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83. Microelettronica e semiconduttori

Editor del capitolo: Michael E.Williams


Sommario

Tabelle e figure

Profilo generale
Michael E.Williams

Produzione di semiconduttori di silicio
David G. Baldwin, James R. Rubin e Afsaneh Gerami

Display a cristalli liquidi
David G. Baldwin, James R. Rubin e Afsaneh Gerami

Produzione di semiconduttori III-V
David G. Baldwin, Afsaneh Gerami e James R. Rubin

Circuito stampato e assemblaggio di computer
Michael E.Williams

Effetti sulla salute e modelli di malattia
Donald V.Lassiter

Problemi ambientali e di salute pubblica
Corky masticare

tavoli

Fare clic su un collegamento sottostante per visualizzare la tabella nel contesto dell'articolo.

1. Sistemi di fotoresist
2. Estrattori di fotoresist
3. Aggressivi chimici umidi
4. Gas di incisione al plasma e materiali incisi
5. Droganti per la formazione di giunzioni per la diffusione
6. Principali categorie dell'epitassia del silicio
7. Principali categorie di CVD
8. Pulizia di schermi piatti
9. Processo PWB: ambiente, salute e sicurezza
10 Generazione e controlli dei rifiuti PWB
11 Generazione e controlli dei rifiuti di PCB
12 Generazione e controlli dei rifiuti
13 Matrice dei bisogni prioritari

Cifre

Punta su una miniatura per vedere la didascalia della figura, fai clic per vedere la figura nel contesto dell'articolo.

MIC060F7MICO10F2MIC010F3MIC020F3MIC030F1MIC050F4MICO50F5MIC050F6MIC060F6MIC060F7MIC060F2MIC060F3MIC060F4MIC060F5


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Sabato, Marzo 19 2011 20: 40

Profilo generale

La diversità dei processi e dei prodotti nell'industria della microelettronica e dei semiconduttori è immensa. Il fulcro della discussione sulla salute e sicurezza sul lavoro in questo capitolo è incentrato sulla produzione di circuiti integrati a semiconduttore (IC) (sia in prodotti a base di silicio che in composti di valenza III-V), produzione di circuiti stampati (PWB), circuiti stampati (PCB) assemblaggio e assemblaggio di computer.

L'industria è composta da numerosi segmenti principali. L'Associazione dell'industria elettronica utilizza la seguente delineazione nel riportare i dati sulle tendenze, le vendite e l'occupazione pertinenti nel settore:

  • componenti elettronici
  • elettronica di consumo
  • telecomunicazioni
  • comunicazioni difensive
  • computer e periferiche
  • elettronica industriale
  • elettronica medica.

 

I componenti elettronici includono tubi elettronici (ad es. tubi riceventi, speciali e televisivi), prodotti a stato solido (ad es. transistor, diodi, circuiti integrati, diodi emettitori di luce (LED) e display a cristalli liquidi (LCD)) e dispositivi passivi e altri componenti (ad es. condensatori, resistenze, bobine, trasformatori e interruttori).

L'elettronica di consumo comprende televisori e altri prodotti audio e video domestici e portatili, nonché apparecchiature informatiche come personal computer, apparecchi di trasmissione fax e dispositivi di risposta telefonica. Anche hardware e software per giochi elettronici, sistemi di sicurezza domestica, cassette audio e video vergini e floppy disk, accessori elettronici e batterie primarie totali rientrano nell'intestazione dell'elettronica di consumo.

Oltre ai computer generici e specializzati, i computer e le apparecchiature periferiche comprendono apparecchiature di archiviazione ausiliarie, apparecchiature di input/output (ad es. tastiere, mouse, dispositivi di scansione ottica e stampanti), terminali e così via. Sebbene le telecomunicazioni, le comunicazioni per la difesa e l'elettronica industriale e medica utilizzino parte della stessa tecnologia, questi segmenti coinvolgono anche apparecchiature specializzate.

L'emergere dell'industria microelettronica ha avuto un profondo impatto sull'evoluzione e sulla struttura dell'economia mondiale. Il ritmo del cambiamento all'interno delle nazioni industrializzate del mondo è stato fortemente influenzato dai progressi all'interno di questo settore, in particolare nell'evoluzione del circuito integrato. Questo ritmo di cambiamento è rappresentato graficamente nella sequenza temporale del numero di transistor per chip di circuito integrato (vedi figura 1).

Figura 1. Transistor per chip di circuito integrato

MICO10F1

L'importanza economica delle vendite mondiali di semiconduttori è significativa. La Figura 2 è una proiezione della Semiconductor Industry Association per le vendite mondiali e regionali di semiconduttori dal 1993 al 1998.

Figura 2. Previsioni di vendita di semiconduttori a livello mondiale

MICO10F2

Le industrie di circuiti integrati a semiconduttore e di assemblaggio di computer/elettronica sono uniche rispetto alla maggior parte delle altre categorie industriali nella composizione relativa della loro forza lavoro di produzione. L'area di fabbricazione dei semiconduttori ha un'alta percentuale di operatrici che gestiscono le apparecchiature di processo. Le attività relative all'operatore in genere non richiedono sollevamento di carichi pesanti o forza fisica eccessiva. Inoltre, molte delle attività lavorative implicano abilità motorie e attenzione ai dettagli. I lavoratori di sesso maschile predominano nelle mansioni legate alla manutenzione, nelle funzioni ingegneristiche e nella gestione. Una composizione simile si trova nella porzione di assemblaggio di computer/elettronica di questo segmento industriale. Un'altra caratteristica insolita di questo settore è la concentrazione della produzione nell'area Asia/Pacifico del mondo. Ciò è particolarmente vero nel assemblea finale or back-end processi nell'industria dei semiconduttori. Questa elaborazione comporta il posizionamento e il posizionamento del chip del circuito integrato fabbricato (tecnicamente noto come die) su un supporto del chip e su un lead frame. Questa elaborazione richiede un posizionamento preciso del chip, tipicamente attraverso un microscopio, e capacità motorie molto fini. Ancora una volta, le lavoratrici predominano in questa parte del processo, con la maggior parte della produzione mondiale concentrata nell'area del Pacifico, con alte concentrazioni a Taiwan, Malesia, Tailandia, Indonesia e Filippine, e numeri in crescita in Cina e Vietnam.

Le aree di fabbricazione dei circuiti integrati a semiconduttore hanno varie proprietà e caratteristiche insolite uniche per questo settore. Vale a dire, l'elaborazione del circuito integrato comporta regimi e requisiti di controllo del particolato estremamente rigorosi. Una tipica area moderna di fabbricazione di circuiti integrati può essere classificata come camera bianca di Classe 1 o inferiore. Come metodo di confronto, un ambiente esterno sarebbe maggiore della Classe 500,000; una tipica stanza in una casa di circa Classe 100,000; e un'area di assemblaggio back-end di semiconduttori di circa Classe 10,000. Raggiungere questo livello di controllo del particolato implica effettivamente mettere l'operatore di fabbricazione in un luogo completamente chiuso costumi da coniglio che dispongono di sistemi di alimentazione e filtrazione dell'aria per controllare i livelli di particolato generati dagli operai nell'area di fabbricazione. Gli occupanti umani delle aree di fabbricazione sono considerati generatori molto potenti di particolato fine dalla loro aria espirata, perdita di pelle e capelli, e dai loro vestiti e scarpe. Questa esigenza di indossare indumenti confinanti e di isolare le routine lavorative ha contribuito a far sentire i dipendenti come se stessero lavorando in un ambiente di lavoro "non ospitale". Vedere la figura 3. Inoltre, nell'area fotolitografica, l'elaborazione comporta l'esposizione del wafer a una soluzione fotoattiva e quindi la modellazione di un'immagine sulla superficie del wafer utilizzando la luce ultravioletta. Per alleviare la luce ultravioletta (UV) indesiderata proveniente da quest'area di lavorazione, vengono utilizzate luci gialle speciali (mancano della componente della lunghezza d'onda UV normalmente presente nell'illuminazione per interni). Queste luci gialle aiutano a far sentire i lavoratori in un ambiente di lavoro diverso e possono avere un effetto disorientante su alcuni individui.

Figura 3. Una camera bianca all'avanguardia

MIC010F3

 

Di ritorno

Sabato, Marzo 19 2011 20: 44

Produzione di semiconduttori di silicio

Panoramica del processo

La descrizione dell'elaborazione di dispositivi semiconduttori in silicio, dispositivi discreti (un semiconduttore contenente un solo dispositivo attivo, come un transistor) o circuiti integrati (matrici interconnesse di elementi attivi e passivi all'interno di un singolo substrato semiconduttore in grado di eseguire almeno una funzione del circuito elettronico) , comporta numerose operazioni altamente tecniche e specifiche. Lo scopo di questa descrizione è quello di fornire una struttura di base e una spiegazione delle fasi dei componenti primari utilizzati nella fabbricazione di un dispositivo a semiconduttore di silicio e dei problemi associati di ambiente, salute e sicurezza (EHS).

La fabbricazione di un circuito integrato comporta una sequenza di processi che possono essere ripetuti molte volte prima che un circuito sia completo. I circuiti integrati più diffusi utilizzano 6 o più maschere per completare i processi di modellazione, con un numero tipico di maschere compreso tra 10 e 24. La produzione di un microcircuito inizia con un wafer di silicio ad altissima purezza da 4 a 12 pollici di diametro. Il silicio perfettamente puro è quasi un isolante, ma alcune impurità, chiamate droganti, aggiunto in quantità da 10 a 100 parti per milione, fa sì che il silicio conduca elettricità.

Un circuito integrato può essere costituito da milioni di transistor (anche diodi, resistori e condensatori) realizzati in silicio drogato, tutti collegati dall'appropriato schema di conduttori per creare la logica del computer, la memoria o altro tipo di circuito. Su un wafer possono essere realizzati centinaia di microcircuiti.

Sei principali fasi di processo di fabbricazione sono universali per tutti i dispositivi semiconduttori di silicio: ossidazione, litografia, incisione, drogaggio, deposizione chimica da vapore e metallizzazione. Seguono l'assemblaggio, il collaudo, la marcatura, l'imballaggio e la spedizione.

Ossidazione

Generalmente, la prima fase nella lavorazione del dispositivo a semiconduttore comporta l'ossidazione della superficie esterna del wafer per far crescere uno strato sottile (circa un micron) di biossido di silicio (SiO2). Questo protegge principalmente la superficie dalle impurità e funge da maschera per il successivo processo di diffusione. Questa capacità di far crescere un wafer protettivo chimicamente stabile di biossido di silicio su silicio rende i wafer di silicio il substrato semiconduttore più utilizzato.

L'ossidazione, comunemente chiamata ossidazione termica, è un processo discontinuo che avviene in un forno a diffusione ad alta temperatura. Lo strato protettivo di biossido di silicio viene coltivato in atmosfere contenenti ossigeno (O2) (ossidazione a secco) o ossigeno combinato con vapore acqueo (H2O) (ossidazione a umido). Le temperature nel forno vanno da 800 a 1,300oC. Possono essere aggiunti anche composti di cloro sotto forma di acido cloridrico (HCl) per aiutare a controllare le impurità indesiderate.

La tendenza negli impianti di fabbricazione più recenti è verso i forni di ossidazione verticali. I forni verticali soddisfano meglio la necessità di un maggiore controllo della contaminazione, dimensioni maggiori dei wafer e una lavorazione più uniforme. Consentono un ingombro ridotto dell'apparecchiatura che consente di risparmiare spazio prezioso nella camera bianca.

Ossidazione secca

I wafer di silicio da ossidare vengono prima puliti, utilizzando una soluzione detergente e acquosa, e solvente risciacquato con xilene, alcool isopropilico o altri solventi. I wafer puliti vengono essiccati, caricati in un porta wafer di quarzo chiamato a barca e caricato nell'estremità dell'operatore (fine carico) del tubo o cella del forno a diffusione di quarzo. L'estremità di ingresso del tubo (fine sorgente) fornisce ossigeno ad alta purezza o una miscela ossigeno/azoto. Il flusso di ossigeno "secco" è controllato nel tubo di quarzo e assicura che sia disponibile un eccesso di ossigeno per la crescita del biossido di silicio sulla superficie del wafer di silicio. La reazione chimica di base è:

Si+O2 → SiO2

Ossidazione a umido

Quattro metodi di introduzione del vapore acqueo sono comunemente usati quando l'acqua è l'agente ossidante: piroforico, ad alta pressione, gorgogliatore e flash. Le reazioni chimiche fondamentali sono:

Piroforico e alta pressione: Si + 2O2 + 2 H2 → SiO2 + 2H2O

Flash e gorgogliatore: Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

Ossidazione piroforica comporta l'introduzione e la combustione di una miscela gassosa idrogeno/ossigeno. Tali sistemi sono generalmente chiamati idrogeno bruciato or torcia sistemi. Il vapore acqueo viene prodotto quando quantità adeguate di idrogeno e ossigeno vengono introdotte all'estremità di ingresso del tubo e lasciate reagire. La miscela deve essere controllata con precisione per garantire una corretta combustione ed evitare l'accumulo di gas idrogeno esplosivo.

Ossidazione ad alta pressione (HiPox) è tecnicamente chiamato sistema di pirosintesi dell'acqua e genera vapore acqueo attraverso la reazione di idrogeno e ossigeno ultra puri. Il vapore viene quindi pompato in una camera ad alta pressione e pressurizzato a 10 atmosfere, che accelera il processo di ossidazione a umido. L'acqua deionizzata può anche essere utilizzata come fonte di vapore.

In ossidazione del gorgogliatore l'acqua deionizzata viene posta in un contenitore chiamato a gorgogliatore e mantenuto ad una temperatura costante al di sotto del suo punto di ebollizione di 100°C attraverso l'uso di un mantello riscaldante. L'azoto o l'ossigeno gassoso entra nel lato di ingresso del gorgogliatore, si satura di vapore acqueo mentre sale attraverso l'acqua ed esce attraverso l'uscita nel forno di diffusione. I sistemi di gorgogliamento sembrano essere il metodo di ossidazione più utilizzato.

In ossidazione flash l'acqua deionizzata viene gocciolata continuamente nella superficie inferiore riscaldata di un contenitore di quarzo e l'acqua evapora rapidamente una volta che colpisce la superficie calda. Il gas vettore di azoto o ossigeno scorre sull'acqua in evaporazione e trasporta il vapore acqueo nel forno di diffusione.

Litografia

La litografia, nota anche come fotolitografia o semplicemente mascheratura, è un metodo per formare accuratamente modelli sul wafer ossidato. Il circuito microelettronico è costruito strato dopo strato, ogni strato riceve un modello da una maschera prescritta nella progettazione del circuito.

I mestieri della stampa hanno sviluppato i veri antecedenti degli odierni processi di microfabbricazione di dispositivi a semiconduttore. Questi sviluppi riguardano la fabbricazione di lastre da stampa, solitamente in metallo, sulle quali l'asportazione di materiale mediante incisione chimica produce un motivo in rilievo superficiale. Questa stessa tecnica di base viene utilizzata nella produzione maschere maestre utilizzato nella fabbricazione di ogni strato di elaborazione di un dispositivo.

I progettisti di circuiti digitalizzano i circuiti di base di ogni livello. Questo schema computerizzato consente una rapida generazione del circuito della maschera e facilita eventuali modifiche necessarie. Questa tecnica è nota come progettazione assistita da computer (CAD). Utilizzando potenti algoritmi informatici, questi sistemi di progettazione in linea consentono al progettista di disporre e modificare i circuiti direttamente su schermi video con funzionalità grafiche interattive.

Il disegno finale, o maschera, per ogni strato di circuiti viene creato da un fotoplotter computerizzato, o generatore di pattern. Questi disegni fotoplottati vengono poi ridotti alle dimensioni reali del circuito, una maschera master prodotta su vetro con rilievo cromato, e riprodotta su una lastra di lavoro che serve per la stampa a contatto oa proiezione sulla fetta.

Queste maschere delineano lo schema delle aree conduttive e isolanti che vengono trasferite al wafer attraverso la fotolitografia. La maggior parte delle aziende non produce le proprie mascherine, ma utilizza quelle fornite da un produttore di mascherine.

Pulizia

La necessità di una superficie esterna del wafer priva di particelle e contaminazioni richiede una pulizia frequente. Le principali categorie sono:

  • lavaggio con acqua deionizzata e detergente
  • solvente: alcool isopropilico (IPA), acetone, etanolo, terpeni
  • acido: fluoridrico (HF), solforico (H2SO4) e perossido di idrogeno (H2O2), cloridrico (HCl), nitrico (HNO3) e miscele
  • caustico: idrossido di ammonio (NH4OH).

 

Resistere all'applicazione

I wafer sono rivestiti con un materiale resistivo di polimero a base di solvente e ruotati rapidamente su a filatore, che stende un sottile strato uniforme. I solventi poi evaporano, lasciando una pellicola polimerica. Tutti i materiali resistivi dipendono dai cambiamenti indotti dalle radiazioni (principalmente ultravioletti) nella solubilità di un polimero organico sintetico in un risciacquo di sviluppatore selezionato. I materiali resist sono classificati come resist negativi o positivi, a seconda che la solubilità nello sviluppatore diminuisca (negativa) o aumenti (positiva) in seguito all'esposizione alle radiazioni. La tabella 1 identifica la composizione dei componenti di vari sistemi di fotoresist.

Tabella 1. Sistemi di fotoresist

ultravioletto

Vicino (350–450 nm)

Negativo

PB
S
D

Gomma alifatica a base di azide (isoprene)
acetato di n-butile, xilene, n-metil-2-pirrolidone, etilbenzene
Xilene, idrocarburi alifatici, acetato di n-butile,
Solvente Stoddard (distillati di petrolio)

 

Positivo

PB
S


D

Orto-diazoketone
Glicole propilenico monometil etere acetato, lattato di etile, metile
metossi propionato, etil etossi propionato, n-butil acetato, xilene,
clorotoluene
Idrossido di sodio, silicati, idrossido di potassio

Profondo (200–250 nm)

In primis
resiste positivo

   

Fascio di elettroni (circa 100 nm)

 

Negativo

PB
S
D

Copolimero-etil acrilato e glicidil metacrilato (COP)
n / a
n / a

 

Positivo

PB

S
D

Polimetilmetacrilato, polifluoralchilmetacrilato, polialchilaldeide, policianoetilacrilato
Glicole propilenico monometil etere acetato
Alcalino o IPA, acetato di etile o metilisobutilchetone (MIBK)

Raggi X (0.5–5 nm)

 

Negativo

PB
S
D

Copolimero-etil acrilato e glicidil metacrilato (COP)
n / a
n / a

 

Positivo

PB

S
D

Polimetilmetacrilato, orto-diazoketone, poli
(esa-fluorobutilmetacrilato), poli (butene-1-solfone)
Glicole propilenico monometil etere acetato
n / a

PB = base polimerica; S = solvente; D = sviluppatore.

Poiché la maggior parte dei fotoresist è sensibile alla luce ultravioletta (UV), l'area di lavorazione è illuminata con speciali luci gialle prive di lunghezze d'onda UV sensibili (vedere la figura 1).

Figura 1. Attrezzatura fotolitografica “Camera Gialla”.

MIC020F3

I resist UV negativi e positivi sono utilizzati principalmente nell'industria. I resist E-beam e X-ray, tuttavia, stanno guadagnando quote di mercato grazie alle loro risoluzioni più elevate. I problemi per la salute nella litografia sono principalmente causati da potenziali rischi riproduttivi associati a resist positivi selezionati (ad esempio, glicole etilenico monoetil etere acetato come vettore) che sono attualmente in fase di eliminazione da parte dell'industria. Anche gli odori occasionali delle resistenze negative (ad es. xilene) provocano preoccupazioni nei dipendenti. A causa di queste preoccupazioni, gli igienisti industriali dell'industria dei semiconduttori dedicano molto tempo al campionamento delle operazioni di fotoresist. Sebbene ciò sia utile per caratterizzare queste operazioni, le esposizioni di routine durante le operazioni di filatura e sviluppo sono in genere inferiori al 5% degli standard nell'aria per l'esposizione professionale per i solventi utilizzati nel processo (Scarpace et al. 1989).

Un'esposizione di 1 ora a etilene glicole monoetil etere acetato di 6.3 ppm è stata riscontrata durante il funzionamento di un sistema di filatura. Questa esposizione è stata principalmente causata da cattive pratiche lavorative durante le operazioni di manutenzione (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Essiccazione e precottura

Dopo l'applicazione del resist, i wafer vengono spostati su un binario o spostati manualmente dallo spinner a un forno a temperatura controllata con atmosfera di azoto. Una temperatura moderata (da 70 a 90°C) provoca l'indurimento del fotoresist (cottura delicata) e l'evaporazione dei restanti solventi.

Per garantire l'adesione dello strato di resist al wafer, viene applicato al wafer un primer, esametildisilizano (HMDS). Il primer lega l'acqua molecolare sulla superficie del wafer. L'HMDS viene applicato direttamente in un processo ad immersione o spin-on o attraverso un primer a vapore che offre vantaggi di processo e di costo rispetto agli altri metodi.

Allineamento ed esposizione della maschera

La maschera e il wafer vengono avvicinati utilizzando un preciso equipaggiamento ottico/meccanico e l'immagine sulla maschera viene allineata a qualsiasi motivo già esistente nel wafer sotto lo strato di fotoresist. Per la prima maschera non è necessario alcun allineamento. Nelle tecnologie più vecchie, l'allineamento per strati successivi è reso possibile dall'uso di un biscopio (microscopio a doppia lente) e controlli di precisione per il posizionamento del wafer rispetto alla maschera. Nelle tecnologie più recenti l'allineamento viene eseguito automaticamente utilizzando punti di riferimento sui wafer.

Una volta eseguito l'allineamento, una sorgente di vapori di mercurio ultravioletti ad alta intensità o di una lampada ad arco risplende attraverso la maschera, esponendo il resist in punti non protetti dalle regioni opache della maschera.

I vari metodi di allineamento ed esposizione dei wafer includono l'esposizione ai raggi UV (contatto o prossimità), l'esposizione ai raggi UV attraverso la lente di proiezione per la riduzione (proiezione), la fase UV e l'esposizione ripetuta alla riduzione (proiezione), il flusso di raggi X (prossimità) e la scansione del fascio di elettroni esposizione (scrittura diretta). Il metodo principale in uso prevede l'esposizione ai raggi UV da vapori di mercurio e lampade ad arco attraverso allineatori di prossimità o di proiezione. I resist UV sono progettati per reagire a un ampio spettro di lunghezze d'onda UV, oppure sono formulati per reagire preferenzialmente a una o più delle linee dello spettro principale emesse dalla lampada (ad esempio, linea g a 435 nm, linea h a 405 nm e linea i a 365 nm).

Le lunghezze d'onda predominanti della luce UV attualmente utilizzate nel fotomascheramento sono 365 nm o superiori, ma gli spettri delle lampade UV contengono anche un'energia significativa nella regione della lunghezza d'onda che preoccupa la salute, la regione attinica al di sotto di 315 nm. Normalmente, l'intensità della radiazione UV che fuoriesce dall'apparecchiatura è inferiore sia a quella presente dalla luce solare nella regione attinica sia agli standard fissati per l'esposizione professionale ai raggi UV.

Occasionalmente durante la manutenzione, l'allineamento della lampada UV richiede che venga alimentata all'esterno dell'armadio dell'apparecchiatura o senza i normali filtri di protezione. I livelli di esposizione durante questa operazione possono superare i limiti di esposizione professionale, ma l'abbigliamento standard per camere bianche (ad es. camici, guanti in vinile, maschere facciali e occhiali di sicurezza in policarbonato con inibitore UV) è solitamente adeguato per attenuare la luce UV al di sotto dei limiti di esposizione (Baldwin e Stewart 1989 ).

Mentre le lunghezze d'onda predominanti per le lampade ultraviolette utilizzate nella fotolitografia sono 365 nm o superiori, la ricerca di caratteristiche più piccole nei circuiti integrati avanzati sta portando all'uso di sorgenti di esposizione con lunghezze d'onda più piccole, come i raggi X e UV profondi. Una nuova tecnologia per questo scopo è l'uso di laser ad eccimeri al fluoruro di krypton utilizzati negli stepper. Questi stepper utilizzano una lunghezza d'onda di 248 nm con elevate uscite di potenza laser. Tuttavia, gli involucri per questi sistemi contengono la trave durante il normale funzionamento.

Come con altre apparecchiature contenenti sistemi laser ad alta potenza utilizzati nella produzione di semiconduttori, la preoccupazione principale è quando gli interblocchi del sistema devono essere disattivati ​​durante l'allineamento del raggio. I laser ad alta potenza sono anche uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo che l'alimentazione è stata spenta, all'interno dello strumento esiste un notevole potenziale di shock. Controlli e considerazioni sulla progettazione della sicurezza per questi sistemi sono coperti da Escher, Weathers e Labonville (1993).

Una fonte di esposizione a tecnologia avanzata utilizzata nella litografia sono i raggi X. I livelli di emissione delle sorgenti di litografia a raggi X possono comportare tassi di dose che si avvicinano a 50 millisievert (5 rem) all'anno al centro dell'apparecchiatura. Si consiglia di limitare l'accesso alle aree all'interno del muro schermato per ridurre al minimo l'esposizione (Rooney e Leavey 1989).

Sviluppare

Durante la fase di sviluppo le aree non polimerizzate del resist vengono sciolte e rimosse. Lo sviluppatore a base di solvente viene applicato alla superficie del wafer ricoperta di resist mediante immersione, spruzzatura o atomizzazione. Le soluzioni di sviluppo sono identificate nella tabella 1. Un risciacquo con solvente (n-butile acetato, alcool isopropilico, acetone, ecc.) viene solitamente applicato dopo lo sviluppatore per rimuovere ogni residuo di materiale. Il resist che rimane dopo lo sviluppo protegge i singoli strati durante la successiva lavorazione.

Cottura

Dopo l'allineamento, l'esposizione e lo sviluppo del resist, i wafer passano quindi in un altro forno a temperatura controllata con atmosfera di azoto. Il forno a temperatura più elevata (da 120 a 135°C) fa sì che il fotoresist si indurisca e polimerizzi completamente sulla superficie del wafer (cottura dura).

Rimozione del fotoresist

Il wafer sviluppato viene quindi inciso selettivamente utilizzando sostanze chimiche umide o secche (vedere "Incisione" di seguito). Il fotoresist rimanente deve essere rimosso dal wafer prima dell'ulteriore elaborazione. Questo viene fatto utilizzando soluzioni chimiche umide in bagni a temperatura controllata o attraverso l'uso di un asher al plasma o di una sostanza chimica secca. La tabella 2 identifica i costituenti chimici umidi e secchi. Segue una discussione sull'incisione chimica al plasma a secco, utilizzando la stessa attrezzatura e gli stessi principi di funzionamento dell'incenerimento al plasma.


Tabella 2. Estrattori di fotoresist

Prodotto chimico umido

 Acido

solforico (h2SO4) e cromico (CrO3)

solforico (h2SO4) e persolfato di ammonio ((NH4)2S2O8)

solforico (h2SO4) e perossido di idrogeno (H2O2)

Organici

Fenoli, acidi solforici, triclorobenzene, percloroetilene

Eteri glicolici, etanolamina, trietanolamina

Idrossido di sodio e silicati (resist positivo)

Prodotto chimico secco

Incenerimento al plasma (stripping)

Sorgente di alimentazione RF (radiofrequenza): frequenza 13.56 MHz o 2,450 MHz

Ossigeno (O2) fonte di gas

Sistemi di pompaggio del vuoto

—Olio lubrificato con trappola per azoto liquido (vecchia tecnologia)
—Lubrificato con fluidi perfluoropolieteri inerti (tecnologia più recente)
—Pompa a secco (tecnologia più recente)


acquaforte

L'incisione rimuove gli strati di biossido di silicio (SiO2), metalli e polisilicio, nonché resist, secondo gli schemi desiderati delineati dal resist. Le due principali categorie di incisione sono la chimica umida e secca. L'incisione a umido è utilizzata prevalentemente e coinvolge soluzioni contenenti i mordenzanti (di solito una miscela acida) alle forze desiderate, che reagiscono con i materiali da rimuovere. L'incisione a secco prevede l'uso di gas reattivi sotto vuoto in una camera altamente energizzata, che rimuove anche gli strati desiderati non protetti da resist.

Prodotto chimico umido

Le soluzioni di incisione chimica a umido sono alloggiate in bagni di incisione a temperatura controllata in polipropilene (poly-pro), polipropilene ignifugo (FRPP) o cloruro di polivinile (PVC). I bagni sono generalmente dotati di ventilazione di scarico plenum ad anello o di scarico scanalato nella parte posteriore della stazione di attacco chimico umido. Le cappe a flusso laminare verticale forniscono aria uniformemente filtrata e priva di particolato alla superficie superiore dei bagni di attacco. Le comuni soluzioni chimiche di mordenzante a umido sono presentate nella tabella 3, in relazione allo strato superficiale da mordenzare.

Tabella 3. Mordenzanti chimici umidi

Materiale da incidere

Incidenti

Silicio

Silicio policristallino (Si)

Acido fluoridrico, nitrico, acetico e iodio
Idrossido di potassio
Etilendiammina/catecolo
Fluoruro di ammonio, acido acetico glaciale e acido nitrico

Biossido di silicio (SiO2)

Attacco con ossido tamponato (BOE) - Fluoridrico e
fluoruro di ammonio
BOE, glicole etilenico, etere monometilico
Fluoridrico e nitrico (P-etch)

Nitruro di silicio (Si3N4)

Acidi fosforici e fluoridrici

CVD Ossido o Pad Etch

Ammonio fluoruro, acido acetico e fluoridrico

metalli

Alluminio (Al)

Acido fosforico, nitrico, acetico e cloridrico
Idrossido di sodio, idrossido di potassio

Cromo-Nichel (Cr/Ni)

Nitrato di ammonio cerico e acido nitrico
Acidi cloridrico e nitrico (acqua regia)

Oro (Au)

Acidi cloridrico e nitrico (acqua regia)
Ioduro di potassio (KI)
Il cianuro di potassio (KCN) e il perossido di idrogeno (H2O2)
Cloruro ferrico (FeCl3) e acido cloridrico

Argento (Ag)

Nitrato ferrico (FeNO3) e glicole etilenico
L'acido nitrico

Compound

Formula

Concentrazione standard (%)

Acido acetico

CH3COOH

36

Fluoruro di ammonio

NH4F

40

Acido acetico glaciale

CH3COOH

99.5

Acido cloridrico

HCl

36

Acido fluoridrico

HF

49

L'acido nitrico

HNO3  

67

Acido fosforico

H3PO4  

85

Idrossido di potassio

KOH

50 o 10

Idrossido di sodio

NaOH

50 o 10

acido solforico

H2SO4  

96

 

Le cappe di alimentazione del flusso montate verticalmente, se utilizzate in combinazione con paraspruzzi e ventilazione di scarico, possono creare aree di turbolenza dell'aria all'interno della stazione di attacco chimico umido. Di conseguenza, è possibile una diminuzione dell'efficacia della ventilazione di scarico locale nel catturare e indirizzare i contaminanti dell'aria fuggitivi dai bagni di attacco in uso.

La preoccupazione principale con l'incisione a umido è la possibilità di contatto della pelle con gli acidi concentrati. Mentre tutti gli acidi utilizzati nell'incisione possono causare ustioni da acido, l'esposizione all'acido fluoridrico (HF) è particolarmente preoccupante. L'intervallo di tempo tra il contatto con la pelle e il dolore (fino a 24 ore per soluzioni con meno del 20% di HF e da 1 a 8 ore per soluzioni dal 20 al 50%) può comportare un trattamento ritardato e ustioni più gravi del previsto (Hathaway et al. 1991). .

Storicamente le ustioni da acido sono state un problema particolare all'interno del settore. Tuttavia, l'incidenza del contatto della pelle con gli acidi è stata ridotta negli ultimi anni. Parte di questa riduzione è stata causata da miglioramenti relativi al prodotto nel processo di incisione, come il passaggio all'incisione a secco, l'uso di più robotica e l'installazione di sistemi di erogazione di sostanze chimiche. La riduzione del tasso di ustioni da acido può anche essere attribuita a migliori tecniche di manipolazione, maggiore uso di dispositivi di protezione individuale, ponti bagnati meglio progettati e migliore addestramento, tutti elementi che richiedono un'attenzione continua se il tasso deve diminuire ulteriormente (Baldwin e Williams 1996 ).

Prodotto chimico secco

L'incisione chimica a secco è un'area di crescente interesse e utilizzo grazie alla sua capacità di controllare meglio il processo di incisione e ridurre i livelli di contaminazione. Il trattamento chimico a secco incide efficacemente gli strati desiderati attraverso l'uso di gas chimicamente reattivi o attraverso il bombardamento fisico.

Sono stati sviluppati sistemi di incisione al plasma chimicamente reattivi in ​​grado di incidere efficacemente silicio, biossido di silicio, nitruro di silicio, alluminio, tantalio, composti di tantalio, cromo, tungsteno, oro e vetro. Sono in uso due tipi di reattori di incisione al plasma: il cilindro, o cilindrico, e il piatto parallelo, o planare. Entrambi operano secondo gli stessi principi e variano principalmente solo nella configurazione.

Un plasma è simile a un gas tranne per il fatto che alcuni degli atomi o delle molecole del plasma sono ionizzati e possono contenere un numero considerevole di radicali liberi. Il reattore tipico è costituito da una camera del reattore sottovuoto contenente il wafer, solitamente in alluminio, vetro o quarzo; una sorgente di energia a radiofrequenza (RF), solitamente a 450 kHz, 13.56 MHz o 40.5 MHz e un modulo di controllo per controllare il tempo di elaborazione, la composizione del gas reagente, la portata del gas e il livello di potenza RF. Inoltre, una sorgente di vuoto della pompa per sgrossatura lubrificata ad olio (tecnologia precedente) oa secco (tecnologia più recente) è in linea con la camera del reattore. I wafer vengono caricati nel reattore, singolarmente o in cassette, una pompa evacua la camera e viene introdotto il gas reagente (solitamente tetrafluoruro di carbonio). La ionizzazione del gas forma il plasma di attacco, che reagisce con i wafer formando prodotti volatili che vengono pompati via. L'introduzione di gas reagente fresco nella camera mantiene l'attività di attacco. La tabella 4 identifica i materiali e i gas plasma in uso per l'incisione dei vari strati.

Tabella 4. Gas di attacco al plasma e materiali incisi

Materiali

Gas

Silicio

Polisilicio (polySi) e silicio

CF+O2, CCl4 o CF3Cl, CF4 e HCl

Biossido di silicio (SiO2)

C2F6, C3F8, Cfr4, SiF4, C5F12, CHF3, CCl2F2, San Francisco6, HF

Nitruro di silicio (Si3N4)

CF4 + Ar, CF4 + O2, Cfr4 + H2

metalli

Alluminio (Al)

CCl4 o BCl3 + Lui o Ar

Cromo (Cr)

CCl4

Ossido di cromo (CrO3)

Cl2 + Ar o CCl4 +Ar

Arseniuro di gallio (GaAs)

CCl2F2

Vanadio (V)

CF4

Titanio (Ti)

CF4

Tantulo (Ta)

CF4

Molibdeno (Mo)

CF4

Tungsteno (W)

CF4

 

Un altro metodo attualmente in fase di sviluppo per l'incisione è il microonde downstream. Utilizza una scarica a microonde ad alta densità di potenza per produrre atomi metastabili con una lunga durata che attaccano il materiale quasi come se fosse immerso nell'acido.

I processi di incisione fisica sono simili alla sabbiatura in quanto gli atomi di gas argon vengono utilizzati per bombardare fisicamente lo strato da incidere. Un sistema di pompa a vuoto viene utilizzato per rimuovere il materiale dislocato. L'incisione con ioni reattivi comporta una combinazione di incisione chimica e fisica a secco.

Il processo di sputtering è uno di impatto ionico e trasferimento di energia. L'incisione sputter incorpora un sistema di sputtering, in cui il wafer da incidere è attaccato a un elettrodo negativo o bersaglio in un circuito di scarica a bagliore. Il materiale schizza dal wafer per bombardamento con ioni positivi, solitamente argon, e provoca la dislocazione degli atomi superficiali. L'alimentazione è fornita da una sorgente RF alla frequenza di 450 kHz. Un sistema di vuoto in linea viene utilizzato per il controllo della pressione e la rimozione dei reagenti.

L'incisione e la fresatura con raggio ionico è un processo di incisione delicato che utilizza un raggio di ioni a bassa energia. Il sistema a fascio ionico è costituito da una sorgente per generare il fascio ionico, una camera di lavoro in cui avviene l'incisione o la fresatura, fissaggio con una piastra bersaglio per trattenere i wafer nel fascio ionico, un sistema di pompa del vuoto, elettronica di supporto e strumenti. Il fascio ionico viene estratto da un gas ionizzato (argon o argon/ossigeno) o plasma, creato dalla scarica elettrica. La scarica è ottenuta applicando una tensione tra un catodo a filamento caldo emettitore di elettroni e un cilindro anodico situato nel diametro esterno della regione di scarica.

La fresatura del raggio ionico viene eseguita nella gamma a bassa energia del bombardamento ionico, dove si verificano solo interazioni superficiali. Questi ioni, solitamente nell'intervallo da 500 a 1,000 eV, colpiscono un bersaglio e scoppiettare atomi di superficie rompendo le forze che legano l'atomo al suo vicino. L'incisione con raggio ionico viene eseguita in un intervallo di energia leggermente superiore, il che comporta una dislocazione più drammatica degli atomi superficiali.

L'attacco con ioni reattivi (RIE) è una combinazione di sputtering fisico e attacco chimico di specie reattive a basse pressioni. RIE utilizza il bombardamento ionico per ottenere l'incisione direzionale e anche un gas chimicamente reattivo, il tetrafluoruro di carbonio (CF4) o tetracloruro di carbonio (CCl4), per mantenere una buona selettività dello strato inciso. Un wafer viene posto in una camera con un'atmosfera di composto di gas chimicamente reattivo a una bassa pressione di circa 0.1 torr (1.3 x 10-4 atmosfera). Una scarica elettrica crea un plasma di “radicali liberi” reattivi (ioni) con un'energia di poche centinaia di elettronvolt. Gli ioni colpiscono verticalmente la superficie del wafer, dove reagiscono per formare specie volatili che vengono rimosse da un sistema di vuoto in linea a bassa pressione.

Gli incisori a secco a volte hanno un ciclo di pulizia che viene utilizzato per rimuovere i depositi che si accumulano all'interno delle camere di reazione. I composti progenitori utilizzati per i plasmi del ciclo di pulizia includono il trifluoruro di azoto (NF3), esafluoroetano (C2F6) e ottafluoropropano (C3F8).

Questi tre gas utilizzati nel processo di pulizia e molti dei gas utilizzati nell'incisione sono una pietra angolare di un problema ambientale che l'industria dei semiconduttori deve affrontare e che è emersa a metà degli anni '1990. Molti dei gas altamente fluorurati sono stati identificati come aventi un significativo potenziale di riscaldamento globale (o effetto serra). (Questi gas sono anche indicati come PFC, composti perfluorurati.) La lunga durata atmosferica, l'elevato potenziale di riscaldamento globale e il significativo aumento dell'utilizzo di PFC come NF3, C2F6, C3F8, Cfr4, trifluorometano (CHF3) ed esafluoruro di zolfo (SF6) ha fatto sì che l'industria dei semiconduttori si concentrasse sui modi per ridurre le proprie emissioni.

Le emissioni atmosferiche di PFC dall'industria dei semiconduttori sono dovute alla scarsa efficienza degli strumenti (molti strumenti consumano solo dal 10 al 40% del gas utilizzato) e alle attrezzature inadeguate per l'abbattimento delle emissioni nell'aria. Gli scrubber a umido non sono efficaci nella rimozione dei PFC e i test su molte unità di combustione hanno riscontrato scarse efficienze di distruzione per alcuni gas, in particolare CF4. Molte di queste unità di combustione si sono guastate C2F6 e C3F8 in CF4. Inoltre, l'elevato costo di proprietà di questi strumenti di abbattimento, la loro richiesta di energia, il rilascio di altri gas di riscaldamento globale e i sottoprodotti della combustione di inquinanti atmosferici pericolosi indicavano che l'abbattimento della combustione non era un metodo adatto per controllare le emissioni di PFC.

Rendere gli strumenti di processo più efficienti, identificare e sviluppare alternative più rispettose dell'ambiente a questi gas di attacco a secco e recupero/riciclaggio dei gas di scarico sono stati gli aspetti ambientali associati agli incisori a secco.

La principale enfasi sull'igiene professionale per gli incisori a secco è stata sulle potenziali esposizioni del personale addetto alla manutenzione che lavora sulle camere di reazione, sulle pompe e su altre apparecchiature associate che possono contenere residui di prodotti di reazione. La complessità degli incisori di metalli al plasma e la difficoltà di caratterizzare gli odori associati alla loro manutenzione li ha resi oggetto di numerose indagini.

I prodotti di reazione che si formano negli attaccatori metallici al plasma sono una miscela complessa di composti clorurati e fluorurati. La manutenzione degli incisori metallici comporta spesso operazioni di breve durata che generano forti odori. L'esacloroetano è risultato essere la principale causa di odore in un tipo di incisore di alluminio (Helb et al. 1983). In un altro, il problema principale era il cloruro di cianogeno: i livelli di esposizione erano 11 volte superiori al limite di esposizione professionale di 0.3 ppm (Baldwin 1985). In altri tipi ancora di acquaforte, l'acido cloridrico è associato all'odore; l'esposizione massima misurata è stata di 68 ppm (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Per ulteriori informazioni sull'argomento vedi Mueller e Kunesh (1989).

La complessità delle sostanze chimiche presenti negli scarichi di metal etcher ha portato i ricercatori a sviluppare metodi sperimentali per studiare la tossicità di queste miscele (Bauer et al. 1992a). L'applicazione di questi metodi negli studi sui roditori indica che alcune di queste miscele chimiche sono sospette mutagene (Bauer et al. 1992b) e sospette tossine riproduttive (Schmidt et al. 1995).

Poiché gli incisori a secco funzionano come sistemi chiusi, l'esposizione chimica agli operatori dell'apparecchiatura in genere non si verifica mentre il sistema è chiuso. Una rara eccezione a ciò si verifica quando il ciclo di spurgo per gli incisori discontinui più vecchi non è sufficientemente lungo per rimuovere adeguatamente i gas di attacco. Brevi ma irritanti esposizioni a composti del fluoro che sono al di sotto del limite di rilevamento per le tipiche procedure di monitoraggio dell'igiene industriale sono state segnalate quando le porte di questi incisori vengono aperte. Normalmente questo può essere corretto semplicemente aumentando la durata del ciclo di spurgo prima di aprire lo sportello della camera di attacco.

La principale preoccupazione per l'esposizione dell'operatore all'energia RF si verifica durante l'attacco al plasma e l'incenerimento (Cohen 1986; Jones 1988). Tipicamente, la perdita di energia RF può essere causata da:

  • porte disallineate
  • crepe e buchi negli armadietti
  • tavoli metallici e cavi elettrici che fungono da antenne a causa di un'errata messa a terra dell'incisore
  • nessuno schermo attenuante nella finestra di visualizzazione dell'incisore (Jones 1988; Horowitz 1992).

 

L'esposizione RF può verificarsi anche durante la manutenzione degli incisori, in particolare se l'armadio dell'apparecchiatura è stato rimosso. Un'esposizione di 12.9 mW/cm2 è stato trovato nella parte superiore di un vecchio modello di incisore al plasma con il coperchio rimosso per manutenzione (Horowitz 1992). L'effettiva perdita di radiazioni RF nell'area in cui si trova l'operatore era tipicamente inferiore a 4.9 mW/cm2.

doping

La formazione di una giunzione elettrica o confine tra p e n regioni in un singolo wafer di silicio cristallino è l'elemento essenziale per il funzionamento di tutti i dispositivi a semiconduttore. Le giunzioni consentono alla corrente di fluire in una direzione molto più facilmente che nell'altra. Forniscono la base per gli effetti di diodi e transistor in tutti i semiconduttori. In un circuito integrato, un numero controllato di impurità elementari o droganti, deve essere introdotto in regioni incise selezionate del substrato di silicio, o wafer. Questo può essere fatto mediante tecniche di diffusione o di impiantazione ionica. Indipendentemente dalla tecnica utilizzata, gli stessi tipi o droganti vengono utilizzati per la produzione di giunzioni a semiconduttore. La tabella 5 identifica i principali componenti utilizzati per il drogaggio, il loro stato fisico, il tipo elettrico (p or n) e la tecnica di giunzione primaria in uso: diffusione o impianto ionico.

Tabella 5. Droganti di formazione di giunzioni per diffusione e impiantazione ionica

elemento

Compound

Formula

Regione / Stato

Tecnica

tipo n

Antimonio

Triossido di antimonio
Tricloruro di antimonio

Sb2O3
SbCl3

Tinte Unite
Liquido

Emittente
Emittente

Arsenico

Triossido di arsenico
Triossido di arsenico
arsina
Pentafluoruro di arsenico

As2O3
As2O3
Cenere3
AsF5

Tinte Unite
Liquido
Gas
Gas

Emittente
Diffusione: spin on
Diffusione e impiantazione ionica
Impianto di ioni

Fosforo

Pentossido di fosforo
Pentossido di fosforo
Tribromuro di fosforo
Tricloruro di fosforo
Ossicloruro di fosforo
fosfina
Pentafluoruro di fosforo

P2O5
P2O5
PBr3
PCl3
POCl3
PH3
PF5

Tinte Unite
Liquido
Liquido
Liquido
Liquido
Gas
Gas

Emittente
Diffusione: spin on
Emittente
Emittente
Emittente
Impianto di ioni
Impianto di ioni

tipo p

Boro

Nitruro di boro
Tribromuro di boro
Triossido di boro
Triossido di boro
Trietilborato
Tetrabromuro di silicio
Tricloruro di boro
Trifluoruro di boro
diborano

BN
BBr3
B2O3
B2O3
B(COC2H5)3
SignoreBr4
BCl3
BF3
B2H6

Tinte Unite
Liquido
Tinte Unite
Liquido
Liquido
Liquido
Liquido
Gas
Gas

Emittente
Emittente
Emittente
Diffusione: spin on
Diffusione: spin on
Emittente
Impianto di ioni per diffusione
Impianto di ioni
Impianto di ioni

 

Le esposizioni chimiche di routine agli operatori sia dei forni a diffusione che degli impiantatori di ioni sono basse, in genere inferiori al limite di rilevamento delle procedure standard di campionamento dell'igiene professionale. Le preoccupazioni chimiche relative al processo si concentrano sulla possibilità di rilasci di gas tossici.

Già negli anni '1970, i progressivi produttori di semiconduttori iniziarono a installare i primi sistemi di monitoraggio continuo dei gas infiammabili e tossici. L'obiettivo principale di questo monitoraggio era rilevare i rilasci accidentali dei gas droganti più tossici con soglie di odore superiori ai limiti di esposizione professionale (ad esempio, arsina e diborano).

La maggior parte dei monitor dell'aria per l'igiene industriale nell'industria dei semiconduttori viene utilizzata per il rilevamento di fughe di gas infiammabili e tossici. Tuttavia, alcune strutture utilizzano anche sistemi di monitoraggio continuo per:

  • analizzare le emissioni del condotto di scarico (camino).
  • quantificare le concentrazioni nell'aria ambiente di sostanze chimiche volatili
  • identificare e quantificare gli odori nelle aree favolose.

 

Le tecnologie più utilizzate nell'industria dei semiconduttori per questo tipo di monitoraggio sono il rilevamento di gas colorimetrico (ad esempio, rilevatore di gas continuo MDA), i sensori elettrochimici (ad esempio, i monitor sensidyne) e l'infrarosso in trasformata di Fourier (ad esempio, Telos ACM) (Baldwin e Williams 1996) .

Emittente

Emittente è un termine utilizzato per descrivere il movimento dei droganti dalle regioni ad alta concentrazione all'estremità della sorgente del forno di diffusione verso le regioni a concentrazione inferiore all'interno del wafer di silicio. La diffusione è il metodo più consolidato di formazione della giunzione.

Questa tecnica prevede di sottoporre un wafer ad un'atmosfera riscaldata all'interno del forno di diffusione. La fornace contiene i droganti desiderati sotto forma di vapore e risulta anch'essa nella creazione di regioni di attività elettrica drogata p or n. I droganti più comunemente usati sono il boro per il tipo p; e fosforo (P), arsenico (As) o antimonio (Sb) per il tipo n (vedi tabella 5).

Tipicamente, i wafer vengono impilati in un supporto o barca di quarzo e posti nel forno di diffusione. Il forno di diffusione contiene un lungo tubo di quarzo e un meccanismo per un accurato controllo della temperatura. Il controllo della temperatura è estremamente importante, poiché le velocità di diffusione dei vari droganti di silicio sono principalmente una funzione della temperatura. Le temperature in uso vanno da 900 a 1,300 oC, a seconda del drogante e del processo specifici.

Il riscaldamento del wafer di silicio ad alta temperatura consente agli atomi di impurità di diffondersi lentamente attraverso la struttura cristallina. Le impurità si muovono più lentamente attraverso il biossido di silicio che attraverso il silicio stesso, consentendo l'ossido sottile modello per fungere da maschera e quindi consentire al drogante di entrare nel silicio solo dove non è protetto. Dopo che si sono accumulate abbastanza impurità, i wafer vengono rimossi dal forno e la diffusione cessa effettivamente.

Per il massimo controllo, la maggior parte delle diffusioni viene eseguita in due passaggi:predeposizione e guidare in. Il predeposito, o diffusione a sorgente costante, è il primo passaggio e avviene in un forno in cui la temperatura è selezionata per ottenere il miglior controllo delle quantità di impurità. La temperatura determina la solubilità del drogante. Dopo un trattamento di predeposito relativamente breve, il wafer viene spostato fisicamente in un secondo forno, solitamente a una temperatura più elevata, dove un secondo trattamento termico porta il drogante alla profondità di diffusione desiderata nel reticolo del wafer di silicio.

Le sorgenti droganti utilizzate nella fase di predeposito si trovano in tre distinti stati chimici: gassoso, liquido e solido. La tabella 5 identifica i vari tipi di droganti della sorgente di diffusione e i loro stati fisici.

I gas sono generalmente forniti da bombole di gas compresso con controlli o regolatori di pressione, valvole di intercettazione e vari attacchi di spurgo e vengono erogati attraverso tubi metallici di piccolo diametro.

I liquidi vengono erogati normalmente da gorgogliatori, che saturano un flusso di gas di trasporto, solitamente azoto, con i vapori droganti liquidi, come descritto nella sezione sull'ossidazione a umido. Un'altra forma di erogazione di liquidi è attraverso l'uso del spin-on drogante apparato. Ciò comporta la messa in soluzione di un drogante solido con un vettore di solvente liquido, quindi il gocciolamento della soluzione sul wafer e la rotazione, in modo simile all'applicazione dei fotoresist.

Le sorgenti solide possono avere la forma di un wafer di nitruro di boro, che viene inserito tra due wafer di silicio da drogare e quindi posto in un forno a diffusione. Inoltre, i droganti solidi, in forma di polvere o di perline, possono essere posti in a bomba al quarzo involucro (triossido di arsenico), scaricato manualmente all'estremità della sorgente di un tubo di diffusione o caricato in un forno sorgente separato in linea con il forno di diffusione principale.

In assenza di controlli adeguati, esposizioni all'arsenico superiori a 0.01 mg/m3 sono stati segnalati durante la pulizia di un forno di deposizione (Wade et al. 1981) e durante la pulizia delle camere di alloggiamento della sorgente per impiantatori ionici a sorgente solida (McCarthy 1985; Baldwin, King e Scarpace 1988). Queste esposizioni si sono verificate quando non sono state prese precauzioni per limitare la quantità di polvere nell'aria. Tuttavia, quando i residui sono stati mantenuti umidi durante la pulizia, le esposizioni sono state ridotte ben al di sotto del limite di esposizione nell'aria.

Nelle vecchie tecnologie di diffusione esistono rischi per la sicurezza durante la rimozione, la pulizia e l'installazione dei tubi del forno. I pericoli includono potenziali tagli da articoli in quarzo rotti e ustioni da acido durante la pulizia manuale. Nelle tecnologie più recenti questi rischi sono ridotti da on-site pulizia del tubo che elimina gran parte della movimentazione manuale.

Gli operatori di forni a diffusione sperimentano la più alta esposizione di routine in camere bianche a campi elettromagnetici a frequenza estremamente bassa (ad esempio, da 50 a 60 hertz) nella produzione di semiconduttori. Esposizioni medie superiori a 0.5 microtesla (5 milligauss) sono state riportate durante il funzionamento effettivo dei forni (Crawford et al. 1993). Questo studio ha anche rilevato che il personale delle camere bianche che lavorava in prossimità di forni a diffusione aveva esposizioni medie misurate che erano notevolmente più alte di quelle di altri lavoratori delle camere bianche. Questa scoperta era coerente con le misurazioni puntuali riportate da Rosenthal e Abdollahzadeh (1991), che hanno scoperto che i forni a diffusione producevano letture di prossimità (5 cm o 2 pollici di distanza) fino a 10-15 microtesla, con i campi circostanti che diminuivano più gradualmente con la distanza rispetto ad altre apparecchiature per camere bianche studiate; anche a 6 piedi di distanza dai forni di diffusione, le densità di flusso riportate erano comprese tra 1.2 e 2 microtesla (Crawford et al. 1993). Questi livelli di emissione sono ben al di sotto degli attuali limiti di esposizione basati sulla salute fissati dall'Organizzazione mondiale della sanità e quelli fissati dai singoli paesi.

Impianto di ioni

L'impianto ionico è il metodo più recente per introdurre elementi di impurità a temperatura ambiente nei wafer di silicio per la formazione di giunzioni. Gli atomi droganti ionizzati (cioè gli atomi privati ​​di uno o più dei loro elettroni) vengono accelerati a un'energia elevata facendoli passare attraverso una differenza di potenziale di decine di migliaia di volt. Alla fine del loro percorso, colpiscono il wafer e vengono incassati a varie profondità, a seconda della loro massa ed energia. Come nella diffusione convenzionale, uno strato di ossido modellato o un modello di fotoresist maschera selettivamente il wafer dagli ioni.

Un tipico sistema di impiantazione ionica è costituito da una sorgente ionica (sorgente drogante gassosa, di solito in piccole bottiglie da lettura), apparecchiature di analisi, acceleratore, lente di focalizzazione, trappola del raggio neutro, camera di processo dello scanner e un sistema di vuoto (normalmente tre serie separate di pompe rotative e a diffusione d'olio). Il flusso di elettroni è generato da un filamento caldo mediante resistenza, scarica ad arco o fascio di elettroni a catodo freddo.

Generalmente, dopo che i wafer sono stati impiantati, viene eseguita una fase di ricottura ad alta temperatura (da 900 a 1,000°C) mediante una ricottura a raggio laser o una ricottura a impulsi con una sorgente a fascio di elettroni. Il processo di ricottura aiuta a riparare i danni alla superficie esterna del wafer impiantato causati dal bombardamento di ioni droganti.

Con l'avvento di un sistema di erogazione sicuro per le bombole di gas trifluoruro di arsina, fosfina e boro utilizzate negli impiantatori di ioni, il potenziale di rilascio catastrofico di questi gas è stato notevolmente ridotto. Queste piccole bombole di gas sono riempite con un composto a cui vengono adsorbiti arsina, fosfina e trifluoruro di boro. I gas vengono estratti dai cilindri mediante un vuoto.

Gli impiantatori di ioni sono uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dello strumento esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'impiantatore. Un'attenta revisione delle operazioni di manutenzione e dei rischi elettrici è garantita per tutte le apparecchiature di nuova installazione, ma soprattutto per gli impiantatori ionici.

Esposizioni a idruri (probabilmente una miscela di arsina e fosfina) fino a 60 ppb sono state riscontrate durante la manutenzione della criopompa dell'impiantatore ionico (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993). Inoltre, elevate concentrazioni sia di arsina che di fosfina possono rilasciare gas dalle parti contaminate dell'impianto che vengono rimosse durante la manutenzione preventiva (Flipp, Hunsaker e Herring 1992).

Gli aspirapolvere portatili con filtri HEPA (High Efficiency Particulate Attenuator) vengono utilizzati per pulire le superfici di lavoro contaminate da arsenico nelle aree di impiantazione ionica. Esposizioni superiori a 1,000 μg/m3 sono stati misurati quando i vuoti HEPA sono stati puliti in modo improprio. Gli aspiratori HEPA, quando vengono scaricati nell'area di lavoro, possono anche distribuire in modo efficiente l'odore caratteristico, simile all'idruro, associato alla pulizia della linea del raggio dell'impiantatore ionico (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Sebbene preoccupante, non sono stati pubblicati rapporti di esposizioni significative al gas drogante durante i cambi d'olio delle pompe per vuoto utilizzate con droganti, forse perché questo di solito viene fatto come un sistema chiuso. La mancanza di esposizione segnalata può anche essere il risultato di bassi livelli di fuoriuscita di gas di idruri dall'olio usato.

Il risultato di uno studio sul campo in cui sono stati riscaldati 700 ml di olio per pompa per vuoto usato proveniente da un impiantatore ionico che utilizzava sia arsina che fosfina ha mostrato concentrazioni rilevabili di idruri nell'aria nello spazio della testa della pompa solo quando l'olio della pompa superava i 70oC (Baldwin, King e Scarpace 1988). Poiché le normali temperature di esercizio per le pompe rotative meccaniche vanno da 60 a 80oC, questo studio non ha indicato il potenziale per un'esposizione significativa.

Durante l'impianto ionico, i raggi X si formano incidentalmente all'operazione. La maggior parte degli impiantatori è progettata con una schermatura dell'armadio sufficiente (che include fogli di piombo posizionati strategicamente attorno all'alloggiamento della sorgente ionica e alle porte di accesso adiacenti) per mantenere l'esposizione dei dipendenti al di sotto di 2.5 microsievert (0.25 millirem) all'ora (Maletskos e Hanley 1983). Tuttavia, è stato riscontrato che un vecchio modello di implanter presentava perdite di raggi X superiori a 20 microsievert all'ora (μSv/h) sulla superficie dell'unità (Baldwin, King e Scarpace 1988). Questi livelli sono stati ridotti a meno di 2.5 μSv/h dopo l'installazione di una schermatura aggiuntiva in piombo. È stato riscontrato che un altro modello più vecchio di impiantatore ionico presenta perdite di raggi X attorno a una porta di accesso (fino a 15 μSv/h) e in corrispondenza di un viewport (fino a 3 μSv/h). È stata aggiunta un'ulteriore schermatura di piombo per attenuare le possibili esposizioni (Baldwin, Rubin e Horowitz 1993).

Oltre alle esposizioni ai raggi X da impiantatori ionici, è stata postulata la possibilità di formazione di neutroni se l'impiantatore viene azionato al di sopra di 8 milioni di elettronvolt (MeV) o il gas di deuterio viene utilizzato come sorgente di ioni (Rogers 1994). Tuttavia, in genere gli implantatori sono progettati per operare ben al di sotto di 8 MeV e il deuterio non è comunemente utilizzato nell'industria (Baldwin e Williams 1996).

Deposizione chimica da vapore

La deposizione chimica da vapore (CVD) comporta la stratificazione di materiale aggiuntivo sulla superficie del wafer di silicio. Le unità CVD normalmente funzionano come un sistema chiuso con conseguente esposizione chimica minima o nulla per gli operatori. Tuttavia, una breve esposizione all'acido cloridrico superiore a 5 ppm può verificarsi quando vengono puliti alcuni prelavatori per CVD (Baldwin e Stewart 1989). Due grandi categorie di deposizione sono di uso comune: epitassiale e la categoria più generale di CVD non epitassiale.

Deposizione chimica da vapore epitassiale

La crescita epitassiale è la deposizione rigidamente controllata di un sottile film monocristallino di un materiale che mantiene la stessa struttura cristallina dello strato di wafer di substrato esistente. Serve come matrice per fabbricare componenti semiconduttori nei successivi processi di diffusione. La maggior parte dei film epitassiali viene coltivata su substrati dello stesso materiale, come silicio su silicio, in un processo denominato omoepitassia. La crescita di strati di materiali diversi su un substrato, come il silicio su zaffiro, è chiamata elaborazione del dispositivo IC eteroepitassia.

Tre tecniche principali vengono utilizzate per far crescere gli strati epitassiali: fase vapore, fase liquida e fascio molecolare. L'epitassia in fase liquida ea fascio molecolare viene utilizzata principalmente nell'elaborazione di dispositivi III-V (ad es. GaAs). Questi sono discussi nell'articolo "Produzione di semiconduttori III-V".

L'epitassia in fase vapore viene utilizzata per far crescere un film mediante CVD di molecole a una temperatura compresa tra 900 e 1,300oC. I vapori contenenti il ​​silicio e quantità controllate di droganti di tipo p o n in un gas di trasporto (solitamente idrogeno) vengono fatti passare su wafer riscaldati per depositare strati drogati di silicio. Il processo viene generalmente eseguito a pressione atmosferica.

La tabella 6 identifica i quattro principali tipi di epitassia in fase vapore, i parametri e le reazioni chimiche in atto.

Tabella 6. Principali categorie di epitassia in fase vapore di silicio

parametri

Pressione

atmosferico

Temperatura

900-1300 ° C

Fonti di silicio

Silano (SiH4), tetracloruro di silicio (SiCl4), triclorosilano (SiHCl3),
e diclorosilano (SiH2Cl2)

Gas droganti

Arsina (AsH3), fosfina (PH3), diborano (B2H6)

Concentrazione di gas drogante

≈100 ppm

Gas corrosivo

Acido cloridrico (HCl)

Concentrazione di gas di attacco

≈1–4%

Gas di trasporto

Idrogeno (H2), azoto (n2)

Fonte di riscaldamento

Radiofrequenza (RF) o infrarossi (IR)

Tipi di epitassia in fase vapore

Reazioni chimiche

Riduzione dell'idrogeno del tetracloruro di silicio
(1,150–1,300 °C)

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

Decomposizione pirolitica del silano
(1,000–1,100 °C)

SiH4 → Si + 2H2

Riduzione dell'idrogeno del triclorosilano

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

Riduzione del diclorosilano

SiH2Cl2 → Si + 2HCl

 

La sequenza di deposizione normalmente seguita in un processo epitassiale prevede:

  • pulizia del supporto—lavaggio fisico, sgrassaggio con solvente, pulizia con acido (solforico, nitrico e cloridrico e fluoridrico è una sequenza comune) e operazione di asciugatura
  • caricamento delle cialde
  • riscaldare- spurgo e riscaldamento dell'azoto a circa 500 °C, quindi viene utilizzato idrogeno gassoso e i generatori RF riscaldano induttivamente i wafer
  • acido cloridrico (HCl) attacco—di solito nella camera del reattore viene erogata una concentrazione dall'1 al 4% di HCl
  • deposizione—la sorgente di silicio e i gas droganti vengono dosati e depositati sulla superficie del wafer
  • Calmati-l'idrogeno gassoso è passato nuovamente all'azoto a 500°C
  • scarico.

 

Deposizione chimica da vapore non epitassiale

Mentre la crescita epitassiale è una forma altamente specifica di CVD in cui lo strato depositato ha lo stesso orientamento della struttura cristallina dello strato di substrato, la CVD non epitassiale è la formazione di un composto stabile su un substrato riscaldato mediante reazione termica o decomposizione di composti gassosi.

CVD può essere utilizzato per depositare molti materiali, ma nella lavorazione dei semiconduttori di silicio i materiali che generalmente si incontrano, oltre al silicio epitassiale, sono:

  • silicio policristallino (poli Si)
  • biossido di silicio (SiO2- sia drogati che non drogati; vetro drogato p)
  • nitruro di silicio (Si3N4).

 

Ciascuno di questi materiali può essere depositato in una varietà di modi e ognuno ha molte applicazioni.

La tabella 7 identifica le tre principali categorie di CVD utilizzando la temperatura operativa come meccanismo di differenziazione.

Tabella 7. Principali categorie di deposizione chimica da vapore di silicio (CVD)

parametri

Pressione

Atmosferico (APCVD) o bassa pressione (LPCVD)

Temperatura

500-1,100 ° C

Fonti di silicio e nitruro

Silano (SiH4), tetracloruro di silicio (SiCl4), ammoniaca (NH3), protossido di azoto (N20)

Fonti droganti

Arsina (AsH3), fosfina (PH3), diborano (B2H6)

Gas di trasporto

Azoto (N2), idrogeno (h2)

Fonte di riscaldamento

Sistema a parete fredda: radiofrequenza (RF) o infrarossi (IR)
Sistema a parete calda: resistenza termica

tipo CVD

Reazione

Gas di trasporto

Temperatura

Temperatura media (≈ 600–1,100 °C)

Nitruro di silicio (Si3N4)

3SiH4 + 4 NH3 → Si3N4 + 12H2

H2

900-1,100 ° C

Polisilicio (poli Si)

SiH4 + Calore → Si + 2H2

H2
N2

850-1,000 ° C
600-700 ° C

Biossido di silicio (SiO2)

SiH4 +4CO2 → SiO2 + 4CO + 2H2O
2H2 + SiCl4 + CO2 → SiO2 + 4HCl *
SiH4 + CO → SiO2 + 2H2 *

N2
H2
H2

500-900 ° C
800-1,000 ° C
600-900 ° C

Bassa temperatura (≈<600 C) Silox, Pyrox, Vapox e Nitrox**

Biossido di silicio (SiO2) o SiO drogato p2

     

silox

SiH4 + 2O2 + drogante → SiO2 + 2H2O

N2

200-500 ° C

Pirox

SiH4 + 2O2 + drogante → SiO2 + 2H2O

N2

<600 ° C

Vapox

SiH4 + 2O2 + drogante → SiO2 + 2H2O

N2

<600 ° C

Nitruro di silicio (Si3N4)

     

Nitrox

3SiH4 +4NH3 (o n2O*) → Si3N4 + 12H2

N2

600-700 ° C

Plasma a bassa temperatura potenziato (passivazione) (<600°C)

Utilizzando la radiofrequenza (RF) o
sputtering reattivo

     

Biossido di silicio (SiO2)

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H20

   

Nitruro di silicio (Si3N4)

3SiH4 +4NH3 (o n2O*) → Si3N4 + 12H2

   

* Nota: le reazioni non sono bilanciate stechiometricamente.

**Nomi generici, proprietari o marchi di fabbrica per sistemi di reattori CVD

 

I seguenti componenti si trovano in quasi tutti i tipi di apparecchiature CVD:

  • camera di reazione
  • sezione di controllo del gas
  • controllo del tempo e della sequenza
  • fonte di calore per i substrati
  • trattamento degli effluenti.

 

Fondamentalmente, il processo CVD comporta l'alimentazione di quantità controllate di gas sorgente di silicio o nitruro, unitamente a gas di trasporto di azoto e/o idrogeno, e un gas drogante se desiderato, per la reazione chimica all'interno della camera del reattore. Il calore viene applicato per fornire l'energia necessaria per la reazione chimica oltre a controllare le temperature superficiali del reattore e dei wafer. Dopo che la reazione è completa, il gas sorgente non reagito più il gas di trasporto vengono scaricati attraverso il sistema di trattamento degli effluenti e scaricati nell'atmosfera.

La passivazione è un tipo funzionale di CVD. Comporta la crescita di uno strato di ossido protettivo sulla superficie del wafer di silicio, generalmente come ultima fase di fabbricazione prima della lavorazione non di fabbricazione. Lo strato fornisce stabilità elettrica isolando la superficie del circuito integrato dalle condizioni elettriche e chimiche dell'ambiente.

Metallizzazione

Dopo che i dispositivi sono stati fabbricati nel substrato di silicio, devono essere collegati insieme per eseguire le funzioni del circuito. Questo processo è noto come metallizzazione. La metallizzazione fornisce un mezzo per cablare o interconnettere gli strati superiori dei circuiti integrati depositando modelli complessi di materiali conduttivi, che indirizzano l'energia elettrica all'interno dei circuiti.

L'ampio processo di metallizzazione è differenziato in base alla dimensione e allo spessore degli strati di metalli e altri materiali depositati. Questi sono:

  • pellicola sottile—spessore approssimativo della pellicola di un micron o inferiore
  • pellicola spessa—spessore approssimativo del film di 10 micron o superiore
  • placcatura- gli spessori del film sono variabili da film sottili a spessi, ma generalmente spessi.

 

I metalli più comuni utilizzati per la metallizzazione dei semiconduttori di silicio sono: alluminio, nichel, cromo o una lega chiamata nicromo, oro, germanio, rame, argento, titanio, tungsteno, platino e tantalio.

Film sottili o spessi possono anche essere evaporati o depositati su vari substrati ceramici o di vetro. Alcuni esempi di questi substrati sono: allumina (96% Al203), berillio (99% BeO), vetro borosilicato, vetroceramica e quarzo (SiO2).

Pellicola sottile

La metallizzazione a film sottile viene spesso applicata mediante l'uso di una tecnica di deposizione o evaporazione in alto o vuoto parziale. I principali tipi di evaporazione in alto vuoto sono fascio di elettroni, flash e resistivo, mentre la deposizione in vuoto parziale viene eseguita principalmente mediante sputtering.

Per eseguire qualsiasi tipo di metallizzazione sottovuoto a film sottile, un sistema è solitamente costituito dai seguenti componenti di base:

  • una camera che può essere evacuata per fornire un vuoto sufficiente per la deposizione
  • una pompa a vuoto (o pompe) per ridurre i gas ambientali nella camera
  • strumentazione per il monitoraggio del livello di vuoto e di altri parametri
  • un metodo per depositare o evaporare gli strati di materiale metallizzante.

 

Evaporazione a fascio di elettroni, chiamato frequentemente raggio E, utilizza un fascio focalizzato di elettroni per riscaldare il materiale di metallizzazione. Un fascio di elettroni ad alta intensità viene generato in modo simile a quello utilizzato in un cinescopio televisivo. Un flusso di elettroni viene accelerato attraverso un campo elettrico tipicamente da 5 a 10 kV e focalizzato sul materiale da evaporare. Il fascio focalizzato di elettroni fonde il materiale contenuto in un blocco raffreddato ad acqua con una grande depressione chiamata focolare. Il materiale fuso evapora quindi all'interno della camera a vuoto e si condensa sui wafer freddi e sull'intera superficie della camera. Quindi vengono eseguite operazioni standard di fotoresist, esposizione, sviluppo e incisione a umido oa secco per delineare l'intricato circuito metallizzato.

Evaporazione rapida è un'altra tecnica per la deposizione di sottili film metallizzati. Questo metodo viene utilizzato principalmente quando una miscela di due materiali (leghe) deve essere evaporata contemporaneamente. Alcuni esempi di film a due componenti sono: nichel/cromo (Nichrome), cromo/ossido di silicio (SiO) e alluminio/silicio.

Nell'evaporazione flash, una barra di ceramica viene riscaldata dalla resistenza termica e una bobina di filo alimentata in continuo, un flusso di pellet o una polvere erogata a vibrazione viene portata a contatto con il filamento o la barra calda. I metalli vaporizzati rivestono quindi la camera interna e le superfici del wafer.

Evaporazione resistiva (noto anche come evaporazione del filamento) è la forma di deposizione più semplice e meno costosa. L'evaporazione si ottiene aumentando gradualmente la corrente che fluisce attraverso il filamento per fondere prima le spire di materiale da evaporare, bagnando così il filamento. Una volta che il filamento è bagnato, la corrente attraverso il filamento aumenta fino a quando si verifica l'evaporazione. Il vantaggio principale dell'evaporazione resistiva è l'ampia varietà di materiali che possono essere evaporati.

A volte i lavori di manutenzione vengono eseguiti sulla superficie interna delle camere di deposizione dell'evaporatore a fascio elettronico chiamate campane di vetro. Quando i manutentori hanno la testa dentro le campane, possono verificarsi esposizioni significative. La rimozione dei residui metallici che si depositano sulla superficie interna delle campane può provocare tali esposizioni. Ad esempio, le esposizioni dei tecnici molto al di sopra del limite di esposizione aerea per l'argento sono state misurate durante la rimozione dei residui da un evaporatore utilizzato per depositare l'argento (Baldwin e Stewart 1989).

Anche la pulizia dei residui di campana con solventi organici per la pulizia può comportare un'elevata esposizione ai solventi. Durante questo tipo di pulizia si sono verificate esposizioni dei tecnici a metanolo superiori a 250 ppm. Questa esposizione può essere eliminata utilizzando l'acqua come solvente per la pulizia invece del metanolo (Baldwin e Stewart 1989).

Il deposizione sputtering Il processo avviene in un'atmosfera gassosa a bassa pressione oa vuoto parziale, utilizzando corrente elettrica continua (CC o sputtering catodico) o tensioni RF come sorgente ad alta energia. Nello sputtering, gli ioni di gas inerte di argon vengono introdotti in una camera a vuoto dopo che è stato raggiunto un livello di vuoto soddisfacente mediante l'uso di una pompa per sgrossatura. Un campo elettrico si forma applicando un'alta tensione, tipicamente 5,000 V, tra due piastre di carica opposta. Questa scarica ad alta energia ionizza gli atomi di gas argon e li fa muovere e accelerare verso una delle piastre nella camera chiamata bersaglio. Quando gli ioni di argon colpiscono il bersaglio costituito dal materiale da depositare, staccano o polverizzano questi atomi o molecole. Gli atomi dislocati del materiale di metallizzazione vengono quindi depositati in una pellicola sottile sui substrati di silicio che si affacciano sul bersaglio.

È stato riscontrato che la perdita RF dai lati e dal retro di molte vecchie unità sputter supera il limite di esposizione professionale (Baldwin e Stewart 1989). La maggior parte delle perdite era attribuibile a crepe negli armadi causate dalla ripetuta rimozione dei pannelli di manutenzione. Nei modelli più recenti dello stesso produttore, i pannelli con rete metallica lungo le cuciture impediscono perdite significative. Gli sputterer più vecchi possono essere adattati con rete metallica o, in alternativa, è possibile utilizzare nastro di rame per coprire le giunture per ridurre le perdite.

Film spesso

La struttura e le dimensioni dei film più spessi non sono compatibili con la metallizzazione dei circuiti integrati al silicio, principalmente a causa dei vincoli dimensionali. I film spessi sono utilizzati principalmente per la metallizzazione di strutture elettroniche ibride, come nella produzione di LCD.

Il processo di serigrafia è il metodo dominante per l'applicazione del film spesso. I materiali a film spesso tipicamente utilizzati sono palladio, argento, biossido di titanio e vetro, oro-platino e vetro, oro-vetro e argento-vetro.

I film spessi resistivi vengono normalmente depositati e modellati su un substrato ceramico utilizzando tecniche di serigrafia. Cermet è una forma di film spesso resistivo composto da una sospensione di particelle metalliche conduttive in una matrice ceramica con una resina organica come riempitivo. Le strutture tipiche del cermet sono composte da cromo, argento o ossido di piombo in una matrice di monossido di silicio o biossido.

Placcatura

Nella formazione di pellicole metalliche su substrati semiconduttori vengono utilizzati due tipi fondamentali di tecniche di placcatura: galvanica e placcatura chimica.

In galvanica, il substrato da placcare viene posto al catodo, o terminale caricato negativamente, della vasca di placcatura e immerso in una soluzione elettrolitica. Un elettrodo realizzato con il metallo da placcare funge da anodo o terminale caricato positivamente. Quando una corrente continua passa attraverso la soluzione, gli ioni metallici caricati positivamente, che si dissolvono nella soluzione dall'anodo, migrano e si depositano sul catodo (substrato). Questo metodo di placcatura viene utilizzato per formare pellicole conduttive di oro o rame.

In placcatura elettrolitica, la riduzione e l'ossidazione simultanee del metallo da placcare viene utilizzata per formare un atomo o una molecola di metallo libero. Poiché questo metodo non richiede conduzione elettrica durante il processo di placcatura, può essere utilizzato con substrati di tipo isolante. Nichel, rame e oro sono i metalli più comuni depositati in questo modo.

Alligazione/ricottura

Dopo che le interconnessioni metallizzate sono state depositate e attaccate, può essere eseguita una fase finale di legatura e ricottura. L'alligazione consiste nel porre i substrati metallizzati, solitamente con alluminio, in un forno a diffusione a bassa temperatura per assicurare un contatto a bassa resistenza tra il metallo di alluminio e il substrato di silicio. Infine, durante la fase di legatura o subito dopo, i wafer sono spesso esposti a una miscela di gas contenente idrogeno in un forno di diffusione a una temperatura compresa tra 400 e 500°C. La fase di ricottura è progettata per ottimizzare e stabilizzare le caratteristiche del dispositivo combinando l'idrogeno con atomi non impegnati in corrispondenza o in prossimità dell'interfaccia silicio-biossido di silicio.

Lappatura e metallizzazione sul retro

Esiste anche una fase di elaborazione della metallizzazione opzionale chiamata backlapping. La parte posteriore del wafer può essere lappata o macinata utilizzando una soluzione abrasiva bagnata e pressione. Un metallo come l'oro può essere depositato sul lato posteriore del wafer mediante sputtering. Ciò facilita il fissaggio dello stampo separato alla confezione nell'assemblaggio finale.

Assemblaggio e collaudo

L'elaborazione non di fabbricazione, che include l'imballaggio esterno, gli accessori, l'incapsulamento, l'assemblaggio e il collaudo, viene normalmente eseguita in impianti di produzione separati e molte volte viene eseguita nei paesi del sud-est asiatico, dove questi lavori ad alta intensità di manodopera sono meno costosi da eseguire. Inoltre, i requisiti di ventilazione per il controllo del processo e del particolato sono generalmente diversi (non camere bianche) nelle aree di lavorazione diverse dalla fabbricazione. Queste fasi finali del processo di produzione comportano operazioni che includono saldatura, sgrassaggio, test con sostanze chimiche e sorgenti di radiazioni e rifilatura e marcatura con laser.

La saldatura durante la produzione di semiconduttori normalmente non comporta un'elevata esposizione al piombo. Per evitare danni termici al circuito integrato, la temperatura della saldatura viene mantenuta al di sotto della temperatura alla quale può verificarsi una significativa formazione di fumi di piombo fuso (430°C). Tuttavia, la pulizia dell'attrezzatura di saldatura mediante raschiatura o spazzolatura dei residui contenenti piombo può comportare esposizioni al piombo superiori a 50 μg/m3 (Baldwin e Stewart 1989). Inoltre, esposizioni al piombo di 200 μg/m3 si sono verificati quando vengono utilizzate tecniche di rimozione della bava improprie durante le operazioni di saldatura ad onda (Baldwin e Williams 1996).

Una preoccupazione crescente per le operazioni di saldatura è l'irritazione respiratoria e l'asma dovute all'esposizione ai prodotti di pirolisi dei flussi di saldatura, in particolare durante le operazioni di saldatura manuale o di ritocco, dove storicamente la ventilazione di scarico locale non è stata comunemente utilizzata (a differenza delle operazioni di saldatura ad onda, che negli ultimi decenni sono stati tipicamente rinchiusi in armadi esauriti) (Goh e Ng 1987). Vedere l'articolo "Circuito stampato e assemblaggio di computer" per maggiori dettagli.

Poiché la colofonia nel flusso di saldatura è un sensibilizzante, tutte le esposizioni dovrebbero essere ridotte al minimo possibile, indipendentemente dai risultati del campionamento dell'aria. I nuovi impianti di saldatura dovrebbero in particolare includere un sistema di ventilazione locale quando la saldatura deve essere eseguita per periodi di tempo prolungati (ad esempio, superiori a 2 ore).

I fumi della saldatura manuale saliranno verticalmente sulle correnti termiche, entrando nella zona di respirazione del dipendente quando la persona si sporge sul punto di saldatura. Il controllo di solito si ottiene mediante un'efficace ventilazione di scarico locale ad alta velocità e basso volume sulla punta della saldatura.

I dispositivi che restituiscono aria filtrata al posto di lavoro possono, se l'efficienza di filtrazione è inadeguata, causare un inquinamento secondario che può colpire le persone nel posto di lavoro diverse da quelle che si occupano della saldatura. L'aria filtrata non deve essere restituita alla stanza di lavoro a meno che la quantità di saldatura non sia ridotta e la stanza abbia una buona ventilazione generale per la diluizione.

Ordina e prova i wafer

Dopo che la fabbricazione del wafer è stata completata, ogni wafer intrinsecamente finito viene sottoposto a un processo di selezione dei wafer in cui i circuiti integrati su ogni die specifico vengono testati elettricamente con sonde controllate da computer. Un singolo wafer può contenere da cento a molte centinaia di matrici o chip separati che devono essere testati. Al termine dei risultati del test, gli stampi vengono contrassegnati fisicamente con una resina epossidica monocomponente erogata automaticamente. Il rosso e il blu vengono utilizzati per identificare e ordinare gli stampi che non soddisfano le specifiche elettriche desiderate.

Morire la separazione

Con i dispositivi oi circuiti sul wafer testati, contrassegnati e ordinati, le singole matrici sul wafer devono essere separate fisicamente. Sono stati studiati diversi metodi per separare i singoli stampi: incisione a diamante, incisione laser e segatura con mola diamantata.

L'incisione a diamante è il metodo più antico in uso e comporta il disegno di una punta incastonata di diamante di forma precisa attraverso il wafer lungo la linea di scriba o "strada" che separa i singoli stampi sulla superficie del wafer. L'imperfezione nella struttura cristallina causata dall'incisione consente al wafer di essere piegato e fratturato lungo questa linea.

L'incisione laser è una tecnica di separazione dello stampo relativamente recente. Un raggio laser viene generato da un laser al neodimio-ittrio ad alta potenza pulsato. Il raggio genera una scanalatura nel wafer di silicio lungo le linee di scrittura. Il solco funge da linea lungo la quale il wafer si rompe.

Un metodo ampiamente utilizzato per la separazione degli stampi è il taglio a umido dei substrati lungo la strada con una sega circolare diamantata ad alta velocità. La segatura può tagliare parzialmente (scrivere) o tagliare completamente (dadi) attraverso il substrato di silicio. Un impasto umido di materiale rimosso dalla strada viene generato mediante segatura.

Die allegare e incollaggio

Il singolo die o chip deve essere attaccato a un pacchetto di supporto e a un lead frame in metallo. I supporti sono generalmente realizzati in materiale isolante, ceramica o plastica. I materiali di supporto ceramici sono generalmente realizzati in allumina (Al2O3), ma può eventualmente essere costituito da berillio (BeO) o steatite (MgO-SiO2). I materiali plastici di supporto sono di tipo termoplastico o di resina termoindurente.

L'attacco del singolo stampo viene generalmente realizzato mediante uno dei tre distinti tipi di attacco: eutettico, preformato ed epossidico. L'attacco della matrice eutettica comporta l'uso di una lega di brasatura eutettica, come l'oro-silicio. In questo metodo, uno strato di metallo dorato viene predepositato sul retro dello stampo. Riscaldando la confezione al di sopra della temperatura eutettica (370°C per oro-silicio) e appoggiando su di essa la matrice, si forma un legame tra la matrice e la confezione.

L'incollaggio delle preforme comporta l'uso di un piccolo pezzo di materiale di composizione speciale che aderirà sia allo stampo che alla confezione. Una preforma viene posizionata sull'area di attacco dello stampo di una confezione e lasciata fondere. Lo stampo viene quindi strofinato attraverso la regione fino a quando lo stampo non viene attaccato, quindi la confezione viene raffreddata.

L'incollaggio epossidico prevede l'uso di una colla epossidica per fissare lo stampo alla confezione. Una goccia di resina epossidica viene erogata sulla confezione e lo stampo viene posizionato sopra di essa. Potrebbe essere necessario cuocere la confezione a una temperatura elevata per polimerizzare correttamente la resina epossidica.

Una volta che il die è fisicamente attaccato al pacchetto, devono essere forniti collegamenti elettrici tra il circuito integrato e i conduttori del pacchetto. Ciò si ottiene utilizzando tecniche di termocompressione, ultrasuoni o termosonico per collegare fili d'oro o di alluminio tra le aree di contatto sul chip di silicio e i conduttori del pacchetto.

L'incollaggio a termocompressione viene spesso utilizzato con filo d'oro e comporta il riscaldamento della confezione a circa 300oC e formando il legame tra il filo e le piazzole di unione utilizzando sia il calore che la pressione. Sono in uso due tipi principali di incollaggio per termocompressione:incollaggio a sfera e incollaggio a cuneo. L'incollaggio a sfera, che viene utilizzato solo con filo d'oro, alimenta il filo attraverso un tubo capillare, lo comprime e quindi una fiamma di idrogeno scioglie il filo. Inoltre, questo forma una nuova sfera all'estremità del filo per il successivo ciclo di incollaggio. L'incollaggio a cuneo comporta uno strumento di incollaggio a forma di cuneo e un microscopio utilizzato per posizionare accuratamente il chip di silicio e il pacchetto sopra il cuscinetto di incollaggio. Il processo viene eseguito in atmosfera inerte.

Il legame a ultrasuoni utilizza un impulso di energia ultrasonica ad alta frequenza per fornire un'azione di sfregamento che forma un legame tra il filo e il tampone di legame. L'incollaggio a ultrasuoni viene utilizzato principalmente con filo di alluminio ed è spesso preferito all'incollaggio a termocompressione, poiché non richiede il riscaldamento del chip del circuito durante l'operazione di incollaggio.

Il legame termosonico è un recente cambiamento tecnologico nel legame del filo d'oro. Implica l'uso di una combinazione di energie ultrasoniche e termiche e richiede meno calore rispetto all'incollaggio a termocompressione.

incapsulamento

Lo scopo principale dell'incapsulamento è inserire un circuito integrato in un pacchetto che soddisfi i requisiti elettrici, termici, chimici e fisici associati all'applicazione del circuito integrato.

I tipi di rocca più utilizzati sono il tipo a conduttore radiale, il pacco piatto e la rocca dual-in-line (DIP). I contenitori del tipo a piombo radiale sono per lo più realizzati in Kovar, una lega di ferro, nichel e cobalto, con guarnizioni in vetro duro e piombo Kovar. Gli imballaggi piatti utilizzano telai in piombo metallico, solitamente realizzati in una lega di alluminio combinata con componenti in ceramica, vetro e metallo. Le confezioni dual-in-line sono generalmente le più comuni e spesso utilizzano ceramica o plastica stampata.

I pacchetti di semiconduttori in plastica stampata sono prodotti principalmente mediante due processi separati:stampaggio a trasferimento e stampaggio ad iniezione. Lo stampaggio a trasferimento è il metodo di incapsulamento plastico predominante. In questo metodo, i chip vengono montati su lead frame non tagliati e quindi caricati in batch negli stampi. Le forme in polvere o in pellet di composti per stampaggio di materie plastiche termoindurenti vengono fuse in una pentola riscaldata e quindi forzate (trasferite) sotto pressione negli stampi caricati. I sistemi di composti per stampaggio plastica in polvere o in granuli possono essere utilizzati su resine epossidiche, siliconiche o siliconiche/epossidiche. Il sistema di solito consiste in una miscela di:

  • resine termoindurenti—epossidici, siliconici o siliconici/epossidici
  • indurenti—novolacche epossidiche e anidridi epossidiche
  • riempitivi— biossido di silicio cristallino o fuso in silice (SiO2) e allumina (Al2O3), generalmente 50-70% in peso
  • ignifugo-triossido di antimonio (Sb2O3) generalmente 1-5% in peso.

 

Lo stampaggio a iniezione utilizza un composto per stampaggio termoplastico o termoindurente che viene riscaldato fino al punto di fusione in un cilindro a temperatura controllata e forzato sotto pressione attraverso un ugello nello stampo. La resina solidifica rapidamente, lo stampo viene aperto e la confezione di incapsulamento viene espulsa. Un'ampia varietà di composti plastici viene utilizzata nello stampaggio a iniezione, con resine epossidiche e polifenilensolfuro (PPS) che sono le ultime entrate nell'incapsulamento dei semiconduttori.

L'imballaggio finale del dispositivo semiconduttore di silicio è classificato in base alla sua resistenza alle perdite o alla capacità di isolare il circuito integrato dal suo ambiente. Questi sono differenziati in ermeticamente (a tenuta d'aria) o non ermeticamente sigillati.

Test di tenuta e rodaggio

Test di tenuta è una procedura sviluppata per testare l'effettiva capacità di tenuta o ermetismo del dispositivo confezionato. Sono in uso due forme comuni di test di tenuta: rilevamento di perdite di elio e rilevamento di perdite di tracciante radioattivo.

Nel rilevamento delle perdite di elio, le confezioni completate vengono poste in un'atmosfera di pressione dell'elio per un periodo di tempo. L'elio è in grado di penetrare attraverso le imperfezioni nella confezione. Dopo la rimozione dalla camera di pressurizzazione dell'elio, la confezione viene trasferita in una camera con spettrometro di massa e testata per la fuoriuscita di elio dalle imperfezioni della confezione.

Il gas tracciante radioattivo, solitamente krypton-85 (Kr-85), viene sostituito all'elio nel secondo metodo e viene misurato il gas radioattivo che fuoriesce dalla confezione. In condizioni normali, l'esposizione del personale a questo processo è inferiore a 5 millisievert (500 millirem) all'anno (Baldwin e Stewart 1989). I controlli per questi sistemi di solito includono:

  • isolamento in stanze con accesso limitato al solo personale necessario
  • ha affisso segnali di avvertimento di radiazioni sulle porte delle stanze contenenti Kr-85
  • monitor di radiazione continua con allarmi e spegnimento/isolamento automatico
  • sistema di scarico dedicato e camera a pressione negativa
  • monitoraggio delle esposizioni con dosimetria personale (p. es., badge con film radiante)
  • regolare manutenzione degli allarmi e degli interblocchi
  • controlli regolari per perdite di materiale radioattivo
  • formazione sulla sicurezza per operatori e tecnici
  • garantire che le esposizioni alle radiazioni siano mantenute al livello più basso ragionevolmente ottenibile (ALARA).

 

Inoltre, i materiali che entrano in contatto con Kr-85 (ad es. circuiti integrati esposti, olio della pompa usato, valvole e O-ring) vengono esaminati per garantire che non emettano livelli eccessivi di radiazioni a causa del gas residuo al loro interno prima che vengano rimossi dal la zona controllata. Leach-Marshal (1991) fornisce informazioni dettagliate sulle esposizioni e sui controlli dai sistemi di rilevamento delle perdite sottili Kr-85.

Bruciare è un'operazione di stress termico e elettrico per determinare l'affidabilità del dispositivo confezionato finale. I dispositivi vengono collocati in un forno a temperatura controllata per un lungo periodo di tempo utilizzando un'atmosfera ambiente o un'atmosfera inerte di azoto. Le temperature vanno da 125°C a 200°C (150°C è una media) e periodi di tempo da poche ore a 1,000 ore (48 ore è una media).

Test finale

Per una caratterizzazione finale delle prestazioni del dispositivo semiconduttore in silicio confezionato, viene eseguito un test elettrico finale. A causa dell'elevato numero e della complessità dei test richiesti, un computer esegue e valuta il test di numerosi parametri importanti per l'eventuale funzionamento del dispositivo.

Segna e impacchetta

L'identificazione fisica del dispositivo confezionato finale viene ottenuta mediante l'uso di una varietà di sistemi di marcatura. Le due principali categorie di marcatura dei componenti sono la stampa a contatto e senza contatto. La stampa a contatto in genere incorpora una tecnica offset rotativa che utilizza inchiostri a base di solvente. La stampa senza contatto, che trasferisce i segni senza contatto fisico, prevede la stampa con testina a getto d'inchiostro o toner utilizzando inchiostri a base di solventi o marcatura laser.

I solventi utilizzati come supporto per gli inchiostri da stampa e come pre-pulitore sono tipicamente composti da una miscela di alcoli (etanolo) ed esteri (acetato di etile). La maggior parte dei sistemi di marcatura dei componenti, diversi dalla marcatura laser, utilizza inchiostri che richiedono un passaggio aggiuntivo per l'impostazione o l'indurimento. Questi metodi di indurimento sono l'indurimento all'aria, l'indurimento a caldo (termico o infrarosso) e l'indurimento a raggi ultravioletti. Gli inchiostri a polimerizzazione ultravioletta non contengono solventi.

I sistemi di marcatura laser utilizzano un anidride carbonica ad alta potenza (CO2) o un laser al neodimio:ittrio ad alta potenza. Questi laser sono generalmente incorporati nell'apparecchiatura e dispongono di armadi interbloccati che racchiudono il percorso del raggio e il punto in cui il raggio entra in contatto con il bersaglio. Questo elimina il pericolo del raggio laser durante le normali operazioni, ma c'è un problema quando gli interblocchi di sicurezza vengono disattivati. L'operazione più comune in cui è necessario rimuovere gli involucri del raggio e annullare gli interblocchi è l'allineamento del raggio laser.

Durante queste operazioni di manutenzione, idealmente la stanza contenente il laser dovrebbe essere evacuata, fatta eccezione per i necessari tecnici di manutenzione, con le porte della stanza chiuse a chiave e affisse con idonea segnaletica di sicurezza laser. Tuttavia, i laser ad alta potenza utilizzati nella produzione di semiconduttori si trovano spesso in grandi aree di produzione aperte, rendendo poco pratico il trasferimento del personale non addetto alla manutenzione durante la manutenzione. Per queste situazioni, viene tipicamente istituita un'area di controllo temporanea. Normalmente queste aree di controllo sono costituite da tende laser o schermi di saldatura in grado di resistere al contatto diretto con il raggio laser. L'ingresso all'area di controllo temporanea avviene solitamente attraverso un ingresso nel labirinto che viene affisso con un segnale di avvertimento ogni volta che gli interblocchi per il laser vengono disattivati. Altre precauzioni di sicurezza durante l'allineamento del raggio sono simili a quelle richieste per il funzionamento di un laser ad alta potenza a raggio aperto (ad es. addestramento, protezione degli occhi, procedure scritte e così via).

I laser ad alta potenza sono anche uno dei rischi elettrici più significativi nell'industria dei semiconduttori. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dell'utensile esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'armadio.

Oltre al pericolo del raggio e del pericolo elettrico, è necessario prestare attenzione anche durante l'esecuzione della manutenzione dei sistemi di marcatura laser a causa della potenziale contaminazione chimica dovuta al triossido di antimonio ritardante di fiamma e al berillio (le confezioni di ceramica contenenti questo composto saranno etichettate). I fumi si possono creare durante la marcatura con i laser ad alta potenza e creare residui sulle superfici delle apparecchiature e sui filtri di aspirazione dei fumi.

Gli sgrassatori sono stati utilizzati in passato per pulire i semiconduttori prima che fossero contrassegnati con codici di identificazione. L'esposizione ai solventi al di sopra del limite di esposizione professionale applicabile nell'aria può facilmente verificarsi se la testa di un operatore è posizionata al di sotto delle serpentine di raffreddamento che causano la ricondensazione dei vapori, come può accadere quando un operatore tenta di recuperare parti cadute o quando un tecnico pulisce i residui dal fondo di l'unità (Baldwin e Stewart 1989). L'uso di sgrassanti è stato notevolmente ridotto nell'industria dei semiconduttori a causa delle restrizioni sull'uso di sostanze che riducono lo strato di ozono come clorofluorocarburi e solventi clorurati.

Analisi dei guasti e garanzia della qualità

I laboratori di analisi dei guasti e di analisi della qualità in genere eseguono varie operazioni utilizzate per garantire l'affidabilità dei dispositivi. Alcune delle operazioni eseguite in questi laboratori presentano il potenziale per l'esposizione dei dipendenti. Questi includono:

  • test di marcatura utilizzando vari solventi e miscele corrosive in bicchieri riscaldati su piastre riscaldanti. Per controllare le emissioni fuggitive è necessaria una ventilazione di scarico locale (LEV) sotto forma di una cappa metallica con velocità frontali adeguate. Le soluzioni di monoetanolamina possono provocare esposizioni superiori al limite di esposizione nell'aria (Baldwin e Williams 1996).
  • test di bolle/perdite utilizzando fluorocarburi ad alto peso molecolare (nome commerciale Fluorinerts)
  • unità di imballaggio a raggi X.

 

Il cobalto-60 (fino a 26,000 curie) viene utilizzato negli irradiatori per testare la capacità dei circuiti integrati di resistere all'esposizione alle radiazioni gamma nelle applicazioni militari e spaziali. In condizioni normali, l'esposizione del personale a questa operazione è inferiore a 5 millisievert (500 millirem) all'anno (Baldwin e Stewart 1989). I controlli per questa operazione in qualche modo specializzata sono simili a quelli utilizzati per i sistemi a perdite fini Kr-85 (ad esempio, stanza isolata, monitor di radiazione continua, monitoraggio dell'esposizione del personale e così via).

Nel processo di analisi dei guasti vengono utilizzate piccole fonti alfa con "licenza specifica" (ad es. micro e millicurie di americio-241). Queste sorgenti sono coperte da un sottile rivestimento protettivo chiamato finestra che consente l'emissione di particelle alfa dalla sorgente per testare la capacità del circuito integrato di funzionare quando viene bombardato da particelle alfa. In genere le sorgenti vengono controllate periodicamente (ad esempio, semestralmente) per la fuoriuscita di materiale radioattivo che può verificarsi se la finestra di protezione è danneggiata. Qualsiasi perdita rilevabile di solito fa scattare la rimozione della sorgente e la sua spedizione al produttore.

I sistemi a raggi X in cabina vengono utilizzati per controllare lo spessore dei rivestimenti metallici e per identificare i difetti (ad es. bolle d'aria nelle confezioni di composti per stampi). Sebbene non costituiscano una fonte significativa di perdite, queste unità vengono generalmente controllate periodicamente (ad es. annualmente) con un rilevatore portatile per perdite di raggi X e ispezionate per garantire che i dispositivi di blocco delle porte funzionino correttamente.

Spedizione

La spedizione è l'endpoint del coinvolgimento della maggior parte dei produttori di dispositivi a semiconduttore in silicio. I produttori commerciali di semiconduttori vendono i propri prodotti ad altri produttori di prodotti finali, mentre i produttori vincolati utilizzano i dispositivi per i propri prodotti finali.

Studio sulla salute

Ogni fase del processo utilizza un particolare insieme di prodotti chimici e strumenti che comportano specifici problemi EHS. Oltre alle preoccupazioni associate a specifiche fasi di processo nella lavorazione dei dispositivi semiconduttori in silicio, uno studio epidemiologico ha studiato gli effetti sulla salute tra i dipendenti dell'industria dei semiconduttori (Schenker et al. 1992). Si veda anche la discussione nell'articolo “Effetti sulla salute e modelli di malattia”.

La principale conclusione dello studio è stata che il lavoro nelle strutture di fabbricazione di semiconduttori è associato a un aumento del tasso di aborti spontanei (SAB). Nella componente storica dello studio, il numero di gravidanze studiate nei dipendenti della fabbricazione e non della fabbricazione era approssimativamente uguale (rispettivamente 447 e 444), ma si sono verificati più aborti spontanei nella fabbricazione (n=67) rispetto ai non-fabbricazione (n=46) . Se aggiustato per vari fattori che potrebbero causare bias (età, etnia, fumo, stress, stato socio-economico e storia di gravidanza) il rischio relativo (RR) per fabbricazione rispetto a non fabbricazione era 1.43 (intervallo di confidenza 95%=0.95-2.09) .

I ricercatori hanno collegato l'aumento del tasso di SAB con l'esposizione a determinati eteri glicolici a base di etilene (EGE) utilizzati nella produzione di semiconduttori. Gli eteri glicolici specifici coinvolti nello studio e sospettati di causare effetti avversi sulla riproduzione sono:

  • 2-metossietanolo (CAS 109-86-4)
  • 2-metossietil acetato (CAS 110-49-6)
  • 2-etossietil acetato (CAS 111-15-9).

 

Sebbene non facciano parte dello studio, altri due glicoleteri utilizzati nell'industria, il 2-etossietanolo (CAS 110-80-5) e il dietilenglicole dimetiletere (CAS 111-96-6) hanno effetti tossici simili e sono stati vietati da alcuni produttori di semiconduttori.

Oltre a un aumento del tasso di SAB associato all'esposizione a determinati eteri glicolici, lo studio ha anche concluso:

  • Esisteva un'associazione incoerente per l'esposizione al fluoruro (nell'incisione) e il SAB.
  • Lo stress auto-riferito era un forte fattore di rischio indipendente per SAB tra le donne che lavoravano nelle aree di fabbricazione.
  • Ci è voluto più tempo per le donne che lavorano nell'area di fabbricazione per rimanere incinte rispetto alle donne nelle aree non di fabbricazione.
  • Un aumento dei sintomi respiratori (irritazione di occhi, naso e gola e respiro sibilante) era presente per i lavoratori di fabbricazione rispetto ai lavoratori non di fabbricazione.
  • I sintomi muscoloscheletrici dell'estremità distale superiore, come dolore alla mano, al polso, al gomito e all'avambraccio, sono stati associati al lavoro in sala di fabbricazione.
  • Dermatite e perdita di capelli (alopecia) sono state segnalate più frequentemente tra i lavoratori della fabbricazione rispetto ai lavoratori non di fabbricazione.

 

Revisione dell'attrezzatura

La complessità delle apparecchiature per la produzione di semiconduttori, unita ai continui progressi nei processi di produzione, rende la revisione prima dell'installazione di nuove apparecchiature di processo importante per ridurre al minimo i rischi EHS. Due processi di revisione delle apparecchiature aiutano a garantire che le nuove apparecchiature di processo dei semiconduttori dispongano di controlli EHS appropriati: marchio CE e standard SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International).

La marcatura CE è una dichiarazione del produttore che attesta che l'apparecchiatura così contrassegnata è conforme ai requisiti di tutte le Direttive applicabili dell'Unione Europea (UE). Per le apparecchiature di produzione di semiconduttori, la direttiva macchine (MD), la direttiva sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) e la direttiva sulla bassa tensione (LVD) sono considerate le direttive più applicabili.

Nel caso della Direttiva EMC, i servizi di un organismo competente (organizzazione ufficialmente autorizzata da uno stato membro dell'UE) devono essere mantenuti per definire i requisiti di prova e approvare i risultati dell'esame. MD e LVD possono essere valutati dal fabbricante o da un organismo notificato (organizzazione ufficialmente autorizzata da uno stato membro dell'UE). Indipendentemente dal percorso scelto (autovalutazione o terze parti) è l'importatore registrato che è responsabile della marcatura CE del prodotto importato. Possono utilizzare le informazioni di terze parti o di autovalutazione come base per ritenere che l'apparecchiatura soddisfi i requisiti delle direttive applicabili, ma, alla fine, prepareranno la dichiarazione di conformità e apporranno la marcatura CE da soli.

Semiconductor Equipment and Materials International è un'associazione di categoria internazionale che rappresenta i fornitori di apparecchiature e materiali per schermi piatti e semiconduttori. Tra le sue attività c'è lo sviluppo di standard tecnici volontari che sono accordi tra fornitori e clienti volti a migliorare la qualità e l'affidabilità del prodotto a un prezzo ragionevole e una fornitura costante.

Due standard SEMI che si applicano specificamente ai problemi EHS per le nuove apparecchiature sono SEMI S2 e SEMI S8. SEMI S2-93, Linee guida sulla sicurezza per apparecchiature per la produzione di semiconduttori, è inteso come un insieme minimo di considerazioni EHS basate sulle prestazioni per le apparecchiature utilizzate nella produzione di semiconduttori. SEMI S8-95, Guida per l'utente sui criteri ergonomici di successo del fornitore, espande la sezione sull'ergonomia in SEMI S2.

Molti produttori di semiconduttori richiedono che le nuove apparecchiature siano certificate da una terza parte come conformi ai requisiti di SEMI S2. Le linee guida per l'interpretazione di SEMI S2-93 e SEMI S8-95 sono contenute in una pubblicazione del consorzio industriale SEMATECH (SEMATECH 1996). Ulteriori informazioni su SEMI sono disponibili sul web mondiale (http://www.semi.org).

Manipolazione chimica

Erogazione liquidi

Con i sistemi automatizzati di erogazione di sostanze chimiche che diventano la regola, non l'eccezione, il numero di ustioni chimiche per i dipendenti è diminuito. Tuttavia, è necessario installare adeguate protezioni in questi sistemi automatizzati di erogazione di sostanze chimiche. Questi includono:

  • rilevamento delle perdite e spegnimento automatico alla fonte di alimentazione alla rinfusa e alle scatole di giunzione
  • doppio contenimento delle linee se la sostanza chimica è considerata un materiale pericoloso
  • sensori di alto livello agli endpoint (bagno o recipiente degli strumenti)
  • spegnimento temporizzato della pompa (consente di pompare solo una quantità specifica in una posizione prima che si spenga automaticamente).

Erogazione gas

La sicurezza della distribuzione del gas è migliorata notevolmente nel corso degli anni con l'avvento di nuovi tipi di valvole per bombole, orifizi a flusso limitato incorporati nella bombola, pannelli automatizzati per lo spurgo del gas, rilevamento e intercettazione di portate elevate e attrezzature più sofisticate per il rilevamento delle perdite. A causa della sua proprietà piroforica e del suo ampio utilizzo come materia prima, il gas silano rappresenta il rischio di esplosione più significativo all'interno del settore. Tuttavia, gli incidenti dovuti al gas silano sono diventati più prevedibili grazie alle nuove ricerche condotte da Factory Mutual e SEMATECH. Con adeguati orifizi a flusso ridotto (RFO), pressioni di mandata e velocità di ventilazione, la maggior parte degli incidenti esplosivi è stata eliminata (SEMATECH 1995).

Diversi incidenti di sicurezza si sono verificati negli ultimi anni a causa di una miscelazione incontrollata di gas incompatibili. A causa di questi incidenti, i produttori di semiconduttori spesso riesaminano le installazioni delle linee del gas e le scatole del gas degli strumenti per garantire che non si verifichino miscelazioni improprie e/o riflussi di gas.

I problemi chimici in genere generano le maggiori preoccupazioni nella produzione di semiconduttori. Tuttavia, la maggior parte degli infortuni e dei decessi all'interno del settore derivano da rischi non chimici.

Sicurezza Impianti elettrici

Esistono numerosi rischi elettrici associati alle apparecchiature utilizzate in questo settore. Gli interblocchi di sicurezza svolgono un ruolo importante nella sicurezza elettrica, ma questi interblocchi sono spesso ignorati dai tecnici della manutenzione. Una quantità significativa di lavori di manutenzione viene generalmente eseguita mentre l'apparecchiatura è ancora sotto tensione o solo parzialmente diseccitata. I rischi elettrici più significativi sono associati agli impiantatori ionici e agli alimentatori laser. Anche dopo l'interruzione dell'alimentazione, all'interno dell'utensile esiste un notevole potenziale di shock che deve essere dissipato prima di lavorare all'interno dell'utensile. Il processo di revisione SEMI S2 negli Stati Uniti e il marchio CE in Europa hanno contribuito a migliorare la sicurezza elettrica per le nuove apparecchiature, ma le operazioni di manutenzione non sono sempre adeguatamente considerate. È necessaria un'attenta revisione delle operazioni di manutenzione e dei rischi elettrici per tutte le apparecchiature di nuova installazione.

Il secondo nell'elenco dei rischi elettrici è l'insieme di apparecchiature che generano energia RF durante i processi di incisione, sputtering e pulizia della camera. Sono necessarie una schermatura e una messa a terra adeguate per ridurre al minimo il rischio di ustioni RF.

Questi rischi elettrici e i numerosi strumenti che non vengono spenti durante le operazioni di manutenzione richiedono ai tecnici di manutenzione di impiegare altri mezzi per proteggersi, come le procedure di lockout/tagout. I rischi elettrici non sono le uniche fonti di energia che vengono affrontate con lockout/tagout. Altre fonti di energia includono linee pressurizzate, molte contenenti gas o liquidi pericolosi e controlli pneumatici. Le disconnessioni per il controllo di queste fonti di energia devono trovarsi in un luogo prontamente disponibile, all'interno del fab (fabbricazione) o un'area di inseguimento in cui il dipendente lavorerà, piuttosto che in luoghi scomodi come subfabs.

Ergonomia

L'interfaccia tra il dipendente e lo strumento continua a causare lesioni. Sforzi muscolari e distorsioni sono abbastanza comuni nell'industria dei semiconduttori, specialmente con il tecnico della manutenzione. L'accesso alle pompe, ai coperchi delle camere e così via spesso non è ben progettato durante la produzione dell'utensile e durante il posizionamento dell'utensile nella fabbrica. Le pompe devono essere su ruote o collocate in cassetti o vassoi estraibili. I dispositivi di sollevamento devono essere incorporati per molte operazioni.

La semplice manipolazione dei wafer causa rischi ergonomici, specialmente nelle strutture più vecchie. Le strutture più recenti in genere hanno wafer più grandi e quindi richiedono sistemi di movimentazione più automatizzati. Molti di questi sistemi di manipolazione dei wafer sono considerati dispositivi robotici e le preoccupazioni per la sicurezza di questi sistemi devono essere prese in considerazione quando vengono progettati e installati (ANSI 1986).

Sicurezza Antincendio

Oltre al gas silano, che è già stato affrontato, il gas idrogeno ha il potenziale per rappresentare un rischio di incendio significativo. Tuttavia, è meglio compreso e l'industria non ha riscontrato molti problemi importanti associati all'idrogeno.

Il pericolo di incendio più grave ora è associato a ponti bagnati o bagni di incisione. I tipici materiali plastici di costruzione (cloruro di polivinile, polipropilene e polipropilene ignifugo) sono stati tutti coinvolti nella fab incendi. La fonte di accensione può essere un riscaldatore del bagno di incisione o placcatura, i controlli elettrici montati direttamente sulla plastica o uno strumento adiacente. Se si verifica un incendio con uno di questi strumenti di plastica, la contaminazione da particelle e i prodotti di combustione corrosivi si diffondono in tutto il fab. La perdita economica è elevata a causa dei tempi di inattività della fabbrica mentre l'area e le attrezzature vengono riportate agli standard delle camere bianche. Spesso alcune attrezzature costose non possono essere adeguatamente decontaminate e devono essere acquistate nuove attrezzature. Pertanto, un'adeguata prevenzione e protezione antincendio sono entrambe fondamentali.

La prevenzione degli incendi può essere affrontata con diversi materiali da costruzione non combustibili. L'acciaio inossidabile è il materiale di costruzione preferito per questi ponti bagnati, ma spesso il processo non "accetta" uno strumento di metallo. Esistono materie plastiche con minore potenziale di fuoco/fumo, ma non sono state ancora adeguatamente testate per determinare se saranno compatibili con i processi di produzione dei semiconduttori.

Per la protezione antincendio, questi strumenti devono essere protetti da una protezione sprinkler non ostruita. Il posizionamento dei filtri HEPA sopra i banchi bagnati spesso blocca le testine degli irrigatori. In tal caso, sotto i filtri vengono installate testine sprinkler aggiuntive. Molte aziende richiedono anche l'installazione di un sistema di rilevamento e soppressione degli incendi all'interno delle cavità del plenum su questi strumenti, dove si innescano molti incendi.

 

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Sabato, Aprile 02 2011 18: 39

Display a cristalli liquidi

I display a cristalli liquidi (LCD) sono disponibili in commercio dagli anni '1970. Sono comunemente usati in orologi, calcolatrici, radio e altri prodotti che richiedono indicatori e tre o quattro caratteri alfanumerici. I recenti miglioramenti nei materiali a cristalli liquidi consentono la produzione di display di grandi dimensioni. Sebbene gli LCD rappresentino solo una piccola parte dell'industria dei semiconduttori, la loro importanza è cresciuta con il loro utilizzo nei display a schermo piatto per computer portatili, computer portatili molto leggeri e elaboratori di testi dedicati. Si prevede che l'importanza degli LCD continuerà a crescere poiché alla fine sostituiranno l'ultimo tubo a vuoto comunemente usato nell'elettronica: il tubo a raggi catodici (CRT) (O'Mara 1993).

La produzione di LCD è un processo molto specializzato. I risultati del monitoraggio dell'igiene industriale indicano livelli molto bassi di contaminanti aerodispersi per le varie esposizioni ai solventi monitorate (Wade et al. 1981). In generale, i tipi e le quantità di sostanze chimiche tossiche, corrosive e infiammabili solide, liquide e gassose e di agenti fisici pericolosi in uso sono limitati rispetto ad altri tipi di produzione di semiconduttori.

I materiali a cristalli liquidi sono molecole simili a bastoncini esemplificate dalle molecole di cianobifenile mostrate nella figura 1. Queste molecole possiedono la proprietà di ruotare la direzione della luce polarizzata che le attraversa. Sebbene le molecole siano trasparenti alla luce visibile, un contenitore del materiale liquido appare lattiginoso o traslucido invece che trasparente. Ciò si verifica perché l'asse lungo delle molecole è allineato ad angoli casuali, quindi la luce viene diffusa in modo casuale. Una cella di visualizzazione a cristalli liquidi è disposta in modo che le molecole seguano uno specifico allineamento. Questo allineamento può essere modificato con un campo elettrico esterno, consentendo di modificare la polarizzazione della luce in entrata.

Figura 1. Molecole polimeriche di base a cristalli liquidi

MIC030F1

Nella produzione di display a schermo piatto, due substrati di vetro vengono lavorati separatamente, quindi uniti insieme. Il substrato anteriore è modellato per creare una matrice di filtri colorati. Il substrato di vetro posteriore è modellato per formare transistor a film sottile e le linee di interconnessione metalliche. Queste due lastre vengono accoppiate durante il processo di assemblaggio e, se necessario, tagliate e separate in display individuali. Il materiale a cristalli liquidi viene iniettato in uno spazio tra le due lastre di vetro. I display vengono ispezionati e testati e su ogni lastra di vetro viene applicata una pellicola polarizzante.

Per la produzione di display a schermo piatto sono necessari numerosi processi individuali. Richiedono attrezzature, materiali e processi specializzati. Alcuni processi chiave sono descritti di seguito.

Preparazione del substrato di vetro

Il substrato di vetro è un componente essenziale e costoso del display. È necessario un controllo molto stretto delle proprietà ottiche e meccaniche del materiale in ogni fase del processo, specialmente quando è coinvolto il riscaldamento.

Fabbricazione del vetro

Vengono utilizzati due processi per realizzare vetri molto sottili con dimensioni molto precise e proprietà meccaniche riproducibili. Il processo di fusione, sviluppato da Corning, utilizza un'asta di alimentazione del vetro che si fonde in un trogolo a forma di cuneo e scorre su e sopra i lati del trogolo. Scorrendo lungo entrambi i lati del trogolo, il vetro fuso si unisce in un unico foglio sul fondo del trogolo e può essere tirato verso il basso come un foglio uniforme. Lo spessore della lastra è controllato dalla velocità di estrazione del vetro. Si possono ottenere larghezze fino a quasi 1 m.

Altri produttori di vetro con le dimensioni appropriate per i substrati LCD utilizzano il metodo di produzione float. In questo metodo, il vetro fuso viene lasciato fuoriuscire su un letto di stagno fuso. Il vetro non si dissolve né reagisce con lo stagno metallico, ma galleggia sulla superficie. Ciò consente alla gravità di levigare la superficie e consentire a entrambi i lati di diventare paralleli. (Vedi il cap Vetro, ceramica e materiali affini.)

È disponibile una varietà di formati di supporto che si estendono fino a 450 × 550 mm e oltre. Lo spessore tipico del vetro per i display a schermo piatto è di 1.1 mm. Il vetro più sottile viene utilizzato per alcuni display più piccoli, come cercapersone, telefoni, giochi e così via.

Taglio, bisellatura e lucidatura

I substrati di vetro vengono tagliati a misura dopo il processo di fusione o frattazzo, tipicamente a circa 1 m di lato. Diverse operazioni meccaniche seguono il processo di formatura, a seconda dell'applicazione finale del materiale.

Poiché il vetro è fragile e facilmente scheggiato o incrinato ai bordi, questi sono tipicamente smussati, smussati o trattati in altro modo per ridurre la scheggiatura durante la manipolazione. Le sollecitazioni termiche sulle crepe dei bordi si accumulano durante la lavorazione del substrato e portano alla rottura. La rottura del vetro è un problema significativo durante la produzione. Oltre alla possibilità di tagli e lacerazioni dei dipendenti, rappresenta una perdita di rendimento e frammenti di vetro potrebbero rimanere nell'apparecchiatura, causando contaminazione da particolato o graffi di altri substrati.

L'aumento delle dimensioni del substrato comporta maggiori difficoltà per la lucidatura del vetro. I substrati di grandi dimensioni vengono montati su supporti utilizzando cera o altro adesivo e lucidati utilizzando un impasto di materiale abrasivo. Questo processo di lucidatura deve essere seguito da un'accurata pulizia chimica per rimuovere qualsiasi residuo di cera o altri residui organici, nonché i contaminanti metallici contenuti nel mezzo abrasivo o lucidante.

Pulizia

I processi di pulizia vengono utilizzati per substrati di vetro nudo e per substrati ricoperti di film organici, come filtri colorati, film di orientamento in poliimmide e così via. Inoltre, i substrati con film semiconduttori, isolanti e metallici richiedono la pulizia in determinati punti durante il processo di fabbricazione. Come minimo, è richiesta la pulizia prima di ogni fase di mascheratura nella fabbricazione di filtri colorati o transistor a film sottile.

La maggior parte della pulizia dei pannelli piatti impiega una combinazione di metodi fisici e chimici, con l'uso selettivo di metodi a secco. Dopo l'attacco chimico o la pulizia, i substrati vengono solitamente asciugati con alcol isopropilico. (Vedi tabella 1.)

Tabella 1. Pulizia dei display a schermo piatto

Pulizia fisica

Lavaggio a secco

Pulizia chimica

Lavaggio a pennello

Ozono ultravioletto

Solvente organico*

Getto d'acqua

Plasma (ossido)

Detergente neutro

Ultrasonico

Plasma (non ossido)

 

Megasonico

Laser

Acqua pura

* I comuni solventi organici utilizzati nella pulizia chimica includono: acetone, metanolo, etanolo, n-propanolo, isomeri di xilene, tricloroetilene, tetracloroetilene.

Formazione del filtro colore

La formazione del filtro colorato sul substrato di vetro anteriore include alcune delle fasi di finitura e preparazione del vetro comuni ai pannelli anteriore e posteriore, compresi i processi di smussatura e lappatura. Operazioni come la modellatura, il rivestimento e l'indurimento vengono eseguite ripetutamente sul substrato. Esistono molti punti in comune con la lavorazione dei wafer di silicio. I substrati di vetro vengono normalmente manipolati nei sistemi di binari per la pulizia e il rivestimento.

Motivo del filtro colore

Vari materiali e metodi di applicazione vengono utilizzati per creare filtri colorati per vari tipi di display a schermo piatto. È possibile utilizzare un colorante o un pigmento e uno dei due può essere depositato e modellato in diversi modi. In un approccio, la gelatina viene depositata e colorata in successive operazioni fotolitografiche, utilizzando apparecchiature di stampa di prossimità e fotoresist standard. In un altro vengono impiegati pigmenti dispersi in fotoresist. Altri metodi per formare filtri colorati includono l'elettrodeposizione, l'incisione e la stampa.

Deposizione ITO

Dopo la formazione del filtro colorato, la fase finale è la deposizione per sputtering di un materiale trasparente per l'elettrodo. Questo è l'ossido di indio-stagno (ITO), che in realtà è una miscela degli ossidi In2O3 e SnO2. Questo materiale è l'unico adatto per l'applicazione di conduttori trasparenti per LCD. È necessaria una sottile pellicola ITO su entrambi i lati del display. In genere, i film ITO vengono realizzati utilizzando l'evaporazione sotto vuoto e lo sputtering.

Le pellicole sottili di ITO sono facili da incidere con sostanze chimiche umide come l'acido cloridrico, ma, poiché il passo degli elettrodi si riduce e le caratteristiche diventano più fini, può essere necessario eseguire l'incisione a secco per evitare la sottosquadro delle linee a causa della sovraincisione.

Formazione di transistor a film sottile

La formazione di transistor a film sottile è molto simile alla fabbricazione di un circuito integrato.

Deposizione di film sottili

I substrati iniziano il processo di fabbricazione con una fase di applicazione del film sottile. I film sottili vengono depositati mediante CVD o deposizione fisica da vapore (PVD). La CVD potenziata dal plasma, nota anche come scarica a bagliore, viene utilizzata per silicio amorfo, nitruro di silicio e biossido di silicio.

Modello del dispositivo

Una volta che il film sottile è stato depositato, viene applicato un fotoresist e ripreso per consentire l'attacco del film sottile alle dimensioni appropriate. Una sequenza di film sottili viene depositata e incisa, come nella fabbricazione di circuiti integrati.

Applicazione e sfregamento della pellicola di orientamento

Sia sul substrato superiore che su quello inferiore viene depositato un sottile film polimerico per l'orientamento delle molecole di cristalli liquidi sulla superficie del vetro. Questa pellicola di orientamento, spessa forse 0.1 μm, può essere una poliimmide o un altro materiale polimerico "duro". Dopo la deposizione e la cottura, viene strofinato con tessuto in una direzione specifica, lasciando solchi appena percettibili sulla superficie. Lo sfregamento può essere eseguito con un panno una volta passato su un nastro, alimentato da un rullo su un lato, passando sotto un rullo a contatto con il substrato, su un rullo sull'altro lato. Il substrato si muove sotto il telo nella stessa direzione del telo. Altri metodi includono una spazzola mobile che si muove attraverso il substrato. Il pelo del materiale di sfregamento è importante. Le scanalature servono ad aiutare le molecole di cristalli liquidi ad allinearsi alla superficie del substrato e ad assumere il corretto angolo di inclinazione.

La pellicola di orientamento può essere depositata mediante spin coating o mediante stampa. Il metodo di stampa è più efficiente nell'uso del materiale; Dal 70 all'80% della poliimmide viene trasferito dal rullo di stampa alla superficie del substrato.

montaggio

Una volta completata la fase di sfregamento del substrato, viene avviata una sequenza di catena di montaggio automatizzata, che consiste in:

  • applicazione adesivo (necessario per la sigillatura dei pannelli)
  • applicazione del distanziatore
  • posizione e allineamento ottico di una piastra rispetto all'altra
  • esposizione (calore o UV) per polimerizzare l'adesivo e unire insieme le due lastre di vetro.

 

Il trasporto automatizzato delle lastre superiori e inferiori avviene attraverso la linea. Una piastra riceve l'adesivo e la seconda piastra viene introdotta nella stazione di applicazione del distanziatore.

Iniezione di cristalli liquidi

Nel caso in cui sul substrato sia stato costruito più di un display, i display vengono ora separati mediante slicing. A questo punto, il materiale a cristalli liquidi può essere introdotto nell'intercapedine tra i substrati, sfruttando un foro lasciato nel materiale di tenuta. Questo foro di ingresso viene quindi sigillato e preparato per l'ispezione finale. I materiali a cristalli liquidi vengono spesso forniti come sistemi a due o tre componenti che vengono miscelati all'iniezione. I sistemi di iniezione forniscono la miscelazione e lo spurgo della cella per evitare l'intrappolamento di bolle durante il processo di riempimento.

Ispezione e test

L'ispezione e il test funzionale vengono eseguiti dopo l'assemblaggio e l'iniezione di cristalli liquidi. La maggior parte dei difetti è correlata a particelle (inclusi difetti puntiformi e lineari) e problemi di gap cellulare.

Attacco polarizzatore

La fase di produzione finale per lo stesso display a cristalli liquidi è l'applicazione del polarizzatore all'esterno di ciascuna lastra di vetro. Le pellicole polarizzatori sono pellicole composite che contengono lo strato adesivo sensibile alla pressione necessario per fissare il polarizzatore al vetro. Sono applicati da macchine automatiche che erogano il materiale da rotoli o fogli pretagliati. Le macchine sono varianti di etichettatrici sviluppate per altri settori. La pellicola polarizzante è fissata su entrambi i lati del display.

In alcuni casi, prima del polarizzatore viene applicata una pellicola di compensazione. I film di compensazione sono film polimerici (ad es. policarbonato e polimetilmetacrilato) che vengono stirati in una direzione. Questo allungamento modifica le proprietà ottiche del film.

Un display completato avrà normalmente circuiti integrati driver montati su o vicino a uno dei substrati di vetro, solitamente il lato del transistor a film sottile.

Pericoli

La rottura del vetro è un rischio significativo nella produzione di LCD. Possono verificarsi tagli e lacerazioni. L'esposizione a sostanze chimiche utilizzate per la pulizia è un'altra preoccupazione.

 

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Sabato, Aprile 02 2011 18: 40

Produzione di semiconduttori III-V

Il silicio ha storicamente dominato lo sviluppo della tecnologia dei circuiti integrati come materiale semiconduttore primario. L'attenzione principale negli ultimi anni su un'alternativa al silicio si è concentrata sui composti III-V, come l'arseniuro di gallio (GaAs), come materiale di substrato. Come materiale semiconduttore, GaAs mostra maggiori capacità rispetto al silicio, come la mobilità degli elettroni da 5 a 6 volte quella del silicio. Questa caratteristica, unita alle potenziali proprietà semiisolanti del GaAs, porta ad un aumento delle prestazioni sia in termini di velocità che di consumo energetico.

GaAs ha una struttura di blenda di zinco costituita da due sottoreticoli cubici centrati sulla faccia interpenetranti che si riferiscono alla crescita di materiale lingotto di alta qualità. La tecnologia coinvolta nella crescita di GaAs è considerevolmente più complicata di quella impiegata per il silicio, poiché è coinvolto un equilibrio bifase più complicato e un componente altamente volatile, l'arsenico (As). È necessario un controllo preciso della pressione del vapore di As nel sistema di crescita del lingotto per mantenere l'esatta stechiometria del composto GaAs durante il processo di crescita. Due categorie principali di display a semiconduttore III-V e produzione di dispositivi hanno procedure di elaborazione economicamente fattibili: display a LED e dispositivi IC a microonde.

I LED sono fabbricati da GaAs a cristallo singolo in cui le giunzioni pn sono formate dall'aggiunta di agenti droganti adatti, tipicamente tellurio, zinco o silicio. Strati epitassiali di materiali III-V ternari e quaternari come il fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP) vengono cresciuti sul substrato e danno luogo a una banda di emissione di lunghezze d'onda specifiche nello spettro visibile per i display o nello spettro infrarosso per emettitori o rilevatori. Ad esempio, la luce rossa con un picco a circa 650 nm proviene dalla ricombinazione diretta degli elettroni pn e delle lacune. I diodi a emissione verde sono generalmente composti da fosfuro di gallio (GaP). Le fasi di elaborazione dei LED generalizzate sono trattate in questo articolo.

I dispositivi IC a microonde sono una forma specializzata di circuito integrato; sono utilizzati come amplificatori ad alta frequenza (da 2 a 18 GHz) per radar, telecomunicazioni e telemetria, nonché per amplificatori di ottava e multiottava per l'uso in sistemi di guerra elettronica. I produttori di dispositivi IC a microonde in genere acquistano un substrato GaAs a cristallo singolo, con o senza uno strato epitassiale, da fornitori esterni (così come i produttori di dispositivi in ​​silicio). Le principali fasi di lavorazione includono la deposizione epitassiale in fase liquida, la fabbricazione e l'elaborazione non di fabbricazione simile alla produzione di dispositivi in ​​silicio. In questo articolo vengono discusse anche le fasi di elaborazione che giustificano una descrizione aggiuntiva rispetto a quella per l'elaborazione dei LED.

Produzione di wafer

Analogamente al processo di crescita del lingotto di silicio, le forme elementari di gallio e arsenico, oltre a piccole quantità di materiale drogante (silicio, tellurio o zinco), vengono fatte reagire a temperature elevate per formare lingotti di GaAs monocristallino drogato. Vengono utilizzati tre metodi generalizzati di produzione di lingotti:

  • Bridgeman orizzontale o verticale
  • congelamento gradiente orizzontale o verticale
  • Czochralski incapsulato liquido ad alta o bassa pressione (LEC).

 

Il composto GaAs policristallino sfuso è normalmente formato dalla reazione del vapore di As con il metallo Ga a temperature elevate in fiale di quarzo sigillate. Tipicamente, un serbatoio di As situato a un'estremità dell'ampolla viene riscaldato a 618°C. Questo genera circa 1 atmosfera di tensione di vapore di As nell'ampolla, un prerequisito per ottenere GaAs stechiometrico. Il vapore di As reagisce con il metallo Ga mantenuto a 1,238°C e situato all'altra estremità dell'ampolla in una barca di quarzo o nitruro di boro pirolitico (PBN). Dopo che l'arsenico ha reagito completamente, si forma una carica policristallina. Questo viene utilizzato per la crescita di cristalli singoli mediante raffreddamento programmato (congelamento gradiente) o spostando fisicamente l'ampolla o il forno per fornire gradienti di temperatura adeguati per la crescita (Bridgeman). Questo approccio indiretto (trasporto dell'arsenico) per la composizione e la crescita del GaAs viene utilizzato a causa dell'elevata tensione di vapore dell'arsenico al punto di fusione del GaAs, circa 20 atmosfere a 812°C e 60 atmosfere a 1,238°C, rispettivamente.

Un altro approccio alla produzione commerciale di GaAs a cristallo singolo sfuso è la tecnica LEC. Un estrattore di cristalli di Czochralski viene caricato con un pezzo di GaAs in un crogiolo con un suscettore di grafite esterno. Il GaAs sfuso viene quindi fuso a temperature vicine a 1,238°C e il cristallo viene tirato in un'atmosfera pressurizzata che potrebbe variare in genere a seconda del produttore da poche atmosfere fino a 100 atmosfere. Il fuso è completamente incapsulato da un vetro viscoso, B2O3, che impedisce la dissociazione allo stato fuso poiché la pressione del vapore di As è eguagliata o superata dalla pressione di un gas inerte (tipicamente argon o azoto) applicato nella camera dell'estrattore. In alternativa, è possibile sintetizzare GaAs monocristallino on-site iniettando l'As nel Ga fuso o combinando As e Ga direttamente ad alta pressione.

La produzione di wafer GaAs rappresenta il processo di produzione di semiconduttori con il maggior potenziale di esposizioni chimiche significative e di routine. Mentre la produzione di wafer GaAs viene effettuata solo da una piccola percentuale di produttori di semiconduttori, è necessaria particolare attenzione in questo settore. Le grandi quantità di As utilizzate nel processo, le numerose fasi del processo e il basso limite di esposizione nell'aria per l'arsenico rendono difficile il controllo delle esposizioni. Articoli di Harrison (1986); Lenihan, Sheehy e Jones (1989); McIntyre e Sherin (1989) e Sheehy e Jones (1993) forniscono ulteriori informazioni sui pericoli e sui controlli per questo processo.

Sintesi di lingotti policristallini

Caricamento e sigillatura della fiala

Elemental As (99.9999%) in forma di pezzi viene pesato e caricato in una barca di quarzo in un vano portaoggetti esaurito. Anche il Ga liquido puro (99.9999%) e il materiale drogante vengono pesati e caricati in una o più barchette di quarzo o nitruro di boro pirolitico (PBN) nello stesso modo. Le barchette vengono caricate in una lunga ampolla cilindrica di quarzo. (Nelle tecniche Bridgman e Gradient Freeze, viene introdotto anche un cristallo seme con l'orientamento cristallografico desiderato, mentre nella tecnica LEC a due stadi, dove in questa fase è necessario solo il poli GaAs, viene sintetizzato un GaAs policristallino senza il cristallo seme. )

Le fiale di quarzo vengono poste in un forno a bassa temperatura e riscaldate mentre l'ampolla viene spurgata con idrogeno (H2), in un processo noto come reazione di riduzione dell'idrogeno, per rimuovere gli ossidi. Dopo lo spurgo con un gas inerte come l'argon, le fiale di quarzo vengono fissate a un gruppo pompa a vuoto, evacuate e le estremità delle fiale vengono riscaldate e sigillate con una torcia a idrogeno/ossigeno. Questo crea un'ampolla di quarzo caricata e sigillata pronta per la crescita della fornace. Lo spurgo dell'idrogeno e il sistema torcia idrogeno/ossigeno rappresentano un potenziale rischio di incendio/esplosione se non vengono utilizzati dispositivi e attrezzature di sicurezza adeguati (Wade et al. 1981).

Poiché l'arsenico viene riscaldato, questo gruppo viene mantenuto sotto ventilazione di scarico. Nel condotto di scarico che supporta questo gruppo possono formarsi depositi di ossido di arsenico. È necessario prestare attenzione per prevenire l'esposizione e la contaminazione nel caso in cui i condotti vengano disturbati in qualsiasi modo.

Lo stoccaggio e la manipolazione dei pezzi di arsenico è una preoccupazione. Per motivi di sicurezza, spesso l'arsenico viene conservato in depositi chiusi e con uno stretto controllo dell'inventario. Tipicamente l'arsenico viene anche conservato in un armadio di stoccaggio resistente al fuoco per prevenirne il coinvolgimento in caso di incendio.

Crescita del forno

I metodi Bridgeman e Gradient Freeze per la crescita di lingotti a cristallo singolo utilizzano entrambi ampolle di quarzo caricate e sigillate in un involucro del forno ad alta temperatura che viene sfiatato in un sistema di lavaggio a umido. I principali rischi di esposizione durante la crescita del forno si riferiscono alla possibilità che l'ampolla di quarzo imploda o esploda durante la crescita del lingotto. Questa situazione si verifica su una base piuttosto sporadica e poco frequente ed è il risultato di uno dei seguenti:

  • la pressione parziale del vapore di As che deriva dalle alte temperature utilizzate nel processo di crescita
  • devetrificazione del vetro dell'ampolla di quarzo, che crea fessure capillari e il conseguente potenziale di depressurizzazione dell'ampolla
  • mancanza di accurati dispositivi di controllo delle alte temperature sulla fonte di riscaldamento, solitamente di tipo resistivo, con conseguente sovrapressurizzazione dell'ampolla di quarzo
  • malfunzionamento o guasto della termocoppia, con conseguente sovrapressurizzazione dell'ampolla di quarzo
  • eccesso di As o troppo poco Ga nel tubo dell'ampolla, con conseguente pressione di As estremamente elevata, che può causare una catastrofica depressurizzazione dell'ampolla.

 

Il sistema Bridgeman orizzontale è costituito da un forno multizona in cui l'ampolla di quarzo sigillata ha zone di temperatura separate: l'estremità del dito "freddo" di arsenico a 618°C e la barca di cristallo di quarzo gallio/drogante/seme contenente il fuso a 1,238°C. Il principio di base del sistema Bridgeman orizzontale prevede l'attraversamento di due zone riscaldate (una sopra il punto di fusione del GaAs e una sotto il punto di fusione) su una barca di GaAs per fornire il congelamento controllato con precisione del GaAs fuso. Il cristallo seme, mantenuto sempre nella zona di congelamento, fornisce la struttura di partenza del cristallo iniziale, definendo la direzione e l'orientamento della struttura cristallina all'interno della barca. La barca di quarzo e l'ampolla di Ga e As sono sospese all'interno della camera del riscaldatore da una serie di rivestimenti in carburo di silicio chiamati tubi di supporto, che sono posizionati all'interno del gruppo del riscaldatore di resistenza per spostare meccanicamente l'intera distanza dell'ampolla. Inoltre, il gruppo del forno poggia su un tavolo che deve essere inclinato durante la crescita per fornire l'interfaccia corretta del GaAs fuso sintetizzato con il seme cristallino.

Nel metodo del gradiente di congelamento, un forno ad alta temperatura multizona che utilizza il riscaldamento a resistenza viene mantenuto a una temperatura compresa tra 1,200 e 1,300 °C (1,237 °C è il punto di fusione/congelamento del GaAs). La durata totale del processo di crescita del lingotto è in genere di 3 giorni e comprende le seguenti fasi:

  • cottura in forno a temperatura
  • Sintesi di GaAs
  • seminare il fuso
  • raffreddamento/crescita dei cristalli.

 

L'ampolla di quarzo viene anche inclinata durante il processo di crescita mediante l'uso di un martinetto manuale a forbice.

Rottura dell'ampolla

Dopo che il lingotto di GaAs a cristallo singolo è cresciuto all'interno dell'ampolla di quarzo sigillata, l'ampolla deve essere aperta e la barca di quarzo contenente il lingotto più il seme di cristallo deve essere rimossa. Ciò si ottiene con uno dei seguenti metodi:

  • tagliando l'estremità sigillata delle fiale con una sega circolare bagnata
  • riscaldare e rompere la fiala con una torcia a idrogeno/ossigeno
  • rompere l'ampolla insaccata con un martello mentre era sotto scarico per controllare l'arsenico disperso nell'aria.

 

Le fiale di quarzo vengono riciclate mediante incisione a umido dell'arsenico condensato sulla superficie interna con acqua regia (HCl, HNO3) o acido solforico/perossido di idrogeno (H2SO4/H2O2).

Sabbiatura/pulizia di lingotti

Per vedere i difetti policristallini e rimuovere ossidi esterni e contaminanti, il lingotto GaAs monocristallino deve essere sabbiato. La granigliatura viene eseguita in un'unità guantiera esausta utilizzando carburo di silicio o mezzi di sabbiatura di allumina calcinata. La pulizia a umido viene eseguita in bagni chimici dotati di ventilazione di scarico locale e utilizzo acqua regia o risciacqui alcolici (alcool isopropilico e/o metanolo).

Crescita di lingotti monocristallini

Il lingotto di GaAs policristallino recuperato dall'ampolla viene spezzato in pezzi, pesato e posto in un crogiolo di quarzo o PBN e su di esso viene posto un disco di ossido di boro. Il crogiolo viene quindi posto in un coltivatore di cristalli (estrattore) pressurizzato in un gas inerte e riscaldato a 1,238°C. A questa temperatura, il GaAs fonde, con l'ossido di boro più leggero che diventa un incapsulante liquido per impedire all'arsenico di dissociarsi dal fuso. Un seme cristallino viene introdotto nella massa fusa al di sotto del tappo liquido e, mentre ruota in senso contrario, viene lentamente ritirato dalla massa fusa, solidificandosi così quando lascia la "zona calda". Questo processo richiede circa 24 ore, a seconda della dimensione della carica e del diametro del cristallo.

Terminato il ciclo di crescita, il grower viene aperto per recuperare il lingotto monocristallino e per la pulizia. Una certa quantità di arsenico fuoriesce dalla fusione anche con il tappo del liquido in posizione. Ci può essere un'esposizione significativa all'arsenico aereo durante questa fase del processo. Per controllare questa esposizione, il coltivatore viene raffreddato a una temperatura inferiore a 100°C, il che si traduce nella deposizione di fini particelle di arsenico sulla superficie interna del coltivatore. Questo raffreddamento aiuta a ridurre al minimo la quantità di arsenico che si disperde nell'aria.

Depositi pesanti di residui contenenti arsenico vengono lasciati all'interno del coltivatore di cristalli. La rimozione dei residui durante la manutenzione preventiva di routine può provocare significative concentrazioni di arsenico nell'aria (Lenihan, Sheehy e Jones 1989; Baldwin e Stewart 1989; McIntyre e Sherin 1989). I controlli utilizzati durante questa operazione di manutenzione includono spesso la ventilazione di scarico degli scavenger, indumenti monouso e respiratori.

Quando il lingotto viene rimosso, il coltivatore viene smantellato. Un vuoto HEPA viene utilizzato per raccogliere le particelle di arsenico su tutte le parti del coltivatore. Dopo l'aspirazione, le parti in acciaio inossidabile vengono pulite con una miscela di idrossido di ammonio/perossido di idrogeno per rimuovere qualsiasi residuo di arsenico e il coltivatore viene assemblato.

Lavorazione wafer

Diffrazione di raggi X

L'orientamento cristallino del lingotto di GaAs è determinato dall'uso di un'unità di diffrazione di raggi X, come nella lavorazione del lingotto di silicio. Un laser a bassa potenza può essere utilizzato per determinare l'orientamento cristallino in un ambiente di produzione; tuttavia, la diffrazione dei raggi X è più accurata ed è il metodo preferito.

Quando si utilizza la diffrazione di raggi X, spesso il raggio di raggi X è completamente racchiuso in un armadio protettivo che viene periodicamente controllato per perdite di radiazioni. In determinate circostanze, non è pratico contenere completamente il fascio di raggi X in un involucro interbloccato. In questo caso, agli operatori può essere richiesto di indossare badge per le dita contro le radiazioni e vengono utilizzati controlli simili a quelli utilizzati per i laser ad alta potenza (ad esempio, stanza chiusa con accesso limitato, formazione dell'operatore, chiusura del raggio quanto più possibile, ecc.) ( Baldovino e Williams 1996).

Taglio, macinazione e tranciatura di lingotti

Le estremità o code del lingotto monocristallo vengono rimosse, utilizzando una sega diamantata monolama lubrificata ad acqua, con vari refrigeranti aggiunti all'acqua. Il lingotto monocristallino viene quindi posto su un tornio che lo modella in un lingotto cilindrico di diametro uniforme. Questo è il processo di macinazione, che è anche un processo a umido.

Dopo il taglio e la macinazione, i lingotti GaAs vengono montati con resina epossidica o cera su una trave di grafite e segati in singoli wafer mediante l'uso di seghe a lama diamantata con diametro interno (ID) ad azionamento automatico. Questa operazione a umido viene eseguita con l'uso di lubrificanti e genera un impasto di GaAs, che viene raccolto, centrifugato e trattato con fluoruro di calcio per far precipitare l'arsenico. Il supernatante viene testato per garantire che non contenga arsenico in eccesso e il fango viene pressato in una torta e smaltito come rifiuto pericoloso. Alcuni produttori inviano il liquame raccolto dai processi di taglio, macinazione e affettatura dei lingotti per il recupero di Ga.

L'arsina e la fosfina possono essere formate dalla reazione di GaAs e fosfuro di indio con l'umidità dell'aria, altri arseniuri e fosfuri o quando miscelate con acidi durante la lavorazione dell'arseniuro di gallio e del fosfuro di indio; 92 ppb di arsina e 176 ppb di fosfina sono stati misurati a 2 pollici di distanza dalle lame utilizzate per tagliare i lingotti di GaAs e fosfuro di indio (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).

Lavaggio wafer

Dopo che i wafer GaAs sono stati smontati dal fascio di grafite, vengono puliti mediante immersione sequenziale in bagni chimici umidi contenenti soluzioni di acido solforico/perossido di idrogeno o acido acetico e alcoli.

Profilatura dei bordi

La profilatura del bordo è anche un processo a umido eseguito su wafer affettati per formare un bordo attorno al wafer, che lo rende meno soggetto a rotture. Poiché sulla superficie del wafer viene praticato solo un taglio sottile, viene generata solo una piccola quantità di impasto liquido.

Lappatura e lucidatura

I wafer vengono montati in cera su una piastra di lappatura o molatura, utilizzando una piastra riscaldante, e vengono lappati su una macchina che esercita una velocità di rotazione e una pressione prestabilite. Una soluzione di lappatura viene alimentata sulla superficie di lappatura (un impasto di ossido di alluminio, glicerina e acqua). Dopo un breve periodo di lappatura, raggiunto lo spessore desiderato, le cialde vengono risciacquate e montate su una lucidatrice meccanica. La lucidatura viene eseguita utilizzando bicarbonato di sodio, cloro al 5%, acqua (o ipoclorito di sodio) e impasto di silice colloidale. I wafer vengono quindi smontati su una piastra riscaldante, la cera viene rimossa con solventi e i wafer vengono puliti.

epitassia

I wafer monocristallini di GaAs vengono utilizzati come substrati per la crescita di strati molto sottili dello stesso o di altri composti III-V aventi le desiderate proprietà elettroniche od ottiche. Questo deve essere fatto in modo da continuare, nello strato cresciuto, la struttura cristallina del substrato. Tale crescita cristallina, in cui il substrato determina la cristallinità e l'orientamento dello strato cresciuto, è chiamata epitassia e una varietà di tecniche di crescita epitassiale viene utilizzata nella produzione di display e dispositivi III-V. Le tecniche più comuni sono:

  • epitassia in fase liquida (LPE)
  • epitassia a fascio molecolare (MBE)
  • epitassia in fase vapore (VPE)
  • deposizione di vapore chimico metallorganico (MOCVD), nota anche come epitassia in fase vapore organometallica (OMVPE).

 

Epitassia in fase liquida

In LPE uno strato di materiale drogato III-V viene cresciuto direttamente sulla superficie del substrato GaAs utilizzando un supporto di grafite che contiene camere separate per il materiale da depositare sui wafer. Quantità pesate di materiali di deposizione vengono aggiunte alla camera superiore del supporto, mentre i wafer vengono posti in una camera inferiore. L'assieme è posto all'interno di un tubo di reazione al quarzo sotto un'atmosfera di idrogeno. Il tubo viene riscaldato per fondere i materiali di deposizione e, quando la massa fusa si equilibra, la sezione superiore del supporto viene fatta scorrere in modo che la massa fusa sia posizionata sopra il wafer. La temperatura del forno viene quindi abbassata per formare lo strato epitassiale.

LPE viene utilizzato principalmente nell'epitassia IC a microonde e per la produzione di LED di determinate lunghezze d'onda. La principale preoccupazione di questo processo LPE è l'uso di idrogeno gassoso altamente infiammabile nel sistema, che è mitigato da buoni controlli ingegneristici e sistemi di allerta precoce.

Epitassia da fasci molecolari

L'epitassia sotto vuoto sotto forma di MBE si è sviluppata come una tecnica particolarmente versatile. MBE di GaAs è costituito da un sistema ad altissimo vuoto contenente sorgenti per fasci atomici o molecolari di Ga e As e un wafer di substrato riscaldato. Le sorgenti di fasci molecolari sono solitamente contenitori per Ga liquido o As solido. Le sorgenti hanno un orifizio rivolto verso il wafer di substrato. Quando il forno di effusione (o contenitore) viene riscaldato, gli atomi di Ga o le molecole di As fuoriescono dall'orifizio. Per GaAs, la crescita avviene solitamente con una temperatura del substrato superiore a 450°C.

Elevate esposizioni all'arsina possono verificarsi durante la manutenzione dei sistemi MBE a fonte solida. In uno studio sono state rilevate concentrazioni di aria ambiente di 0.08 ppm quando la camera dell'unità MBE è stata aperta per manutenzione. Gli autori hanno ipotizzato che la generazione transitoria di arsina possa essere causata da una reazione di arsenico particolato molto fine con vapore acqueo, con l'alluminio che funge da catalizzatore (Asom et al. 1991).

Epitassia in fase vapore

I wafer sgrassati e lucidati subiscono una fase di incisione e pulizia prima dell'epitassia. Ciò comporta un'operazione di immersione chimica umida sequenziale utilizzando acido solforico, perossido di idrogeno e acqua in un rapporto 5:1:1; un risciacquo con acqua deionizzata; e un alcool isopropilico pulito/asciutto. Viene eseguita anche un'ispezione visiva.

Sono in uso due principali tecniche di VPE, basate su due diverse chimiche:

  • gli alogeni III (GaCl3) e V-alogeni (AsCl3) o V-idrogeno (AsH3 e PH3)
  • gli III metallo-organici e V-idrogeno, come Ga(CH3)3 e Ash3—OMVP.

 

La termochimica di queste tecniche è molto diversa. Le reazioni dell'alogeno sono generalmente da "caldo" a "freddo", in cui l'III-alogeno viene generato in una zona calda dalla reazione dell'III elemento con HCl, e poi si diffonde nella zona fredda, dove reagisce con la specie V per formare materiale III-V. La chimica metallo-organica è un processo a "parete calda" in cui l'III composto metallo-organico "rompe" o pirolizza via il gruppo organico e il restante III e l'idruro V reagiscono per formare III-V.

In VPE, il substrato GaAs viene posto in una camera riscaldata sotto un'atmosfera di idrogeno. La camera è riscaldata da RF o riscaldamento a resistenza. L'HCl viene fatto gorgogliare attraverso una barca Ga, formando cloruro di gallio, che poi reagisce con l'AsH3 e PH3 vicino alla superficie dei wafer per formare GaAsP, che viene depositato come strato epitassiale sul substrato. È possibile aggiungere un certo numero di droganti (a seconda del prodotto e della ricetta). Questi includono basse concentrazioni di tellururi, seleniuri e solfuri.

Una tecnica comune utilizzata per VPE nell'elaborazione LED è il sistema III-alogeno e V-idrogeno (idruro). Implica un processo a due cicli: inizialmente la crescita dello strato epitassiale di GaAsP sul substrato di GaAs e, infine, un ciclo di attacco per pulire la camera del reattore di grafite/quarzo dalle impurità. Durante il ciclo di crescita epitassiale, i wafer di GaAs pre-puliti vengono caricati su un carosello situato all'interno di una camera del reattore di quarzo contenente un serbatoio di gallio liquido elementare attraverso il quale viene dosato gas HCl anidro, formando GaCl3. Le miscele gassose idruro/idrogeno (ad esempio, 7% AsH3/H2 e 10% pH3/H2) vengono anche dosati nella camera del reattore con l'aggiunta di concentrazioni in ppm di droganti organometallici di tellurio e selenio. Le specie chimiche nella zona calda, la parte superiore della camera di reazione, reagiscono e, nella zona fredda, la parte inferiore della camera, formano lo strato desiderato di GaAsP sul substrato del wafer e all'interno del camera del reattore.

Gli effluenti dal reattore vengono indirizzati a un sistema di torcia a idrogeno (camera di combustione o camera di combustione) per la pirolisi e scaricati in un sistema di lavaggio a umido. In alternativa, gli effluenti del reattore possono essere fatti gorgogliare attraverso un mezzo liquido per intrappolare la maggior parte delle particelle. La sfida per la sicurezza è fare affidamento sui reattori stessi per "crackare" i gas. L'efficienza di questi reattori è di circa il 98-99.5%; pertanto, alcuni gas non reagiti potrebbero fuoriuscire dal gorgogliatore quando vengono prelevati dagli operatori. C'è fuoriuscita di gas di vari composti contenenti arsenico e fosforo da questi gorgogliatori, che richiedono che vengano trasportati rapidamente in un lavandino ventilato per la manutenzione, dove vengono spurgati e puliti, al fine di mantenere bassa l'esposizione del personale. La sfida per l'igiene professionale di questo processo è la profilazione dell'effluente di scarico, poiché la maggior parte dei composti degassati da varie parti del reattore, in particolare il gorgogliatore, sono instabili nell'aria e i mezzi di raccolta convenzionali disponibili e le tecniche analitiche non sono discriminatorie nei confronti del specie diverse.

Un'altra preoccupazione riguarda i prescrubber per i reattori VPE. Possono contenere alte concentrazioni di arsina e fosfina. Possono verificarsi esposizioni al di sopra dei limiti di esposizione professionale se questi prescrubber vengono aperti indiscriminatamente (Baldwin e Stewart 1989).

Il ciclo di attacco viene eseguito alla fine del ciclo di crescita e su nuove parti del reattore per pulire la superficie interna dalle impurità. Il gas HCl non diluito viene dosato nella camera per periodi di circa 30 minuti e il reattore viene riscaldato a oltre 1,200°C. Gli effluenti vengono scaricati nel sistema di lavaggio a umido per la neutralizzazione.

Alla fine di entrambi i cicli di crescita e attacco, un esteso N2 lo spurgo viene utilizzato per lavare la camera del reattore da gas tossici/infiammabili e corrosivi.

Pulizia del reattore

Dopo ogni ciclo di crescita, i reattori VPE devono essere aperti, i wafer rimossi e sia la parte superiore che quella inferiore del reattore devono essere fisicamente pulite. Il processo di pulizia viene eseguito dall'operatore.

Il prescrubber al quarzo dai reattori viene spostato fisicamente fuori dal reattore e posto in un pozzo esausto dove viene spurgato con N2, sciacquato con acqua e poi immerso acqua regia. Questo è seguito da un altro risciacquo con acqua prima di asciugare la parte. L'intenzione del n2 lo spurgo consiste semplicemente nello spostare l'ossigeno a causa della presenza di fosforo piroforico instabile. Alcuni residui contenenti vari arsenicali e sottoprodotti contenenti fosforo rimangono su queste parti anche dopo lo spurgo e il risciacquo con acqua. La reazione tra questi residui e la miscela forte ossidante/acido potrebbe potenzialmente generare quantità significative di AsH3 e un po' di Ph3. Esiste anche un potenziale di esposizione con altre procedure di manutenzione nell'area.

La parte inferiore della camera di reazione al quarzo e la piastra inferiore (piastra di base) vengono raschiate utilizzando uno strumento metallico e il materiale particolato (miscela di GaAs, GaAsP, ossidi di arsenico, ossidi di fosforo e gas di idruro intrappolati) viene raccolto in un contenitore metallico contenitore posizionato sotto il reattore verticale. Per la pulizia finale viene utilizzato un aspiratore ad alta efficienza.

Un'altra operazione con potenziale esposizione chimica è la pulizia della trappola del reattore. La pulizia della trappola avviene raschiando dalla camera superiore le parti in grafite che presentano una crosta di tutti i sottoprodotti precedentemente citati più cloruro di arsenico. La procedura di raschiatura genera polvere e viene eseguita in un lavandino ventilato per ridurre al minimo l'esposizione degli operatori. La linea di scarico del processo, che contiene tutti i sottoprodotti più l'umidità che forma un liquido di scarto, viene aperta e drenata in un contenitore metallico. L'aspiratore HEPA viene utilizzato per pulire eventuali particelle di polvere che potrebbero essere sfuggite durante il trasferimento delle parti in grafite e dal sollevamento e abbassamento della campana, che stacca eventuali particelle libere.

Deposizione chimico-vapore metallorganica

MOCVD è ampiamente utilizzato nella preparazione di dispositivi III-V. Oltre ai gas idruri utilizzati come materiali di partenza in altri sistemi CVD (ad es. arsina e fosfina), nei sistemi MOCVD vengono utilizzate anche alternative liquide meno tossiche (ad es. butil arsina terziaria e butil fosfina terziaria), insieme ad altre sostanze tossiche come cadmio alchili e mercurio (Content 1989; Rhoades, Sands e Mattera 1989; Roychowdhury 1991).

Mentre VPE si riferisce a un processo di deposizione di materiale composto, MOCVD si riferisce alle fonti di chimica madre utilizzate nel sistema. Vengono utilizzate due sostanze chimiche: alogenuri e metallorganici. Il processo VPE sopra descritto è un processo ad alogenuri. Nella zona calda si forma un alogenuro di gruppo III (gallio) e nella zona fredda si deposita il composto III-V. Nel processo metallorganico per GaAs, il trimetilgallio viene dosato nella camera di reazione insieme all'arsina, o un'alternativa liquida meno tossica come il terziario butil arsina, per formare l'arseniuro di gallio. Un esempio di una tipica reazione MOCVD è:

(CH3)3Ga+AsH3 → GaAs + 3CH4

Esistono altre sostanze chimiche utilizzate nell'elaborazione MOCVD dei LED. Gli organometallici usati come elementi del gruppo III includono trimetil gallio (TMGa), trietil gallio (TEGa), TM indio, TE indio e TM alluminio. Nel processo vengono utilizzati anche gas idruri: 100% Ash3 e 100% pH3. I droganti utilizzati nel processo sono: dimetil zinco (DMZ), bis-ciclopentadienil magnesio e seleniuro di idrogeno (H2Se). Questi materiali vengono fatti reagire all'interno della camera di reazione sotto un H2 atmosfera. La reazione produce strati epitassiali di AlGaAs, AlInGaP, InAsP e GaInP. Questa tecnica è stata tradizionalmente utilizzata nella produzione di laser a semiconduttore e dispositivi di comunicazione ottica come trasmettitori e ricevitori per fibre ottiche. Il processo AlInGaP viene utilizzato per produrre LED molto luminosi.

Simile al processo VPE, il reattore MOCVD e la pulizia delle parti presentano sfide sia per il processo che per l'igienista del lavoro, specialmente se grandi quantità di PH concentrato3 viene utilizzato nel processo. L'efficienza di "cracking" di questi reattori non è così grande come quella dei reattori VPE. C'è una quantità significativa di fosforo generato, che è un pericolo di incendio. La procedura di pulizia prevede l'uso di perossido di idrogeno/idrossido di ammonio diluito su varie parti di questi reattori, che rappresenta un rischio di esplosione se, a causa di un errore dell'operatore, viene utilizzata una soluzione concentrata in presenza di un catalizzatore metallico.

Fabbricazione di dispositivi

Il wafer GaAs con uno strato di GaAsP cresciuto epitassialmente sulla superficie superiore procede alla sequenza di elaborazione della fabbricazione del dispositivo.

Deposizione di nitruro

Un CVD ad alta temperatura di nitruro di silicio (Si3N4) viene eseguita utilizzando un forno a diffusione standard. Le sorgenti gassose sono il silano (SiH4) e ammoniaca (NH3) con un gas di trasporto azoto.

Processo fotolitografico

Il processo standard di fotoresist, allineamento/esposizione, sviluppo e rimozione viene utilizzato come nella lavorazione dei dispositivi in ​​silicio (vedere la sezione sulla litografia nell'articolo "Produzione di semiconduttori di silicio").

Acquaforte bagnata

Varie miscele di soluzioni acide chimiche umide vengono utilizzate nei bagni di plastica nelle stazioni di attacco con scarico locale, alcune dotate di sistemi di alimentazione filtrati HEPA lamellari montati verticalmente. Gli acidi primari in uso sono solforici (H2SO4), fluoridrico (HF), cloridrico (HCl) e fosforico (H3PO4). Come nella lavorazione del silicio, il perossido di idrogeno (H2O2) viene utilizzato con acido solforico e idrossido di ammonio (NH4OH) fornisce un attacco caustico. Una soluzione di cianuro (sodio o potassio) viene utilizzata anche per l'incisione dell'alluminio. Tuttavia, l'attacco al cianuro viene gradualmente eliminato man mano che vengono sviluppati altri agenti di attacco per questo processo. In alternativa all'incisione a umido, viene utilizzato un processo di incisione al plasma e incenerimento. Le configurazioni del reattore ei gas reagenti sono molto simili a quelli utilizzati nella lavorazione dei dispositivi al silicio.

Emittente

Una diffusione di fonte solida di diarseniuro di zinco in ampolla chiusa viene eseguita in un forno di diffusione sotto vuoto a 720 ° C, utilizzando un N2 gas vettore. L'arsenico e l'arseniuro di zinco sono usati come droganti. Vengono pesati in una cella a guanti allo stesso modo del substrato sfuso.

Metallizzazione

Viene eseguita un'evaporazione iniziale dell'alluminio utilizzando un evaporatore a fascio elettronico. Dopo la lappatura, viene eseguita un'ultima fase di evaporazione dell'oro utilizzando un evaporatore a filamento.

Alligazione

Una fase finale di lega viene eseguita in un forno a diffusione a bassa temperatura, utilizzando un'atmosfera inerte di azoto.

Lappatura

Il backlapping viene eseguito per rimuovere i materiali depositati (GaAsP, Si3N4 e così via) dalla parte posteriore del wafer. I wafer sono montati con cera su una piastra lapper e lappati a umido con un impasto di silice colloidale. Quindi la cera viene rimossa mediante stripping a umido dei wafer in un estrattore organico in una stazione di incisione chimica a umido localmente esaurita. Un'altra alternativa alla lappatura a umido è la lappatura a secco, che utilizza la "sabbia" di ossido di alluminio.

Sono utilizzati numerosi resist e stripper di resist, tipicamente contenenti acido solfonico (acido dodecilbenzensolfonico), acido lattico, idrocarburo aromatico, naftalene e catecolo. Alcuni svernicianti resistenti contengono etanoato di butile, acido acetico e estere butilico. Sono disponibili resist sia negativi che positivi e sverniciatori di resist utilizzati, a seconda del prodotto.

Test finale

Come nella lavorazione dei dispositivi in ​​silicio, i circuiti LED completati vengono testati e contrassegnati al computer (vedere "Produzione di semiconduttori in silicio"). Viene eseguita l'ispezione finale e quindi i wafer vengono testati elettricamente per contrassegnare gli stampi difettosi. Una sega bagnata viene quindi utilizzata per separare i singoli stampi, che vengono poi inviati per l'assemblaggio.

 

Di ritorno

Schede elettriche stampate

I circuiti stampati (PWB) sono il quadro elettrico interconnesso e la struttura fisica che tengono insieme i vari componenti elettronici di un circuito stampato. Le principali categorie di PWB sono monofacciali, bifacciali, multistrato e flessibili. I requisiti di complessità e spaziatura di schede sempre più dense e più piccole hanno richiesto che entrambi i lati della scheda fossero coperti con circuiti sottostanti. Le schede a faccia singola soddisfacevano i primi requisiti di calcolatrici e dispositivi elettronici di consumo semplici, ma i computer notebook portatili, gli assistenti digitali personali e i sistemi musicali personali hanno richiesto PWB a doppia faccia e multistrato. L'elaborazione del patterning dei PWB è essenzialmente un processo fotolitografico che comporta il deposito e la rimozione selettiva di strati di materiali su un substrato dielettrico che funge da "cablaggio" elettrico che viene inciso o depositato sul circuito stampato.

Le schede multistrato contengono due o più pezzi di materiale dielettrico con circuiti impilati e uniti insieme. Le connessioni elettriche vengono stabilite da un lato all'altro, e al circuito dello strato interno, mediante fori trapanati successivamente rivestiti di rame. Il substrato dielettrico più comunemente utilizzato è costituito da lastre in fibra di vetro (laminato epossidico/fibra di vetro). Altri materiali sono il vetro (con resine di poliimmide, teflon o triazina) e la carta ricoperta di resina fenolica. Negli Stati Uniti, i pannelli laminati sono classificati in base alle loro proprietà antincendio; proprietà di foratura, punzonatura e lavorazione; proprietà di assorbimento dell'umidità; resistenza chimica e al calore; e resistenza meccanica (Sober 1995). L'FR-4 (resina epossidica e substrato di tessuto di vetro) è ampiamente utilizzato per applicazioni ad alta tecnologia.

L'attuale processo PWB prevede numerose fasi e un'ampia varietà di agenti chimici. La tabella 1 illustra un tipico processo multistrato e i problemi EHS associati a questo processo. La differenza principale tra una scheda a faccia singola ea doppia faccia è che la scheda a faccia singola inizia con la materia prima rivestita solo su un lato con rame e omette la fase di placcatura chimica in rame. La scheda a doppia faccia standard ha una maschera di saldatura su rame nudo ed è placcata attraverso i fori; la scheda ha contatti rivestiti in oro e una legenda dei componenti. La maggior parte dei PWB sono pannelli multistrato, che sono a doppia faccia con strati interni che sono stati fabbricati e inseriti all'interno del pacchetto laminato e quindi lavorati in modo quasi identico a un pannello a doppio strato.

Tabella 1. Processo PWB: aspetti ambientali, di salute e sicurezza

Fasi primarie del processo

Problemi di salute e sicurezza

Questioni ambientali

Preparazione del materiale

Acquista laminato specifico, materiale di ingresso e pannello di supporto in dimensioni pretagliate
Layout di elaborazione assistita da computer

Progettazione assistita da computer: videoterminali e rischi ergonomici

Nessuna

Impila e fissa

I pannelli rivestiti in rame sono impilati con materiale di ingresso e pannello di supporto; fori praticati e
tassello appuntato.

Rumore durante la perforazione; particolato di perforazione contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o rigenerati

Perforazione

Foratrici a controllo numerico (N/C).

Rumore durante la perforazione; particolato di perforazione contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o rigenerati

sbavare

I pannelli forati passano attraverso spazzole o mola abrasiva

Rumore durante la sbavatura; particolato contenente rame, piombo, oro e resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti particolati (rame, piombo, oro e
resina epossidica/fibra di vetro)—riciclati o recuperati

Ramatura chimica

Aggiunta di un sottile strato di rame ai fori passanti
(processo in più fasi)

Inalazione ed esposizione cutanea a detergenti, balsami, mordenzanti, catalizzatori—H2SO4, H2O2, eteri glicolici, KMnO4, NH4HF2, palladio, SnCl2, CSO4, formaldeide, NaOH

Scarichi idrici: acidi, rame, sostanze caustiche,
fluoruri; emissioni atmosferiche: gas acidi,
formaldeide

Imaging

Dry film resist: fotopolimero sensibile ai raggi UV
Resist serigrafato: emulsione sensibile alla luce
Resist liquido: resist liquido fotosensibile

Inalazione ed esposizione cutanea a resiste; sviluppatori; e
svernicianti: resiste a base di gomma con solventi; N / a3PO4 e K2CO3; cloruro rameico (Cl2 gas), monoetanolammina (MEA)

Emissioni atmosferiche: solventi (COV), gas acidi,
MEA; rifiuti: liquidi

Placcatura a motivo

Pulizia
Placcatura di rame
Placcatura in stagno o stagno/piombo
Rimozione del rack

Inalazione e rischi per la pelle derivanti dalla pulizia; placcatura in rame o placcatura in stagno/stagno e piombo e sverniciatura del rack—H3PO4, H2SO4; h2SO4 e CSO4; acido fluoborico e Sn/Pb; HNO concentrato3

Emissioni atmosferiche: gas acidi; acqua
effluenti: acidi, fluoruri, metalli (rame,
piombo e stagno)

Strappare, incidere, strappare

Striscia di resistenza
Attacco alcalino
Striscia di rame

Inalazione e rischi per la pelle da striscia resist; incisione alcalina o striscia di rame - ammina monoetanolica (MEA); NH4OH; NH4Cl/NH4OH o NH4HF2

Emissioni atmosferiche: MEA, ammoniaca, fluoruri;
effluenti idrici: ammoniaca, fluoruri, metalli
(rame, piombo e stagno), composti resistenti

Maschera per saldatura

Inchiostri epossidici: serigrafia
Film secchi: laminati su PWB
Inchiostro epossidico fotosensibile liquido

Inalazione e rischi per la pelle dovuti alla pulizia preliminare; inchiostri epossidici e supporti solventi; sviluppatori - H2SO4; epicloridrina + bisfenolo A, eteri glicolici (a base di PGMEA); gamma-butirrolattone. 

Luce UV dal processo di polimerizzazione

Emissioni atmosferiche: gas acidi, eteri glicolici
(VOC); rifiuti: solventi, inchiostri epossidici

Rivestimento per saldatura

Livellamento della saldatura

Inalazione e rischi per la pelle dovuti a flusso, prodotti di decomposizione e residui di saldatura piombo/stagno: eteri glicolici diluiti + <1% HCl e <1% HBr; aldeidi, HCl, CO; piombo e stagno

Emissioni atmosferiche: eteri glicolici (COV), gas acidi, aldeidi, CO; rifiuti: saldatura piombo/stagno, fondente

Placcatura in oro e nichel

 

Inalazione e rischi per la pelle da acidi, metalli e
cianuri - H2SO4, H.N.O.3, NiSO4, oro cianuro di potassio

Emissioni atmosferiche: gas acidi, cianuri; acqua
emissioni: acidi, cianuri, metalli;
rifiuti: cianuri, metalli

Legenda dei componenti

Stampa schermo
Cura al forno

Inalazione e rischi per la pelle da inchiostri a base epossidica e supporti solventi: solventi a base di etere di glicole, epicloridrina + bisfenolo A

Emissioni atmosferiche - rifiuti di eteri glicolici (COV) - inchiostri e solventi (piccole quantità)

Cl2 = cloro gassoso; CO = monossido di carbonio; CSO4 = solfato di rame; H2O2 = perossido di idrogeno; H2SO4 = acido solforico; H3PO4 = acido fosforico; HBR = acido bromidrico; HCl = acido cloridrico; HNO3 = acido nitrico; K2CO3 = carbonato di potassio; KMNO4 = permanganato di potassio; N / A3PO4 = fosfato di sodio; NH4Cl = cloruro di ammonio; NH4OH = idrossido di ammonio; NiSO4 = solfato di nichel; Pb = piombo; Sn = stagno; SnCl2 = cloruro stannoso; UV = ultravioletto; COV = composti organici volatili.

 

Assemblaggio di circuiti stampati

L'assemblaggio di circuiti stampati (PCB) comporta il fissaggio rigido di componenti elettronici al PWB attraverso l'uso di saldatura piombo/stagno (in una saldatrice ad onda o applicata come pasta e poi rifusa in un forno a bassa temperatura) o resine epossidiche ( polimerizzato in un forno a bassa temperatura). Il PWB sottostante (singolo lato, doppio lato, multistrato o flessibile) determinerà le densità dei componenti che possono essere fissati. Numerosi problemi di processo e affidabilità costituiscono la base per la selezione dei processi di assemblaggio PCB che verranno utilizzati. I principali processi tecnologici sono: tecnologia di montaggio su superficie totale (SMT), tecnologia mista (include sia SMT che foro passante placcato (PTH)) e fissaggio sul lato inferiore.

Tipicamente nelle moderne strutture di assemblaggio di elettronica/computer, viene utilizzata la tecnologia mista, con alcuni componenti montati in superficie e altri connettori/componenti saldati utilizzando la tecnologia a foro passante o il riflusso della saldatura. Di seguito viene discusso un "tipico" processo a tecnologia mista, in cui viene utilizzato un processo di montaggio superficiale che prevede l'attacco adesivo, la saldatura ad onda e la saldatura a rifusione. Con la tecnologia mista, a volte è possibile ridisporre i componenti a montaggio superficiale (SMC) sul lato superiore di una scheda a doppia faccia e saldare ad onda gli SMC sul lato inferiore. Tale processo è particolarmente utile quando le tecnologie a montaggio superficiale ea foro passante devono essere combinate su un'unica scheda, che è la norma nell'attuale produzione elettronica. Il primo passaggio consiste nel montare gli SMC sul lato superiore della scheda, utilizzando il processo di rifusione della saldatura. Successivamente, vengono inseriti i componenti a foro passante. La scheda viene quindi capovolta e gli SMC sul lato inferiore vengono montati adesivamente sulla scheda. La saldatura ad onda sia dei componenti a foro passante che degli SMC sul lato inferiore è il passaggio finale.

Le principali fasi del processo tecnico a tecnologia mista includono:

  • pre e post pulizia
  • pasta saldante e applicazione adesiva (serigrafia e posizionamento (SMT e PTH))
  • inserimento dei componenti
  • polimerizzazione dell'adesivo e rifusione della saldatura
  • flussaggio (PTH)
  • saldatura ad onda (PTH)
  • sopralluogo e ritocco
  • analisi
  • rielaborazione e riparazione
  • operazioni di supporto: pulizia degli stampini.

 

Di seguito viene fornita una breve discussione delle importanti implicazioni ambientali, sanitarie e di sicurezza per ciascuna fase del processo.

Pre e post pulizia

I PWB commerciali vengono in genere acquistati da un fornitore di PWB e sono stati pre-puliti con una soluzione di acqua deionizzata (DI) per rimuovere tutti i contaminanti superficiali. Prima delle preoccupazioni relative all'esaurimento dello strato di ozono stratosferico, una sostanza che riduce lo strato di ozono, come un clorofluorocarburo (CFC), sarebbe stata utilizzata come pulizia finale o addirittura pre-pulizia dal produttore di dispositivi elettronici. Al termine del processo di assemblaggio del PCB, era tipico l'utilizzo di un'operazione di “sgrassaggio a vapore” con clorofluorocarburi per rimuovere i residui dell'operazione di saldatura a flusso/onda. Sempre a causa delle preoccupazioni per l'esaurimento dell'ozono e dei severi controlli normativi sulla produzione di CFC, sono state apportate modifiche al processo che hanno consentito agli assemblaggi PWB completi di bypassare la pulizia o utilizzare solo una pulizia con acqua DI.

Applicazione della pasta saldante e dell'adesivo (stampa e posizionamento dello stencil) e inserimento dei componenti

L'applicazione della pasta saldante piombo/stagno sulla superficie del PWB consente di collegare il componente a montaggio superficiale al PWB ed è fondamentale per il processo SMT. Il materiale di saldatura funge da collegamento meccanico per la conduzione elettrica e termica e come rivestimento per la protezione della superficie e una migliore saldabilità. La pasta saldante è composta da circa il 70-90% di materia non volatile (su base peso per peso o peso per volume):

  • saldatura piombo/stagno
  • una miscela di resine modificate (acidi di colofonia o colofonia leggermente attivata)
  • attivatori (nel caso di prodotti “no clean”, miscele di idroalogenuri amminici e acidi o solo acidi carbossilici).

 

I solventi (materia volatile) costituiscono il resto del prodotto (tipicamente una miscela di alcol e glicoletere che è una miscela brevettata).

La pasta saldante viene stampata attraverso uno stencil, che è un modello esatto del disegno della superficie che deve essere aggiunto alla superficie PWB. La pasta per saldatura viene spinta attraverso le aperture nello stencil sui siti del pad sul PWB per mezzo di una spatola che attraversa lentamente lo stencil. Lo stencil viene quindi sollevato, lasciando i depositi di pasta sugli appositi cuscinetti della tavola. I componenti vengono quindi inseriti nel PWB. I principali rischi EHS riguardano la pulizia e l'igiene personale degli operatori che applicano la pasta saldante sulla superficie dello stencil, puliscono la spatola e puliscono gli stencil. La concentrazione di piombo nella saldatura e la tendenza della pasta saldante essiccata ad aderire alla pelle e alle superfici di lavoro dell'attrezzatura/impianto richiede l'uso di guanti protettivi, una buona pulizia delle superfici di lavoro, lo smaltimento sicuro dei materiali di pulizia contaminati ( e manipolazione ambientale) e rigorosa igiene personale da parte degli operatori (ad esempio, lavarsi le mani con sapone prima di mangiare, bere o applicare cosmetici). I livelli di esposizione nell'aria sono generalmente al di sotto del limite di rilevamento per il piombo e, se si utilizza una buona pulizia/igiene personale, le letture di piombo nel sangue sono a livelli di fondo.

L'applicazione dell'adesivo prevede l'erogazione automatizzata di piccole quantità di una resina epossidica (tipicamente una miscela di bisfenolo A-epicloridrina) sulla superficie del PWB e quindi il "prelievo e posizionamento" del componente e l'inserimento attraverso la resina epossidica sul PWB. I pericoli EHS si riferiscono principalmente ai rischi di sicurezza meccanica delle unità "pick and place", a causa dei loro gruppi meccanici automatizzati, delle navette dei componenti sul retro delle unità e del potenziale di lesioni gravi se non sono disponibili protezioni adeguate, barriere fotoelettriche e interblocchi hardware regalo.

Polimerizzazione dell'adesivo e rifusione della saldatura

I componenti che sono stati attaccati mediante stampa a stencil o applicazione di adesivo vengono quindi trasportati su un trasportatore meccanico ad altezza fissa a un forno di rifusione in linea che "avvia" la saldatura rifondendo la pasta saldante a circa 200-400 °C. Anche i componenti che sono stati fissati dall'adesivo epossidico vengono fatti passare attraverso un forno che si trova a valle del riflusso della saldatura ed è tipicamente eseguito da 130 a 160oC. I componenti solventi della pasta saldante e della resina epossidica vengono rimossi durante il processo del forno, ma il componente piombo/stagno non viene volatilizzato. Un residuo simile a una ragnatela si accumulerà nel condotto di scarico del forno a riflusso e per evitare ciò è possibile utilizzare un filtro a rete metallica. I PWB possono occasionalmente rimanere intrappolati nel sistema di trasporto e surriscaldarsi nel forno, causando odori sgradevoli.

Flussaggio

Per formare un giunto di saldatura affidabile sulla superficie del PWB e sul piombo del componente, entrambi devono essere privi di ossidazione e devono rimanere tali anche alle temperature elevate utilizzate nella saldatura. Inoltre, la lega saldante fusa deve bagnare le superfici dei metalli da unire. Ciò significa che il flusso di saldatura deve reagire e rimuovere gli ossidi metallici dalle superfici da unire e impedire la riossidazione delle superfici pulite. Richiede inoltre che i residui siano non corrosivi o facilmente rimovibili. I flussi per la saldatura di apparecchiature elettroniche rientrano in tre grandi categorie, comunemente noti come flussi a base di colofonia, flussi organici o solubili in acqua e flussi sintetici rimovibili con solvente. I flussi di composti organici non volatili (NVOC) più recenti, a basso contenuto di solidi, "no clean" rientrano nella categoria media.

Disossidanti a base di colofonia

I flussi a base di colofonia sono i flussi più comunemente usati nell'industria elettronica, sia come flusso a spruzzo or flusso di schiuma. Il fondente può essere contenuto all'interno dell'apparecchiatura di saldatura ad onda o come unità autonoma posizionata all'ingresso dell'unità. Come base, i flussi a base di colofonia hanno colofonia naturale, o colofonia, la colofonia traslucida di colore ambra ottenuta dopo che la trementina è stata distillata dall'oleoresina e dalla resina del canale dei pini. La resina viene raccolta, riscaldata e distillata, rimuovendo eventuali particelle solide, ottenendo una forma purificata del prodotto naturale. È un materiale omogeneo con un unico punto di fusione.

La colofonia è una miscela di circa il 90% di acido resinico, che è principalmente acido abietico (un acido organico non solubile in acqua) con il 10% di materiali neutri come derivati ​​dello stilbene e vari idrocarburi. La Figura 1 fornisce le strutture chimiche per gli acidi abietico e pimarico.

Figura 1. Acidi abietico e pimarico

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Il costituente attivo è l'acido abietico, che alla temperatura di saldatura è chimicamente attivo e attacca l'ossido di rame sulla superficie del PWB, formando rame abiet. I flussi a base di colofonia hanno tre componenti: il solvente o veicolo, la colofonia e l'attivatore. Il solvente funge semplicemente da veicolo per il flusso. Per essere efficace, la colofonia deve essere applicata alla tavola allo stato liquido. Ciò si ottiene dissolvendo la colofonia e l'attivatore in un sistema solvente, tipicamente alcol isopropilico (IPA) o miscele multicomponente di alcoli (IPA, metanolo o etanolo). Quindi il flusso viene schiumato sulla superficie inferiore del PCB attraverso l'aggiunta di aria o azoto, oppure spruzzato in una miscela "a basso contenuto di solidi" che ha un contenuto di solvente più elevato. Questi componenti solventi hanno velocità di evaporazione diverse e alla miscela di fondente deve essere aggiunto un diluente per mantenere una composizione di fondente costituente. Le principali categorie di disossidanti a base di colofonia sono: colofonia leggermente attiva (RMA), che sono i tipici disossidanti in uso, ai quali viene aggiunto un blando attivatore; e colofonia attiva (RA), a cui è stato aggiunto un attivatore più aggressivo.

Il principale rischio EHS di tutti i disossidanti a base di colofonia è la base solvente alcolica. I pericoli per la sicurezza riguardano l'infiammabilità durante lo stoccaggio e l'uso, la classificazione e la manipolazione come rifiuti pericolosi, le emissioni nell'aria e i sistemi di trattamento necessari per rimuovere i COV e le questioni di igiene industriale legate all'inalazione e all'esposizione cutanea (cutanea). Ciascuno di questi elementi richiede una diversa strategia di controllo, istruzione e formazione dei dipendenti e permessi/conformità normativa (Association of the Electronics, Telecommunications and Business Equipment Industries 1991).

Durante il processo di saldatura ad onda, il flusso viene riscaldato da 183 a 399°C; i prodotti aerotrasportati generati includono aldeidi alifatiche, come la formaldeide. Molti flussi contengono anche un attivatore di cloridrato di ammina organica, che aiuta a pulire l'area da saldare e rilascia acido cloridrico quando riscaldato. Altri componenti gassosi includono benzene, toluene, stirene, fenolo, clorofenolo e alcool isopropilico. Oltre ai componenti gassosi del flusso riscaldato, viene creata una quantità significativa di particolato, di dimensioni comprese tra 0.01 micron e 1.0 micron, noto come fumi di colofonia. Questi materiali particolati sono stati trovati come irritanti respiratori e anche sensibilizzanti respiratori in soggetti sensibili (Hausen, Krohn e Budianto 1990). Nel Regno Unito, gli standard di esposizione aerea richiedono che i livelli dei fumi di colofonia siano controllati ai livelli più bassi raggiungibili (Health and Safety Commission 1992). Inoltre, l'American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH) ha stabilito un valore limite di soglia separato per i prodotti di pirolisi della saldatura con nucleo di colofonia di 0.1 mg/m3, misurata come formaldeide (ACGIH 1994). La Lead Industries Association, Inc. identifica l'acetone, l'alcool metilico, le aldeidi alifatiche (misurate come formaldeide), l'anidride carbonica, il monossido di carbonio, il metano, l'etano, l'acido abietico e i relativi acidi diterpenici come tipici prodotti di decomposizione della saldatura con nucleo di colofonia (Lead Industries Association 1990 ).

Flussi organici

I flussi organici, a volte chiamati flussi intermedi o flussi solubili in acqua, sono compositi più attivi dei flussi a base di colofonia e meno corrosivi dei flussi acidi utilizzati nelle industrie di lavorazione dei metalli. I composti attivi generali di questa classe di flussi si dividono in tre gruppi:

  • acidi (p. es., stearico, glutammico, lattico, citrico)
  • alogeni (p. es., cloridrati, bromuri, idrazina)
  • ammidi e ammine (p. es., urea, trietanolammina).

 

Questi materiali e altre parti della formulazione, come i tensioattivi per aiutare a ridurre la tensione superficiale della saldatura, sono disciolti in polietilenglicole, solventi organici, acqua o solitamente una miscela di diversi di questi. I flussi organici devono essere considerati corrosivi, ma possono essere rimossi facilmente, con solo acqua calda.

Flussi sintetici attivati ​​(AS).

Mentre i flussi a base di colofonia sono materiali solidi disciolti in un solvente, i flussi AS sono solitamente formule totalmente liquide (solvente + flusso). Il vettore di solvente viene allontanato durante la fase di preriscaldamento della saldatura ad onda, lasciando un residuo umido e oleoso sulla superficie del PWB, che deve essere rimosso immediatamente dopo la saldatura. L'attributo principale dei flussi AS è la loro capacità di essere rimossi mediante l'uso di un solvente adatto, tipicamente a base di fluorocarburi. Con le restrizioni sull'uso di sostanze che riducono lo strato di ozono come i fluorocarburi (Freon TF, Freon TMS e così via), l'uso richiesto di questi materiali per la pulizia ha fortemente limitato l'uso di questa classe di disossidanti.

Flussi a basso contenuto di solidi “no clean” o non VOC

La necessità di eliminare la pulizia post-saldatura di residui di flusso corrosivi o appiccicosi con solventi al fluorocarburo ha portato all'uso diffuso di una nuova classe di flussi. Questi flussi sono simili nell'attività ai flussi RMA e hanno un contenuto di solidi di circa il 15%. Il contenuto di solidi è una misura della viscosità ed è uguale al rapporto tra flusso e solvente. Minore è il contenuto di solidi, maggiore è la percentuale di solvente. Maggiore è il contenuto di solidi, più attivo è il flusso e maggiore è la possibilità che sia necessaria una fase di pulizia post-saldatura. Il flusso a basso contenuto di solidi (LSF) è comunemente utilizzato nell'industria elettronica e in genere non richiede la fase di post-pulizia. Dal punto di vista delle emissioni atmosferiche ambientali, l'LSF ha eliminato la necessità di sgrassare con vapori di fluorocarburi le schede saldate ad onda, ma con il loro contenuto di solventi più elevato, hanno aumentato la quantità di solventi a base alcolica evaporati, con conseguenti livelli di VOC più elevati. I livelli di emissioni di COV nell'aria sono strettamente controllati negli Stati Uniti e in molte località del mondo. Questa situazione è stata affrontata con l'introduzione di disossidanti "no clean", che sono a base d'acqua (piuttosto che a base di solvente) ma contengono attivatori e colofonie simili. I principi attivi primari sono a base di acido bicarbossilico (dal 2 al 3%), tipicamente acidi glutarico, succinico e adipico. tensioattivi e inibitori di corrosione (circa l'1%) sono inclusi, risultando in un pH (acidità) da 3.0 a 3.5. Questi flussi eliminano virtualmente le emissioni atmosferiche di COV e altri pericoli EHS associati all'utilizzo di flussi a base di solventi. I prodotti di decomposizione rilevati nei disossidanti a base di colofonia sono ancora applicabili e il pH mite richiede che l'attrezzatura per la manipolazione del disossidante sia resistente agli acidi. Alcune prove aneddotiche indicano potenziali problemi cutanei o respiratori causati dagli acidi dicarbossilici essiccati e leggermente acidi e dagli inibitori della corrosione che possono diventare un residuo sui supporti di bordo, sui carrelli e sulle superfici interne delle apparecchiature di saldatura ad onda che utilizzano questi composti. Inoltre, la componente acquosa di questi flussi potrebbe non evaporare adeguatamente prima di colpire il crogiolo di saldatura fuso, il che può portare a schizzi di saldatura calda.

Saldatura ad onda

L'aggiunta di flusso alla superficie inferiore del PWB può essere eseguita da un fondente situato all'interno dell'unità di saldatura ad onda o da un'unità autonoma all'ingresso dell'unità di saldatura ad onda. La Figura 2 fornisce una rappresentazione schematica di un'unità di saldatura ad onda standard con il fondente posizionato internamente. Entrambe le configurazioni vengono utilizzate per schiumare o spruzzare il flusso sul PWB.

Figura 2. Schema dell'unità di saldatura ad onda

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Il preriscaldamento

I portatori di flusso devono essere evaporati prima della saldatura. Ciò si ottiene utilizzando preriscaldatori ad alta temperatura per allontanare i componenti liquidi. Sono in uso due tipi fondamentali di preriscaldatori: radiante (hot rod) e volumetrico (aria calda). I riscaldatori radianti sono comuni negli Stati Uniti e presentano il potenziale per l'accensione del flusso o del solvente in eccesso o la decomposizione di un PWB se viene immobilizzato sotto il preriscaldatore. Sul lato flussante/preriscaldatore dell'unità di saldatura ad onda è prevista una ventilazione di scarico locale per catturare ed espellere i materiali solvente/flussante evaporati durante queste operazioni.

saldatura

La lega di saldatura (tipicamente dal 63% di stagno al 37% di piombo) è contenuta in un grande serbatoio chiamato pentola di saldatura, ed è riscaldato elettricamente per mantenere la saldatura in uno stato fuso. I riscaldatori includono un potente riscaldatore sfuso per eseguire la fusione iniziale e un'alimentazione di calore regolata più piccola per controllare termostaticamente la temperatura.

Il successo della saldatura a livello di scheda richiede che la progettazione del crogiolo di saldatura e dei sistemi della pompa di ricircolo forniscano continuamente una costante "ondata" di saldatura fresca. Con la saldatura, la saldatura pura viene contaminata da composti di piombo/stagno ossidati, impurità metalliche e prodotti di decomposizione del flusso. Questo scoria si forma sulla superficie della saldatura fusa e maggiore è la bava formata, maggiore è la tendenza alla formazione aggiuntiva. La scoria è dannosa per il processo di saldatura e l'onda di saldatura. Se si forma abbastanza nel vaso, può essere trascinato nella pompa di ricircolo e causare l'abrasione della girante. Gli operatori di saldatura ad onda sono tenuti a rimuovere la bava l'onda regolarmente. Questo processo prevede che l'operatore estragga le scorie solidificate dalla saldatura fusa e raccolga i residui per il recupero/riciclaggio. Il processo di rimozione della bava prevede che l'operatore apra fisicamente lo sportello di accesso posteriore (tipicamente una configurazione ad ala di golfo) adiacente al crogiolo di saldatura e raccolga manualmente le scorie calde. Durante questo processo dalla pentola si liberano emissioni visibili altamente irritanti per gli occhi, il naso e la gola dell'operatore. L'operatore è tenuto a indossare guanti termici, un grembiule, occhiali di sicurezza e uno schermo facciale e protezione respiratoria (per particolato di piombo/stagno, gas corrosivi (HCl) e aldeide alifatica (formaldeide)). La ventilazione di scarico locale è fornita dall'interno dell'unità di saldatura ad onda, ma il crogiolo di saldatura viene ritirato meccanicamente dall'armadio principale per consentire all'operatore l'accesso diretto a entrambi i lati del crogiolo caldo. Una volta ritirato, il condotto di scarico locale che è montato nell'armadio diventa inefficace per rimuovere i materiali liberati. I rischi primari per la salute e la sicurezza sono: ustioni termiche da saldatura calda, esposizione respiratoria ai materiali sopra menzionati, lesioni alla schiena dovute alla manipolazione di pesanti lingotti di saldatura e fusti di scoria ed esposizione a residui di saldatura di piombo/stagno/particolato fine durante le attività di manutenzione.

Durante l'effettivo processo di saldatura, le porte di accesso sono chiuse e l'interno dell'unità di saldatura ad onda è sotto pressione negativa a causa della ventilazione di scarico locale fornita sui lati del flusso e del crogiolo di saldatura dell'onda. Questa ventilazione e le temperature di esercizio del crogiolo di saldatura (tipicamente da 302 a 316°C, che è appena al di sopra del punto di fusione della saldatura), determinano la minima formazione di fumi di piombo. L'esposizione primaria al particolato di piombo/stagno si verifica durante le attività di rimozione della scorza e di manutenzione dell'attrezzatura, dall'agitazione delle scorie nel recipiente, al trasferimento nel recipiente di recupero e alla pulizia dei residui di saldatura. Il particolato fine di piombo/stagno si forma durante l'operazione di rimozione della scorza e può essere rilasciato nella stanza di lavoro e nella zona di respirazione dell'operatore di saldatura ad onda. Sono state ideate varie strategie di controllo tecnico per ridurre al minimo queste potenziali esposizioni al particolato di piombo, tra cui l'incorporazione di ventilazione di scarico locale nel recipiente di recupero (vedere figura 3), l'uso di aspiratori HEPA per la pulizia dei residui e condotti di scarico flessibili con bracci articolati per posizionare ventilazione della pentola calda durante la rimozione della scorza. Deve essere vietato l'uso di scope o spazzole per raccogliere i residui di saldatura. Devono essere richieste anche rigorose pratiche di pulizia e igiene personale. Durante le operazioni di manutenzione dell'attrezzatura per la saldatura ad onda (che vengono eseguite su base settimanale, mensile, trimestrale e annuale), vari componenti dell'hot pot vengono puliti all'interno dell'attrezzatura o rimossi e puliti in una cappa aspirante localmente. Queste operazioni di pulizia possono comportare la raschiatura fisica o la pulizia meccanica (utilizzando un trapano elettrico e una spazzola metallica) della pompa di saldatura e dei deflettori. Alti livelli di particolato di piombo vengono generati durante il processo di pulizia meccanica e il processo deve essere eseguito in un involucro localmente esausto.

Figura 3. Carrello scorie con coperchio sottovuoto

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Sopralluogo, ritocco e collaudo

Le funzioni di ispezione visiva e ritocco vengono condotte dopo la saldatura ad onda e comportano l'uso di lenti di ingrandimento/task light per l'ispezione fine e il ritocco delle imperfezioni. La funzione di ritocco può comportare l'utilizzo di a saldatura a bastone saldatore a mano e saldatura con nucleo di colofonia o spazzolatura su una piccola quantità di flusso liquido e saldatura a filo di piombo/stagno. I fumi visivi della saldatura a bastoncino coinvolgono i prodotti di decomposizione del flusso. Piccole quantità di cordone di saldatura piombo/stagno che non aderiscono al giunto di saldatura possono rappresentare un problema di pulizia e igiene personale. Dovrebbe essere fornito un ventilatore adiacente alla postazione di lavoro per la ventilazione di diluizione generale lontano dalla zona di respirazione dell'operatore o un sistema di scarico dei fumi più sofisticato che catturi i prodotti di decomposizione sulla punta del saldatore o adiacente all'operazione. I fumi vengono quindi indirizzati a un sistema di scarico dell'impianto di lavaggio dell'aria che incorpora la filtrazione HEPA per il particolato e l'adsorbimento di gas a carbone attivo per le aldeidi alifatiche e i gas di acido cloridrico. L'efficacia di questi sistemi di scarico di saldatura dipende fortemente dalle velocità di cattura, dalla vicinanza al punto di generazione dei fumi e dall'assenza di correnti incrociate sulla superficie di lavoro. Il test elettrico del PCB completato richiede attrezzature e software di test specializzati.

Rielaborazione e riparazione

Sulla base dei risultati del test della scheda, le schede difettose vengono valutate per specifici guasti dei componenti e sostituite. Questa rielaborazione delle schede può comportare la saldatura a bastoncino. Se è necessario sostituire i componenti primari sul PCB come il microprocessore, a rilavorazione pentola di saldatura viene utilizzato per immergere quella parte della scheda che ospita il componente o il giunto difettoso in un piccolo crogiolo di saldatura, rimuovere il componente e quindi reinserire un nuovo componente funzionale sulla scheda. Se il componente è più piccolo o più facile da rimuovere, an vuoto d'aria viene impiegato un sistema che utilizza aria calda per riscaldare il giunto di saldatura e il vuoto per rimuovere la saldatura. Il crogiuolo per saldatura di rilavorazione è alloggiato all'interno di un involucro con scarico locale che fornisce una velocità di scarico sufficiente per catturare i prodotti di decomposizione del flusso che si formano quando la lega per saldatura liquida viene spazzolata sulla scheda e viene stabilito il contatto con la saldatura. Questo vaso forma anche scorie e richiede attrezzature e procedure per la rimozione delle scorie (su scala molto più piccola). Il sistema di aspirazione dell'aria non richiede di essere alloggiato all'interno di un involucro, ma la saldatura piombo/stagno rimossa deve essere gestita come rifiuto pericoloso e recuperata/riciclata.

Operazioni di supporto: pulizia degli stampini

La prima fase del processo di assemblaggio del PCB ha comportato l'uso di uno stampino per fornire lo schema dei punti di giunzione per la pasta saldante piombo/stagno da far passare attraverso. In genere, le aperture dello stencil iniziano a ostruirsi ei residui di pasta per saldatura di piombo/stagno devono essere rimossi a turno. Una pre-pulizia viene solitamente eseguita presso la stampante serigrafica per catturare la contaminazione grossolana sulla scheda, pulendo la superficie della scheda con una miscela di alcol diluito e salviette usa e getta. Per rimuovere completamente i residui rimanenti è necessario un processo di pulizia a umido. In un sistema simile a una grande lavastoviglie, viene utilizzata acqua calda (57°C) e una soluzione chimica di ammine alifatiche diluite (monoetanolammina) per rimuovere chimicamente la pasta saldante dallo stencil. Quantità significative di saldatura piombo/stagno vengono lavate via dalla scheda e depositate nella camera di lavaggio o in soluzione nell'acqua di scarico. Questo effluente richiede la filtrazione o la rimozione chimica del piombo e la regolazione del pH per le ammine alifatiche corrosive (utilizzando acido cloridrico). I nuovi pulitori per stampini a sistema chiuso utilizzano la stessa soluzione di lavaggio finché non viene esaurita. La soluzione viene trasferita in un'unità di distillazione e le sostanze volatili vengono distillate fino a formare un residuo semiliquido. Questo residuo viene quindi trattato come rifiuto pericoloso contaminato da piombo/stagno.

Processo di assemblaggio del computer

Una volta che il PCB finale è stato assemblato, viene trasferito all'operazione di assemblaggio dei sistemi per l'incorporazione nel prodotto informatico finale. Questa operazione è tipicamente molto laboriosa, con i componenti da assemblare forniti alle singole postazioni di lavoro su carrelli di staging lungo la linea di assemblaggio meccanizzata. I principali rischi per la salute e la sicurezza riguardano la movimentazione e la messa in scena dei materiali (carrelli elevatori, sollevamento manuale), le implicazioni ergonomiche del processo di assemblaggio (campo di movimento, forza di inserimento richiesta per "impostare" i componenti, installazione di viti e connettori) e l'imballaggio finale , termoretraibile e spedizione. Un tipico processo di assemblaggio di computer prevede:

  • preparazione telaio/valigia
  • Inserimento PCB (scheda madre e figlia).
  • inserimento del componente principale (unità floppy, disco rigido, alimentatore, unità CD-ROM).
  • gruppo display (solo portatili)
  • inserimento mouse e tastiera (solo portatili)
  • cablaggio, connettori e altoparlanti
  • gruppo coperchio superiore
  • download del software
  • test
  • rielaborare
  • ricarica della batteria (solo portatili) e imballaggio
  • imballaggio termoretraibile e spedizione.

 

Gli unici prodotti chimici che possono essere utilizzati nel processo di assemblaggio comportano la pulizia finale del case del computer o del monitor. In genere, viene utilizzata una soluzione diluita di alcool isopropilico e acqua o una miscela commerciale di detergenti (p. es., Simple Green, una soluzione diluita di butilcellosolve e acqua).

 

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Sabato, Aprile 02 2011 18: 56

Effetti sulla salute e modelli di malattia

In quanto industria emergente, la produzione di semiconduttori è stata spesso vista come l'epitome del posto di lavoro ad alta tecnologia. A causa dei severi requisiti di produzione associati alla produzione di strati multipli di circuiti elettronici dimensionali in micron su wafer di silicio, l'ambiente della camera bianca è diventato sinonimo di luogo di lavoro per questo settore. Poiché alcuni dei gas idruri utilizzati nella produzione di semiconduttori (ad esempio, arsina, fosfina) sono stati riconosciuti fin dall'inizio come sostanze chimiche altamente tossiche, la tecnologia di controllo dell'esposizione all'inalazione è sempre stata una componente importante della fabbricazione di wafer. I lavoratori dei semiconduttori sono ulteriormente isolati dal processo di produzione indossando indumenti speciali che coprono tutto il corpo (ad es. camici), copricapi, copriscarpe e, spesso, maschere facciali (o anche dispositivi di respirazione ad aria). Da un punto di vista pratico, le preoccupazioni del datore di lavoro per la purezza del prodotto hanno portato anche alla protezione dall'esposizione dei lavoratori.

Oltre agli indumenti protettivi personali, in tutta l'industria dei semiconduttori vengono utilizzati sistemi altamente sofisticati di ventilazione e monitoraggio dell'aria di sostanze chimiche/gas per rilevare perdite di vapori di solventi chimici tossici, acidi e gas idruro in parti per milione (ppm) o meno. Sebbene, dal punto di vista storico, l'industria abbia sperimentato frequenti evacuazioni di lavoratori dalle sale di fabbricazione dei wafer, sulla base di perdite reali o presunte di gas o solventi, tali episodi di evacuazione sono diventati eventi rari a causa delle lezioni apprese nella progettazione di sistemi di ventilazione, gas tossici /manipolazione di prodotti chimici e sistemi di monitoraggio dell'aria sempre più sofisticati con campionamento continuo dell'aria. Tuttavia, il crescente valore monetario dei singoli wafer di silicio (unitamente all'aumento del diametro dei wafer), che possono contenere decine di singoli microprocessori o dispositivi di memoria, può sottoporre a stress mentale i lavoratori che devono manipolare manualmente i contenitori di questi wafer durante i processi di produzione. La prova di tale stress è stata ottenuta durante uno studio sui lavoratori dei semiconduttori (Hammond et al. 1995; Hines et al. 1995; McCurdy et al. 1995).

L'industria dei semiconduttori ha avuto i suoi inizi negli Stati Uniti, che ha il maggior numero di lavoratori dell'industria dei semiconduttori (circa 225,000 nel 1994) di qualsiasi paese (BLS 1995). Tuttavia, ottenere stime valide sull'occupazione internazionale per questo settore è difficile a causa dell'inclusione dei lavoratori dei semiconduttori con i lavoratori della "produzione di apparecchiature elettriche/elettroniche" nelle statistiche della maggior parte delle nazioni. A causa dei severi controlli ingegneristici richiesti per la produzione di dispositivi a semiconduttore, è molto probabile che i luoghi di lavoro dei semiconduttori (ad esempio le camere bianche) siano comparabili, sotto molti aspetti, in tutto il mondo. Questa comprensione, unita ai requisiti del governo degli Stati Uniti per la registrazione di tutti gli infortuni e le malattie legate al lavoro significativi tra i lavoratori statunitensi, rende l'infortunio sul lavoro e l'esperienza di malattia dei lavoratori dei semiconduttori statunitensi una questione estremamente rilevante su scala nazionale e internazionale. Detto semplicemente, in questo momento ci sono poche fonti internazionali di informazioni e dati rilevanti riguardanti la sicurezza e l'esperienza sanitaria dei lavoratori dei semiconduttori, oltre a quelle dell'indagine annuale sugli infortuni e le malattie professionali del Bureau of Labor Statistics (BLS) degli Stati Uniti.

Negli Stati Uniti, che dal 1972 raccolgono dati su infortuni e malattie sul lavoro in tutti i settori, la frequenza di infortuni e malattie sul lavoro tra i lavoratori dei semiconduttori è stata tra le più basse di tutte le industrie manifatturiere. Tuttavia, sono state espresse preoccupazioni sul fatto che potrebbero essere presenti effetti sulla salute più sottili tra i lavoratori dei semiconduttori (LaDou 1986), sebbene tali effetti non siano stati documentati.

Si sono svolti numerosi simposi riguardanti la valutazione della tecnologia di controllo nell'industria dei semiconduttori, con molti dei documenti dei simposi che trattano questioni ambientali e di sicurezza e salute dei lavoratori (ACGIH 1989, 1993).

Una quantità limitata di dati sugli infortuni sul lavoro e sulle malattie per la comunità internazionale dei produttori di semiconduttori è stata ricavata tramite un'indagine speciale eseguita nel 1995, riguardante i casi segnalati per gli anni 1993 e 1994. Questi dati dell'indagine sono riassunti di seguito.

Infortuni sul lavoro e malattie tra i lavoratori dei semiconduttori

Per quanto riguarda i dati statistici internazionali associati agli infortuni sul lavoro e alle malattie tra i lavoratori dei semiconduttori, gli unici dati comparabili sembrano essere quelli derivati ​​da un'indagine sulle operazioni multinazionali di produzione di semiconduttori eseguita nel 1995 (Lassiter 1996). I dati raccolti in questa indagine riguardavano le operazioni internazionali dei produttori di semiconduttori con sede negli Stati Uniti per gli anni 1993-94. Alcuni dei dati dell'indagine includevano operazioni diverse dalla produzione di semiconduttori (ad esempio, produzione di computer e unità disco), sebbene tutte le società partecipanti fossero coinvolte nel settore dell'elettronica. I risultati di questa indagine sono presentati nella figura 1 e nella figura 2, che includono i dati della regione Asia-Pacifico, Europa, America Latina e Stati Uniti. Ogni caso riguardava un infortunio sul lavoro o una malattia che richiedeva cure mediche o perdita o limitazione del lavoro. Tutti i tassi di incidenza nelle cifre sono stati calcolati come numero di casi (o giornate lavorative perse) per 200,000 ore di lavoro all'anno. Se le ore lavorative totali non erano disponibili, sono state utilizzate le stime dell'occupazione media annua. Il denominatore di 200,000 ore lavorative è pari a 100 lavoratori equivalenti a tempo pieno all'anno (assumendo 2,000 ore lavorative per lavoratore all'anno).

Figura 1. Distribuzione dei tassi di incidenza degli infortuni e delle malattie sul lavoro per settore mondiale, 1993 e 1994.

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Figura 2. Distribuzione dei tassi di incidenza di Infortuni e malattie con giorni di assenza dal lavoro per settore mondiale 1993 e 1994

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La figura 1 illustra i tassi di incidenza degli infortuni sul lavoro e delle malattie per le varie regioni del mondo nell'indagine 1993-94. Le tariffe dei singoli paesi non sono state incluse per garantire la riservatezza di quelle società partecipanti che erano le uniche fonti di dati per alcuni paesi. Pertanto, per alcuni paesi dell'indagine, i dati sono stati riportati solo per una singola struttura. In diversi casi, le aziende hanno combinato tutti i dati internazionali in un'unica statistica. Questi ultimi dati sono elencati in figura 1 e figura 2 come “Combinati”.

L'incidenza annuale di infortuni e malattie sul lavoro tra tutti i lavoratori nell'indagine internazionale è stata di 3.3 casi per 100 dipendenti (200,000 ore lavorate) nel 1993 e di 2.7 nel 1994. I casi segnalati sono stati 12,615 per il 1993 e 12,368 per il 1994. La grande maggioranza dei casi (12,130 nel 1993) provenivano da società statunitensi. Questi casi sono stati associati a circa 387,000 lavoratori nel 1993 e 458,000 nel 1994.

La figura 2 presenta i tassi di incidenza dei casi di giornate lavorative perse che comportano giorni di assenza dal lavoro. I tassi di incidenza del 1993 e del 1994 si basavano su circa 4,000 casi di giornate lavorative perse per ciascuno dei 2 anni dell'indagine internazionale. L'intervallo internazionale/regionale nei tassi di incidenza per questa statistica era il più ristretto di quelli misurati. L'incidenza dei casi di giornate lavorative perse può rappresentare la statistica internazionale più comparabile per quanto riguarda l'esperienza in materia di sicurezza e salute dei lavoratori. Il tasso di incidenza dei giorni di assenza dal lavoro (giorni di assenza dal lavoro) è stato di circa 15.4 giorni di assenza dal lavoro ogni 100 lavoratori per ciascuno dei 2 anni.

Gli unici dati dettagliati noti riguardanti le caratteristiche dei casi di infortuni e malattie dei lavoratori dei semiconduttori sono quelli compilati annualmente negli Stati Uniti dal BLS, che riguardano casi con giornate lavorative perse. I casi discussi qui sono stati individuati dal BLS nella loro indagine annuale per l'anno 1993. I dati ottenuti da questi casi appaiono nella figura 3, figura 4, figura 5 e figura 6. Ciascuna figura confronta l'esperienza dei casi di giornata lavorativa persa per il settore privato, tutta la produzione e la produzione di semiconduttori.

Figura 3. Incidenza comparativa dei casi di giornate lavorative perse1 per tipologia di evento o esposizione, 1993

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Figura 4. Incidenza comparativa dei casi di giornate lavorative perse1 per fonte di infortunio o malattia, 1993.

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Figura 5. Incidenza comparativa dei casi di giornate lavorative perse1 per natura di infortunio o malattia, 1993.

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Figura 6. Incidenza comparativa dei casi di giornate lavorative perse per parte del corpo colpita, 1993

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La Figura 3 mette a confronto l'esperienza dei casi di giornata lavorativa persa dei lavoratori dei semiconduttori statunitensi nel 1993 con il settore privato e con tutta la produzione rispetto al tipo di evento o esposizione. I tassi di incidenza per la maggior parte delle categorie in questa figura erano molto inferiori per i lavoratori dell'industria dei semiconduttori che per il settore privato o per tutta la produzione. I casi di sforzi eccessivi tra i lavoratori dei semiconduttori erano meno della metà del tasso di tutti i lavoratori del settore manifatturiero. La categoria di esposizione nociva (principalmente associata alle esposizioni a sostanze chimiche) era equivalente in tutti e tre i gruppi.

Le distribuzioni comparative dei casi di giornata lavorativa persa in base alla fonte di infortunio o malattia sono presentate nella figura 4. I tassi di incidenza dei casi di giornata lavorativa persa per i lavoratori dei semiconduttori erano inferiori a quelli del settore privato e di tutte le attività manifatturiere in tutte le categorie di fonti, ad eccezione dei casi associati a esposizioni a sostanze chimiche sostanze.

La figura 5 mette a confronto i tassi di incidenza delle giornate lavorative perse associati alla natura dell'infortunio o della malattia tra i tre gruppi. Le tariffe per i lavoratori dei semiconduttori erano meno della metà delle tariffe sia per il settore privato che per tutta la produzione nel 1993. L'incidenza delle ustioni chimiche era leggermente superiore per i lavoratori dei semiconduttori, ma era molto bassa per tutti e tre i gruppi di confronto. L'incidenza della sindrome del tunnel carpale (CTS) tra i lavoratori dei semiconduttori statunitensi era meno della metà del tasso per tutta la produzione.

Nella figura 6 è illustrata la distribuzione e l'incidenza dei casi che prevedono giorni di assenza dal lavoro per parte del corpo interessata. Sebbene l'incidenza dei casi che coinvolgevano i sistemi corporei fosse bassa per tutti i gruppi di confronto, il tasso per i lavoratori dei semiconduttori era leggermente elevato. Tutte le altre parti del corpo colpite erano molto inferiori per i lavoratori dei semiconduttori rispetto agli altri due gruppi di confronto.

Studi epidemiologici sui lavoratori dei semiconduttori

La preoccupazione per le possibili conseguenze sulla salute riproduttiva associate all'impiego nel settore dei semiconduttori è emersa nel 1983 quando una dipendente presso l'impianto di semiconduttori della Digital Equipment Corporation a Hudson, nel Massachusetts, ha indicato di ritenere che si fosse verificato un eccesso di aborti spontanei tra i dipendenti nelle camere bianche della struttura. Questa affermazione, unita all'assenza di dati interni presso la struttura, ha portato a uno studio epidemiologico della School of Public Health dell'Università del Massachusetts ad Amherst (UMass). Lo studio è stato avviato nel maggio del 1984 e completato nel 1985 (Pastides et al. 1988).

È stato osservato un rischio elevato di aborto spontaneo sia nell'area fotolitografica che nell'area di diffusione rispetto ai lavoratori non esposti in altre aree della struttura. Un rischio relativo di 1.75 è stato considerato non statisticamente significativo (p <0.05), sebbene un rischio relativo di 2.18 osservato tra i lavoratori nelle aree di diffusione fosse significativo. La pubblicazione dello studio UMass ha portato a temere in tutto il settore dei semiconduttori che uno studio più ampio fosse giustificato per convalidare i risultati osservati e per determinare la loro portata e la possibile causa.

La Semiconductor Industry Association (SIA) degli Stati Uniti ha sponsorizzato uno studio più ampio condotto dall'Università della California a Davis (UC Davis) a partire dal 1989. Lo studio UC Davis è stato progettato per verificare l'ipotesi che la produzione di semiconduttori fosse associata a un aumento del rischio di aborto spontaneo per dipendenti di fabbricazione di wafer di sesso femminile. La popolazione dello studio è stata selezionata tra 14 aziende che rappresentavano 42 siti di produzione in 17 stati. Il maggior numero di siti (che rappresentano quasi la metà dei dipendenti nello studio) era in California.

Lo studio UC Davis consisteva in tre diverse componenti: una componente trasversale (McCurdy et al. 1995; Pocekay et al. 1995); una componente di coorte storica (Schenker et al. 1995); e una componente prospettica (Eskenazi et al. 1995). Al centro di ciascuno di questi studi c'era una valutazione dell'esposizione (Hines et al. 1995; Hammond et al. 1995). La componente di valutazione dell'esposizione ha assegnato i dipendenti a un gruppo di esposizione relativo (ad esempio, esposizione elevata, esposizione bassa e così via).

Nella componente storica dello studio, è stato determinato che il rischio relativo dei lavoratori della fabbricazione, rispetto ai lavoratori non della fabbricazione, era di 1.45 (ovvero, il 45% di rischio in più di aborto spontaneo). Il gruppo a più alto rischio identificato nella componente storica dello studio era costituito da donne che lavoravano in operazioni di fotolitografia o incisione. Le donne che eseguivano operazioni di mordenzatura presentavano un rischio relativo di 2.15 (RR=2.15). Inoltre, è stata osservata una relazione dose-risposta tra le donne che hanno lavorato con qualsiasi fotoresist o sviluppatore rispetto all'aumento del rischio di aborto spontaneo. Questi dati hanno supportato un'associazione dose-risposta per gli eteri di glicole etilenico (EGE) ma non per gli eteri di glicole propilenico (PGE).

Sebbene sia stato osservato un aumento del rischio di aborto spontaneo tra le lavoratrici di fabbricazione di wafer nella componente prospettica dello studio UC Davis, i risultati non erano statisticamente significativi (p inferiore a 0.05). Un piccolo numero di gravidanze ha ridotto significativamente il potere della componente prospettica dello studio. L'analisi dell'esposizione all'agente chimico ha indicato un aumento del rischio per quelle donne che hanno lavorato con etilene glicole monoetil etere, ma si basava su sole 3 gravidanze. Un risultato importante è stato il supporto generale, e non la contraddizione, dei risultati della componente storica.

La componente trasversale dello studio ha rilevato un aumento dei sintomi delle vie respiratorie superiori principalmente nei gruppi di lavoratori del forno a diffusione e del film sottile. Una scoperta interessante è stata l'apparente effetto protettivo di vari controlli tecnici relativi all'ergonomia (ad esempio, poggiapiedi e l'uso di una sedia regolabile per ridurre le lesioni alla schiena).

Le misurazioni dell'aria effettuate nelle fabbriche di wafer hanno rilevato che la maggior parte delle esposizioni ai solventi erano inferiori all'1% dei limiti di esposizione consentiti (PEL) stabiliti dal governo degli Stati Uniti.

Uno studio epidemiologico separato (Correa et al. 1996) è stato condotto dalla Johns Hopkins University (JHU), coinvolgendo un gruppo di impiegati di semiconduttori della IBM Corporation nel 1989. Il tasso complessivo di aborto spontaneo osservato nello studio JHU che coinvolgeva le lavoratrici delle camere bianche era del 16.6%. Il rischio relativo di aborto spontaneo tra le lavoratrici di camere bianche con la più alta esposizione potenziale agli eteri di glicole etilenico era 2.8 (IC 95% = 1.4-5.6).

Discussione sugli studi epidemiologici riproduttivi che coinvolgono i lavoratori dei semiconduttori

Gli studi epidemiologici sono stati notevoli per portata e somiglianza dei risultati. Tutti questi studi hanno prodotto risultati simili. Ogni studio ha documentato un rischio eccessivo di aborto spontaneo (aborto spontaneo) per le lavoratrici donne nella fabbricazione di wafer semiconduttori. Due degli studi (JHU e UC Davis) possono indicare un'associazione causale con l'esposizione a glicoleteri a base di etilene. Lo studio UMass ha rilevato che il gruppo fotografico (quelli esposti all'etere di glicole) presentava un rischio minore rispetto al gruppo di diffusione, che non aveva un'esposizione documentata all'etere di glicole. Sebbene questi studi indichino un aumento del rischio di aborti spontanei tra i lavoratori della fabbricazione di wafer, la causa di tale rischio eccessivo non è chiara. Lo studio JHU non è riuscito a documentare un ruolo significativo per gli eteri glicolici e lo studio UC Davis ha collegato solo marginalmente gli eteri glicolici (attraverso la modellazione delle esposizioni e pratiche di lavoro auto-riportate) agli effetti sulla riproduzione. Poco o nessun monitoraggio è stato eseguito in entrambi gli studi per determinare l'esposizione agli eteri glicolici. Dopo il completamento di questi studi, l'industria dei semiconduttori ha iniziato a passare dagli eteri glicolici della serie dell'etilene a sostituti come il lattato di etile e gli eteri del glicole della serie del propilene.

Conclusione

Sulla base dei migliori dati disponibili riguardanti l'incidenza annuale di infortuni e malattie professionali, i lavoratori dei semiconduttori sono meno a rischio rispetto ai lavoratori di altri settori manifatturieri o di tutto il settore privato (comprese molte industrie non manifatturiere). Su base internazionale, sembra che i dati statistici sugli infortuni sul lavoro e sulle malattie associati ai casi di giornate lavorative perse possano essere un indicatore abbastanza affidabile dell'esperienza mondiale in materia di sicurezza e salute dei lavoratori dei semiconduttori. L'industria ha sponsorizzato diversi studi epidemiologici indipendenti nel tentativo di trovare risposte alle domande sulle conseguenze sulla salute riproduttiva legate all'occupazione nel settore. Sebbene non sia stata stabilita un'associazione definitiva tra gli aborti spontanei osservati e le esposizioni agli eteri glicolici a base di etilene, l'industria ha iniziato a utilizzare solventi fotoresist alternativi.

 

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Sabato, Aprile 02 2011 19: 07

Problemi ambientali e di salute pubblica

Industria Panoramica

L'industria elettronica, rispetto ad altre industrie, è considerata "pulita" in termini di impatto ambientale. Nondimeno, le sostanze chimiche utilizzate nella produzione di parti e componenti elettronici e i rifiuti generati creano notevoli problemi ambientali che devono essere affrontati su scala globale a causa delle dimensioni dell'industria elettronica. I rifiuti e i sottoprodotti derivati ​​dalla produzione di circuiti stampati (PWB), circuiti stampati (PCB) e semiconduttori sono aree di interesse che l'industria elettronica ha perseguito con forza in termini di prevenzione dell'inquinamento, tecnologia di trattamento e tecniche di riciclaggio/recupero .

In larga misura, l'incentivo a controllare l'impronta ambientale dei processi elettronici è passato da un impulso ambientale a un dominio finanziario. A causa dei costi e delle responsabilità associati ai rifiuti pericolosi e alle emissioni, l'industria elettronica ha implementato e sviluppato in modo aggressivo controlli ambientali che hanno notevolmente ridotto l'impatto dei suoi sottoprodotti e rifiuti. Inoltre, l'industria elettronica ha adottato un approccio proattivo per incorporare obiettivi, strumenti e tecniche ambientali nelle sue attività attente all'ambiente. Esempi di questo approccio proattivo sono l'eliminazione graduale dei CFC e dei composti perfluorurati e lo sviluppo di alternative "compatibili con l'ambiente", nonché l'emergente approccio di "progettazione per l'ambiente" allo sviluppo del prodotto.

La produzione di PWB, PCB e semiconduttori richiede l'uso di una varietà di prodotti chimici, tecniche di produzione specializzate e attrezzature. A causa dei pericoli associati a questi processi produttivi, la corretta gestione dei sottoprodotti chimici, dei rifiuti e delle emissioni è essenziale per garantire la sicurezza dei dipendenti dell'industria e la protezione dell'ambiente nelle comunità in cui risiedono.

La tabella 1, la tabella 2 e la tabella 3 presentano uno schema dei principali sottoprodotti e rifiuti generati nella produzione di PWB, PCB e semiconduttori. Inoltre, le tabelle presentano le principali tipologie di impatto ambientale e le modalità generalmente accettate di mitigazione e controllo del flusso di rifiuti. In primo luogo, i rifiuti generati colpiscono le acque reflue industriali o l'aria, oppure diventano rifiuti solidi.

Tabella 1. Produzione e controlli dei rifiuti PWB

Fasi del processo

Pericoloso
materiali di scarto

Ambientali
influenza

Controls1

Materiali
preparazione

Nessuna

Nessuna

Nessuna

Impila e fissa

Metalli pesanti/preziosi
Resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti solidi2
Rifiuti solidi2

Riciclare/recuperare
Riciclare/recuperare

Perforazione

Metalli pesanti/preziosi
Resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti solidi2
Rifiuti solidi2

Riciclare/recuperare
Riciclare/recuperare

sbavare

Metalli pesanti/preziosi
Resina epossidica/fibra di vetro

Rifiuti solidi2
Rifiuti solidi2

Riciclare/recuperare
Riciclare/recuperare

senza elettroni
placcatura di rame

metalli

Corrosivi/caustici

fluoruri

Delle acque reflue

Acque reflue/aria

Delle acque reflue

Precipitazione chimica

Neutralizzazione del pH/lavaggio dell'aria
(assorbimento)
Neutralizzazione chimica

Imaging

solventi

corrosivi
solventi

Aria

Aria
Rifiuti solidi2

Adsorbimento, condensazione o
incenerimento
Lavaggio ad aria (assorbimento)
Riciclo/recupero/incenerimento

Placcatura a motivo

corrosivi

metalli
fluoruri

Acque reflue/aria

Delle acque reflue
Delle acque reflue

Neutralizzazione del pH/lavaggio dell'aria
(assorbimento)
Precipitazione chimica
Precipitazione chimica

Strappare, incidere, strappare

Ammoniaca
metalli
solventi

Aria
Delle acque reflue
Rifiuti solidi2

Lavaggio ad aria (adsorbimento)
Precipitazione chimica
Riciclo/recupero/incenerimento

Maschera per saldatura

corrosivi
solventi

Solventi/inchiostri epossidici

Aria
Aria

Rifiuti solidi2

Lavaggio ad aria (adsorbimento)
Adsorbimento, condensazione o
incenerimento
Riciclo/recupero/incenerimento

Rivestimento per saldatura

solventi

corrosivi
Saldatura piombo/stagno, fondente

Aria

Aria
Rifiuti solidi2

Adsorbimento, condensazione o
incenerimento
Lavaggio ad aria (adsorbimento)
Riciclare/recuperare

Placato in oro

corrosivi
corrosivi
metalli
metalli

Aria
Delle acque reflue
Delle acque reflue
Rifiuti solidi2

Lavaggio ad aria (adsorbimento)
neutralizzazione del pH
Precipitazione chimica
Riciclare/recuperare

Componente
leggenda

solventi

Solventi/inchiostri

Aria

Rifiuti solidi2

Condensa ad adsorbimento o
incenerimento
Riciclo/recupero/incenerimento

1. L'uso dei controlli di mitigazione dipende dai limiti di scarico nella posizione specifica.

2. Un rifiuto solido è qualsiasi materiale di scarto indipendentemente dal suo stato.

Tabella 2. Generazione e controlli dei rifiuti di PCB

Fasi del processo

Pericoloso
materiali di scarto

Ambientali
influenza

Controls

Pulizia

Metalli (piombo)

Delle acque reflue

Neutralizzazione del pH, chimica
precipitazioni, riciclare il piombo

Pasta per saldature

Pasta saldante (piombo/stagno)

Rifiuti solidi

Riciclare/recuperare

Adesivo
applicazione

Colle epossidiche

Rifiuti solidi

Incenerimento

Componente
inserimento

   

Nastri, bobine e tubi in plastica
vengono riciclati/riutilizzati

Cura adesiva e
rifusione della saldatura

     

Flussaggio

Solvente (flusso IPA)

Rifiuti solidi

Riciclare

Saldatura ad onda

Metallo (bava di saldatura)

Rifiuti solidi

Riciclare/recuperare

Ispezione e
ritocco

Metallo
(ritagli di filo di piombo)

Rifiuti solidi

Riciclare/recuperare

Testing

Demolito popolato
schede

Rifiuti solidi

Riciclare/recuperare
(tavole fuse per preziosi
recupero del metallo)

Rielaborazione e
riparazione

Metallo (bava di saldatura)

Rifiuti solidi

Riciclare/recuperare

Assistenza
operazioni-stencil
pulizia

Metallo
(piombo/stagno/pasta saldante)

Rifiuti solidi

Riciclo/incenerimento

 

Tabella 3. Produzione e controlli dei rifiuti di produzione di semiconduttori

Fasi del processo

Pericoloso
materiali di scarto

Ambientali
influenza

Controls

Litografia/acquaforte

solventi
metalli
Corrosivi/Caustici
corrosivi
acido solforico
fluoruri

Rifiuti solidi
Delle acque reflue
Delle acque reflue
Aria
Rifiuti solidi
Delle acque reflue

Riciclo/recupero/incenerimento
Precipitazione chimica
neutralizzazione del pH
Lavaggio ad aria (assorbimento)
Riciclare/rielaborare
Precipitazione chimica

Ossidazione

solventi
corrosivi

Rifiuti solidi
Delle acque reflue

Riciclo/recupero/incenerimento
neutralizzazione del pH

doping

Gas velenoso (arsina,
fosfina, diborano,
trifluoruro di boro,
tricloruro di boro, ecc.)
Metalli (arsenico,
fosforo, boro)

Aria



Rifiuti solidi

Sostituzione con liquido
fonti/incenerimento
(postbruciatore)

Riciclare/recuperare

Deposizione chimica da vapore

metalli

corrosivi

Rifiuti solidi

Delle acque reflue

Incenerimento

neutralizzazione del pH

Metallizzazione

solventi
metalli

Rifiuti solidi
Rifiuti solidi

Incenerimento
Riciclare/recuperare

Assemblaggio e collaudo

solventi
metalli

Rifiuti solidi
Rifiuti solidi

Riciclo/recupero/incenerimento
Riciclare/recuperare

Pulizia

corrosivi
fluoruri

Delle acque reflue
Delle acque reflue

neutralizzazione del pH
Precipitazione chimica

 

I seguenti sono mezzi generalmente accettati per mitigare le emissioni nelle industrie PWB, PCB e semiconduttori. I controlli di scelta varieranno in base alle capacità ingegneristiche, ai requisiti delle agenzie di regolamentazione e ai componenti/concentrazioni specifici del flusso di rifiuti.

Controllo delle acque reflue

Precipitazione chimica

La precipitazione chimica viene generalmente utilizzata nella rimozione di particelle o metalli solubili dagli effluenti delle acque reflue. Poiché i metalli non si degradano naturalmente e sono tossici a basse concentrazioni, la loro rimozione dalle acque reflue industriali è essenziale. I metalli possono essere rimossi dalle acque reflue con mezzi chimici poiché sono poco solubili in acqua; la loro solubilità dipende dal pH, dalla concentrazione del metallo, dal tipo di metallo e dalla presenza di altri ioni. Tipicamente, il flusso di rifiuti richiede la regolazione del pH al livello appropriato per far precipitare il metallo. È necessaria l'aggiunta di sostanze chimiche alle acque reflue nel tentativo di alterare lo stato fisico dei solidi disciolti e sospesi. Sono comunemente usati agenti di precipitazione a base di calce, caustici e solfuri. Gli agenti precipitanti facilitano la rimozione di metalli disciolti e sospesi mediante coagulazione, sedimentazione o intrappolamento all'interno di un precipitato.

Un risultato della precipitazione chimica delle acque reflue è l'accumulo di fanghi. Sono stati quindi sviluppati processi di disidratazione per ridurre il peso dei fanghi mediante centrifughe, filtropresse, filtri o letti di essiccazione. I fanghi disidratati risultanti possono quindi essere inviati all'incenerimento o alla discarica.

neutralizzazione del pH

Il pH (la concentrazione di ioni idrogeno o acidità) è un importante parametro di qualità nelle acque reflue industriali. A causa degli effetti negativi del pH estremo nelle acque naturali e nelle operazioni di trattamento delle acque reflue, il pH delle acque reflue industriali deve essere regolato prima dello scarico dall'impianto di produzione. Il trattamento avviene in una serie di serbatoi monitorati per la concentrazione di ioni idrogeno dell'effluente delle acque reflue. Tipicamente, l'acido cloridrico o solforico viene utilizzato come corrosivi neutralizzanti e l'idrossido di sodio viene utilizzato come caustico neutralizzante. L'agente neutralizzante viene dosato nell'effluente delle acque reflue per regolare il pH dello scarico al livello desiderato.

La regolazione del pH è spesso richiesta prima dell'applicazione di altri processi di trattamento delle acque reflue. Tali processi includono precipitazione chimica, ossidazione/riduzione, assorbimento di carbone attivo, strippaggio e scambio ionico.

Controllo dei rifiuti solidi

I materiali sono un rifiuto solido se vengono abbandonati o eliminati mediante smaltimento; bruciato o incenerito; o accumulati, immagazzinati o trattati prima o invece di essere abbandonati (Codice del regolamento federale 40 degli Stati Uniti, sezione 261.2). I rifiuti pericolosi presentano generalmente una o più delle seguenti caratteristiche: infiammabilità, corrosività, reattività, tossicità. A seconda delle caratteristiche del materiale/rifiuto pericoloso, vengono utilizzati vari mezzi per controllare la sostanza. L'incenerimento è un'alternativa di trattamento comune per i rifiuti di solventi e metalli generati durante la produzione di PWB, PCB e semiconduttori.

Incenerimento

L'incenerimento (postcombustione) o la distruzione termica è diventata un'opzione popolare nella gestione dei rifiuti infiammabili e tossici. In molti casi, i rifiuti infiammabili (solventi) sono usati come fonte di combustibile (miscela di combustibile) per inceneritori termici e catalitici. Un corretto incenerimento di solventi e rifiuti tossici fornisce la completa ossidazione del combustibile e converte il materiale combustibile in anidride carbonica, acqua e ceneri, senza lasciare alcuna responsabilità associata ai rifiuti pericolosi residui. I tipi comuni di incenerimento sono gli inceneritori termici e catalitici. La selezione del tipo di metodo di incenerimento dipende dalla temperatura di combustione, dalle caratteristiche del combustibile e dal tempo di permanenza. Gli inceneritori termici operano ad alte temperature e sono largamente utilizzati con composti alogenati. I tipi di inceneritori termici includono forno rotante, iniezione di liquido, focolare fisso, letto fluido e altri inceneritori di progettazione avanzata.

Gli inceneritori catalitici ossidano i materiali combustibili (ad es. COV) iniettando un flusso di gas riscaldato attraverso un letto di catalizzatore. Il letto di catalizzatore massimizza l'area superficiale e, iniettando un flusso di gas riscaldato nel letto di catalizzatore, la combustione può avvenire a una temperatura inferiore rispetto all'incenerimento termico.

Emissioni in aria

L'incenerimento è utilizzato anche per il controllo delle emissioni in atmosfera. Vengono utilizzati anche l'assorbimento e l'adsorbimento.

Assorbimento

L'assorbimento d'aria viene tipicamente utilizzato per abbattere le emissioni corrosive dell'aria, facendo passare il contaminante e dissolvendolo in un liquido non volatile (ad es. acqua). L'effluente dal processo di assorbimento viene tipicamente scaricato in un sistema di trattamento delle acque reflue, dove subisce la regolazione del pH.

adsorbimento

L'adsorbimento è l'adesione (mediante forze fisiche o chimiche) di una molecola di gas alla superficie di un'altra sostanza, chiamata adsorbente. Tipicamente, l'adsorbimento viene utilizzato per estrarre solventi da una fonte di emissioni nell'aria. Carbone attivo, allumina attivata o gel di silice sono adsorbenti comunemente usati.

Riciclaggio

I materiali riciclabili vengono utilizzati, riutilizzati o recuperati come ingredienti in un processo industriale per realizzare un prodotto. Il riciclaggio di materiali e rifiuti fornisce mezzi ambientali ed economici per affrontare efficacemente tipi specifici di flussi di rifiuti, come metalli e solventi. I materiali e i rifiuti possono essere riciclati internamente oppure i mercati secondari possono accettare materiali riciclabili. La selezione del riciclaggio come alternativa per i rifiuti deve essere valutata in base a considerazioni finanziarie, al quadro normativo e alla tecnologia disponibile per riciclare i materiali.

Direzione futura

Poiché la domanda di prevenzione dell'inquinamento aumenta e l'industria cerca mezzi convenienti per affrontare l'uso e i rifiuti chimici, l'industria elettronica deve valutare nuove tecniche e tecnologie per migliorare i metodi per la gestione dei materiali pericolosi e la generazione dei rifiuti. L'approccio end-of-pipe è stato sostituito dalle tecniche di progettazione per l'ambiente, in cui le questioni ambientali sono affrontate durante l'intero ciclo di vita di un prodotto, tra cui: conservazione dei materiali; operazioni di produzione efficienti; l'uso di materiali più rispettosi dell'ambiente; riciclaggio, rigenerazione e recupero di prodotti di scarto; e una miriade di altre tecniche che garantiranno un minore impatto ambientale per l'industria manifatturiera dell'elettronica. Un esempio è la grande quantità di acqua utilizzata nei numerosi risciacqui e in altre fasi di lavorazione nell'industria microelettronica. Nelle aree povere d'acqua, questo sta costringendo l'industria a trovare alternative. Tuttavia, è essenziale assicurarsi che l'alternativa (ad esempio i solventi) non crei ulteriori problemi ambientali.

Come esempio di direzioni future nel processo PWB e PCB, la tabella 4 presenta varie alternative per creare pratiche più rispettose dell'ambiente e prevenire l'inquinamento. Sono stati individuati i bisogni e gli approcci prioritari.

Tabella 4. Matrice dei bisogni prioritari

Bisogno prioritario (decrescente
ordine di priorità)

Approccio

Attività selezionate

Uso più efficiente,
rigenerazione e riciclaggio di
sostanze chimiche umide pericolose

Prolunga la vita dell'elettrolitico e
bagni di placcatura chimica.
Sviluppare chimica e
processi per consentire il riciclaggio
o rigenerazione interna.
Elimina la formaldeide da
materiali e chimiche.
Promuovere il riciclaggio in loco e
bonifica/rigenerazione.

Ricerca per estendere i bagni.
Ricerca in linea
purificazione/rigenerazione.
Alternativa di ricerca
chimica.
Modificare i regolamenti governativi
per promuovere il riciclo.
Educare la produzione in linea
problemi di trascinamento in entrata/uscita.

Ridurre i rifiuti solidi generati
da rottami PWB, lead e
componenti nei rifiuti
ruscello.

Sviluppare e promuovere
riciclaggio di PWB di scarto,
cavi e componenti.
Sviluppare un nuovo controllo di processo
e strumenti di prestazione.
Migliora la saldabilità di
PWB.

Sviluppare l'infrastruttura per
maneggiare materiale riciclato.
Stabilire migliorato
controllo e valutazione del processo
strumenti utilizzabili da piccoli e
medie imprese.
Consegna sempre pulita,
schede saldabili.

Stabilire un fornitore migliore
relazioni per migliorare la
sviluppo e accettazione
di rispettoso dell'ambiente
materiali.

Promuovere fornitore,
produttore, cliente
partnership da implementare
materiali ambientali.

Sviluppare un modello pericoloso
gestione dei materiali
sistema per piccoli e
PWB di medie dimensioni
aziende.

Ridurre al minimo l'impatto di
materiali pericolosi utilizzati in
Fabbricazione PWB.

Ridurre l'uso di saldatura al piombo quando
possibile e/o ridurre il
contenuto di piombo della saldatura.
Sviluppare alternative alla saldatura
placcatura come resistente all'incisione.

Modificare le specifiche per accettare
maschera di saldatura su rame nudo.
Convalidare la qualità del piombo
alternative di placcatura.

Utilizzare processi additivi che
sono competitivi con quelli esistenti
processi.

Sviluppare semplificato,
additivo economico
materiale e processo
tecnologie.
Cerca fonti alternative e
approcci per additivo
attrezzature strumentali di processo
esigenze.

Collaborare a progetti per
stabilire un nuovo additivo
dielettrici e metallizzazione
tecnologie e processi.

Elimina la sbavatura del foro in PWB
fabbricazione.

Sviluppare resine senza sbavature o
sistemi di perforazione.

Indagare alternativa
laminato e prepreg
materiali.
Sviluppare l'uso del laser e
altre alternative alla perforazione
sistemi.

Riduci il consumo di acqua
e scarico.

Sviluppare l'uso dell'acqua
ottimizzazione e riciclo
.
Ridurre il numero di
passaggi di pulizia in PWB
produzione.
Elimina la manipolazione delle parti e
preparazione per ridurre
ripulitura.

Modificare le specifiche per ridurre
requisiti di pulizia.
Indagare alternativa
metodi di manipolazione delle parti.
Cambia o elimina
chimici che richiedono
pulizia.

Fonte: MCC 1994.

 

Di ritorno

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