Viability of recycling semiconductors in Intel Processors/vi

Đây là một dự án cấp độ đầu cơ và cần được tinh chỉnh trước khi triển khai ở bất kỳ quy mô nào.

Năm 1968, các nhà khoa học Robert Noyce và Gordon Moore ^W. đã thành lập Intel với tầm nhìn về các sản phẩm bộ nhớ bán dẫn. Đến năm 1971, họ đã giới thiệu bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới. ^{[ 1 ]}

Loại chất bán dẫn và cách chế tạo

• Bộ xử lý Intel sử dụng silicon tinh khiết 99,9999% để chế tạo wafer. Silicon được nung chảy thành một thỏi tinh thể đơn lớn. Các wafer có đường kính 300mm được cắt ra từ thỏi. Sau khi wafer được đánh bóng và chuẩn bị, các bóng bán dẫn được phủ lên bề mặt. Sau đó, các đế bộ xử lý được cắt ra khỏi wafer. ^{[ 2 ]}

Sự tăng trưởng của thị trường

• Intel là công ty chịu trách nhiệm cho nhiều tiến bộ đã giúp ngành công nghiệp bán dẫn ngày nay trở nên khả thi. Trong chín tháng đầu năm 2011, công ty đã tạo ra 40,1 tỷ đô la doanh thu và 13,2 tỷ đô la lợi nhuận trước thuế. Intel không có đối thủ thực sự nào trên thị trường chip cung cấp năng lượng cho máy tính cá nhân và máy chủ. ^{[ cần xác minh ]} Các lãnh đạo cấp cao của công ty cho rằng phần lớn thành công của công ty trong việc khai thác vòng tròn tích cực này là nhờ vào việc họ vừa thiết kế vừa sản xuất chip, với mười nhà máy sản xuất chip ("fab" trong thuật ngữ chuyên ngành) đang hoạt động và hai nhà máy khác đang được xây dựng. Brian Krzanich, giám đốc sản xuất của Intel, cho biết điều này có nghĩa là họ có thể đưa chip ra thị trường nhanh hơn và ít lỗi hơn so với các đối thủ sử dụng các công ty bên ngoài, được gọi là "xưởng đúc", để sản xuất chip. Điều này giúp giải thích tại sao Intel thống trị thị trường bộ xử lý hiệu suất cao trong máy tính cá nhân và máy chủ. ^{[ 3 ]}

Loại thị trường

Intel có rất nhiều khách hàng, từ người dùng gia đình đến các tổ chức toàn cầu. Dưới đây là danh sách khách hàng mà Intel tự liệt kê trên trang web của mình, kèm theo liên kết đến các chương trình mà Intel cung cấp cho từng khách hàng.

• Sử dụng kinh doanh

Khách hàng nhúng

Nhà phát triển phần cứng

Khách hàng của Hệ thống thông minh

Quản lý CNTT

Người bán lại

Doanh nghiệp nhỏ

Nhà phát triển phần mềm

• Các nhà đầu tư

Nhà đầu tư và nhà phân tích tài chính

• Giáo dục

Các nhà giáo dục

• Sử dụng cá nhân

Game thủ

Người dùng gia đình

Thực hành tái chế hiện tại

Làm sao?

• Trang web của Intel thảo luận về các hoạt động tái chế đa dạng của họ. Họ là những đơn vị tái chế rất tích cực, tuyên bố tái sử dụng nước thải và tránh lãng phí trong quy trình sản xuất. ^{[ 4 ]} Tuy nhiên, Intel không có chương trình rõ ràng nào về việc tái chế bộ vi xử lý hoặc chất bán dẫn mà chúng chứa. Vì họ công khai về các hoạt động tái chế nhưng lại im lặng về việc tái chế chất bán dẫn, nên người ta cho rằng không có chương trình nào như vậy tồn tại.

Gồm những thành phần nào?

• Chúng ta sẽ tập trung vào Bộ Xử lý Trung tâm (CPU), bộ não của máy tính. Tuy nhiên, Intel đã tạo ra rất nhiều loại bộ xử lý khác nhau trong suốt lịch sử phát triển của công ty. Từ bộ xử lý 4 bit đầu tiên được tạo ra vào năm 1971, cho đến bộ xử lý Itanium 2 64 bit hiện đại được tạo ra vào năm 2002, Intel luôn đi đầu trong đổi mới sáng tạo chip. ^{[ 5 ]}

Số lượng chất bán dẫn

• Khuôn xử lý cho Intel i7 có diện tích 263 mm ² . ^{[ 6 ]} Các tấm wafer được sử dụng để tạo khuôn có độ dày khoảng 1 mm. ^{[ 7 ]} Với mật độ silicon là 2,65 g / cm ³ , một khuôn xử lý có thể tích 263 mm ³ (.263cm ³ ) sẽ có khoảng 0,697g silicon có độ tinh khiết cao. Người ta ước tính rằng khoảng 80% tất cả các PC đều có bộ xử lý Intel. ^{[ 8 ]} Nếu 83.800.000 máy tính được bán vào năm 2010 thì có thể ước tính rằng khoảng 67.040.000 trong số chúng chứa bộ xử lý Intel. Nhân con số đó với lượng silicon trong một bộ xử lý sẽ đưa ra ước tính rất sơ bộ về lượng silicon được đưa vào bộ xử lý trong một năm. Con số này tương đương với khoảng 46.700kg silicon mỗi năm.

• Con số này có vẻ thấp đáng kể so với lượng silicon được sản xuất hàng năm cho ngành công nghiệp điện tử (hàng nghìn tấn). Tuy nhiên, không có dữ liệu thị trường về số lượng sản phẩm được bán ra. Tất cả dữ liệu hiện có đều liên quan đến doanh thu từ các bộ xử lý. Do không có thông tin về số lượng sản phẩm được bán ra, nên việc biết chính xác lượng silicon có sẵn trên thị trường có thể là bất khả thi. Tuy nhiên, giá trị thực tế có vẻ cao hơn ước tính đã nêu. ^{[ cần xác minh ]}

Phương pháp thu thập vật liệu bán dẫn bị mất

• Hiệp hội Công nghiệp Bán dẫn cho biết khoảng 250.000 tấm wafer silicon được sản xuất mỗi ngày trên thế giới và IBM ước tính rằng khoảng 3,3 phần trăm trong số các tấm wafer này bị loại bỏ. Bằng cách tái chế những tấm wafer bị loại bỏ tại cơ sở Burlington ^{[ 9 ]} thành tấm wafer màn hình, IBM đã tiết kiệm được hơn 500.000 đô la vào năm 2006 và dự kiến ​​sẽ tiết kiệm được 1,5 triệu đô la vào năm 2007 và cứ tiếp tục như vậy mỗi năm trong tương lai. IBM không cho biết họ có thể kiếm được bao nhiêu tiền từ việc bán các tấm wafer đã qua sử dụng. Và bằng cách sử dụng silicon tái chế, các nhà sản xuất pin mặt trời có thể tiết kiệm từ 30 phần trăm đến 90 phần trăm năng lượng mà họ thường chi tiêu để tạo ra pin mặt trời, giúp giảm lượng khí thải carbon của sản phẩm. ^{[ 10 ]} Tuy nhiên, Intel không có chương trình rõ ràng nào để tái chế chất bán dẫn của họ và không có thông tin thực sự nào về cách chất bán dẫn hiện đang được tái chế vì các quy trình này rất có thể được bảo vệ bằng sáng chế.

Khả năng

• Chúng tôi đã quyết định sử dụng Lựa chọn A (có) Tái chế sau tiêu dùng.
• Chúng ta có thể sử dụng bộ xử lý dựa trên chất bán dẫn sau tiêu dùng để sử dụng trong các chất bán dẫn khác, đặc biệt là trong pin quang điện. Khi chiết xuất chất bán dẫn (cụ thể là silicon) từ bộ xử lý, các tạp chất lạ chắc chắn sẽ xâm nhập vào silicon nguyên chất. Vì pin quang điện không cần silicon nguyên chất để hoạt động bình thường, silicon tái chế sẽ hoạt động hiệu quả trong pin mặt trời. Các linh kiện máy tính hiện đã được thu thập trên toàn thế giới với nhiều thành phần/nguyên tố khác nhau, chẳng hạn như vàng hoặc bạch kim, giúp việc thu thập các chất bán dẫn này trở nên khả thi. ^{[ 11 ]}

sau tiêu dùng chỉnh sửa

Phương pháp thu

Ví dụ, vào năm 2011, các hoạt động PELM của IBM trên toàn thế giới đã xử lý hơn 37.950 tấn sản phẩm hết vòng đời, chiếm khoảng 97,6 phần trăm tổng lượng được xử lý và tái chế. ^{[ 12 ]} Vì chúng tôi chỉ tập trung vào các bộ xử lý từ Intel cho dự án này nên chúng tôi sẽ sử dụng ước tính 97,6 phần trăm cho 46.700kg của chúng tôi (tổng trọng lượng silicon trong các bộ xử lý năm 2010) để ước tính lượng silicon được thu hồi. Điều này cung cấp cho chúng tôi tổng cộng 45.579,2kg silicon ước tính có thể được tiết kiệm từ các bộ xử lý này mỗi năm. Chúng tôi có kế hoạch thu thập các bộ xử lý bằng cách cung cấp dịch vụ tái chế miễn phí cho người tiêu dùng. Với sự hợp tác của Intel, khách hàng sẽ gửi bộ xử lý của họ đến Intel. Với tư cách là bên thứ ba, sau đó chúng tôi sẽ mua hoặc để Intel quyên góp các tấm wafer phế liệu và CPU mà người tiêu dùng gửi qua thư đến chương trình của chúng tôi. Bằng cách hợp tác với Intel, chúng tôi tin rằng chúng tôi sẽ nhận được khoảng 90% tổng số bộ xử lý được sản xuất trong một năm. Nếu ước tính có 67.040.000 CPU Intel được sản xuất mỗi năm, thì 60.336.000 CPU sẽ được trả lại cho công ty chúng tôi. Nhân với lượng silicon trong một CPU trung bình (0,697g), chúng tôi có thể tái chế khoảng 42.054kg Si nguyên chất mỗi năm. Chúng tôi cũng sẽ xây dựng nhà máy bên cạnh nhà máy của Intel để không phải lo lắng về chi phí vận chuyển giữa các nhà máy.

Chất gây ô nhiễm

• Chất thải ăn mòn điển hình cho bộ xử lý bao gồm: Axit sunfuric, Axit flohydric, Axit photphoric, Axit nitric, Amoni hydroxit và Hydro peroxit. Các axit này được sử dụng để khắc, tách lớp và làm sạch tấm wafer. Tetramethyl amoni hydroxit được sử dụng làm chất hiện ảnh dương. ^{[ 13 ]}
• Yêu cầu về độ tinh khiết cực cao đối với chế tạo thiết bị điện tử đòi hỏi các bước tinh chế bổ sung để sản xuất silicon cấp điện tử (EGS). Để mức độ tinh khiết được chấp nhận cho quá trình phát triển tinh thể và chế tạo thiết bị tiếp theo, EGS phải có mức tạp chất cacbon và oxy nhỏ hơn một vài phần triệu (ppm) và tạp chất kim loại ở mức phần tỷ (ppb) hoặc thấp hơn (xem bảng bên dưới). Bên cạnh độ tinh khiết, chi phí sản xuất và các thông số kỹ thuật phải đáp ứng được mong muốn của ngành. ^{[ 14 ]} Tuy nhiên, vì chúng tôi không có kế hoạch tái chế các tấm wafer silicon trong thiết bị điện tử mà trong các tấm pin mặt trời nên chúng tôi có thể thoải mái hơn một chút với lượng chất gây ô nhiễm trong silicon của mình.

Bảng 1. Nồng độ tạp chất điển hình được tìm thấy trong silicon cấp điện tử (EGS). ^{[ 15 ]}

Phương pháp thanh lọc

• Đã có các phương pháp tái chế wafer từ ngành công nghiệp điện tử. Các wafer chứa toàn bộ linh kiện điện tử có thể được làm sạch, đánh bóng và tái sử dụng. ^{[ cần xác minh ]} Quy trình này cũng có thể được sử dụng để làm sạch các chip xử lý hiện có có cùng đặc tính bề mặt với wafer chưa cắt.
• Các chip xử lý được xử lý hóa học để loại bỏ tạp chất.
  1. Đầu tiên, chúng được xử lý bằng hỗn hợp axit sulfuric và hydro peroxide.
  2. Tiếp theo là quá trình khắc bằng axit flohydric, sau đó là quá trình khắc kiềm bằng amoni hydroxit hoặc kali hydroxit.
  3. Sau đó, các mảnh vụn được mài và đánh bóng để loại bỏ các đặc điểm bề mặt còn sót lại.
  4. Cuối cùng, các hạt còn sót lại được loại bỏ trong quá trình làm sạch hai giai đoạn. Bước đầu tiên sử dụng hỗn hợp nước, hydro peroxide và amoni hydroxit, và bước thứ hai sử dụng nước, hydro peroxide và axit clohydric. Quá trình này tạo ra silic sạch, tinh khiết với độ dày giảm nhẹ. ^{[ 16 ]} Độ dày giảm tới 10 micron hoặc khoảng 1,5% silic. ^{[ 17 ]}
• Sau khi silicon được làm sạch tạp chất, nó có thể được nấu chảy và đúc thành các thỏi silicon đa tinh thể và cắt thành các thỏi vuông để sử dụng trong pin mặt trời ^{[ 18 ]}
• Nhìn chung, rất ít silicon bị mất. Khoảng 1,5% bị mất trong quá trình làm sạch. Ngay cả khi giả định độ dày bị mất gấp ba lần trong quá trình làm sạch là thận trọng, thì cũng chỉ có 4,5% silicon bị mất. Cũng có khả năng có sự mất mát đáng kể về rãnh cắt từ quá trình cưa. Một nguồn ước tính mất 35% rãnh cắt trong quá trình sản xuất wafer ^{[ 19 ]} , nhưng bụi từ quá trình cắt wafer có thể được tái chế trở lại thành vật liệu nóng chảy để tạo ra các thỏi mới. Có khả năng ít nhất 95% silicon có thể được thu hồi từ quá trình này.

Phương pháp đặc trưng

Có một số cách khác nhau để phân loại chất bán dẫn gốc silicon. Bao gồm đặc tính điện, đặc tính quang học và đặc tính vật lý/hóa học.

Đặc tính điện giúp bạn xác định điện trở suất, nồng độ hạt tải điện, độ linh động, điện trở tiếp xúc, chiều cao rào cản, độ rộng vùng suy giảm, điện tích oxit, trạng thái giao diện, tuổi thọ hạt tải điện và tạp chất ở mức sâu. Đầu dò hai điểm, Đầu dò bốn điểm, Hiệu ứng Hall vi sai, Hồ sơ điện dung-điện áp, DLTS và DLCP.

Đặc tính quang học bao gồm kính hiển vi, phép đo elip, phát quang, quang phổ truyền qua, quang phổ hấp thụ, quang phổ Raman, điều chế phản xạ, phát quang catốt. Vẫn còn rất nhiều phương pháp khác, nhưng đây chỉ là một số ví dụ về một số công cụ hiện có.

Các kỹ thuật đặc trưng vật lý/hóa học sử dụng chùm tia ion, tia X và chùm tia electron để đo các đặc tính vật lý của chất bán dẫn. Các kỹ thuật này bao gồm (chùm tia electron) SEM, TEM, AES, EMP, EELS, (chùm tia ion) Phun xạ, SIMS, RBS, (tia X) XRF, XPS, XRD, Địa hình tia X, Phân tích kích hoạt neutron (NAA), Khắc hóa học.

Vì chúng tôi đang cố gắng sử dụng silicon từ các bộ xử lý này để sử dụng trong pin quang điện, nên việc sử dụng đặc tính điện của vật liệu liên quan là rất hợp lý. Các phương pháp đặc tính khác được đưa vào chỉ để minh họa có bao nhiêu cách khác nhau để chứng minh cách kiểm tra chất bán dẫn nhằm xác định chính xác thành phần của nó. Về cơ bản, điều này sẽ được sử dụng để xác nhận thông tin mà Intel sẽ cung cấp về loại silicon được sử dụng trong bộ xử lý của họ. Đáng tiếc là thông tin này là độc quyền nên chúng tôi không biết gì ngoài độ tinh khiết trung bình của silicon để sử dụng trong bộ xử lý. May mắn thay, độ tinh khiết cho ứng dụng này cao hơn đáng kể so với độ tinh khiết cần thiết để sử dụng trong pin quang điện.

Năng lượng cần thiết cho việc tái chế

Để duy trì năng lượng cần thiết để vận chuyển một tấm wafer đến cơ sở của chúng tôi, chúng tôi sẽ đặt nó bên cạnh một nhà máy của Intel, nơi tiếp nhận các bộ xử lý chất thải. Sau đó, chúng sẽ được thu thập và đưa vào toàn bộ quá trình tái chế. Thông tin liên quan đến năng lượng thực tế được sử dụng bởi từng máy thực sự xử lý các khuôn xử lý này rất khó tìm và không được công khai. Tuy nhiên, có rất nhiều thông tin về việc tiết kiệm năng lượng liên quan đến các quy trình tái chế wafer. IBM tuyên bố rằng tùy thuộc vào quy trình, họ có thể tiết kiệm từ 30% đến 90% năng lượng được sử dụng để sản xuất tấm wafer từ đầu. ^{[ 20 ]} Cần 2130 kWh để sản xuất một kg silicon đơn tinh thể từ đầu. ^{[ 21 ]} Với ước tính thận trọng là tiết kiệm năng lượng 50%, điều này có thể dẫn đến 1065 kWh trên mỗi kg cho phần tái chế của quy trình. Sử dụng lò nung đông đặc định hướng ZT-90D với công suất nồi nấu 90 kg, năng lượng cần thiết sẽ là 73 kWh trên mỗi kg. ^{[ 22 ]} Điều này tạo ra tổng năng lượng là 1138 kWh cho mỗi kilôgam silicon cho tất cả các bước xử lý kết hợp.

Các giải pháp thay thế cho Tái chế thẳng

• Thay vì tái chế trực tiếp, tức là quá trình loại bỏ tạp chất và sử dụng silicon thô. Bạn cũng có thể tái chế bộ xử lý để tiếp tục hoạt động, tuy nhiên bạn sẽ không thể khiến thiết bị này hoạt động tốt như một thiết bị mới. Quy trình thô sơ để vận hành một khuôn (bộ xử lý riêng lẻ) có thể được thực hiện theo một vài cách khác nhau. Cách thứ nhất, nếu bộ xử lý vẫn hoạt động, nó có thể được sử dụng cho ứng dụng mới. Giả sử bạn có một máy tính cần một bộ xử lý chính, bạn có thể sử dụng một bộ xử lý máy tính vẫn đang hoạt động để chạy máy tính. Bộ xử lý này ban đầu được thiết kế để vận hành nhiều chức năng hơn là chỉ các thành phần của máy tính, nhưng thay vì bị vứt bỏ và/hoặc bị phá hủy, nó đã tìm thấy một cuộc sống mới.

Bây giờ, giả sử bạn có một bộ xử lý đang gặp sự cố phần cứng và không thể hoạt động nữa. Bạn có thể mài bỏ các bóng bán dẫn cũ và bất kỳ mạch điện nào để lắp lại mạch điện mới vào đế. Mặc dù điều này khả thi, nhưng không có nghĩa là nó thực sự khả thi, vì bạn sẽ phải gia công lại từng đế riêng lẻ. Chúng tôi tin rằng quy trình tốt nhất là chỉ cần loại bỏ tạp chất khỏi đế và sử dụng silicon để chế tạo tế bào quang điện. Vì silicon đã đạt độ tinh khiết cần thiết cho pin mặt trời, nên không cần phải tinh chế thêm nữa. Câu sau đây ám chỉ việc sử dụng các tấm wafer phế liệu hoàn toàn đã được sử dụng để chế tạo pin mặt trời.

• Quy trình tái chế wafer sản xuất wafer màn hình từ wafer phế liệu - tạo ra tổng mức tiết kiệm năng lượng lên đến 90%. Khi wafer màn hình hết hạn sử dụng, chúng được bán cho ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Tùy thuộc vào cách một nhà sản xuất pin mặt trời cụ thể lựa chọn để xử lý một lô wafer tái chế - họ có thể tiết kiệm từ 30 đến 90% năng lượng mà họ sẽ cần nếu sử dụng nguồn vật liệu silicon mới. ^{[ 23 ]}

Cơ sở tái chế chất bán dẫn

Thiết bị và chế biến

1. Hệ thống xử lý ướt tự động Orca ^TM sẽ loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi bộ xử lý bằng phương pháp hóa học.
2. Máy mài bề mặt Máy mài bề mặt Waida Super Precicion sẽ mài tất cả các thiết bị điện tử còn lại trên bộ xử lý.
3. Quy trình làm sạch Hệ thống xử lý ướt tự động Orca ^TM sau đó sẽ rửa sạch mọi chất bẩn còn sót lại trên lưới.
4. Nấu chảy trong lò Lò đúc silicon đa tinh thể sau đó sẽ nấu chảy toàn bộ silicon nguyên chất thành các thỏi rồi được cắt thành khối.

Kế hoạch an toàn

Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) là một tổ chức trực thuộc Bộ Lao động Hoa Kỳ. Cơ sở tái chế được mô tả ở trên sẽ tuân thủ tất cả các yêu cầu của OSHA. Bạn có thể tìm hiểu thêm thông tin về các quy định của OSHA trên trang web của họ tại http://www.osha.gov/ .

Bảng dữ liệu an toàn vật liệu (MSDS)

Bảng Dữ liệu An toàn Vật liệu (MSDS) là bắt buộc đối với tất cả các hóa chất đưa vào nhà máy và sẽ được đặt ở nơi dễ tiếp cận cho tất cả nhân viên. Danh sách các vật liệu chính được sử dụng trong quy trình tái chế này, cùng với liên kết đến MSDS, có thể được tìm thấy bên dưới.

• Axit sunfuric [H ₂ SO ₄ MSDS] ^{[ 24 ]}
• MSDS Axit flohydric HF ^{[ 25 ]}
• Axit Photphoric H ₃ PO ₄ MSDS ^{[ 25 ]}
• Axit Nitric HNO ₃ MSDS ^{[ 25 ]}
• MSDS Amoni Hydroxit NH _{4 OH} ^{[ 25 ]}
• Hydro Peroxide [2(HO) MSDS] ^{[ 26 ]}
• MSDS Axit Clohydric HCl ^{[ 26 ]}
• MSDS nước H _{2 O} ^{[ 26 ]}

Đào tạo an toàn

Cơ sở tái chế sẽ có Chương trình Đào tạo An toàn. Mục đích của chương trình này là đào tạo nhân viên mới về các vấn đề an toàn hiện tại và lâu dài, đồng thời tiếp tục cung cấp đào tạo an toàn liên tục cho tất cả nhân viên. Chương trình Đào tạo An toàn sẽ tập trung vào, nhưng không giới hạn ở các chủ đề sau:

• Cách đọc MSDS
• Ứng phó khẩn cấp: Hóa chất nguy hiểm
• Đánh giá về Hóa chất nguy hiểm
• Cách ngăn ngừa/làm sạch vết đổ
• Cách dán nhãn hộp đựng đúng cách
• Quy trình xử lý hóa chất
• Quy trình xử lý hỏa hoạn hoặc sự cố tràn hóa chất quy mô lớn

Sơ đồ dòng vật liệu bán dẫn

Sơ đồ luồng công việc sau đây phác thảo quy trình làm việc tại nhà máy tái chế. Mặc dù tệp này không phải là tệp Dia như yêu cầu, chúng tôi không thể tải chương trình Dia xuống máy tính của trường và quyết định rằng Visio là giải pháp thay thế tốt nhất.

Tài liệu tham khảo