上海市集成電路行業(yè)節(jié)水 發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策建議

  集成電路是一種微型電子器件或部件，其作為電子信息相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)制造、航空航天、國(guó)防軍工等眾多涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)家安全的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)之一。由于集成電路生產(chǎn)過程中需要大量的超純水作為清洗水，該行業(yè)也具有水資源消耗量大、廢水產(chǎn)生量大的特點(diǎn)。以上海市為例，2020年上海市集成電路行業(yè)新水用水量達(dá)4817×104m3，占全年工業(yè)用水總量的8.42%，約相當(dāng)于100萬居民的全年生活用水量?？梢灶A(yù)計(jì)，未來一段時(shí)期內(nèi)，隨著生產(chǎn)制造能力的持續(xù)提升及技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)替代的不斷推進(jìn)，集成電路行業(yè)的耗水量將進(jìn)一步增加，水資源利用與保護(hù)的矛盾可能進(jìn)一步凸顯。為此，加強(qiáng)集成電路行業(yè)的生產(chǎn)用水管理，不斷提升節(jié)水減污水平是新時(shí)期生態(tài)文明建設(shè)的必然需求，也是推動(dòng)集成電路企業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

  2020年，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《電子工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB39731-2020）明確了相關(guān)電子工業(yè)產(chǎn)品的單位基準(zhǔn)排水量；2023年，《集成電路制造建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件審批原則（2024年版）》進(jìn)一步從節(jié)約用水的角度，提出了“鼓勵(lì)再生水的使用、鼓勵(lì)清洗水回用”等提高水的回用率和重復(fù)利用率的相關(guān)要求。面向上述時(shí)代發(fā)展的新需求，有必要結(jié)合集成電路行業(yè)工藝特點(diǎn)，對(duì)集成電路行業(yè)的節(jié)水現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，進(jìn)而為推動(dòng)集成電路企業(yè)深入挖掘自身節(jié)水潛力、不斷提升節(jié)水創(chuàng)新水平提供有益借鑒。

  上海作為我國(guó)集成電路行業(yè)的發(fā)展重鎮(zhèn)，相關(guān)產(chǎn)品銷售規(guī)模約占我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售總規(guī)模的20%。《上海市節(jié)水型企業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及考核辦法》《2022年上海市用水定額（第一批）》（滬水務(wù)〔2022〕739號(hào)）等地方政策也對(duì)集成電路行業(yè)的節(jié)水水平提出了較高要求。因此，本研究以上海市為例，選擇30余家典型集成電路企業(yè)，對(duì)其2022年度節(jié)水現(xiàn)狀及遇到的問題進(jìn)行調(diào)研分析，為優(yōu)化集成電路行業(yè)的用水規(guī)劃及節(jié)水水平提出應(yīng)對(duì)策略與建議。

  1、典型集成電路企業(yè)的用水結(jié)構(gòu)

  根據(jù)產(chǎn)品類型，集成電路行業(yè)可大致分為集成電路設(shè)計(jì)、集成電路材料、晶圓制造、封裝測(cè)試、半導(dǎo)體設(shè)備及寬禁帶半導(dǎo)體制造等六大類。其中，集成電路材料、晶圓制造及封裝測(cè)試等企業(yè)生產(chǎn)過程中的用水量較大，主要用于不同生產(chǎn)工序中產(chǎn)品的清洗。其他類別集成電路行業(yè)的用水量較小，本文后續(xù)不再重點(diǎn)討論。由圖1可以看出，

  集成電路材料、晶圓制造及封裝測(cè)試行業(yè)的新水主要用作生產(chǎn)工藝用水（純水系統(tǒng)原水）補(bǔ)水、輔助生產(chǎn)用水（冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水、洗滌塔用水、空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)水等）及生活用水。其中生產(chǎn)工藝用水在企業(yè)內(nèi)部用水量中的占比最大，平均可達(dá)76%以上。因此，提高工藝水的回用水平或加大再生水等非常規(guī)水資源的利用至關(guān)重要。

  2、典型集成電路企業(yè)的節(jié)水現(xiàn)狀與節(jié)水策略

  2.1上海市現(xiàn)行集成電路行業(yè)的節(jié)水評(píng)價(jià)指標(biāo)

  為提升節(jié)水水平，上海市先后發(fā)布了《上海市用水定額（試行）》（滬水務(wù)〔2019〕1408號(hào)）《2022年上海市用水定額（第一批）》（滬水務(wù)〔2022〕739號(hào)）等文件，其中涉及工業(yè)用水定額2個(gè)門類、31個(gè)大類、102個(gè)中類的218項(xiàng)產(chǎn)品。如圖2所示，

  上述定額涵蓋了集成電路行業(yè)部分相關(guān)產(chǎn)品的通用值和先進(jìn)值，為上海市集成電路行業(yè)規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)、水平衡測(cè)試和節(jié)水載體創(chuàng)建工作提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)。此外，2021年2月上海市水務(wù)局及上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)聯(lián)合修訂印發(fā)了《上海市節(jié)水型企業(yè)評(píng)價(jià)指標(biāo)及考核辦法》[6]，明確了節(jié)水評(píng)價(jià)與考核須從工藝水回用率(≥60%）、純水制備率（二級(jí)綜合純水制備率≥70%）、間接冷卻水循環(huán)率(≥98.8%）等定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，規(guī)章制度、計(jì)量統(tǒng)計(jì)、管理維護(hù)等定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及非常規(guī)水源利用、智慧節(jié)水等附加評(píng)價(jià)指標(biāo)三個(gè)維度進(jìn)行。

  2.2上海市集成電路行業(yè)的節(jié)水現(xiàn)狀

  依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，截至2022年，上海市已有58%的集成電路企業(yè)成功創(chuàng)建節(jié)水型企業(yè)，其中20%的企業(yè)獲評(píng)節(jié)水型示范企業(yè)。此外還有26%的集成電路企業(yè)開展了智慧節(jié)水信息化平臺(tái)建設(shè)，代表了集成電路行業(yè)節(jié)水和綠色發(fā)展的新方向。

  從定性評(píng)價(jià)指標(biāo)維度來說，參與調(diào)研的30余家集成電路企業(yè)均建立了較為完善的節(jié)水組織架構(gòu)與管理制度體系。鑒于水相關(guān)系統(tǒng)對(duì)集成電路生產(chǎn)制造的重要性，集成電路企業(yè)通常會(huì)在廠務(wù)/動(dòng)力部門下設(shè)水科，全面負(fù)責(zé)水系統(tǒng)的建設(shè)、用水計(jì)劃與日常管理。在用水管理環(huán)節(jié)中，水表的設(shè)置與準(zhǔn)確計(jì)量對(duì)企業(yè)用水管理有著重要的作用，現(xiàn)有企業(yè)均至少設(shè)置了入戶表、單體建筑及用水單元系統(tǒng)的三級(jí)水表，大部分企業(yè)還設(shè)置有洗滌塔、冷卻塔用排水的四級(jí)水表。此外，也有企業(yè)已實(shí)現(xiàn)水表智能化改造，通過實(shí)時(shí)自動(dòng)的數(shù)據(jù)校對(duì)即可判斷潛在的跑冒滴漏現(xiàn)象，為水系統(tǒng)的管理維護(hù)提供了保障。

  從定量評(píng)價(jià)指標(biāo)維度來說，所有企業(yè)的工業(yè)用水重復(fù)利用率及間接冷卻水循環(huán)率均能達(dá)到較高水平。由圖3可以看出，

  在工藝水回用率方面，晶圓制造相關(guān)企業(yè)的平均水平（80.9%）能滿足60%的指標(biāo)；而對(duì)于集成電路材料與封裝測(cè)試企業(yè)，僅有少數(shù)企業(yè)的工藝水回用率在60%以上，這導(dǎo)致兩類相關(guān)企業(yè)的平均工藝水回用率水平低于60%的指標(biāo)要求。在綜合純水制水率方面，三種類型的集成電路企業(yè)平均能達(dá)到60%的水平，但與二級(jí)純水制備率70%、一級(jí)純水制備率80%的要求還有一定差距，節(jié)水潛力有待進(jìn)一步挖掘。

  2.3上海市集成電路企業(yè)的主要節(jié)水策略

  圖4為集成電路企業(yè)典型的用水流程示意圖，

  按照用水時(shí)序，節(jié)水策略多從源頭純水制備優(yōu)化、純水系統(tǒng)濃水回收利用、清洗過程控制、工藝水回收利用等環(huán)節(jié)展開。

  2.3.1源頭純水制備優(yōu)化

  硅片及芯片等產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中對(duì)潔凈度要求苛刻.故所用的清洗水必須為電導(dǎo)率極低的純水。純水的制備工藝復(fù)雜，其核心是兩級(jí)反滲透（RO）處理工藝，輔以混凝-沉淀-過濾-殺菌脫碳等預(yù)處理技術(shù)及離子交換、拋光系統(tǒng)等后處理過程。如圖5（a）所示，

  集成電路材料、晶圓制造及封裝測(cè)試三種類型企業(yè)的平均反滲透制水率在60%左右。然而不同集成電路企業(yè)之間的綜合制水率差異較大，最高可達(dá)83.2%，而最低僅為40.6%，這一差異將導(dǎo)致企業(yè)自來水的使用量翻倍增加，是影響企業(yè)水耗和節(jié)水質(zhì)量的重要因素。因此結(jié)合制水效率高的企業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化預(yù)處理對(duì)水中鹽分等污染物的去除效果、緩解反滲透系統(tǒng)膜污堵、優(yōu)化膜通量是提高純水制水率的有效途徑。

  2.3.2濃水分級(jí)分質(zhì)利用

  現(xiàn)有的集成電路企業(yè)在純水端產(chǎn)生的濃水通常不會(huì)直接外排，而是根據(jù)濃水自身水質(zhì)特點(diǎn)及需求端水質(zhì)要求，將濃水部分回流至純水系統(tǒng)原水水箱，或?qū)⑵溥M(jìn)一步利用于輔助生產(chǎn)系統(tǒng)。圖5（b）總結(jié)了當(dāng)前上海市典型集成電路企業(yè)反滲透濃水回流至原水水箱的情況。可以發(fā)現(xiàn)，集成電路材料及封裝測(cè)試企業(yè)的濃水回用率較低，其平均值分別為13.4%及23.2%；晶圓制造企業(yè)的濃水回用率相對(duì)較高，平均回用率可達(dá)39.3%，但不同晶圓制造企業(yè)之間的回用水平差異較大（2.8%~86.5%）。需要指出的是，濃水回用率較高的企業(yè)，一年可減少20%~30%的自來水需求量。

  2.3.3清洗過程控制

  硅片、芯片等產(chǎn)品在生產(chǎn)過程的每道工序均需要清洗，且工藝制程越先進(jìn)，產(chǎn)品的清潔度要求越高。當(dāng)前的主流清洗方式有兩種，即溶液浸泡法和旋轉(zhuǎn)噴淋法。其中溶液浸泡法是直接將晶圓片浸泡于純水中，進(jìn)而使表面雜質(zhì)得到清除。單獨(dú)使用浸泡法對(duì)雜質(zhì)的清洗效果不佳，實(shí)際生產(chǎn)中通常施加攪拌、超聲、加熱等輔助控制措施來提高雜質(zhì)清除率并減少清洗水使用量。旋轉(zhuǎn)噴淋法是指通過機(jī)械方法使晶圓高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)將純水或其他清洗液不斷噴淋到晶圓表面，綜合利用流體力學(xué)和化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)去除。實(shí)際生產(chǎn)過程中，結(jié)合惰性氣體噴淋及提高轉(zhuǎn)速等方法可進(jìn)一步優(yōu)化控制清洗效果及純水使用量。

  2.3.4工藝水分級(jí)收集利用

  如圖4所示，集成電路企業(yè)的工藝用水主要為機(jī)臺(tái)生產(chǎn)端的多道清洗水。由于企業(yè)對(duì)產(chǎn)品潔凈程度的超高要求，后道清洗水排水的水質(zhì)通常較好，而前幾道清洗水排水的水質(zhì)通常較差且污染物的種類繁多。按照主要污染物的類型，機(jī)臺(tái)排水可產(chǎn)生含氟廢水、含氨廢水、重金屬?gòu)U水、酸堿廢水、有機(jī)廢水及研磨廢水等不同類型的廢水。當(dāng)前上海市集成電路相關(guān)企業(yè)均已設(shè)置了工藝水回收系統(tǒng)，但不同企業(yè)間工藝水回用率還存在較大差異，見圖5（c）。這種差異與企業(yè)間工藝水分級(jí)收集的精細(xì)程度密切相關(guān)。例如，某企業(yè)在建廠之初設(shè)置了包含兩級(jí)反滲透工藝的回收水處理系統(tǒng)，由于沒有匹配有效的清洗水分流收集系統(tǒng)，實(shí)際運(yùn)行中的處理水量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)水量。因此合理地分流收集不同水質(zhì)的清洗水對(duì)后續(xù)的廢水處理與回用至關(guān)重要。

  根據(jù)工藝水回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邏輯，當(dāng)前企業(yè)采用的分流收集方式主要有兩種，基于時(shí)間序列的批次分流法，依據(jù)電導(dǎo)率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)分流法。批次分流法，是指企業(yè)按照工序與時(shí)間將不同廢水收集進(jìn)入不同的系統(tǒng)。此類分流方式需要在廠房設(shè)計(jì)、機(jī)臺(tái)安裝的過程中預(yù)留不同類型的管道，且對(duì)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性要求較高，適用于經(jīng)驗(yàn)豐富、生產(chǎn)規(guī)律的企業(yè)采用。水質(zhì)分流法，通常是指在清洗機(jī)臺(tái)設(shè)置由電導(dǎo)率探頭控制的閥門，根據(jù)電導(dǎo)率的高低對(duì)廢水進(jìn)行分流。與時(shí)間序列批次分流法相比，其所需要的管道數(shù)量更少，且對(duì)水質(zhì)變化更加敏感，對(duì)需根據(jù)訂單靈活調(diào)整生產(chǎn)工藝的企業(yè)尤其適用。調(diào)研結(jié)果顯示，盡管水質(zhì)分流法的理念更為先進(jìn)，但時(shí)間序列批次分流法在當(dāng)前企業(yè)中的應(yīng)用更為廣泛，這主要是由于水質(zhì)分流法的清洗機(jī)臺(tái)設(shè)備供應(yīng)商較少，且僅用電導(dǎo)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)有時(shí)不能準(zhǔn)確反映水質(zhì)優(yōu)劣。需要指出的是，如果運(yùn)行得當(dāng)，兩種分流方式均能獲得良好的工藝水回收與處理效果，工藝水回用率可達(dá)80%以上。

  2.3.5其他節(jié)水措施

（1）空調(diào)冷凝水回用。集成電路企業(yè)空調(diào)因要維持超大規(guī)模無塵室的恒溫恒濕，其產(chǎn)生空調(diào)冷凝水的量不容忽視。且回收水水質(zhì)通常較好，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后即可回用。

（2）增設(shè)冷卻塔/洗滌塔回收水系統(tǒng)。部分企業(yè)冷卻塔或洗滌塔的用水量較大，甚至可達(dá)20%以上。對(duì)于這些企業(yè)，增設(shè)砂濾或活性炭過濾系統(tǒng)能顯著增加水的循環(huán)使用周期，提升節(jié)水水平。

（3）構(gòu)建雨水調(diào)蓄系統(tǒng)。集成電路企業(yè)的廠區(qū)通常較大，硬化屋面、地面及部分綠化設(shè)施適于建設(shè)雨水收集系統(tǒng)。收集的雨水經(jīng)初步凈化后可做綠化等補(bǔ)充水使用。

  3、對(duì)策與建議

  3.1優(yōu)化節(jié)水評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

（1）封裝測(cè)試行業(yè)的節(jié)水相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)有待進(jìn)一步細(xì)分。例如，在多芯片這一封測(cè)產(chǎn)品分類中，由于芯片封裝堆疊層數(shù)的差異，單位產(chǎn)品清洗次數(shù)可相差3~30輪次，這導(dǎo)致相應(yīng)的用水量需求差異巨大。因此，為充分反映企業(yè)在生產(chǎn)過程中的節(jié)水水平，可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)（如引腳數(shù)對(duì)）增設(shè)更加細(xì)分的用水定額指標(biāo)。

（2）新型半導(dǎo)體產(chǎn)品節(jié)水評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立。除傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體外，部分企業(yè)的產(chǎn)品為化合物半導(dǎo)體。此種類型產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、用水排水特點(diǎn)與硅基半導(dǎo)體行業(yè)顯著不同，相應(yīng)的用水定額等指標(biāo)有待完善。

  3.2綜合統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)同下的節(jié)水減污

（1）區(qū)域協(xié)同應(yīng)對(duì)現(xiàn)有集成電路企業(yè)節(jié)水設(shè)施改造難題。對(duì)于已建成的集成電路廠房，其內(nèi)部空間多已被復(fù)雜的設(shè)備及管路系統(tǒng)占滿，難以滿足水回收及循環(huán)利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化改造。此外，集成電路企業(yè)的生產(chǎn)任務(wù)較重，在不中斷生產(chǎn)的情況下進(jìn)行大規(guī)模施工改造的難度也較大。為應(yīng)對(duì)上述問題，根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)，加強(qiáng)區(qū)域或園區(qū)內(nèi)不同企業(yè)的串聯(lián)用水、分質(zhì)用水、一水多用是一個(gè)可行的解決方案。而對(duì)于新建集成電路企業(yè)或園區(qū)，要在規(guī)劃建設(shè)之初即要以區(qū)域協(xié)同的理念統(tǒng)籌考慮用水、排水、廢水處理及循環(huán)利用等設(shè)施的建設(shè)。

（2）強(qiáng)化數(shù)字賦能，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)適水發(fā)展。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析等新一代信息技術(shù)，建設(shè)智慧用水管理系統(tǒng)，以更加有效地應(yīng)對(duì)用水定額約束下的水系統(tǒng)精細(xì)化管理，驅(qū)動(dòng)企業(yè)用水效率和綠色發(fā)展水平持續(xù)提升。