Viability of recycling semiconductors in Intel Processors/id

Data proyek

Penulis	Emily Wolbeck Matthew Tianen Travis Hepfner
Lokasi	Michigan , Amerika Serikat
Manifes OKH	Unduh

Ini adalah proyek kelas spekulatif dan perlu disempurnakan sebelum diterapkan dalam skala apa pun.

Pada tahun 1968, ilmuwan Robert Noyce dan Gordon Moore ^W. mendirikan Intel dengan visi untuk produk memori semikonduktor. Pada tahun 1971, mereka telah memperkenalkan mikroprosesor pertama di dunia. ^[1]

Jenis Semikonduktor dan Cara Pembuatannya

• Prosesor Intel menggunakan silikon murni 99,9999% untuk membuat wafernya. Silikon tersebut tumbuh dari lelehan menjadi ingot kristal tunggal yang besar. Wafer dengan diameter 300 mm dipotong dari ingot tersebut. Setelah wafer dipoles dan disiapkan, transistor diendapkan di permukaan. Prosesor die kemudian dipotong dari wafer. ^[2]

Video Intel menjelaskan cara pembuatan semikonduktor. Cara Pembuatannya

Pertumbuhan Pasar

• Intel, bertanggung jawab atas banyak kemajuan yang memungkinkan terciptanya semikonduktor saat ini. Dalam sembilan bulan pertama tahun 2011, perusahaan tersebut menghasilkan pendapatan sebesar $40,1 miliar dan laba sebelum pajak sebesar $13,2 miliar. Intel tidak memiliki pesaing nyata di pasar chip yang menggerakkan PC dan server. ^{[ verifikasi diperlukan ]} Para petinggi perusahaan mengaitkan sebagian besar keberhasilan perusahaan dalam memanfaatkan lingkaran baik ini dengan fakta bahwa perusahaan tersebut merancang dan membuat chipnya sendiri, dengan sepuluh pabrik chip ("fab" dalam bahasa industri) yang beroperasi dan dua lagi sedang dibangun. Brian Krzanich, kepala manufaktur Intel, mengatakan hal ini berarti perusahaan tersebut dapat memasarkan chip lebih cepat dan dengan lebih sedikit kesalahan daripada pesaing yang menggunakan perusahaan eksternal, yang dikenal sebagai "foundries", untuk membuat chip mereka. Hal ini membantu menjelaskan mengapa perusahaan tersebut mendominasi pasar prosesor berkinerja tinggi di PC dan server. ^[3]

Jenis Pasar

Intel memiliki beragam pelanggan, mulai dari pengguna rumahan hingga organisasi di seluruh dunia. Berikut adalah daftar pelanggan yang dicantumkan Intel di situs webnya dengan tautan ke berbagai program yang disediakan Intel untuk setiap kliennya.

• Penggunaan Bisnis

Pelanggan Tertanam

Pengembang Perangkat Keras

Pelanggan Sistem Cerdas

Manajer TI

Penjual kembali

Bisnis kecil

Pengembang Perangkat Lunak

• Investor

Investor dan Analis Keuangan

• Pendidikan

Pendidik

• Keperluan pribadi

Pemain permainan

Pengguna Rumahan

Praktik Daur Ulang Saat Ini

Bagaimana?

• Situs web Intel membahas berbagai praktik daur ulang mereka. Mereka adalah pendaur ulang yang sangat aktif, mengklaim menggunakan kembali air limbah mereka dan menghindari pemborosan dalam proses produksi mereka. ^[4] Namun, Intel tidak memiliki program yang jelas untuk mendaur ulang prosesor atau semikonduktor yang dikandungnya. Karena mereka berterus terang tentang praktik daur ulang mereka tetapi tidak berbicara tentang daur ulang semikonduktor, diasumsikan bahwa tidak ada program seperti itu.

Komponen apa?

• Kami akan fokus pada Central Processing Unit yang merupakan otak dari komputer. Namun Intel telah menciptakan banyak jenis prosesor lain sepanjang sejarah perusahaan. Dari prosesor 4 bit pertama yang diciptakan pada tahun 1971, hingga prosesor Itanium 2 64 bit modern yang diciptakan pada tahun 2002, Intel terus-menerus menjadi yang terdepan dalam inovasi untuk pembuatan chip. ^[5]

Jumlah Semikonduktor

• Prosesor mati untuk Intel i7 memiliki luas 263 mm ² . ^[6] Wafer yang digunakan untuk membuat mati sekitar 1 mm tebalnya. ^[7] Mengingat kepadatan silikon sebesar 2,65 g/cm ³ , satu prosesor mati dengan volume 263 mm ³ (.263cm ³ ) akan memiliki sekitar .697g silikon dengan kemurnian tinggi. Diperkirakan sekitar 80% dari semua PC memiliki prosesor Intel di dalamnya. ^[8] Jika 83.800.000 komputer terjual pada tahun 2010 maka dapat diperkirakan bahwa sekitar 67.040.000 di antaranya berisi prosesor Intel. Mengalikan angka itu dengan jumlah silikon dalam satu prosesor memberikan perkiraan yang sangat kasar dari jumlah silikon yang dimasukkan ke dalam prosesor dalam setahun. Ini menjadi sekitar 46.700kg silikon per tahun.

• Jumlah ini tampaknya sangat rendah jika mempertimbangkan jumlah silikon yang diproduksi setiap tahun untuk industri elektronik (ribuan metrik ton). Namun, tidak ada data pasar mengenai berapa banyak unit yang terjual. Semua data yang tersedia terkait dengan pendapatan yang diperoleh dari prosesor. Tanpa informasi yang tersedia mengenai unit yang terjual, mungkin mustahil untuk mengetahui secara pasti berapa banyak silikon yang tersedia di pasar. Namun, tampaknya nilai sebenarnya lebih tinggi daripada perkiraan yang disebutkan. ^{[ verifikasi diperlukan ]}

Metode pengumpulan bahan semikonduktor yang hilang

• Semiconductor Industry Association mengatakan bahwa sekitar 250.000 wafer silikon dimulai setiap hari di dunia, dan IBM memperkirakan bahwa sekitar 3,3 persen dari wafer tersebut dibuang. Dengan mendaur ulang wafer yang dibuang tersebut di fasilitas Burlington ^[9] sebagai wafer monitor, IBM menghemat lebih dari $500.000 pada tahun 2006 dan diproyeksikan menghemat $1,5 juta pada tahun 2007 dan sebanyak itu setiap tahun ke depannya. IBM tidak mengatakan berapa banyak uang yang dapat diperolehnya dengan menjual wafer bekas tersebut. Dan dengan menggunakan silikon daur ulang, produsen sel surya dapat menghemat antara 30 persen dan 90 persen dari energi yang biasanya mereka keluarkan untuk membuat sel surya, yang menurunkan jejak karbon dari produk mereka. ^[10] Namun Intel tidak memiliki program yang jelas untuk mendaur ulang semikonduktor mereka dan tidak ada informasi nyata tentang bagaimana semikonduktor saat ini didaur ulang karena prosesnya kemungkinan besar dilindungi oleh paten.

Kelangsungan hidup

• Kami telah memutuskan untuk memanfaatkan Pilihan A (ya) Daur Ulang Pasca-Konsumen.
• Kita dapat menggunakan prosesor berbasis semikonduktor pascakonsumen untuk digunakan dalam semikonduktor lain khususnya untuk digunakan dalam sel fotovoltaik. Dengan ekstraksi semikonduktor (khususnya silikon) dari prosesor, kontaminan asing pasti akan menembus silikon murni. Karena sel fotovoltaik tidak memerlukan silikon murni untuk bekerja dengan baik, silikon daur ulang akan berfungsi dengan baik dalam sel surya. Komponen komputer telah dikumpulkan di seluruh dunia untuk berbagai komponen/elemen, seperti emas atau platinum, sehingga pengumpulan semikonduktor tersebut dapat dilakukan. ^[11]

Daur Ulang Pasca-Konsumen

Metode Pengumpulan

Misalnya, pada tahun 2011, operasi PELM IBM di seluruh dunia memproses lebih dari 37.950 metrik ton produk akhir masa pakai yang merupakan sekitar 97,6 persen dari jumlah total yang diproses didaur ulang. ^[12] Karena kami hanya berfokus pada prosesor dari Intel untuk proyek ini, kami akan menggunakan estimasi 97,6 persen untuk 46.700 kg kami (berat silikon total dalam prosesor untuk tahun 2010) untuk memperkirakan jumlah silikon yang dipulihkan. Ini memberi kami total 45.579,2 kg silikon yang diperkirakan dapat disimpan dari prosesor ini per tahun. Kami berencana untuk mengumpulkan prosesor dengan memberikan daur ulang gratis kepada konsumen. Bekerja sama dengan Intel, pelanggan akan mengirimkan prosesor mereka ke Intel. Sebagai pihak ketiga, kami kemudian akan membeli atau meminta Intel menyumbangkan wafer bekas mereka dan CPU yang dikirim konsumen melalui pos ke program kami. Dengan bermitra dengan Intel, kami yakin bahwa kami akan menerima sekitar 90% dari total prosesor yang diproduksi dalam setahun. Jika diperkirakan ada 67.040.000 CPU Intel yang dibuat per tahun, 60.336.000 akan dikembalikan ke perusahaan kami. Jika dikalikan dengan jumlah silikon dalam CPU rata-rata (0,697 g), maka kami akan dapat mendaur ulang sekitar 42.054 kg silikon murni per tahun. Kami juga akan membangun pabrik kami di sebelah pabrik Intel sehingga pengiriman antar pabrik dapat diabaikan.

Kontaminan

• Limbah korosif yang umum untuk prosesor meliputi: Asam Sulfat, Asam Hidrofluorat, Asam Fosfat, Asam Nitrat, Amonium Hidroksida, dan Hidrogen Peroksida. Asam-asam ini digunakan untuk pengetsaan, pengupasan, dan pembersihan wafer. Tetrametil Amonium Hidroksida digunakan sebagai pengembang fotoresisten positif. ^[13]
• Persyaratan kemurnian ekstrem untuk fabrikasi perangkat elektronik memerlukan langkah pemurnian tambahan untuk menghasilkan silikon bermutu elektronik (EGS). Agar tingkat kemurnian dapat diterima untuk pertumbuhan kristal dan fabrikasi perangkat berikutnya, EGS harus memiliki tingkat pengotor karbon dan oksigen kurang dari beberapa bagian per juta (ppm), dan pengotor logam pada kisaran bagian per miliar (ppb) atau lebih rendah (lihat tabel di bawah). Selain kemurnian, biaya produksi dan spesifikasi harus memenuhi keinginan industri. ^[14] Namun karena kami tidak berencana untuk mendaur ulang wafer silikon kami dalam elektronik tetapi dalam panel surya, kami dapat sedikit lebih liberal dengan jumlah kontaminan dalam silikon kami.

Tabel 1. Konsentrasi pengotor khas yang ditemukan dalam silikon kelas elektronik (EGS). ^[15]

Metode Pemurnian

• Metode untuk pemanfaatan kembali wafer dari industri elektronik sudah ada. Wafer yang semua komponen elektroniknya telah dibuang dapat dibersihkan, dipoles, dan digunakan kembali. ^{[ diperlukan verifikasi ]} Proses ini juga dapat digunakan untuk membersihkan chip prosesor yang sudah ada yang memiliki sifat permukaan yang sama dengan wafer yang belum dipotong.
• Chip prosesor diolah secara kimia untuk menghilangkan kotoran.
  1. Pertama-tama mereka diolah dengan campuran asam sulfat dan hidrogen peroksida.
  2. Berikutnya adalah pengetsaan dengan asam fluorida yang diikuti dengan pengetsaan basa menggunakan amonium hidroksida atau kalium hidroksida.
  3. Keripik tersebut kemudian digiling dan dipoles untuk menghilangkan fitur permukaan yang tersisa.
  4. Akhirnya, partikel sisa dihilangkan selama proses pembersihan dua tahap. Langkah pertama menggunakan campuran air, hidrogen peroksida, dan amonium hidroksida dan langkah kedua menggunakan air, hidrogen peroksida, dan asam klorida. Proses ini menghasilkan silikon yang bersih dan murni dengan sedikit pengurangan ketebalan. ^[16] Kehilangan ketebalan mencapai 10 mikron atau sekitar 1,5% dari silikon. ^[17]
• Setelah silikon dibersihkan dari kotoran, silikon tersebut dapat dicairkan dan dicetak menjadi ingot silikon polikristalin dan dipotong menjadi ingot persegi untuk digunakan dalam sel surya ^[18]
• Secara keseluruhan, sangat sedikit silikon yang hilang. Sekitar 1,5% hilang selama proses pembersihan. Bahkan dengan asumsi kehilangan ketebalan tiga kali lipat selama pembersihan sebagai hal yang konservatif, hanya 4,5% silikon yang hilang. Kemungkinan juga ada kehilangan kerf yang signifikan dari penggergajian. Satu sumber memperkirakan kehilangan kerf sebesar 35% selama produksi wafer ^[19] tetapi debu dari pemotongan wafer dapat didaur ulang kembali menjadi lelehan untuk ingot baru. Kemungkinan setidaknya 95% silikon dapat dipulihkan dari proses ini.

Metode Karakterisasi

Ada beberapa cara berbeda untuk mengkarakterisasi semikonduktor berbasis silikon. Yaitu karakterisasi listrik, karakterisasi optik, dan karakterisasi fisik/kimia.

Karakterisasi listrik membantu Anda menentukan resistivitas, konsentrasi pembawa muatan, mobilitas, resistansi kontak, tinggi penghalang, lebar deplesi, muatan oksida, status antarmuka, masa pakai pembawa muatan, dan pengotoran tingkat dalam. Probe Dua Titik, Probe Empat Titik, Efek Hall Diferensial, Profil Kapasitansi-Tegangan, DLTS, dan DLCP.

Karakterisasi optik meliputi mikroskopi, elipsometri, fotoluminesensi, spektroskopi transmisi, spektroskopi serapan, spektroskopi Raman, modulasi reflektansi, katodoluminesensi. Masih banyak metode lain yang tersedia. Ini hanyalah contoh dari beberapa alat yang tersedia.

Teknik karakterisasi fisika/kimia menggunakan berkas ion, sinar-X, dan berkas elektron untuk mengukur karakteristik fisik semikonduktor. Ini termasuk (berkas elektron) SEM, TEM, AES, EMP, EELS, (berkas ion) Sputtering, SIMS, RBS, (sinar-X) XRF, XPS, XRD, topografi sinar-X, Analisis Aktivasi Neutron (NAA) Etsa Kimia.

Karena kami mencoba memanfaatkan silikon dari prosesor ini untuk digunakan dalam sel fotovoltaik, masuk akal untuk memanfaatkan karakterisasi listrik dari bahan yang terlibat. Metode karakterisasi lainnya disertakan hanya untuk mengilustrasikan berapa banyak cara berbeda untuk menunjukkan bagaimana semikonduktor dapat diuji untuk menentukan komposisi pastinya. Ini pada dasarnya akan digunakan untuk mengonfirmasi informasi yang akan diperoleh dari Intel sejauh jenis silikon yang digunakan dalam prosesor mereka. Sayangnya informasi ini bersifat hak milik sehingga kami tidak tahu apa pun selain kemurnian rata-rata silikon untuk penggunaan prosesor. Untungnya, kemurnian untuk aplikasi ini jauh lebih tinggi daripada yang dibutuhkan untuk digunakan dalam sel fotovoltaik.

Energi yang Dibutuhkan untuk Daur Ulang

Untuk menjaga energi yang dibutuhkan untuk mengangkut wafer ke fasilitas kami, kami akan menempatkannya di sebelah pabrik Intel yang menerima prosesor limbah. Prosesor tersebut kemudian akan diperoleh melalui seluruh proses daur ulang. Informasi mengenai energi aktual yang digunakan oleh masing-masing mesin yang benar-benar menangani prosesor ini sangat sulit didapat dan tidak tersedia untuk umum. Namun, ada banyak informasi tentang penghematan energi yang terlibat dalam proses reklamasi wafer. IBM mengklaim bahwa tergantung pada prosesnya, dapat menghemat antara 30% dan 90% energi yang digunakan untuk memproduksi wafer dari awal. ^[20] Diperlukan 2130 kWh untuk memproduksi satu kilogram silikon kristal tunggal dari awal. ^[21] Dengan perkiraan konservatif penghematan energi sebesar 50%, ini dapat menghasilkan 1065 kWh per kilogram untuk bagian reklamasi proses. Dengan menggunakan tungku pemadatan terarah ZT-90D dengan kapasitas wadah peleburan 90 kg, energi yang dibutuhkan adalah 73 kWh per kilogram. ^[22] Hal ini menghasilkan total energi sebesar 1138 kWh per kilogram silikon untuk seluruh langkah pemrosesan yang digabungkan.

Alternatif untuk Daur Ulang Langsung

• Alih-alih mendaur ulang secara langsung, yang merupakan proses menghilangkan kotoran dan memanfaatkan silikon mentah. Anda juga dapat membuat ulang prosesor untuk mendapatkan pekerjaan yang berkelanjutan, namun Anda tidak akan dapat membuat perangkat ini bekerja sebaik yang baru. Proses kasar untuk mengerjakan die (prosesor individual) mungkin dapat dilakukan dengan beberapa cara berbeda. Salah satunya jika prosesor masih berfungsi, prosesor tersebut dapat digunakan dalam aplikasi baru. Misalnya Anda memiliki kalkulator yang memerlukan unit pemrosesan utama, Anda dapat memanfaatkan prosesor komputer yang masih berfungsi untuk menjalankan kalkulator. Prosesor ini awalnya dimaksudkan untuk menjalankan lebih dari sekadar komponen kalkulator, tetapi alih-alih dibuang dan/atau dihancurkan, prosesor ini telah menemukan kehidupan baru.

Sekarang katakanlah Anda memiliki prosesor yang mengalami masalah perangkat keras dan tidak dapat berfungsi lagi. Anda dapat menggiling transistor lama dan sirkuit apa pun untuk kemudian memasang kembali sirkuit baru ke dalam die. Meskipun ini memungkinkan, bukan berarti hal itu benar-benar layak, karena Anda harus membuat ulang setiap die secara terpisah. Kami percaya proses terbaik adalah dengan membuang kotoran dari die dan memanfaatkan silikon untuk pembuatan sel fotovoltaik. Karena silikon sudah melampaui tingkat kemurnian yang dibutuhkan untuk sel surya, pemurnian lebih lanjut tidak diperlukan. Pernyataan berikut mengacu pada penggunaan wafer sisa penuh yang sudah digunakan untuk pembuatan sel surya.

• Proses reklamasi wafer menghasilkan wafer monitor dari wafer produk sisa - menghasilkan penghematan energi keseluruhan hingga 90%. Ketika wafer monitor mencapai akhir masa pakainya, wafer tersebut dijual ke industri surya. Bergantung pada bagaimana produsen sel surya tertentu memilih untuk memproses sejumlah wafer reklamasi - mereka dapat menghemat antara 30 - 90% energi yang akan mereka butuhkan jika mereka menggunakan sumber bahan silikon baru. ^[23]

Fasilitas Daur Ulang Semikonduktor

Peralatan dan Pemrosesan

1. Pengupasan Kimia Sistem Proses Basah Otomatis Orca ^TM akan menghilangkan kontaminan secara kimia dari prosesor.
2. Penggiling Permukaan Waida Super Precicion Surface Grinder akan menggiling semua komponen elektronik yang tersisa pada prosesor.
3. Proses Pembersihan Sistem Proses Basah Otomatis Orca ^TM akan membersihkan semua kontaminan berlebih yang tersisa dari jaringan.
4. Peleburan dalam Tungku Pengecoran Silikon Polikristalin kemudian akan melelehkan semua silikon murni menjadi ingot yang kemudian akan dipotong untuk membentuk balok.

Rencana Keselamatan

Occupational Safety and Health Administration (OSHA) adalah organisasi yang berada di bawah Departemen Tenaga Kerja Amerika Serikat. Fasilitas daur ulang yang dijelaskan di atas akan mematuhi semua persyaratan OSHA. Informasi lebih lanjut tentang peraturan OSHA dapat ditemukan di situs web mereka di http://www.osha.gov/ .

Lembar Data Keselamatan Bahan (MSDS)

Lembar Data Keselamatan Bahan wajib dimiliki untuk semua bahan kimia yang masuk ke pabrik dan harus ditempatkan di tempat yang mudah diakses oleh semua karyawan. Daftar bahan utama yang digunakan dalam proses daur ulang ini, beserta tautan ke MSDS-nya, dapat ditemukan di bawah ini.

• Asam Sulfat [H ₂ SO ₄ MSDS] ^[24]
• Asam Hidrofluorida HF MSDS ^[25]
• Asam Fosfat H ₃ PO ₄ MSDS ^[25]
• Asam Nitrat HNO ₃ MSDS ^[25]
• Amonium Hidroksida NH ₄ OH MSDS ^[25]
• Hidrogen Peroksida [2(HO) MSDS] ^[26]
• Asam Klorida HCl MSDS ^[26]
• Air H ₂ O MSDS ^[26]

Pelatihan keselamatan

Fasilitas daur ulang akan memiliki Program Pelatihan Keselamatan. Tujuan dari program ini adalah untuk melatih karyawan baru mengenai isu keselamatan saat ini dan jangka panjang serta terus memberikan pelatihan keselamatan berkelanjutan kepada semua karyawan. Program Pelatihan Keselamatan akan berfokus pada, tetapi tidak terbatas pada topik-topik di bawah ini:

• Cara membaca MSDS
• Tanggap Darurat: Bahan Kimia Berbahaya
• Tinjauan Bahan Kimia Berbahaya
• Cara mencegah/membersihkan tumpahan
• Cara memberi label pada wadah dengan benar
• Prosedur penanganan bahan kimia
• Prosedur untuk kebakaran atau tumpahan bahan kimia dalam skala besar

Diagram Alir Material Semikonduktor

Diagram Alir berikut menguraikan alur kerja di pabrik daur ulang. Meskipun berkas tersebut bukan berkas Dia seperti yang diminta, kami tidak dapat mengunduh program Dia ke komputer sekolah dan memutuskan bahwa Visio adalah alternatif terbaik.

Referensi

Data halaman

Bagian dari	MY3701
Kata Kunci	daur ulang , semikonduktor , prosesor intel
SDG	SDG 12 Konsumsi dan produksi yang bertanggung jawab
Penulis	Emily Wolbeck , Matthew Tianen , Travis Hepfner
Lisensi	CC BY SA 3.0
Organisasi	MTU
Bahasa	Bahasa Inggris (en)
Terjemahan	Orang Spanyol
Terkait	1 subhalaman , 11 halaman tautan di sini
Dampak	8.775 tampilan halaman ( lebih banyak )
Dibuat	28 September 2012 oleh Emily Wolbeck
Diubah	6 Juli 2024 oleh Irene Delgado
Kutip sebagai	Emily Wolbeck , Matthew Tianen , Travis Hepfner (2012–2024). "Kelayakan daur ulang semikonduktor dalam Prosesor Intel" . Appropedia . Diakses tanggal 8 Agustus 2024 .
Kueri API	dasar , semantik , html , file , lebih banyak lagi