Viabilidad del reciclaje de semiconductores en procesadores Intel

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El logotipo actual, utilizado desde 2005.

Este es un proyecto de clase especulativa y debe perfeccionarse antes de implementarlo a cualquier escala.

En 1968, los científicos Robert Noyce y Gordon Moore ^W. fundaron Intel con la visión de productos de memoria semiconductora. En 1971, habían introducido el primer microprocesador del mundo. ^[1]

Tipo de semiconductor y cómo se fabrica

[ https://en.wikipedia.org/wiki/File:Monokristalines Silizium für die Waferherstellung.jpg Lingote de silicio monocristalino cultivado mediante el proceso Czochralski

• Los procesadores Intel utilizan un 99,9999% de silicio puro para fabricar sus obleas. El silicio se convierte a partir de fusión en un gran lingote monocristalino. Del lingote se cortan obleas con un diámetro de 300 mm. Una vez pulidas y preparadas las obleas, se depositan los transistores en la superficie. Luego se cortan los troqueles del procesador de la oblea. ^[2]

El vídeo de Intel explica cómo se crean los semiconductores. Como está hecho

Crecimiento del mercado

• Intel es responsable de muchos de los avances que han hecho posibles los semiconductores actuales. En los primeros nueve meses de 2011, la empresa generó 40.100 millones de dólares en ingresos y 13.200 millones de dólares en beneficios antes de impuestos. Intel no tiene un rival real en el mercado de chips que alimentan PC y servidores. ^{[ verificación necesaria ]} Los altos mandos de la empresa atribuyen gran parte del éxito de la empresa a la hora de aprovechar este círculo virtuoso al hecho de que diseña y fabrica sus chips, con diez fábricas de chips ("fabs" en el argot de la industria) en funcionamiento y dos más en construcción. Brian Krzanich, jefe de fabricación de Intel, dice que esto significa que puede llevar chips al mercado más rápido y con menos fallas que sus rivales que utilizan empresas externas, conocidas como "fundiciones", para fabricar sus chips. Esto ayuda a explicar por qué domina el mercado de procesadores de alto rendimiento en PC y servidores. ^[3]

Tipo de mercado

Intel tiene una amplia variedad de clientes, desde usuarios domésticos hasta organizaciones de todo el mundo. Aquí hay una lista de clientes que la propia Intel enumera en su sitio web con enlaces a los programas proporcionados que Intel ofrece a cada uno de sus clientes.

• Uso para negocios

Clientes integrados

Desarrolladores de hardware

Clientes de sistemas inteligentes

Gerentes de TI

Revendedores

Pequeños negocios

Desarrolladores de software

• Inversores

Inversores y analistas financieros

• Educación

Educadores

• Uso personal

jugadores

Usuarios domésticos

Prácticas de reciclaje actuales

¿Cómo?

• El sitio web de Intel analiza sus diversas prácticas de reciclaje. Son recicladores muy activos, afirmando reutilizar sus aguas residuales y evitar desperdicios en sus procesos productivos. ^[4] Intel, sin embargo, no tiene ningún programa aparente para el reciclaje de procesadores o de los semiconductores que contienen. Dado que hablan abiertamente sobre sus prácticas de reciclaje pero guardan silencio sobre el reciclaje de semiconductores, se supone que tal programa no existe.

¿Qué componentes?

• Nos centraremos en la Unidad Central de Procesamiento, que es el cerebro de la computadora. Sin embargo, Intel ha creado muchos otros tipos de procesadores a lo largo de la historia de la empresa. Desde los primeros procesadores de 4 bits creados en 1971, hasta el moderno procesador Itanium 2 de 64 bits creado en 2002, Intel ha estado constantemente a la vanguardia de la innovación para la creación de chips. ^[5]

Cantidad de semiconductor

• Las matrices del procesador Intel i7 tienen un área de 263 mm ² . ^[6] Las obleas utilizadas para crear los troqueles tienen aproximadamente 1 mm de espesor. ^[7] Dada la densidad del silicio de 2,65 g/cm ³ , un procesador con un volumen de 263 mm ³ (0,263 cm ³ ) tendría aproximadamente 0,697 g de silicio de alta pureza. Se estima que alrededor del 80% de todas las PC tienen procesadores Intel. ^[8] Si en 2010 se vendieron 83.800.000 ordenadores, se puede estimar que alrededor de 67.040.000 de ellos contenían un procesador Intel. Multiplicar ese número por la cantidad de silicio en un procesador da una estimación muy aproximada de la cantidad de silicio que se pone en los procesadores en un año. Esto equivale a unos 46.700 kg de silicio al año.

• Esta cantidad parece significativamente baja considerando la cantidad de silicio que se produce cada año para la industria electrónica (miles de toneladas métricas). Sin embargo, no hay datos de mercado sobre cuántas unidades se venden. Todos los datos disponibles están relacionados con los ingresos obtenidos de los procesadores. Sin información disponible sobre las unidades vendidas, puede resultar imposible saber exactamente cuánto silicio hay disponible en el mercado. Aun así, parece probable que el valor real sea superior a la estimación indicada. ^{[ se necesita verificación ]}

Métodos de recogida de materiales semiconductores perdidos.

• La Asociación de la Industria de Semiconductores dice que cada día se fabrican alrededor de 250.000 obleas de silicio en el mundo, e IBM estima que alrededor del 3,3 por ciento de las obleas se desechan. Al reciclar esas obleas desechadas en las instalaciones de Burlington ^[9] como obleas de monitor, IBM ahorró más de 500.000 dólares en 2006 y se prevé que ahorre 1,5 millones de dólares en 2007 y esa misma cantidad cada año en el futuro. IBM no dijo cuánto dinero podría ganar vendiendo las obleas de segunda mano. Y al utilizar silicio reciclado, los fabricantes de células solares pueden ahorrar entre un 30 y un 90 por ciento de la energía que normalmente gastan en la creación de células solares, que reducen la huella de carbono de sus productos. ^[10] Sin embargo, Intel no tiene un programa obvio para reciclar sus semiconductores y no hay información real sobre cómo se reciclan actualmente los semiconductores porque lo más probable es que los procesos estén protegidos por patentes.

Viabilidad

• Hemos decidido utilizar la Opción A (sí) de reciclaje posconsumo.
• Podemos utilizar un procesador basado en semiconductores posconsumo para su uso en otros semiconductores, particularmente para su uso en células fotovoltaicas. Con la extracción de los semiconductores (específicamente silicio) de los procesadores, contaminantes extraños inevitablemente penetrarán en el silicio puro. Debido a que las células fotovoltaicas no requieren silicio puro para funcionar correctamente, el silicio reciclado funcionará correctamente en las células solares. Los componentes de computadora ya se recolectan en todo el mundo para muchos componentes/elementos diferentes, como el oro o el platino, lo que hace factible la recolección de esos semiconductores. ^[11]

Reciclaje posconsumo

Métodos de recolección

Por ejemplo, en 2011, las operaciones PELM de IBM en todo el mundo procesaron más de 37.950 toneladas métricas de productos al final de su vida útil, lo que representó aproximadamente el 97,6 por ciento de la cantidad total procesada y reciclada. ^[12] Dado que sólo nos centramos en procesadores de Intel para este proyecto, utilizaremos la estimación del 97,6 por ciento para nuestros 46.700 kg (el peso total de silicio en procesadores para 2010) para estimar la cantidad de silicio recuperado. Esto nos da un total estimado de 45.579,2 kg de silicio que se pueden ahorrar de estos procesadores al año. Planeamos recolectar los procesadores brindando reciclaje gratuito a los consumidores. En cooperación con Intel, el cliente enviaría su(s) procesador(es) a Intel. Como tercero, entonces compraríamos o haríamos que Intel donara sus obleas de desecho y las CPU que los consumidores enviaron por correo a nuestro programa. Al asociarnos con Intel creemos que recibiríamos alrededor del 90% del total de procesadores producidos en un año. Si se estima que se fabrican 67.040.000 CPU Intel por año, 60.336.000 se devolverían a nuestra empresa. Multiplicando por la cantidad de silicio en una CPU promedio (0,697 g), podríamos reciclar alrededor de 42054 kg de Si puro por año. También construiríamos nuestra planta junto a la de Intel para que se pueda ignorar el envío entre las plantas.

Contaminantes

• Los desechos corrosivos típicos para los procesadores incluyen: ácido sulfúrico, ácido fluorhídrico, ácido fosfórico, ácido nítrico, hidróxido de amonio y peróxido de hidrógeno. Estos ácidos se utilizan para grabar, decapar y limpiar las obleas. El hidróxido de tetrametilamonio se utiliza como revelador fotorresistente positivo. ^[13]
• Los requisitos de pureza extrema para la fabricación de dispositivos electrónicos requieren pasos de purificación adicionales para producir silicio de grado electrónico (EGS). Para que los niveles de pureza sean aceptables para el posterior crecimiento de cristales y la fabricación del dispositivo, los EGS deben tener niveles de impurezas de carbono y oxígeno inferiores a unas pocas partes por millón (ppm), e impurezas metálicas en el rango de partes por mil millones (ppb) o menos. (vea la tabla de abajo). Además de la pureza, el coste de producción y las especificaciones deben satisfacer los deseos de la industria. ^[14] Sin embargo, debido a que no planeamos reciclar nuestras obleas de silicio en la electrónica sino en los paneles solares, podemos ser un poco más liberales con la cantidad de contaminantes en nuestro silicio.

Tabla 1. Concentraciones típicas de impurezas encontradas en silicio de grado electrónico (EGS). ^[15]

Métodos de purificación

• Ya existen métodos para recuperar obleas de la industria electrónica. Las obleas que tienen todos los componentes electrónicos depositados se pueden limpiar, pulir y reutilizar. ^{[ se necesita verificación ]} Este proceso también se puede utilizar para limpiar chips de procesador existentes que tienen las mismas propiedades de superficie que las obleas sin cortar.
• Los chips del procesador reciben un tratamiento químico para eliminar las impurezas.
  1. Primero se tratan con una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno.
  2. Lo siguiente es un grabado en ácido fluorhídrico seguido de un grabado alcalino con hidróxido de amonio o hidróxido de potasio.
  3. Luego, las virutas se muelen y pulen para eliminar las características restantes de la superficie.
  4. Finalmente, las partículas residuales se eliminan durante un proceso de limpieza en dos etapas. El primer paso utiliza una mezcla de agua, peróxido de hidrógeno e hidróxido de amonio y el segundo utiliza agua, peróxido de hidrógeno y ácido clorhídrico. Este proceso da como resultado un silicio limpio y puro con una ligera reducción de espesor. ^[16] La pérdida de espesor es de hasta 10 micras o aproximadamente el 1,5% del silicio. ^[17]
• Una vez que el silicio se limpia de impurezas, se puede fundir y moldear en lingotes de silicio policristalino y cortar en lingotes cuadrados para su uso en células solares ^[18].
• En general, se pierde muy poco silicio. Aproximadamente el 1,5% se pierde durante el proceso de limpieza. Incluso suponiendo que la pérdida de espesor triplicada durante la limpieza sea conservadora, sólo se pierde el 4,5% del silicio. También es probable que se produzcan importantes pérdidas de corte al aserrar. Una fuente estima una pérdida de corte del 35% durante la producción de obleas ^[19] , pero el polvo del corte de obleas se puede reciclar nuevamente para convertirlo en masa fundida para nuevos lingotes. Es probable que al menos el 95% del silicio pueda recuperarse de este proceso.

Métodos de caracterización

Hay algunas formas diferentes de caracterizar un semiconductor basado en silicio. Existe la caracterización eléctrica, la caracterización óptica y la caracterización físico-química.

La caracterización eléctrica le ayuda a determinar la resistividad, la concentración de portadores, la movilidad, la resistencia de contacto, la altura de la barrera, el ancho de agotamiento, la carga de óxido, los estados de la interfaz, la vida útil de los portadores y las impurezas de nivel profundo. Sonda de dos puntos, sonda de cuatro puntos, efecto Hall diferencial, perfil de capacitancia-voltaje, DLTS y DLCP.

La caracterización óptica incluye microscopía, elipsometría, fotoluminiscencia, espectroscopia de transmisión, espectroscopia de absorción, espectroscopia raman, modulación de reflectancia y catodoluminiscencia. Todavía existen muchos otros métodos. Estos son simplemente un ejemplo de algunas de las herramientas disponibles.

Las técnicas de caracterización física y química utilizan haces de iones, rayos X y haces de electrones para medir las características físicas del semiconductor. estos incluyen (haz de electrones) SEM, TEM, AES, EMP, EELS, (haz de iones) sputtering, SIMS, RBS, (rayos X) XRF, XPS, XRD, topografía de rayos X, análisis de activación de neutrones (NAA), grabado químico.

Dado que estamos intentando utilizar el silicio de estos procesadores para su uso en células fotovoltaicas, tiene sentido utilizar la caracterización eléctrica de los materiales involucrados. Los otros métodos de caracterización se incluyeron simplemente para ilustrar cuántas formas diferentes hay de mostrar cómo se puede probar un semiconductor para determinar exactamente cuál es su composición exacta. Esto servirá básicamente para confirmar la información que se obtendría por parte de Intel en cuanto al tipo de silicio utilizado en sus procesadores. Lamentablemente, esta información es patentada, por lo que no sabemos nada más que la pureza promedio del silicio para uso del procesador. Afortunadamente, la pureza para esta aplicación es significativamente mayor que la necesaria para su uso en una celda fotovoltaica.

Energía necesaria para reciclar

Para conservar la energía necesaria para transportar una oblea a nuestras instalaciones, la ubicaremos junto a una planta de Intel que recibe procesadores de residuos. Luego se obtendrían pasando por todo el proceso de reciclaje. La información sobre la energía real utilizada por las máquinas individuales que realmente manejan estos procesadores es muy difícil de conseguir y no se hace pública. Sin embargo, existe una gran cantidad de información sobre el ahorro de energía que implican los procesos de recuperación de obleas. IBM afirma que, dependiendo del proceso, puede ahorrar entre un 30% y un 90% de la energía utilizada para producir obleas desde cero. ^[20] Se necesitan 2130 kWh para producir un kilogramo de silicio monocristalino desde cero. ^[21] Con una estimación conservadora del 50% de ahorro de energía, esto podría resultar en 1065 kWh por kilogramo para la parte de recuperación del proceso. Utilizando un horno de solidificación direccional ZT-90D con un crisol de 90 kg de capacidad, la energía requerida sería de 73 kWh por kilogramo. ^[22] Esto da como resultado una energía total de 1138 kWh por kilogramo de silicio para todos los pasos de procesamiento combinados.

Alternativas al reciclaje directo

• En lugar del reciclaje directo, que es el proceso de eliminar impurezas y utilizar el silicio en bruto. También puede reestructurar los procesadores para obtener un trabajo continuo, sin embargo, no podrá hacer que este dispositivo funcione tan bien como uno nuevo. El proceso aproximado para trabajar un troquel (procesador individual) posiblemente podría realizarse de dos maneras diferentes. Uno, si el procesador aún funciona, se puede usar en una nueva aplicación. Digamos que tiene una calculadora que necesita una unidad de procesamiento principal, podría utilizar un procesador de computadora que aún funcione para ejecutar la calculadora. Originalmente, este procesador estaba destinado a ejecutar mucho más que solo los componentes de una calculadora, pero en lugar de ser desechado y/o destruido, ha encontrado nueva vida.

Ahora digamos que tiene un procesador que tiene problemas de hardware y ya no puede funcionar. Podrías pulir los transistores viejos y cualquier circuito para luego volver a depositar los circuitos nuevos en las matrices. Aunque esto sea posible, no significa que sea realmente factible, ya que habría que reestructurar cada individuo que muere por sí solo. Creemos que el mejor proceso sería simplemente eliminar las impurezas de las matrices y utilizar el silicio para la creación de células fotovoltaicas. Dado que el silicio ya supera el nivel de pureza necesario para las células solares, no será necesaria una mayor purificación. La siguiente declaración alude al uso de obleas de desecho completas que ya se están utilizando para la creación de células solares.

• El proceso de recuperación de obleas produce obleas de monitor a partir de obleas de productos de desecho, lo que genera un ahorro total de energía de hasta el 90 %. Cuando las obleas de los monitores llegan al final de su vida útil, se venden a la industria solar. Dependiendo de cómo un fabricante específico de células solares elija procesar un lote de obleas recuperadas, podrían ahorrar entre un 30 y un 90% de la energía que habrían necesitado si hubieran utilizado una nueva fuente de material de silicio. ^[23]

Instalación de reciclaje de semiconductores

Equipos y Procesamiento

1. Eliminación química El sistema de proceso húmedo automatizado Orca ^TM eliminará químicamente los contaminantes de los procesadores.
2. Amoladora de superficie La amoladora de superficie Waida Super Precicion triturará todos los componentes electrónicos restantes del procesador.
3. Proceso de limpieza El sistema de proceso húmedo automatizado Orca ^TM eliminará todo el exceso de contaminantes que queden del rejillado.
4. Fusión en horno El horno de fundición de silicio policristalino luego fundirá todo el silicio puro en lingotes que luego se recortarán para formar bloques.

Plan de seguridad

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) es una organización del Departamento de Trabajo de los Estados Unidos. La instalación de reciclaje descrita anteriormente seguirá todos los requisitos de OSHA. Puede encontrar más información sobre las regulaciones de OSHA en su sitio web en http://www.osha.gov/ .

Hojas de datos de seguridad de materiales (MSDS)

Se requieren hojas de datos de seguridad de materiales para todos los productos químicos que ingresan a la planta y se colocarán en un lugar de fácil acceso para todos los empleados. A continuación se puede encontrar una lista de los materiales primarios utilizados en este proceso de reciclaje, junto con enlaces a sus MSDS.

• Ácido sulfúrico [H ₂ SO ₄ MSDS] ^[24]
• MSDS del ácido fluorhídrico HF ^[25]
• Ficha de datos de seguridad del ácido fosfórico H ₃ PO ₄ ^[25]
• Ácido nítrico HNO ₃ MSDS ^[25]
• Hidróxido de amonio NH ₄ OH MSDS ^[25]
• Peróxido de hidrógeno [2(HO)Ficha de datos de seguridad (MSDS)] ^[26]
• MSDS de ácido clorhídrico HCl ^[26]
• Agua H ₂ O MSDS ^[26]

Entrenamiento de seguridad

La instalación de reciclaje contará con un Programa de Capacitación en Seguridad. El propósito de este programa será capacitar a los nuevos empleados sobre temas de seguridad actuales y a largo plazo, así como continuar brindando capacitación continua en seguridad a todos los empleados. El programa de capacitación en seguridad se centrará, entre otros, en los siguientes temas:

• Cómo leer una MSDS
• Respuesta de emergencia: productos químicos peligrosos
• Revisión de productos químicos peligrosos
• Cómo prevenir/limpiar derrames
• Cómo etiquetar correctamente los contenedores
• Procedimientos para el manejo de productos químicos.
• Procedimientos ante incendio o derrames químicos a gran escala

Diagrama de flujo de material semiconductor

El siguiente diagrama de flujo describe el flujo de trabajo en la planta de reciclaje. Si bien el archivo no es un archivo Dia como se solicitó, no pudimos descargar el programa Dia en las computadoras de la escuela y decidimos que Visio era la mejor alternativa.

Referencias