Recyklace polovodičových součástek: Procesy a technologie

Nanotechnologie nás obklopují ze všech stran, ať už vědomě nebo nevědomě. První zmínka o nanotechnologiích se připisuje americkému vědci Richardu Feynmannovi, který předpověděl vznik oboru tak, jak jej známe nyní. Nanotechnologie zasáhly boom ve vědecké sféře především v 80. a 90. letech.

Co se týká čištění a remediace, tak zde nanotechnologie přispívají k dlouhodobé kvalitě vody, dostupnosti a kvalitě vodních zdrojů, jako např. využití pokročilých filtračních materiálů, které napomáhají většímu znovuvyužití vody, její recyklaci a odsolení.

Nanofiltrace v procesech recyklace

Nanofiltrace je tlakový proces využívající membrány pro separaci částic větších než 1 nm. Aplikační spektrum nanofiltrace leží mezi reverzní osmózou a ultrafiltrací. Zatímco aplikační potenciál reverzní osmózy je v obchodním měřítku využit především na desalinaci mořské vody, tak ultrafiltrace je proces, který zpravidla slouží jako předčištění před reverzní osmózu, ať už v případech odsolování mořské vody, tak i co se týká předčištění při průmyslovém čištění odpadních vod.

Co se týká nanofiltrace, tak ta se s úspěchem využívá pro odstranění vícemocných polutantů a největší spektrum membrán se vyrábí v rozmezí 150 - 300 Da. Nanofiltrační membrány začaly být vyráběny v 70. letech minulého století jako alternativa k reverzní osmóze s nižší rejekcí a smysluplným fluxem při výrazně nižších tlacích. V literatuře se proto lze shledat s termíny jako je ztrátová reverzní osmóza nebo otevřená reverzní osmóza.

První skutečné nanofiltrační membrány začaly být používány ca. před 20 - 25 lety. První materiál, který se používal pro výrobu nanofiltračních membrán byl acetát celulózy, který má bohužel omezenou sféru použití a proto se s nástupem nanofiltrací začaly vyvíjet další membránové materiály, jako jsou polyamidy (PA), polyethersulfon (PES), polysulfon (PS), chlorovaný PVC nebo polyvinylidenfluorid (PVDF). Anorganické membrány jsou založeny nejčastěji na bázi oxidu hlinitého, zirkoničitého nebo titaničitého.

Čtěte také: Jak recyklovat starý šicí stroj

Většina membrán je nabita negativním nábojem, a proto jsou nanofiltračními membránami přednostně odstraňovány anionty. Charakterizace nanofiltračních membrán je prováděna nejčastěji pomocí jejich morfologických a výkonových parametrů a dle parametrů náboje, z nichž nejdůležitější jsou povrchový náboj, pórovitost, odpor, drsnost, chemické složení, hydrofobicita a zeta potenciál.

Nejčastěji používané moduly používané pro nanofiltraci jsou spirálově vinuté, deskové, tubulární, z dutých vláken, keramické anebo kapilární. Globální trh s nanofiltračními membránami dosahoval v roce 2006 89.1 mil. USD s předpokladem 310.5 mil. USD v roce 2012, z čehož by mělo 210.7 mil. Změkčování vody se využívá nejen v procesech týkajících se úpravy pitné vody, ale i průmyslových vod, odstranění zejména vápníku a hořčíku. Nanofiltrace se provádí zpravidla při tlaku 5 - 30 barů a při koncentraci rozpuštěných látek mezi 500 - 2 000 mg/L.

Přírodní organická hmota se nachází v povrchových i podzemních vodách. Její odstranění pomocí nanofiltrace je důležité zejména tam, kde je posledním krokem úpravy vody její dezinfekce, kvůli vzniku vedlejších produktů dezinfekce (např. trihalogen metany), které jsou nezřídka toxické, karcinogenní anebo mutagenní pro živé organismy. Jak již bylo zmíněno, v současné době se využívá dvoustupňové membránové nanofiltrace jako posledního kroku při desalinaci mořské vody a její úpravy na pitnou vodu a pro znovuvyužití vyčištěné odpadní vody.

Unikátní technologie FMX

ASIO disponuje vedle tradiční membránové ultrafiltrace pro komunální odpadní vody i zařízením na nanofiltraci, které je v nabídce firmy od r. 2010. Jedná se o unikátní technologii FMX založené na využití Kármánova víru pro snížení zanášení membrán. Hlavní spektrum aplikace není založeno na čištění vody, ale především na získávání a zakoncentrování cenných surovin v odpadní vodě, např.

Polymerní nanotextilie a nanovlákna

Polymerní nanotextilie jsou materiálem, který postupně nachází široké spektrum uplatnění v řadě environmentálních technologií. Netkané struktury tvořené jemnými vlákny vytvářejí materiál s vysokou pórovitostí, malými rozměry pórů a velkým specifickým povrchem a jsou mj. Polymerní nanovlákenné struktury jsou tvořeny náhodně poskládanými vlákny o rozměrech v rozsahu 50-500nm, které jsou většinou vyráběny metodou elektrostatického zvlákňování - electrospinningem.

Čtěte také: Zodpovědný přístup k recyklaci kávových kapslí

Tento způsob výroby je již poměrně dlouho znám. První zmínky o technologii výroby nanovláken, zvané electrospraying, se v odborné literatuře objevují již okolo roku 1914, kdy fyzik, čecho-američan John Zelený z Michiganské univerzity, popisuje technologii formování vláken pomocí elektrohydrodynamického tryskání (“electrohydrodynamic jetting”). V patentové literatuře se objevují první zmínky dokonce již v roce 1902.

Vlastní proces tvorby nanovláken ale ovlivňuje řada vnějších podmínek (zvlákňovaný materiál, rozpouštědlo, vzdálenost elektrod, tvar elektrod, napětí mezi elektrodami, teplota prostředí, vlhkost), které určují výslednou podobu nanovlákenné struktury. Teoretické i praktické zvládnutí vhodných technik a postupů vyústilo koncem 20. Zvlákňování pomocí trysky patří k prvním technikám.

Díky vysokému elektrickému napětí mezi špičkou kapiláry a uzemněným kolektorem vzniká tzv. Taylorův kužel na špičce kapiláry, z něhož jsou produkována submikronová vlákna. Vlákna po odpaření rozpouštědla ztuhnou a vytvoří vlákennou vrstvu na povrchu kolektoru. Oproti ostatním technikám je rychlost produkce nižší, pohybuje se v rozmezí 0.1- 1 g/hod.

Produktivnější způsob výroby představují techniky zvlákňování využívající zvlákňování pomocí válce otáčejícího v polymeru či zvlákňování z volné hladiny. Na válci, který se patřičnou rychlostí otáčí v tavenině, či polymeru vzniká tenká vrstva materiálu, ze které působením vysokého elektrostatického napětí vznikají Taylorova kužele a následně nanovlákna po celé délce válce, čímž je dosahováno vyšší produktivity a stability procesu (1 - 5 g/min na metr pracovní šířky).

Elektrostatickým zvlákňováním je možno produkovat organická, anorganická i biopolymerní nanovlákna. Počet materiálů, které je možno pomocí elektrospinningu zvláknit na nanovlákna, neustále narůstá. V současnosti je již známo zvláknění přes 50 druhů polymerů. V případě zvláknění anorganických vláken jsou konečným produktem křehké nanovlákenné vrstvy, které jsou většinou dále upraveny na jemný prášek.

Čtěte také: Výzvy v recyklaci tvrzených plastů

Pro specifické aplikace lze zakomponovat do nanovlákenných vrstev další aditiva, která zlepšují nebo vytvářejí nové vlastnosti připravených materiálů, např, biocidní účinky, fotokatalytické, absorpční vlastnosti apod. Aditiva je možno mechanicky ukotvit do pórovitých struktur mezi nanovlákny nebo v případě vícevrstvých materiálů mezi jednotlivé vrstvy. Tento způsob je vhodný pro ukotvení aditiv např. ve formě prášků. Nevýhodou je možné vymývání částic během funkce.

Další možností je aditiva rozpustit nebo chemicky navázat na polymer, z kterého jsou vytvářena nanovlákna. Jako aditiva se nejčastěji používají biocidní prvky nebo sloučeniny Ag, Cu. Netkaná struktura nanotextilních materiálů vytváří vrstvy se specifickými vlastnostmi.

Výsledná struktura má velmi nízkou hustotu, velký specifický povrch, malou velikost pórů, vysokou porositu a výborné mechanické vlastnosti v poměru k jejich hmotnosti. Běžně používané nanotextilie mají průměrný rozměr průměru nanovláken kolem 200 nm, pro speciální aplikace jsou vyráběna nanovlákna o průměru 80 nm i méně. Podle požadavků na funkci nanotextilií se plošná hmotnost pohybuje od desetin gramu až několika desítek gramů na metr čtvereční.

Velikost pórů je odečítána ze snímků struktury, kde jsou změřeny rozměry pórů vzniklých překrýváním vláken. Z těchto hodnot je určen rozsah velikosti pórů vyrobeného materiálu. Vzhledem k velmi jemné struktuře nanotextilie, nízké plošné hmotnosti, atd. jsou většinou nanotextilie přímo při výrobě kladeny na nosný materiál, který zabezpečuje jednodušší manipulaci s připravenými vrstvami nanovláken a zpevňuje výsledný produkt.

Jako nosná média se podle účelu použití, většinou netkané textilie z viskózy nebo polypropylenu. Technologií elektrospiningu je ale možno nanášet nanovlákna i na další nosiče různé struktury a tvaru. Nanovlákna mohou být nanesena i na jednotlivé nitě tkaniny nebo plochy tkaniny z různých materiálů.

Vlákna jsou na povrchu vázána pouze slabými van der Waalsovými silami. Pro vrstvy s nízkou gramáží např. pro filtrace vzduchu je toto ukotvení dostačující. V případě vrstev s větší gramáží může být soudržnost na podkladu problematická. Pokud je nutné bezpečně ukotvit nanovlákennou vrstvu na podkladu, jsou používány různé techniky k zvýšení adheze. Používá se např. mechanické zpevnění slisováním vrstev nebo lepení.

Vysoká porozita, malé rozměry pórů a další vlastnosti nanotextilií jsou dobrým předpokladem k výrobě filtračních materiálů pro plyny a kapaliny. Nanotextilní materiály jsou pro filtraci vody zatím méně využívány. Existuje však již řada studií, které popisují širší možnosti uplatnění samotných nanovláken nebo funkcionalizovaných nanovláken např. Studií byla ověřena a srovnána filtrační účinnost stříbrem funkcionalizovaných PA nanovláken s PA nanovlákny bez úpravy.

Testy byly prováděny s reálnou mikrobiálně znečištěnou vodou z nemocnic, dešťovou vodou, a vodou z vodní nádrže. KTJ/mL. Závěry této studie ukazují velký potenciál pro použití, zejména funkcionalizovaných nanovláknenných materiálu pro odstranění mikrobiálního znečištění z vody.

Jednou z prvních aplikací je použití stříbrem funkcionalizovaných nanovlákenných struktur společně s aktivním uhlím, k výrobě tzv. tee bag. Tento filtr je vložen do speciálního nástavce, který je našroubován na láhev se znečištěnou vodou. Přefiltrovaná voda splňuje požadavky na pitnou vodu. Filtračními a antibakteriálními účinky funkcionalizovaných nanovláken je odstraněno mikrobiální znečištění, pro absorpci chemických látek poslouží aktivní uhlí. Toto levné řešení je již využíváno k přípravě pitné vody v rozvojových zemích.

Uvedené poznatky ze zmíněných studií, i první praktické aplikace ukazují vysoký potenciál využití nanovlákenných struktur v oblasti úpravy vody.

ASIO řeší v rámci výzvy Technologické agentury České republiky programu Alfa v letech 2011 - 2014 projekt s názvem: Vhodné materiály pro nanotechnologické aplikace při čištění a úpravě vod a vzduchu. Vyvíjíme technologie pro čištění vzduchu a odstranění mikrobiálního znečištění z vod s využitím nanovláken z firmy SPUR funkcionalizovaných nanobiocidy z firmy COC.

V současné době se na odstranění obtížně odstranitelných látek z odpadních vod používají technologie na bázi neutralizace, koagulace, iontové výměny, membránových procesů, srážení, adsorpce, atd. Alternativním způsobem odstraňování celého spektra polutantů může být využití částic nulamocného železa nebo ferátů. V literatuře jsou popsány studie aplikace NZVI na odstranění endokrinních disruptorů, inaktivaci patogenních organismů ve vodách, redukce dusičnanů, odbourávání halogenovaných uhlovodíků, kovů, antibiotik, chlorovaných herbicidů, atd.

Pomocí ferátů jsou z vody odstraňovány např. organické a anorganické kontaminanty, pesticidy, endokrinní disruptory, farmaka, pesticidy, těžké kovy, apod.

ASIO řeší v letech 2011 - 2014 v rámci projektu TIP vyhlášeného MPO projekt s názvem: Pokročilé technologie hygienického a toxikologického zabezpečení odtoku z čistíren odpadních vod ve spojení s firmou RAWAT a dvěma akademickými partnery, a to Botanickým ústavem Akademie věd ČR (zodpovědným za provádění ekotoxikologických testů) a Univerzitou Palackého v Olomouci (zodpovědnou za vývoj nanomateriálů).

Udržitelnost a recyklace křemíku

Křemík je surovinou pro výrobu polovodičů solárních článků, s jejíž materiálovou návratností se dosud příliš neoperovalo. Současná německá instalovaná kapacita solárních panelů, oněch 5 milionů tun fotovoltaiky, tak mimo jiné znamená i 150 000 jakostního křemíku, který by přišel po skončení životnosti solárních panelů vniveč. A právě to nyní inženýři Fraunhoferova institutu mění.

V partnerské spolupráci mezi vývojáři z Centra pro křemíkovou fotovoltaiku CSP a techniky z oddělení Systému solární energetiky ISE, v návaznosti na německý recyklační gigant Reiling GmbH & Co. Přesněji řečeno, vydobýt z článků vyřazených solárních panelů křemík už nějakou dobu umíme. První velký přínos německých inženýrů tkví hlavně v tom, že přišli s metodou recyklace křemíku škálovatelnou na reálná měřítka průmyslové recyklace.

„V laboratoři se totiž dá dokázat mnohé, ale ne vždy takové procesy dávají ekonomický smysl v reálné praxi,“ vysvětluje Peter Dold, profesor CSP. „Výhodou námi vyvinutého přístupu je to, že je užitečný a cenově dostupný i v kapacitním provozu a je již plně ozkoušený.“

Jimi navržené procesní zpracování umožňuje recyklaci všech typů krystalických křemíkových modulů, bez ohledu na jejich typ konstrukce, původ, výrobce. Její princip tkví v separaci fragmentů solárních článků, oddělených během mechanického drcení. Následuje třístupňové chemické „mokré“ čištění, při němž jsou například odstraňovány stopy povrchových filmů. Takto ošetřený křemík je pak zpracováván do podoby ingotů (buď monokrystalické nebo kvazi-monokrystalické), z nichž se pak „krájí“ plátky (salámky, wafers). Které je možné znovu využít při výrobě dalších solárních panelů.

Inženýři Fraunhoferova institutu nezůstali stát u teorie, a skutečně z tohoto recyklátu nové PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) solární články vytvořili. Jejich konverzní efektivita během zkoušek dosahovala 19,7 %. „Což je sice pod hranicí 22,2 %, které nyní dosahují úplně nové PERC solární články, ale je to výrazně nad limitem efektivity, s níž dnes pracují staré solární panely,“ říká Dold. Materiál, získaný recyklací, tedy potvrdil svou hodnotu. Stal se opět surovinou.

Výroba v čistých prostorách

Výroba v čistých prostorách je náročná, protože i sebemenší kontaminace vzduchu v místnosti a procesních médií může způsobit nepoužitelnost finálního produktu. Kontinuální měření a přesná regulace a řízení ultra čistého média mohou zabránit kontaminaci a v ideálním případě jí úplně předejít. V závislosti na finálním produktu (např. tranzistor, LED) je důležité přizpůsobit jednotlivé parametry procesu (např. průtok, chladicí okruhy), aby bylo dosaženo požadovaných vlastností produktu a procesu.

Efektivní využití ultra čistých médií v procesu

Výroba polovodičů vyžaduje nejen výrobu v čistých prostorách, ale také účinnou manipulaci s ultra čistými médii (např. ultra čistá voda, rozpouštědla, agresivní chemikálie). Snížení spotřeby těchto médií lze obecně ztotožnit s nákladově efektivní výrobou, která zachází šetrně se zdroji. Přesná regulace těchto plynů a kapalin je proto pro moderní výrobu polovodičů nezbytná. Navíc je tu také zákonná regulace týkající se recyklace a opětovnému zpracování ultra čistých médií. Efektivní využití médií také snižuje výrobní náklady.

Chlazení při výrobě polovodičů

Druhým důležitým aspektem jsou specifické teplotní požadavky, které existují ve výrobním procesu polovodičových prvků, aby bylo možné zaručit vysokou a stálou kvalitu produktů. Zde je například důležité zajistit, aby procesní plyny reagovaly pouze s polovodičovým prvkem, a nikoli s vnitřní stěnou procesní komory. Proto je nezbytné zajistit konstantní teplotu plynu a účinné chlazení procesní komory. Chladicí systémy, jako je řešení Bürkert pro CVD povlakovací zařízení, neustále zajišťují požadovanou teplotu ve výrobním procesu.

Totéž platí pro řízení a udržování teploty ultra čisté vody (UPW) ve výrobě - zde společnost Bürkert nabízí systémová řešení pro regulaci teploty, která fungují nejen přesně, ale také spolehlivě po celou dobu životnosti systému.

Přesná a bezpečná regulace plynu a kapaliny pro SubFab

SubFab je centrální zásobování závodu, kde probíhá příprava a následná úprava procesních médií, čištění výfukových plynů a zásobování strojů energií. Všechny plyny a kapaliny, které stroje v čistém prostoru potřebují nebo již nepotřebují pro proces, jsou regulovány a monitorovány procesy v SubFab. Přesné řízení kapalin v této oblasti proto přispívá k výrobě, která zachází šetrně se zdroji.

Zvýšená efektivita a bezpečnost procesu

Zvyšte svou efektivitu při vývoji svých strojů. Naši inženýři ze Systemhaus vyvinou řešení pro fluidní technologie přesně na míru vašemu procesu, abyste se mohli soustředit na své hlavní odborné znalosti. Díky tomu je zaručena optimální součinnost mezi senzory a aktuátory v kompaktním systému, snižuje se potřeba místa ve stroji a minimalizují se možné netěsnosti i preventivní údržbářské práce.

Spolehněte se na vysoce kvalitní kapalinové systémy na míru, které naši odborníci přesně přizpůsobí vašim požadavkům a procesům. Ať už jde o procesy chlazení v čistých prostorách, nebo o následné zpracování výfukových plynů, CO2- nebo N2- dávkování v SubFab, získáte řešení na míru v nejvyšší kvalitě.

Zlepšete své procesy a jejich bezpečnost pomocí plynové regulace CO2 nebo N2, při následném zpracování výfukových plynů nebo získejte optimální řešení chlazení pro své PVD a CVD stroje díky našim systémovým řešením na míru. Ty bodují zejména díky optimalizovanému přizpůsobení vašim požadavkům, snadné integraci, digitálním komunikačním rozhraním (např. IO-Link, EtherCAT), funkcím preventivní údržby, inovativní měřicí technice a dlouhé životnosti.

Analyzujeme také fluidní procesy - protože jako experti na fluidní techniku vyvíjíme řešení pro vaše aplikace pro výrobu polovodičů, od součástí na míru až po systémy přizpůsobené vašim individuálním potřebám.

Vývoj spolehlivých řešení pro manipulaci s kapalinami v polovodičovém průmyslu je složitý a časově náročný. Využijte know-how našich specialistů na fluidní systémy a pracujte efektivněji. Nasloucháme, analyzujeme a vyvíjíme perspektivní produkty a aplikační řešení na míru, dokud nejsou připraveny pro sériovou výrobu.

České polovodičové centrum

„České polovodičové centrum funguje pár měsíců, má za sebou první měsíce ostrého provozu a už nyní pomáhá nastartovat tuzemský čipový business," uvádí na svých webových stránkách Vysoké učení technické v Brně, jehož rektor Ladislav Janíček byl nyní za spolupráci s průmyslem oceněn společností onsemi.

„Pan rektor Ladislav Janíček sehrál klíčovou roli v podpoře silného dialogu s průmyslem a v iniciování nových studijních programů. „Cenu onsemi vnímám nejen jako osobní ocenění, ale také jako výraz uznání naší univerzitě za výsledky více než dvacetileté spolupráce.

Od spuštění na jaře 2025 stihlo České polovodičové centrum vybudovat tým, nastavit pravidla řízení projektu, vytvořit katalog služeb, výrazně přispět k popularizaci polovodičového oboru a zapojit se do významných jednání se zahraničními partnery, nebo třeba na Pražském hradě.

„Už v polovině roku 2025 jsme překonali řadu celoročních cílů - zapojili jsme 11 startupů či malých a středních podniků, podpořili 7 studentů s podnikatelskými nápady a zorganizovali workshop pro Škoda Auto nebo letní školu pro zahraniční studenty. Další plánované aktivity, jako zavedení jednotného procesu řízení produktu, standardizace CRM (Customer Relationship Management) a vytvoření brandingu centra zatím čekají na svou finální podobu, které by se měly dočkat na podzim.

„České polovodičové centrum se už stihlo veřejnosti představit na Czech Semicon Days v Praze, popularizačním VědaFestu a bylo také součástí prestižního kulatého stolu na Pražském hradě, kde špičky průmyslu a akademické sféry diskutovaly o akceleraci české vědy. Letos vzniklé centrum přináší firmám širokou škálu služeb - od mentoringu a finančního poradenství přes přístup k pilotním výrobním linkám až po zapojení do celoevropské návrhové platformy.

Cílem je pomoci podnikům rychleji a efektivněji vyvíjet nové polovodičové produkty, a zároveň zajistit dostatek kvalifikovaných odborníků, kteří podpoří růst polovodičového průmyslu v Evropě.

„Že Česká republika není žádným nováčkem na poli polovodičových inovací dokazuje i aktuální zpráva OECD, podle níž tuzemsko patří mezi světové lídry ve výrobě přístrojů pro produkci čipů, zejména elektronových mikroskopů. Studie mapuje složitý a vysoce propojený dodavatelský řetězec polovodičů a Česko se objevuje hned ve dvou kategoriích spojených s výrobními zařízeními pro polovodiče.

tags: #recyklace #polovodičových #součástek #proces

Oblíbené příspěvky:

• Kompost: Ptačí vejce ano či ne?
• Koloběh uhlíku v environmentální mikrobiologii
• Agentura ochrany přírody a krajiny
• Ekologie: Význam a rozsah
• Když příroda dopustí