氣體所需停留反應時間較長,將大量增加槽體之體積,造成處理設備佔地大及初設成本昂貴等問題。生物處理之排氣中揮發性有機物種類以水溶性較佳如酮類、醛類、醇類及醚類。通常適用生物處理之VOCs排氣濃度在1,000ppm以下較為有效;pH值需維持6~8;溫度<40℃;濾料相對溼度維持於40~60%之間,塔內生物膜維持濕潤狀態。一般在氣體空塔停留0.5~3分鐘條件下,VOCs去除濾可達80%以上。而一般應用在VOCs控制上的生物處理法有生物濾床及生物滴濾塔。

1.     生物濾床

生物濾床係污染物質由氣相傳輸至濕潤之生物膜中,被固定在濾料表面的微生物進行氧化分解作用,使污染物轉化為水、二氧化碳及無害的鹽類,故無二次污染問題。濾床的主要填充物質包含生物膜所依附之固體,如堆肥、分散度改良劑及酸鹼度緩衝劑等。生物濾床法具有設備及操作費用低廉之優點,惟缺點是濾料易產生乾化及酸化,必需置換且持久性不佳。

2.     生物滴濾塔

生物滴濾塔之生物作用原理與生物濾床類似,但其塔中填充物多為木材、陶瓷及塑膠等物質,此外還包含循環水系統以控制pH值變化及去除生成的鹽類。污染物質被循環液體吸收捕集傳輸進入生物膜後,被固定於生物膜上的微生物分解。由於生物滴濾塔的操作條件較為複雜,且需自動監控系統控制,故初設成本較高。生物滴濾塔由塑膠等材質所構成的濾床,將使系統壓損低於生物濾床,且無濾料酸化或乾化而須置換之問題;但當有機負荷過高時,則易形成生物膜厭氣狀態與剝落等問題。

 

圖十六、生物處理設備

 

 

 

 

3.3廢棄物污染防治

依據廢清法之有害事業廢棄物認定標準公告,電子廢棄物均納入廢五金之B類管制之列。因此電子業製程產生之廢料或廢零件,除了單純之塑膠、廢紙等廢棄物之外,均屬於有害廢棄物,依法受嚴格之管制,但是國外電子廢棄物則未歸類為有害廢棄物,環保問題較不明顯。致於其它以閃火點判定之廢溶劑或以酸鹼值檢驗之廢酸鹼等,也是電子業有害廢棄物之大宗。受到有害廢棄物較嚴格的清理方式規定,國內電子業必須負擔比其它國家電子業為重的環保責任,不過同時也因此促進了國內電子業廢棄物的回收與再利用技術與產業的發展。

依據事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準,限制業者需使用專門並備有污染防治設備之室內貯存場所,分類貯存有害事業廢棄物,製程會產生較多廢溶劑、廢污泥及廢酸、電子廢料的電子業,必然要需要額外的場地及管理支出。廢清法之事業廢棄物貯存清除處理方法及設施標準,明確規範電子業廢棄物的清理方式,電子製程上大部分的廢棄物必須委託合格清理者處理,惟目前國內處理業容量仍然不夠充分,業者之間削價與非理性的競爭激烈,處理成效仍然存有疑慮。因此在未有充裕而且適當的處理及回收管道之前,電子廢棄物委託處理仍然存在有環保責任的問題。

有鑑於電子業者大部分的廢棄物均係有害事業廢棄物,造成污染對環境的影響頗大,對國內經濟的影響亦不可忽視,故環保署已著手推動工業區廢棄物於工業區內處理的計畫,期能減少社會成本的支出。因此在廢清法第十三條有新規定:新設工業區及科學園區之目的事業主管機關或開發單位應於區內或區外規劃設置廢棄物處理設施;並於廢棄物處理設施設置完成後,該工業區及科學園區始得營運。現有工業區及科學園區之目的事業主管機關應於本法修正通過後二年內,規劃完成事業廢棄物之處理設施。為減少電子業者在廢棄物處置工作上的疑慮,及為利於將來建廠或擴廠計畫,電子業者都宜參加並協助此項措施的實現。

為鼓勵廢棄物的回收,環保署另訂有有害事業廢棄物再利用許可辦法,該法准許有工廠登記為原料方式再利用有害廢棄物,可再利用的電子業有害廢棄物有廢蝕刻液、廢錫渣或廢酸、清洗用廢溶劑等,惟再利用的基本條件在於生產業者及原料業者訂定再利用同意書,並經中央主管機關核准,核准期限以乙年為限,故需個別逐年申請,容易造成困擾,因此環保署已著手輔導既有之再利用工廠改申請甲級處理業,以提供電子業者廢棄物處理更便利的管道。惟以進口為主的材料諸如高級焊錫及特殊溶劑等,因為原製造者配合回收申請仍有困難,目前因應方案有由代理商以委託方式進行回收使用後之廢品,並據以申請再利用。因此電子業者對於難以處分而且數量甚大的廢棄物,均可協調上游產業協助回收,並據以申請再利用許可,如回收成效良好而且有明顯的益處,也可以向環保署申請公告為應回收再利用之廢棄物,經核准之後,申請將改為申報,以減少廢棄物處理的壓力。

 

圖十七、廢IC粉碎/研磨流程

 

 

 

 

四、環境政策

基於工廠運轉之環境安全特性及對環境保護所負有之責任,故對環保污染防治設備投下大筆資金來改善廢水、廢氣之排放品質。廠內設置之環保污染防治設施包括廢氣處理系統與廢水處理系統,以自行處理方式來處理污染物質。廢棄物處理方面,廠內所有事業廢棄物均分類收集,並委託專業合法之合格清除處理商予以妥善清理。噪音防治方面,為杜絕噪音影響到園區外居民,於樓頂之冷卻水塔及廢氣排放口設置有隔音牆等裝置。安全管理方面,由於在半導體製造過程中使用的化學藥品及氣體達數十種,使用後的化學材料絕對不能洩漏至作業空間,須利用廢氣及廢水設施加以處理。同時在廢氣、廢水之管線末端實施無害化處理,以維護廠區內外環境的安全。

所欲達到的環境目標如下:

1.   符合國內法規是我們的最低標準,並以零污染為目標。

2.   保障員工生命安全及公司財產,推動環保及安全衛生措施,以減少災害事故之發生。

3.   使用高效能及有效的自然資源以保護環境。

4.   落實環境管理系統,融入整體組織管理體系,全力維持環境績效之持續改善。

5.   主動引進及發展環境友善技術,強化源頭減廢及污染預防,以達到綠色設計、生產與經營之目標。

6.   透過管理審查定期檢討環安衛政策及管理系統之運作。

 

 

五、參考文獻

1.     經濟部工業局,半導體製造業污染防治技術

2.     經濟部工業局,工業廢棄物清理輔導宣導手冊

3.     經濟部工業局,高科技產業揮發性廢氣處理技術及操作處理成本

4.     經濟部工業局,國內半導體製造業及光電業之產業現況、製程廢氣污染來源與排放特性

5.     黃英傑,電子事業廢棄物產出特性與處理現況分析

6.     林顯堂,IC 封裝業核心能力建構模式-以日月光公司為例,國立中山大學碩士論文

7.     張孟溫,RTO蓄熱式焚化爐應用實例介紹,台灣環保產業雙月刊第十五期,2002/10

8.     陳慧玲,我國積體電路產業發展現況與前景預測