81. Электроприборы и оборудование
Редактор глав: Н. А. Смит
Общий Профиль
Н. А. Смит
Производство свинцово-кислотных аккумуляторов
Барри П. Келли
батареи
Н. А. Смит
Производство электрических кабелей
Дэвид А. О'Мэлли
Производство электрических ламп и трубок
Альберт М. Зелински
Производство бытовой электротехники
Н. А. Смит и В. Клост
Вопросы окружающей среды и общественного здравоохранения
Питтман, Александр
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Состав обычных батарей
2. Производство: бытовые электроприборы
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
82. Металлообрабатывающая и металлообрабатывающая промышленность.
Редактор глав: Майкл Макканн
Плавка и рафинирование
Пекка Рото
Выплавка и рафинирование меди, свинца и цинка
Выплавка и рафинирование алюминия
Бертрам Д. Динман
Плавка и аффинаж золота
И. Д. Гадаскина и Л. Рызик
Литейные цеха
Франклин Э. Мирер
Ковка и штамповка
Роберт М. Парк
Сварка и термическая резка
Филип А. Платкоу и Г. С. Линдон
Токарные станки
Тони Ретч
Шлифовка и полировка
К. Велиндер
Промышленные смазочные материалы, жидкости для металлообработки и автомобильные масла
Ричард С. Краус
Поверхностная обработка металлов
Дж. Г. Джонс, Дж. Р. Беван, Дж. А. Кэттон, А. Зобер, Н. Фиш, К. М. Морс, Г. Томас, М. А. Эль Кадим и Филип А. Платкоу
Восстановление металла
Мелвин Э. Кэссиди и Ричард Д. Рингенвальд-младший.
Экологические проблемы в отделке металлов и промышленных покрытиях
Стюарт Форбс
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Входы и выходы для плавки меди
2. Входы и выходы для плавки свинца
3. Входы и выходы для плавки цинка
4. Входы и выходы для плавки алюминия
5. Типы литейных печей
6. Входы технологических материалов и выходы загрязнения
7. Сварочные процессы: описание и опасности
8. Краткое описание опасностей
9. Элементы управления для алюминия, по операциям
10. Контроль меди по операциям
11. Контроль свинца по операциям
12. Контроль цинка по операциям
13. Контроль магния по операциям
14. Контроль ртути по операциям
15. Контроль никеля по операциям
16. Контроль драгоценных металлов
17. Контроль кадмия по операциям
18. Контроль селена по операциям
19. Контроль кобальта по операциям
20. Контроль олова по операциям
21. Элементы управления для титана, по операциям
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
83. Микроэлектроника и полупроводники
Редактор глав: Майкл Э. Уильямс
Общий Профиль
Майкл Э. Уильямс
Производство кремниевых полупроводников
Дэвид Г. Болдуин, Джеймс Р. Рубин и Афсане Джерами
Жидкокристаллические дисплеи
Дэвид Г. Болдуин, Джеймс Р. Рубин и Афсане Джерами
Производство полупроводников III-V
Дэвид Г. Болдуин, Афсане Джерами и Джеймс Р. Рубин
Печатная плата и сборка компьютера
Майкл Э. Уильямс
Воздействие на здоровье и модели заболеваний
Дональд В. Ласситер
Вопросы окружающей среды и общественного здравоохранения
Корки Чу
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Системы фоторезистов
2. Инструмент для снятия фоторезиста
3. Мокрые химические травители
4. Газы для плазменного травления и травленые материалы
5. Добавки для формирования соединения для диффузии
6. Основные категории кремниевой эпитаксии
7. Основные категории ССЗ
8. Чистка плоскопанельных дисплеев
9. Процесс PWB: окружающая среда, здоровье и безопасность
10. Производство и контроль отходов PWB
11. Производство и контроль отходов ПХД
12. Образование отходов и контроль
13. Матрица приоритетных потребностей
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
84. Стекло, керамика и сопутствующие материалы.
Редакторы глав: Джоэл Бендер и Джонатан П. Хеллерштейн
Стекло, керамика и родственные материалы
Джонатан П. Хеллерштейн, Джоэл Бендер, Джон Г. Хэдли и Чарльз М. Хохман
Практический пример: оптические волокна
Джордж Р. Осборн
Практический пример: синтетические драгоценные камни
Василий Дельфин
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Типичные составляющие тела
2. Производственные процессы
3. Отдельные химические добавки
4. Использование огнеупоров в промышленности США
5. Потенциальные угрозы здоровью и безопасности
6. Несмертельные профессиональные травмы и заболевания
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
85. Полиграфия, фотография и репродукция.
Редактор главы: Дэвид Ричардсон
Печать и публикации
Гордон С. Миллер
Услуги по воспроизведению и тиражированию
Роберт В. Килппер
Проблемы со здоровьем и модели заболеваний
Барри Р. Фридлендер
Обзор экологических проблем
Дэниел Р. Инглиш
Коммерческие фотолаборатории
Дэвид Ричардсон
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Экспозиции в полиграфической промышленности
2. Печать торговых рисков смертности
3. Химическое воздействие при обработке
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
86. Деревообработка
Редактор главы: Джон Пэриш
Общий Профиль
Дебра Осински
Процессы деревообработки
Джон К. Пэриш
Маршрутизаторы
Победить Вегмюллера
Строгальные станки по дереву
Победить Вегмюллера
Воздействие на здоровье и модели заболеваний
Леон Дж. Уоршоу
Щелкните ссылку ниже, чтобы просмотреть таблицу в контексте статьи.
1. Ядовитые, аллергенные и биологически активные породы древесины
Наведите курсор на миниатюру, чтобы увидеть подпись к рисунку, щелкните, чтобы увидеть рисунок в контексте статьи.
Эта статья является переработкой статьи Г.С. Линдона «Сварка и термическая резка» из 3-го издания Энциклопедии по охране труда и технике безопасности.
Обзор процесса
сварка это общий термин, относящийся к соединению кусков металла на поверхностях стыков, которые превращаются в пластик или жидкость под действием тепла или давления, или того и другого. Три распространенных прямых источника тепла:
Другие источники тепла для сварки обсуждаются ниже (см. таблицу 1).
Таблица 1. Входы технологических материалов и выбросы загрязняющих веществ при выплавке и рафинировании свинца
Обработка |
Вклад материала |
Выбросы в атмосферу |
Технологические отходы |
Прочие отходы |
Спекание свинца |
Свинцовая руда, железо, кремнезем, известняковый флюс, кокс, сода, зола, пирит, цинк, каустик, мешочная пыль |
Диоксид серы, твердые частицы, содержащие кадмий и свинец |
||
Плавка свинца |
Свинцовый агломерат, кокс |
Диоксид серы, твердые частицы, содержащие кадмий и свинец |
Сточные воды промывки завода, вода грануляции шлака |
Шлак, содержащий примеси, такие как цинк, железо, кремнезем и известь, твердые частицы поверхностных водоемов |
Свинцовый шлак |
Слиток свинца, кальцинированная сода, сера, рукавная пыль, кокс |
Шлак, содержащий такие примеси, как медь, поверхностные твердые включения |
||
Очистка свинца |
Свинцовый шлак |
In газовая сварка и резка, кислород или воздух и горючий газ подаются в паяльную трубку (горелку), в которой они смешиваются перед сгоранием в сопле. Паяльную трубку обычно держат в руках (см. рис. 1). Тепло расплавляет металлические поверхности соединяемых деталей, заставляя их течь вместе. Часто добавляют присадочный металл или сплав. Сплав часто имеет более низкую температуру плавления, чем соединяемые детали. В этом случае две детали, как правило, не доводят до температуры плавления (пайка твердым припоем). Для предотвращения окисления и облегчения соединения можно использовать химические флюсы.
Рис. 1. Газовая сварка с горелкой и стержнем из фильтрующего металла. Сварщик защищен кожаным фартуком, рукавицами и очками.
При дуговой сварке дуга зажигается между электродом и заготовкой. Электрод может быть подключен к источнику переменного тока (AC) или постоянного тока (DC). Температура этой операции составляет около 4,000°C, когда заготовки сплавляются друг с другом. Обычно необходимо добавить расплавленный металл в соединение либо путем расплавления самого электрода (процессы с плавящимся электродом), либо путем расплавления отдельного присадочного стержня, не проводящего ток (процессы с неплавящимся электродом).
Наиболее обычная дуговая сварка выполняется вручную с помощью плавящегося электрода с покрытием (с покрытием) в ручном электрододержателе. Сварка также выполняется многими полуавтоматическими или полностью автоматическими процессами электросварки, такими как контактная сварка или непрерывная подача электрода.
Во время процесса сварки место сварки должно быть защищено от атмосферы, чтобы предотвратить окисление и загрязнение. Существует два типа защиты: флюсовые покрытия и защита от инертного газа. В дуговая сварка под флюсом, расходуемый электрод состоит из металлического сердечника, окруженного флюсовым покрытием, которое обычно представляет собой сложную смесь минеральных и других компонентов. В процессе сварки флюс плавится, покрывая расплавленный металл шлаком и окружая зону сварки защитной газовой атмосферой (например, двуокисью углерода), создаваемой нагретым флюсом. После сварки шлак необходимо удалить, часто путем скалывания.
In дуговая сварка в защитных газах, слой инертного газа изолирует атмосферу и предотвращает окисление и загрязнение в процессе сварки. В качестве инертных газов обычно используют аргон, гелий, азот или углекислый газ. Выбор газа зависит от характера свариваемых материалов. Двумя наиболее популярными типами дуговой сварки в защитных газах являются сварка металлом и вольфрамом в среде инертного газа (MIG и TIG).
Сварка сопротивлением включает использование электрического сопротивления прохождению сильного тока при низком напряжении через свариваемые компоненты для выработки тепла для плавления металла. Тепло, выделяющееся на границе раздела компонентов, доводит их до температур сварки.
Опасности и их предотвращение
Любая сварка сопряжена с опасностью возгорания, ожогов, лучистого тепла (инфракрасного излучения) и вдыхания паров металлов и других загрязняющих веществ. Другие опасности, связанные с конкретными сварочными процессами, включают опасность поражения электрическим током, шум, ультрафиолетовое излучение, озон, двуокись азота, окись углерода, фториды, баллоны со сжатым газом и взрывы. Дополнительные сведения см. в таблице 2.
Таблица 2. Описание и опасности сварочных процессов
Процесс сварки |
Описание |
опасности |
Газовая сварка и резка |
||
сварка |
Горелка расплавляет металлическую поверхность и присадочный стержень, вызывая образование соединения. |
Пары металлов, двуокись азота, угарный газ, шум, ожоги, инфракрасное излучение, пожар, взрывы |
пайка твердым припоем |
Две металлические поверхности соединяются без расплавления металла. Температура плавления присадочного металла выше 450 °С. Нагрев осуществляется пламенным нагревом, резистивным нагревом и индукционным нагревом. |
Металлические пары (особенно кадмия), фториды, пожар, взрыв, ожоги |
паять |
Аналогично пайке, за исключением того, что температура плавления присадочного металла ниже 450 °C. Нагрев также производится с помощью паяльника. |
Флюсы, пары свинца, ожоги |
Резка металла и строжка пламенем |
В одном варианте металл нагревается пламенем, а струя чистого кислорода направляется на точку реза и перемещается по линии реза. При строжке пламенем удаляется полоса поверхностного металла, но металл не прорезается. |
Пары металлов, двуокись азота, угарный газ, шум, ожоги, инфракрасное излучение, пожар, взрывы |
Сварка давлением газа |
Детали нагреваются газовыми струями под давлением и сплавляются друг с другом. |
Пары металлов, двуокись азота, угарный газ, шум, ожоги, инфракрасное излучение, пожар, взрывы |
Дуговая сварка под флюсом |
||
Дуговая сварка защищенным металлом (SMAC); дуговая сварка «палочкой»; ручная дуговая сварка металлическим электродом (ММА); сварка открытой дугой |
Использует расходуемый электрод, состоящий из металлического сердечника, окруженного флюсовым покрытием. |
Пары металлов, фториды (особенно с электродами с низким содержанием водорода), инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, ожоги, электричество, огонь; также шум, озон, диоксид азота |
Дуговая сварка под флюсом (SAW) |
На заготовку наносится слой гранулированного флюса, а затем расходуемый электрод из оголенной металлической проволоки. Дуга расплавляет флюс, образуя защитный экран из расплавленного металла в зоне сварки. |
Фториды, огонь, ожоги, инфракрасное излучение, электричество; также пары металлов, шум, ультрафиолетовое излучение, озон и диоксид азота. |
Дуговая сварка в защитных газах |
||
Металлический инертный газ (МИГ); дуговая сварка металлическим газом (GMAC) |
Электрод обычно представляет собой неизолированную расходуемую проволоку того же состава, что и металл сварного шва, и непрерывно подается на дугу. |
Ультрафиолетовое излучение, пары металлов, озон, окись углерода (с CO2 газ), двуокись азота, огонь, ожоги, инфракрасное излучение, электричество, фториды, шум |
Вольфрамовый инертный газ (TIG); дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW); гелиарк |
Вольфрамовый электрод является неплавящимся, а присадочный металл вводится в дугу в качестве расходуемого вручную. |
Ультрафиолетовое излучение, пары металлов, озон, диоксид азота, огонь, ожоги, инфракрасное излучение, электричество, шум, фториды, окись углерода |
Плазменно-дуговая сварка (PAW) и плазменно-дуговое напыление; вольфрамовая дуговая резка |
Аналогичен сварке TIG, за исключением того, что дуга и поток инертных газов проходят через небольшое отверстие, прежде чем достигнуть заготовки, создавая «плазму» высокоионизированного газа, температура которой может достигать более 33,400 XNUMX °C. Это также используется для металлизации. |
Пары металлов, озон, диоксид азота, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, шум; огонь, ожоги, электричество, фториды, угарный газ, возможные рентгеновские лучи |
Дуговая сварка под флюсом (FCAW); сварка металлов в активном газе (MAG) |
Использует расходуемый электрод с флюсовой сердцевиной; может иметь защиту от углекислого газа (MAG) |
Ультрафиолетовое излучение, пары металлов, озон, окись углерода (с CO2 газ), двуокись азота, огонь, ожоги, инфракрасное излучение, электричество, фториды, шум |
Электросварка сопротивлением |
||
Сварка сопротивлением (точечная, шовная, выступающая или стыковая сварка) |
Через два компонента от электродов протекает сильный ток при низком напряжении. Тепло, выделяющееся на границе раздела компонентов, доводит их до температур сварки. Во время прохождения тока давление электродов производит кузнечный сварной шов. Флюс и присадочный металл не используются. |
Озон, шум (иногда), опасность машинного оборудования, огонь, ожоги, электрические пары, пары металлов |
Электрошлаковая сварка |
Используется для вертикальной стыковой сварки. Заготовки устанавливают вертикально, с зазором между ними, а с одной или с обеих сторон стыка укладывают медные пластины или башмаки, образуя ванну. Дуга возникает под слоем флюса между одной или несколькими непрерывно подаваемыми электродными проволоками и металлической пластиной. Образуется ванна расплавленного металла, защищенная расплавленным флюсом или шлаком, который удерживается в расплавленном состоянии за счет сопротивления току, проходящему между электродом и заготовками. Это тепло, генерируемое сопротивлением, расплавляет стороны соединения и электродную проволоку, заполняя соединение и образуя сварной шов. В процессе сварки расплавленный металл и шлак удерживаются на месте за счет смещения медных пластин. |
Ожоги, огонь, инфракрасное излучение, электричество, пары металлов |
Сварка оплавлением |
Две свариваемые металлические детали подключаются к низковольтному источнику сильного тока. Когда концы компонентов соприкасаются, протекает большой ток, вызывающий «оплавление» и доведение концов компонентов до температур сварки. Кузнечный шов получают давлением. |
Электричество, ожоги, огонь, пары металла |
Другие сварочные процессы |
||
Электронно-лучевая сварка |
Заготовка в вакуумной камере бомбардируется пучком электронов из электронной пушки под высоким напряжением. Энергия электронов преобразуется в тепло при ударе о заготовку, таким образом расплавляя металл и сплавляя заготовку. |
Рентгеновские лучи под высоким напряжением, электрические разряды, ожоги, металлическая пыль, замкнутые пространства |
Резка Arcair |
Дуга зажигается между концом угольного электрода (в ручном электрододержателе с собственной подачей сжатого воздуха) и заготовкой. Образовавшийся расплавленный металл выдувается струями сжатого воздуха. |
Пары металлов, окись углерода, двуокись азота, озон, огонь, ожоги, инфракрасное излучение, электрические |
Сварка трением |
Чисто механический метод сварки, при котором один компонент остается неподвижным, а другой вращается вокруг него под давлением. При трении выделяется тепло, и при температуре ковки вращение прекращается. Затем давление ковки воздействует на сварной шов. |
Жара, ожоги, опасность машин |
Лазерная сварка и сверление |
Лазерные лучи могут использоваться в промышленных приложениях, требующих исключительно высокой точности, таких как миниатюрные сборки и микротехнологии в электронной промышленности или фильеры для производства искусственных волокон. Лазерный луч расплавляет и соединяет заготовки. |
Электрическое, лазерное излучение, ультрафиолетовое излучение, огонь, ожоги, пары металлов, продукты разложения покрытий деталей |
Сварка шпилек |
Дуга зажигается между металлическим стержнем (действующим как электрод), удерживаемым в сварочном пистолете, и металлической пластиной, которую нужно соединить, и повышает температуру концов компонентов до точки плавления. Пистолет прижимает шпильку к пластине и приваривает ее. Экранирование обеспечивается керамическим наконечником, окружающим шпильку. |
Металлические пары, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, ожоги, электричество, огонь, шум, озон, диоксид азота |
Термитная сварка |
Смесь порошка алюминия и порошка оксида металла (железо, медь и т. д.) воспламеняется в тигле, образуя расплавленный металл с выделением сильного тепла. Тигель открывается, и расплавленный металл стекает в свариваемую полость (окруженную песчаной формой). Это часто используется для ремонта отливок или поковок. |
Пожар, взрыв, инфракрасное излучение, ожоги |
Большая часть сварки выполняется не в мастерских, где обычно можно контролировать условия, а в полевых условиях при строительстве или ремонте крупных конструкций и машин (например, каркасов зданий, мостов и башен, кораблей, железнодорожных двигателей и автомобилей, тяжелого оборудования и т. д.). на). Сварщику, возможно, придется нести все свое оборудование на место, устанавливать его и работать в ограниченном пространстве или на строительных лесах. Физическое напряжение, чрезмерная усталость и травмы опорно-двигательного аппарата могут последовать за необходимостью тянуться, стоять на коленях или работать в других неудобных и неудобных положениях. Тепловой стресс может возникнуть в результате работы в теплую погоду и окклюзионного действия средств индивидуальной защиты, даже без выделения тепла в процессе сварки.
Баллоны со сжатым газом
В газосварочных установках высокого давления кислород и топливный газ (ацетилен, водород, городской газ, пропан) подаются к горелке из баллонов. Газы хранятся в этих баллонах под высоким давлением. Особая опасность пожара и взрыва, а также меры предосторожности для безопасного использования и хранения топливных газов также обсуждаются в других разделах настоящего документа. Энциклопедия. Следует соблюдать следующие меры предосторожности:
Ацетиленовые генераторы
В процессе газовой сварки низкого давления ацетилен обычно производится в генераторах в результате реакции карбида кальция и воды. Затем газ подается к сварочной или газовой горелке, в которую подается кислород.
Стационарные электростанции следует устанавливать либо на открытом воздухе, либо в хорошо проветриваемом помещении вдали от основных цехов. Вентиляция машинного зала должна быть такой, чтобы не допускать образования взрывоопасной или токсичной атмосферы. должно быть обеспечено достаточное освещение; выключатели, другое электрооборудование и электрические лампы должны быть либо расположены вне здания, либо быть взрывозащищенными. Курение, огонь, факелы, сварочное оборудование или легковоспламеняющиеся материалы должны быть исключены из дома или поблизости от генератора под открытым небом. Многие из этих мер предосторожности применимы и к портативным генераторам. Портативные генераторы следует использовать, очищать и заряжать только на открытом воздухе или в хорошо проветриваемом помещении, вдали от любых легковоспламеняющихся материалов.
Карбид кальция поставляется в герметичных бочках. Материал должен храниться в сухом месте на платформе, приподнятой над уровнем пола. Магазины должны располагаться под навесом, а если они примыкают к другому зданию, то перегородка должна быть противопожарной. Складское помещение должно соответствующим образом вентилироваться через крышу. Барабаны следует открывать только непосредственно перед зарядкой генератора. Должен быть предоставлен и использован специальный открывалка; молоток и долото никогда не должны использоваться для вскрытия барабанов. Опасно оставлять бочки из карбида кальция рядом с любым источником воды.
Перед демонтажем генератора необходимо удалить весь карбид кальция и заполнить установку водой. Вода должна оставаться в установке не менее получаса, чтобы обеспечить отсутствие газа в каждой части. Демонтаж и обслуживание должны производиться только производителем оборудования или специалистом. При перезарядке или очистке генератора старый заряд нельзя использовать снова.
Кусочки карбида кальция, заклинившие в подающем механизме или прилипшие к частям установки, следует осторожно удалить, используя искробезопасные инструменты из бронзы или другого подходящего цветного сплава.
Все заинтересованные лица должны быть полностью ознакомлены с инструкциями производителя, которые должны быть размещены на видном месте. Также следует соблюдать следующие меры предосторожности:
Защита от пожаров и взрывов
При размещении сварочных работ следует учитывать окружающие стены, полы, близлежащие объекты и отходы. Необходимо соблюдать следующие процедуры:
Защита от жары и опасностей ожогов
Возможны ожоги глаз и открытых частей тела из-за контакта с горячим металлом и разбрызгивания частиц раскаленного металла или расплавленного металла. При дуговой сварке высокочастотная искра, используемая для возбуждения дуги, может вызвать небольшие глубокие ожоги, если она сконцентрирована в точке на коже. Интенсивное инфракрасное и видимое излучение от пламени газовой сварки или резки и раскаленного металла в сварочной ванне может причинять дискомфорт оператору и лицам, находящимся поблизости от места проведения операции. Каждая операция должна быть продумана заранее, и должны быть разработаны и реализованы необходимые меры предосторожности. Защитные очки, изготовленные специально для газовой сварки и резки, следует носить для защиты глаз от тепла и света, излучаемых во время работы. Защитные крышки на стекле фильтра следует очищать по мере необходимости и заменять, если они поцарапаны или повреждены. При выбросе расплавленного металла или горячих частиц защитная одежда должна отражать брызги. Тип и толщина надеваемой огнеупорной одежды следует выбирать в зависимости от степени опасности. При резке и дуговой сварке следует надевать кожаные бахилы или другие подходящие гетры, чтобы предотвратить попадание горячих частиц в ботинки или обувь. Для защиты кистей и предплечий от тепла, брызг, шлака и т. д. достаточно кожаных перчаток с брезентовыми или кожаными манжетами. Другие типы защитной одежды включают кожаные фартуки, куртки, рукава, леггинсы и головные уборы. При потолочной сварке необходимы защитный плащ и колпак. Вся защитная одежда должна быть очищена от масла или жира, а швы должны быть внутри, чтобы не задерживать шарики расплавленного металла. Одежда не должна иметь карманов или манжет, которые могут задерживать искры, и ее следует носить так, чтобы рукава накладывались на перчатки, леггинсы на обувь и так далее. Защитную одежду следует осматривать на наличие лопнувших швов или отверстий, через которые может попасть расплавленный металл или шлак. Тяжелые предметы, оставленные горячими после завершения сварки, всегда должны быть помечены как «горячие» в качестве предупреждения для других рабочих. При контактной сварке выделяющееся тепло может быть невидимым, а прикосновение к горячим узлам может привести к ожогам. Частицы горячего или расплавленного металла не должны вылетать из точечных, стыковых или выступающих сварных швов, если условия соблюдаются, но следует использовать негорючие экраны и соблюдать меры предосторожности. Экраны также защищают прохожих от ожогов глаз. Не следует оставлять незакрепленные детали в горловине машины, потому что они могут быть выброшены с некоторой скоростью.
Электрическая безопасность
Хотя напряжения холостого хода при ручной дуговой сварке относительно низкие (около 80 В или меньше), сварочные токи высоки, а первичные цепи трансформатора представляют опасность, характерную для оборудования, работающего от сетевого напряжения. Поэтому нельзя игнорировать риск поражения электрическим током, особенно в тесных помещениях или в небезопасных положениях.
Перед началом сварки необходимо всегда проверять заземление на оборудовании для дуговой сварки. Кабели и соединения должны быть прочными и иметь достаточную мощность. Всегда следует использовать надлежащий зажим заземления или клемму с болтовым креплением. Если два или более сварочных аппарата заземлены на одну и ту же конструкцию или используются другие портативные электрические инструменты, заземление должно контролироваться компетентным лицом. Рабочее место должно быть сухим, безопасным и свободным от опасных препятствий. Большое значение имеет благоустроенное, хорошо освещенное, должным образом проветриваемое и чистое рабочее место. Для работы в ограниченном пространстве или в опасных местах в сварочную цепь может быть установлена дополнительная электрическая защита (холостые, низковольтные устройства), обеспечивающая подачу на электрододержатель тока только крайне низкого напряжения, когда сварка не ведется. . (См. описание ограниченных пространств ниже.) Рекомендуются электрододержатели, в которых электроды удерживаются с помощью пружинного захвата или винтовой резьбы. Дискомфорт, связанный с нагревом, можно уменьшить за счет эффективной теплоизоляции той части электрододержателя, которую держат в руке. Зажимы и соединения электрододержателей следует периодически очищать и подтягивать во избежание перегрева. Следует предусмотреть безопасное крепление держателя электрода, когда он не используется, с помощью изолированного крючка или полностью изолированного держателя. Кабельное соединение должно быть спроектировано таким образом, чтобы дальнейшее изгибание кабеля не приводило к износу и повреждению изоляции. Следует избегать протаскивания кабелей и пластиковых труб подачи газа (процессы в газовой защите) по нагревательным плитам или сварным швам. Провод электрода не должен соприкасаться с рабочим местом или любым другим заземленным объектом (землей). Резиновые трубки и кабели с резиновым покрытием нельзя использовать вблизи источников высокочастотного разряда, поскольку образующийся озон вызывает гниение резины. Пластиковые трубки и кабели с покрытием из поливинилхлорида (ПВХ) следует использовать для всех источников питания от трансформатора до электрододержателя. Кабели с вулканизированной или прочной резиновой оболочкой подходят для первичной стороны. Грязь и металлическая или другая токопроводящая пыль могут привести к выходу из строя блока высокочастотного разряда. Чтобы избежать этого состояния, необходимо регулярно чистить устройство, продувая его сжатым воздухом. При использовании сжатого воздуха более нескольких секунд следует надевать средства защиты органов слуха. При электронно-лучевой сварке перед каждой операцией необходимо проверять безопасность используемого оборудования. Для защиты от поражения электрическим током на различных шкафах должна быть установлена система блокировки. Необходима надежная система заземления всех агрегатов и шкафов управления. Для оборудования плазменной сварки, используемого для резки больших толщин, напряжение может достигать 400 В, и следует предвидеть опасность. Техника зажигания дуги высокочастотным импульсом подвергает оператора опасности неприятного удара током и болезненного проникающего высокочастотного ожога.
Ультрафиолетовая радиация
Яркий свет, излучаемый электрической дугой, содержит высокую долю ультрафиолетового излучения. Даже кратковременное воздействие вспышек дуги, включая случайные вспышки от дуг других рабочих, может вызвать болезненный конъюнктивит (фотоофтальмию), известный как «дуговой глаз» или «вспышка глаза». Если кто-либо подвергся воздействию вспышки дуги, необходимо немедленно обратиться за медицинской помощью. Чрезмерное воздействие ультрафиолетового излучения также может вызвать перегрев и ожог кожи (эффект загара). Меры предосторожности включают:
Химическая опасность
Загрязняющие вещества в воздухе при сварке и газопламенной резке, включая пары и газы, возникают из различных источников:
Дымы и газы должны удаляться у источника с помощью LEV. Это может быть обеспечено частичным ограждением процесса или установкой колпаков, обеспечивающих достаточно высокую скорость воздуха в месте сварки, чтобы обеспечить улавливание дыма.
Особое внимание следует уделить вентиляции при сварке цветных металлов и некоторых легированных сталей, а также защите от опасности образования озона, монооксида углерода и диоксида азота. Доступны переносные и стационарные системы вентиляции. Как правило, отработанный воздух не должен подвергаться рециркуляции. Его следует рециркулировать только в том случае, если нет опасных уровней озона или других токсичных газов, а отработанный воздух фильтруется через высокоэффективный фильтр.
При электронно-лучевой сварке и в случае, если свариваемые материалы имеют токсическую природу (например, бериллий, плутоний и т. д.), необходимо позаботиться о защите оператора от любого облака пыли при открытии камеры.
Когда существует риск для здоровья от токсичных паров (например, свинца) и LEV нецелесообразен, например, когда конструкции, окрашенные свинцом, разрушаются путем резки пламенем, необходимо использовать средства защиты органов дыхания. В таких обстоятельствах следует носить утвержденный высокоэффективный полнолицевой респиратор или высокоэффективный респиратор с принудительной очисткой воздуха (PAPR). Необходим высокий уровень технического обслуживания двигателя и аккумулятора, особенно при использовании оригинального высокоэффективного респиратора с положительным давлением. Использование респираторов со сжатым воздухом под избыточным давлением следует поощрять там, где имеется подходящая подача сжатого воздуха, пригодного для дыхания. Всякий раз, когда необходимо носить средства защиты органов дыхания, безопасность рабочего места следует пересмотреть, чтобы определить, необходимы ли дополнительные меры предосторожности, принимая во внимание ограниченное зрение, возможность запутывания и т. д. для лиц, использующих средства защиты органов дыхания.
Металлическая лихорадка
Металлическая лихорадка обычно наблюдается у рабочих, подвергающихся воздействию паров цинка в процессе цинкования или лужения, при литье латуни, при сварке оцинкованного металла и при металлизации или напылении металла, а также при воздействии других металлов, таких как медь, марганец и железо. Это происходит у новых работников и у тех, кто возвращается на работу после перерыва в выходные или праздничные дни. Это острое состояние, которое возникает через несколько часов после первоначального вдыхания частиц металла или его оксидов. Он начинается с неприятного привкуса во рту, за которым следует сухость и раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, что приводит к кашлю, иногда к одышке и «сдавленности» в груди. Они могут сопровождаться тошнотой и головной болью, а через 10–12 часов после контакта — ознобом и лихорадкой, которые могут быть довольно сильными. Они длятся несколько часов и сопровождаются потливостью, сном и часто полиурией и диареей. Особого лечения не требуется, и выздоровление обычно наступает примерно через 24 часа без каких-либо остаточных явлений. Его можно предотвратить, поддерживая воздействие неприятных металлических паров в пределах рекомендуемых уровней за счет использования эффективных LEV.
Ограниченное пространство
При входе в замкнутые пространства может возникнуть риск того, что атмосфера будет взрывоопасной, токсичной, с недостатком кислорода или сочетанием вышеперечисленного. Любое такое замкнутое пространство должно быть сертифицировано ответственным лицом как безопасное для входа и работы с дугой или пламенем. Программа доступа в замкнутое пространство, включая систему разрешений на вход, может потребоваться и настоятельно рекомендуется для работ, которые должны выполняться в помещениях, которые обычно не предназначены для постоянного пребывания. Примеры включают, но не ограничиваются ими, люки, хранилища, трюмы и т.п. Вентиляция замкнутых пространств имеет решающее значение, поскольку при газовой сварке не только образуются переносимые по воздуху загрязняющие вещества, но и расходуется кислород. Процессы дуговой сварки в среде защитного газа могут снизить содержание кислорода в воздухе. (См. рис. 2.)
Рисунок 2. Сварка в закрытом помещении
С. Ф. Гилман
Шум
Шум представляет опасность в нескольких сварочных процессах, включая плазменную сварку, некоторые типы аппаратов для контактной сварки и газовую сварку. При плазменной сварке струя плазмы выбрасывается с очень высокой скоростью, производя интенсивный шум (до 90 дБА), особенно в высокочастотных диапазонах. Использование сжатого воздуха для удаления пыли также создает высокий уровень шума. Чтобы предотвратить повреждение слуха, необходимо носить беруши или наушники, а также следует внедрить программу сохранения слуха, включая аудиометрические обследования (обследование слуха) и обучение сотрудников.
Ионизирующее излучение
В сварочных цехах, где сварные швы контролируются рентгенографическим или гамма-аппаратом, должны строго соблюдаться обычные предупредительные надписи и инструкции. Рабочие должны находиться на безопасном расстоянии от такого оборудования. Работать с радиоактивными источниками следует только с помощью необходимых специальных инструментов и с соблюдением особых мер предосторожности.
Необходимо соблюдать местные и государственные правила. См. главу Радиационное, ионизирующее в другом месте в этом Энциклопедия.
При электронно-лучевой сварке должно быть обеспечено достаточное экранирование для предотвращения проникновения рентгеновских лучей через стены и окна камеры. Любые части машины, обеспечивающие защиту от рентгеновского излучения, должны быть заблокированы таким образом, чтобы машина не могла быть запитана, если они не находятся на месте. Машины следует проверять на наличие утечек рентгеновского излучения во время установки, а затем регулярно.
Прочие опасности
Сварочные аппараты для контактной сварки имеют по крайней мере один электрод, который перемещается со значительным усилием. Если машина работает, когда между электродами находится палец или рука, это может привести к сильному защемлению. По возможности должны быть предусмотрены подходящие средства ограждения для защиты оператора. Порезы и рваные раны можно свести к минимуму, предварительно удалив заусенцы с компонентов и надев защитные перчатки или рукавицы.
Процедуры блокировки/маркировки следует использовать при обслуживании или ремонте машин с электрическими, механическими или другими источниками энергии.
При удалении шлака со сварных швов скалыванием и т. д. глаза должны быть защищены очками или другими средствами.
Адаптировано из 3-го издания Энциклопедии по охране труда и технике безопасности.
Важную роль токарных станков в металлообрабатывающих цехах лучше всего иллюстрирует тот факт, что от 90 до 95 % стружки (металлической стружки), производимой в производстве клапанов и фитингов, образуется на токарных станках. Около одной десятой несчастных случаев, зарегистрированных в этой отрасли, происходят из-за токарных станков; это соответствует одной трети всех машинных аварий. Согласно исследованию относительной частоты несчастных случаев на единицу станка, проведенному на заводе, производящем мелкие прецизионные детали и электрооборудование, токарные станки занимают пятое место после деревообрабатывающих станков, металлорежущих пил, механических прессов и сверлильных станков. Поэтому необходимость защитных мер на токарных станках не вызывает сомнений.
Токарная обработка — это машинный процесс, при котором диаметр материала уменьшается с помощью инструмента со специальной режущей кромкой. Движение резания производится вращением заготовки, а движения подачи и перемещения - инструментом. Варьируя эти три основных движения, а также выбирая соответствующую геометрию и материал режущей кромки инструмента, можно влиять на скорость снятия припуска, качество поверхности, форму образующейся стружки и износ инструмента.
Структура токарных станков
Типичный токарный станок состоит из:
Рисунок 1. Токарные станки и подобные им станки
Эта базовая модель токарного станка может быть бесконечно разнообразной, от универсального станка до специального токарного автомата, предназначенного только для одного вида работ.
Наиболее распространены следующие типы токарных станков:
Дальнейшее развитие токарного станка, вероятно, будет сосредоточено на системах управления. Контактное управление будет все больше заменяться электронными системами управления. Что касается последнего, то существует тенденция эволюции от интерполяционно-программируемых к программируемым в памяти элементам управления. Можно предвидеть, что в долгосрочной перспективе использование все более эффективных компьютеров управления процессами приведет к оптимизации процесса обработки.
Аварии
Несчастные случаи на токарных станках обычно происходят по следующим причинам:
Предотвращение несчастных случаев
Предупреждение несчастных случаев на токарных станках начинается на стадии проектирования. Особое внимание конструкторы должны уделить элементам управления и трансмиссии.
Элементы управления
Каждый токарный станок должен быть оборудован выключателем питания (или изолирующим) для безопасного проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту. Этот выключатель должен отключать ток на всех полюсах, надежно отключать пневматическую и гидравлическую энергию и вентилировать цепи. На больших машинах разъединитель должен иметь такую конструкцию, чтобы его можно было заблокировать в выключенном положении — мера безопасности против случайного повторного включения.
Расположение органов управления машиной должно быть таким, чтобы оператор мог легко их различить и достать, а манипуляции с ними не представляли опасности. Это означает, что элементы управления никогда не должны располагаться в местах, до которых можно добраться, только проведя рукой над рабочей зоной станка, или где они могут быть поражены летящими стружками.
Выключатели, которые контролируют ограждения и блокируют их с приводом машины, должны быть выбраны и установлены таким образом, чтобы они размыкали цепь, как только ограждение перемещается из защитного положения.
Устройства аварийной остановки должны вызывать немедленную остановку опасного движения. Они должны быть сконструированы и расположены таким образом, чтобы работник, которому угрожает опасность, мог легко ими управлять. Кнопки аварийной остановки должны быть легко доступны и должны быть красного цвета.
Исполнительные элементы механизма управления, которые могут привести к срабатыванию опасного движения машины, должны быть ограждены, чтобы исключить любое непреднамеренное срабатывание. Например, рычаги включения сцепления на передней бабке и фартуке должны быть снабжены предохранительными блокировочными устройствами или экранами. Кнопку можно обезопасить, поместив ее в углубление или накрыв защитным кольцом.
Ручные органы управления должны быть спроектированы и расположены таким образом, чтобы движение руки соответствовало движению управляемой машины.
Органы управления должны быть обозначены легко читаемой и понятной маркировкой. Во избежание недоразумений и языковых трудностей целесообразно использовать символы.
Элементы трансмиссии
Все подвижные элементы трансмиссии (ремни, шкивы, шестерни) должны быть закрыты кожухами. Важный вклад в предотвращение несчастных случаев на токарных станках могут внести лица, ответственные за установку станка. Токарные станки должны быть установлены таким образом, чтобы обслуживающие их операторы не мешали и не подвергали опасности друг друга. Операторы не должны поворачиваться спиной к проходам. Защитные экраны должны быть установлены там, где соседние рабочие места или проходы находятся в пределах досягаемости летящей стружки.
Проходы должны быть четко обозначены. Необходимо оставить достаточно места для подъемно-транспортного оборудования, штабелирования заготовок и ящиков для инструментов. Направляющие прутка не должны выступать в проходы.
Пол, на котором стоит оператор, должен быть изолирован от холода. Следует следить за тем, чтобы изоляция не создавала препятствия для спотыкания, а пол не становился скользким, даже если он покрыт масляной пленкой.
Кабелепроводы и трубопроводы должны быть установлены таким образом, чтобы они не становились препятствиями. Следует избегать временных установок.
Технические меры безопасности в цехе должны быть направлены, в частности, на следующие пункты:
Важно предусмотреть вспомогательное подъемное оборудование для облегчения монтажа и демонтажа тяжелых патронов и планшайб. Чтобы патроны не соскальзывали со шпинделя при резком торможении токарного станка, их необходимо надежно зафиксировать. Этого можно добиться, надев стопорную гайку с левой резьбой на торец шпинделя, используя быстродействующую муфту «Camlock», установив патрон с помощью стопорного ключа или закрепив его стопорным кольцом, состоящим из двух частей.
При использовании механических приспособлений, таких как патроны с гидравлическим приводом, цанговые патроны и центры задней бабки, должны быть приняты меры, исключающие попадание рук в опасную зону замыкающих приспособлений. Этого можно добиться, ограничив ход зажимного элемента до 6 мм, выбрав расположение ручек аварийного останова таким образом, чтобы исключить попадание рук в опасную зону, или предусмотрев подвижное ограждение, которое необходимо закрыть перед зажимом. можно начинать движение.
Если пуск токарного станка при открытых кулачках патрона представляет опасность, станок должен быть оборудован устройством, предотвращающим начало вращения шпинделя до того, как кулачки будут сомкнуты. Отсутствие питания не должно приводить к открытию или закрытию замков с приводом.
Если усилие зажима силового патрона уменьшается, вращение шпинделя должно быть остановлено, а запуск шпинделя должен быть невозможен. Изменение направления захвата изнутри наружу (или наоборот) при вращении шпинделя не должно приводить к смещению патрона со шпинделя. Снятие удерживающих приспособлений со шпинделя должно быть возможно только после прекращения вращения шпинделя.
При обработке прутка часть, выступающая за токарный станок, должна быть ограждена направляющими прутка. Грузы подачи прутка должны быть защищены откидными крышками, доходящими до пола.
Перевозчики
Во избежание серьезных несчастных случаев, в частности, при работе на токарном станке, нельзя использовать незащищенные держатели. Следует использовать центрирующий предохранительный держатель или на обычном держателе следует установить защитный воротник. Также можно использовать самоблокирующиеся держатели или снабдить несущий диск защитным кожухом.
Рабочая зона токарного станка
Патроны токарно-универсальных станков должны быть защищены откидными крышками. По возможности защитные кожухи должны быть сблокированы с цепями привода шпинделя. Вертикально-расточные и токарные станки должны быть ограждены стержнями или пластинами для предотвращения травм от вращающихся частей. Чтобы оператор мог безопасно наблюдать за процессом обработки, должны быть предусмотрены платформы с перилами. В некоторых случаях могут быть установлены телевизионные камеры, чтобы оператор мог контролировать кромку инструмента и подачу инструмента.
Рабочие зоны токарных автоматов, станков с ЧПУ и ЧПУ должны быть полностью закрыты. Корпуса полностью автоматических станков должны иметь только отверстия, через которые вводится обрабатываемая заготовка, выбрасывается токарная деталь и удаляется стружка из рабочей зоны. Эти отверстия не должны представлять опасности при прохождении через них работы, и через них не должно быть доступа в опасную зону.
Рабочие зоны полуавтоматов, токарных станков с ЧПУ и ЧПУ должны быть ограждены в процессе обработки. Корпуса, как правило, представляют собой раздвижные крышки с концевыми выключателями и цепью блокировки.
Операции, требующие доступа в рабочую зону, такие как смена работы или инструментов, калибровка и т. д., не должны выполняться до безопасной остановки токарного станка. Обнуление привода с регулируемой скоростью не считается безопасной остановкой. Машины с такими приводами должны иметь закрытые защитные кожухи, которые нельзя разблокировать, пока машина не будет безопасно остановлена (например, отключением питания двигателя шпинделя).
Если требуются специальные операции по наладке инструмента, должно быть предусмотрено медленное управление, которое позволяет отключать определенные движения станка при открытой защитной крышке. В таких случаях оператор может быть защищен с помощью специальных схемных решений (например, разрешая срабатывание только одного движения за раз). Этого можно добиться, используя двуручное управление.
Токарная стружка
Длинная токарная стружка опасна, поскольку может запутаться в руках и ногах и нанести серьезную травму. Сплошной и растрепанной стружки можно избежать, выбирая соответствующие скорости резания, подачи и толщину стружки или применяя токарные инструменты со стружколомами впадинного или ступенчатого типа. Для удаления стружки следует использовать крючки для стружки с ручкой и пряжкой.
Эргономика
Каждая машина должна быть сконструирована таким образом, чтобы она позволяла получить максимальную производительность при минимальной нагрузке на оператора. Этого можно добиться, приспособив машину к рабочему.
При проектировании человеко-машинного интерфейса токарного станка необходимо учитывать эргономические факторы. Рациональная конструкция рабочего места также предусматривает наличие вспомогательного погрузочно-разгрузочного оборудования, такого как погрузочно-разгрузочное оборудование.
Все органы управления должны находиться в пределах физиологической сферы или досягаемости обеих рук. Элементы управления должны быть четко изложены и должны быть логичны в работе. Следует избегать педального управления на машинах, за которыми обслуживаются стоящие операторы.
Опыт показывает, что хорошая работа выполняется, когда рабочее место рассчитано как на стоячее, так и на сидячее положение. Если оператору приходится работать стоя, ему должна быть предоставлена возможность менять позу. Гибкие сиденья во многих случаях являются желанным облегчением для напряженных ног.
Должны быть приняты меры для создания оптимального теплового комфорта с учетом температуры воздуха, относительной влажности, движения воздуха и лучистого тепла. Мастерская должна хорошо проветриваться. Должны быть локальные вытяжные устройства для устранения газовыделения. При обработке пруткового проката следует использовать направляющие трубы со звукопоглощающей футеровкой.
Рабочее место предпочтительно должно быть обеспечено равномерным освещением, обеспечивающим достаточный уровень освещенности.
Рабочая одежда и средства индивидуальной защиты
Комбинезон должен быть облегающим и застегиваться на пуговицы или молнию до шеи. Они должны быть без нагрудных карманов, а рукава должны быть плотно застегнуты на запястьях. Не следует носить ремни. При работе на токарных станках нельзя носить перстни и браслеты. Ношение защитных очков должно быть обязательным. При обработке тяжелых заготовок необходимо носить защитную обувь со стальными носками. При сборе стружки необходимо надевать защитные перчатки.
Обучение
Безопасность оператора токарного станка во многом зависит от методов работы. Поэтому важно, чтобы он или она прошли тщательную теоретическую и практическую подготовку, чтобы приобрести навыки и выработать поведение, обеспечивающее наилучшие возможные гарантии. Правильная осанка, правильные движения, правильный выбор инструментов и обращение с ними должны стать рутиной до такой степени, чтобы оператор работал правильно, даже если его или ее концентрация временно ослаблена.
Важными моментами в программе обучения являются вертикальное положение, правильная установка и снятие патрона, а также точная и надежная фиксация заготовок. Необходимо интенсивно практиковать правильное владение напильниками и скребками и безопасную работу с наждачной бумагой.
Рабочие должны быть хорошо информированы об опасности травм, которые могут быть вызваны замерами, проверкой регулировок и чисткой токарных станков.
Обслуживание
Токарные станки необходимо регулярно обслуживать и смазывать. Неисправности необходимо исправлять немедленно. Если безопасность находится под угрозой в случае неисправности, машина должна быть остановлена до тех пор, пока не будут предприняты корректирующие действия.
Работы по ремонту и техническому обслуживанию должны выполняться только после отключения машины от источника питания.
.
Адаптировано из 3-го издания, Энциклопедия охраны труда и техники безопасности.
Шлифовка обычно включает использование абразива на связке для изнашивания частей заготовки. Цель состоит в том, чтобы придать работе определенную форму, исправить ее размеры, повысить гладкость поверхности или улучшить остроту режущих кромок. Примеры включают удаление литников и шероховатостей с литейной отливки, удаление поверхностной окалины с металлов перед ковкой или сваркой, а также снятие заусенцев с деталей в цехах по обработке листового металла и механических цехах. Полировка используется для удаления дефектов поверхности, таких как следы инструмента. Полировка не удаляет металл, а использует мягкий абразив, смешанный с восковой или жировой основой, для получения блестящей поверхности.
Шлифование является наиболее всеобъемлющим и разнообразным из всех методов механической обработки и используется для обработки многих материалов, преимущественно железа и стали, но также и других металлов, дерева, пластмассы, камня, стекла, керамики и т. д. Этот термин охватывает другие методы получения очень гладких и блестящих поверхностей, такие как полировка, хонингование, точение и притирка.
В качестве инструментов используются круги разных размеров, шлифовальные сегменты, шлифовальные головки, точильные камни, напильники, полировальные круги, ремни, диски и так далее. В шлифовальных кругах и т.п. абразивный материал скрепляется связующими веществами, образуя жесткое, обычно пористое тело. В случае абразивных лент связующее удерживает абразив на гибком основном материале. Полировальные круги изготавливаются из ватных или других текстильных дисков, сшитых между собой.
Природные абразивы — природный корунд или наждак (оксиды алюминия), алмаз, песчаник, кремень и гранат — в значительной степени вытеснены искусственными абразивами, включая оксид алюминия (плавленый оксид алюминия), карбид кремния (карборунд) и синтетические алмазы. Также используется ряд мелкозернистых материалов, таких как мел, пемза, трепел, оловянная замазка и оксид железа, особенно для полировки и полировки.
Оксид алюминия наиболее широко используется в шлифовальных кругах, за ним следует карбид кремния. Природные и искусственные алмазы используются для важных специальных применений. Оксид алюминия, карбид кремния, наждак, гранат и кремень используются в шлифовальных и полировальных лентах.
В шлифовальных кругах используются как органические, так и неорганические связующие вещества. Основным типом неорганической связки являются стекловидные силикаты и магнезиты. Среди органических связующих выделяются феноло- или карбамидоформальдегидные смолы, каучук и шеллак. Застеклованные связующие вещества и фенольные смолы полностью доминируют в соответствующих группах. Алмазные шлифовальные круги также могут быть связаны металлом. Различные связующие придают кругам разные свойства шлифования, а также разные свойства в отношении безопасности.
Абразивные и полировальные ленты и диски состоят из гибкой бумажной или тканевой основы, к которой абразив приклеивается с помощью природного или синтетического клея.
Различные станки используются для различных видов операций, таких как плоское шлифование, круглое (в том числе бесцентровое) шлифование, внутреннее шлифование, черновое шлифование и резка. Два основных типа: те, где либо шлифовальный станок, либо работа перемещаются вручную, и машины с механической подачей и патронами. Общие типы оборудования включают: плоскошлифовальные машины; шлифовальные, полировальные и шлифовальные станки тумбы; дисковые шлифовальные и полировальные машины; внутренние шлифовальные машины; абразивно-отрезные станки; ленточные полировщики; переносные шлифовальные, полировальные и шлифовальные машины; и несколько полировщиков и буферов.
Опасности и их предотвращение
Ворвавшись
Основной риск травм при использовании шлифовальных кругов заключается в том, что круг может лопнуть во время шлифования. Обычно шлифовальные круги работают на высоких скоростях. Существует тенденция к постоянному увеличению скорости. В большинстве промышленно развитых стран действуют правила, ограничивающие максимальные скорости, на которых могут работать различные типы шлифовальных кругов.
Основная защитная мера состоит в том, чтобы сделать шлифовальный круг максимально прочным; природа связующего агента является наиболее важной. Колеса с органической связкой, в частности, с фенольной смолой, прочнее, чем с неорганической связкой, и более устойчивы к ударам. Для колес с органической связкой могут быть допустимы высокие окружные скорости.
В частности, очень скоростные колеса часто включают в себя различные типы усиления. Например, некоторые чашечные колеса снабжены стальными ступицами для увеличения их прочности. При вращении основное напряжение возникает вокруг центрального отверстия. Таким образом, для усиления круга участок вокруг центрального отверстия, не принимающий участия в шлифовании, может быть изготовлен из особо прочного материала, непригодного для шлифования. Большие круги с усиленным таким образом центральным сечением используются, в частности, на сталелитейных заводах для шлифования слябов, заготовок и т.п. на скоростях до 80 м/с.
Однако наиболее распространенным методом армирования шлифовальных кругов является включение в их конструкцию ткани из стекловолокна. Тонкие колеса, например те, которые используются для резки, могут включать ткань из стекловолокна в центре или с каждой стороны, в то время как более толстые колеса имеют несколько слоев ткани в зависимости от толщины колеса.
За исключением некоторых шлифовальных кругов малых размеров, либо все круги, либо их статистическая выборка должны быть подвергнуты изготовителем испытаниям на скорость. При испытаниях круги в течение определенного времени обкатываются со скоростью, превышающей разрешенную при шлифовании. Правила испытаний варьируются от страны к стране, но обычно колесо должно быть испытано на скорости, на 50% превышающей рабочую скорость. В некоторых странах правила требуют специальных испытаний колес, которые должны работать на более высоких скоростях, чем обычно, в центральном испытательном институте. Институт может также вырезать образцы из колеса и исследовать их физические свойства. Отрезные круги подвергаются определенным испытаниям на удар, изгиб и так далее. Производитель также обязан убедиться, что шлифовальный круг перед поставкой хорошо отбалансирован.
Разрыв шлифовального круга может привести к смертельному исходу или очень серьезным травмам окружающих, а также к серьезному повреждению оборудования или помещений. Несмотря на все меры предосторожности, предпринятые производителями, все же могут произойти случайные разрывы или поломки колес, если не соблюдать надлежащую осторожность при их использовании. Меры предосторожности включают:
Рис. 1. Хорошо защищенный стеклокерамический абразивный круг, установленный на плоскошлифовальном станке и работающий с окружной скоростью 33 м/с.
Травмы глаз
Пыль, абразивы, зерна и осколки представляют собой общую опасность для глаз при всех операциях сухого шлифования. Необходима эффективная защита глаз очками или очками и фиксированными щитками для глаз на машине; фиксированные щитки для глаз особенно полезны, когда круги используются с перерывами, например, для заточки инструмента.
Для пожарных
Шлифование магниевых сплавов сопряжено с высокой пожароопасностью, если не будут приняты строгие меры предосторожности против случайного воспламенения, а также при удалении и смачивании пыли. Все вытяжные воздуховоды должны соответствовать высоким стандартам чистоты и технического обслуживания, чтобы предотвратить риск возгорания, а также обеспечить эффективную работу вентиляции. Текстильная пыль, образующаяся при полировании, представляет собой пожароопасную опасность, требующую надлежащего ведения хозяйства и LEV.
вибрация
Портативные и стационарные шлифовальные машины несут риск синдрома вибрации рук (HAVS), также известного как «белый палец» из-за его наиболее заметного признака. Рекомендации включают ограничение интенсивности и продолжительности воздействия, изменение конструкции инструментов, защитного снаряжения и мониторинг воздействия и состояния здоровья.
Опасности для здоровья
Хотя современные шлифовальные круги сами по себе не создают серьезной опасности силикоза, связанной в прошлом с кругами из песчаника, очень опасная кварцевая пыль все еще может выделяться из измельчаемых материалов, например, отливок в песчаные формы. Некоторые колеса на смоляной связке могут содержать наполнители, которые создают опасную пыль. Кроме того, смолы на основе формальдегида могут выделять формальдегид во время измельчения. В любом случае, объем пыли, образующейся при шлифовании, делает необходимым эффективный LEV. Сложнее обеспечить локальную вытяжку для переносных колес, хотя некоторый успех в этом направлении был достигнут за счет использования малообъемных высокоскоростных систем улавливания. Следует избегать продолжительной работы и при необходимости использовать средства защиты органов дыхания. Вытяжная вентиляция также требуется для большинства ленточных шлифовальных, чистовых, полирующих и подобных операций. В частности, при полировке горючая текстильная пыль представляет собой серьезную проблему.
Должны быть обеспечены защитная одежда и хорошие санитарно-моечные помещения с душевыми, желательно медицинское наблюдение, особенно за шлифовальными станками по металлу.
Промышленная революция не могла бы произойти без разработки индустриальных масел, смазочных материалов, смазочно-охлаждающих жидкостей и смазок на основе очищенной нефти. До открытия в 1860-х годах того, что превосходный смазочный материал может быть получен путем перегонки сырой нефти в вакууме, промышленность зависела от природных масел и животных жиров, таких как свиное сало и масло спермы кита, для смазки движущихся частей. Эти масла и продукты животного происхождения были особенно подвержены плавлению, окислению и разложению под воздействием тепла и влаги, создаваемых паровыми двигателями, которые в то время приводили в действие почти все промышленное оборудование. Эволюция продуктов нефтепереработки продолжалась от первой смазки, которая использовалась для дубления кожи, до современных синтетических масел и смазок с более длительным сроком службы, превосходными смазывающими свойствами и лучшей устойчивостью к изменениям при различных температурах и климатических условиях.
Промышленные смазки
Все движущиеся части машин и оборудования требуют смазки. Хотя смазка может быть обеспечена сухими материалами, такими как тефлон или графит, которые используются в таких деталях, как подшипники небольших электродвигателей, масла и консистентные смазки являются наиболее часто используемыми смазочными материалами. По мере увеличения сложности машин требования к смазочным материалам и маслам для обработки металлов становятся более строгими. Смазочные масла в настоящее время варьируются от прозрачных, очень жидких масел, используемых для смазывания чувствительных инструментов, до густых, похожих на смолу масел, используемых в больших зубчатых колесах, таких как те, которые вращают сталелитейные заводы. Масла с очень специфическими требованиями используются как в гидравлических системах, так и для смазывания больших станков с компьютерным управлением, таких как те, которые используются в аэрокосмической промышленности для производства деталей с чрезвычайно жесткими допусками. Синтетические масла, жидкости и смазки, а также смеси синтетических и нефтяных масел используются там, где требуется увеличенный срок службы смазки, например, в электродвигателях с пожизненной герметизацией, где увеличение времени между заменами масла компенсирует разницу в стоимости; там, где существуют расширенные диапазоны температур и давлений, например, в аэрокосмических приложениях; или там, где сложно и дорого повторно нанести смазку.
Индустриальные масла
Промышленные масла, такие как шпиндельные и смазочные масла, трансмиссионные смазки, гидравлические и турбинные масла, а также трансмиссионные жидкости, предназначены для удовлетворения конкретных физических и химических требований и для работы без заметных изменений в течение длительного времени в различных условиях. Смазочные материалы для аэрокосмического применения должны отвечать совершенно новым требованиям, включая чистоту, долговечность, устойчивость к космическому излучению и способность работать при экстремально низких и высоких температурах, без гравитации и в вакууме.
Трансмиссии, турбины и гидравлические системы содержат жидкости, передающие силу или мощность, резервуары для хранения жидкостей, насосы для перемещения жидкостей из одного места в другое и вспомогательное оборудование, такое как клапаны, трубопроводы, охладители и фильтры. Гидравлические системы, трансмиссии и турбины требуют жидкостей с определенной вязкостью и химической стабильностью, чтобы обеспечить бесперебойную работу и контролируемую передачу мощности. Характеристики хороших гидравлических и турбинных масел включают высокий индекс вязкости, термическую стабильность, долгий срок службы в циркуляционных системах, устойчивость к отложениям, высокую смазывающую способность, антипенные свойства, защиту от ржавчины и хорошую деэмульгируемость.
Смазочные материалы для зубчатых передач предназначены для образования прочных, цепких пленок, которые обеспечивают смазку между зубчатыми колесами при экстремальном давлении. К характеристикам трансмиссионных масел относятся хорошая химическая стабильность, деэмульгируемость, устойчивость к повышению вязкости и образованию отложений. Шпиндельные масла представляют собой жидкие, чрезвычайно чистые и прозрачные масла со смазочными присадками. Наиболее важными характеристиками масел для путей, используемых для смазывания двух плоских скользящих поверхностей при высоком давлении и низкой скорости, являются смазывающая способность и липкость, препятствующие выдавливанию, и устойчивость к экстремальному давлению.
Цилиндровые и компрессорные масла сочетают в себе характеристики промышленных и автомобильных масел. Они должны препятствовать накоплению отложений, выступать в качестве теплоносителя (цилиндры двигателей внутреннего сгорания), обеспечивать смазку цилиндров и поршней, обеспечивать уплотнение для противодействия обратному давлению, иметь химическую и термическую стабильность (особенно масло для вакуумных насосов), иметь высокий индекс вязкости и устойчивость к мытью водой (паровые цилиндры) и моющим средствам.
Автомобильные моторные масла
Производители двигателей внутреннего сгорания и организации, такие как Общество инженеров-автомобилестроителей (SAE) в США и Канаде, установили специальные критерии эффективности автомобильных моторных масел. Автомобильные бензиновые и дизельные моторные масла проходят ряд эксплуатационных испытаний для определения их химической и термической стабильности, коррозионной стойкости, вязкости, защиты от износа, смазывающей способности, моющих свойств, а также характеристик при высоких и низких температурах. Затем они классифицируются в соответствии с системой кодов, которая позволяет потребителям определить их пригодность для использования в тяжелых условиях и для различных температур и диапазонов вязкости.
Масла для автомобильных двигателей, трансмиссий и коробок передач имеют высокие индексы вязкости, чтобы противостоять изменениям вязкости при изменении температуры. Автомобильные моторные масла специально разработаны для защиты от разрушения при нагревании, так как они смазывают двигатели внутреннего сгорания. Масла для двигателей внутреннего сгорания не должны быть слишком густыми, чтобы смазывать внутренние движущиеся части при запуске двигателя в холодную погоду, и не должны разжижаться по мере нагрева двигателя при работе. Они должны противостоять нагарообразованию на клапанах, кольцах и цилиндрах, а также образованию коррозионно-активных кислот или отложений из-за влаги. Автомобильные моторные масла содержат детергенты, предназначенные для удерживания углеродистых и металлических частиц износа во взвешенном состоянии, чтобы они могли отфильтровываться при циркуляции масла и не накапливались на внутренних деталях двигателя и не вызывали повреждений.
Смазочно-охлаждающие жидкости
В промышленности используются три типа смазочно-охлаждающих жидкостей: минеральные масла, растворимые масла и синтетические жидкости. Смазочно-охлаждающие жидкости, как правило, представляют собой смесь высококачественных, высокостабильных минеральных масел различной вязкости вместе с присадками, обеспечивающими определенные характеристики в зависимости от типа обрабатываемого материала и выполняемой работы. Растворимые водомасляные смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой минеральные масла (или синтетические масла), которые содержат эмульгаторы и специальные присадки, включая пеногасители, ингибиторы коррозии, детергенты, бактерициды и гермициды. Перед употреблением их разбавляют водой в различных соотношениях. Синтетические смазочно-охлаждающие жидкости представляют собой растворы жидкостей, добавок и воды не на нефтяной основе, а не эмульсии, некоторые из которых являются огнестойкими для обработки определенных металлов. Полусинтетические жидкости содержат от 10 до 15% минерального масла. Некоторые специальные жидкости имеют характеристики как смазочного масла, так и смазочно-охлаждающей жидкости из-за тенденции жидкостей к утечке и смешиванию в определенных станках, таких как многошпиндельные, автоматические винтовые станки.
Требуемые характеристики смазочно-охлаждающих жидкостей зависят от состава обрабатываемого металла, используемого режущего инструмента и типа выполняемой операции резки, строгания или формовки. Смазочно-охлаждающие жидкости улучшают и улучшают процесс металлообработки за счет охлаждения и смазки (т. е. защиты кромки режущего инструмента). Например, при работе с мягким металлом, выделяющим много тепла, наиболее важным критерием является охлаждение. Улучшенное охлаждение обеспечивается за счет использования легкого масла (например, керосина) или смазочно-охлаждающей жидкости на водной основе. Контроль нароста на режущих инструментах обеспечивается противосварочными или противоизносными присадками, такими как соединения серы, хлора или фосфора. Смазывающая способность, которая важна при работе со сталью для преодоления абразивности сульфида железа, обеспечивается синтетическими и животными жирами или добавками сульфурированного масла спермы.
Другие металлообрабатывающие и технологические масла
Шлифовальные жидкости предназначены для обеспечения охлаждения и предотвращения налипания металла на шлифовальные круги. Их характеристики включают термическую и химическую стабильность, защиту от ржавчины (растворимые жидкости), предотвращение смолистых отложений при испарении и безопасную температуру воспламенения для выполняемой работы.
Закалочные масла, требующие высокой стабильности, используются при обработке металлов для контроля изменения молекулярной структуры стали при ее охлаждении. Закалка в более легком масле используется для цементации небольших недорогих стальных деталей. Более медленная скорость закалки используется для производства станочных сталей, которые достаточно тверды снаружи и имеют более низкое внутреннее напряжение. Масло с зазором или многофазное закалочное масло используется для обработки высокоуглеродистых и легированных сталей.
Масла для валков представляют собой специально разработанные минеральные или растворимые масла, которые смазывают и обеспечивают гладкую поверхность металла, особенно алюминия, меди и латуни, когда он проходит через станы горячей и холодной прокатки. Разделительные масла используются для покрытия штампов и пресс-форм, чтобы облегчить высвобождение формованных металлических деталей. Дубильные масла до сих пор используются в войлочной и кожевенной промышленности. Трансформаторные масла представляют собой специально разработанные диэлектрические жидкости, используемые в трансформаторах, больших электрических выключателях и переключателях.
Масла-теплоносители используются в открытых или закрытых системах и могут служить до 15 лет. Основными характеристиками являются хорошая термическая стабильность, так как системы работают при температурах от 150 до 315°C, устойчивость к окислению и высокая температура вспышки. Масла-теплоносители обычно слишком вязкие, чтобы их можно было перекачивать при температуре окружающей среды, и их необходимо нагревать для обеспечения текучести.
Нефтяные растворители используются для очистки деталей распылением, капанием или погружением. Растворители удаляют масло и эмульгируют грязь и металлические частицы. Антикоррозионные масла могут быть на основе растворителя или на водной основе. Они наносятся на катушки из нержавеющей стали, подшипники и другие детали погружением или распылением и оставляют поляризованные или восковые пленки на металлических поверхностях для защиты от отпечатков пальцев и ржавчины, а также для вытеснения воды.
Greases
Консистентные смазки представляют собой смеси жидкостей, загустителей и присадок, используемые для смазывания деталей и оборудования, которые нельзя сделать маслонепроницаемыми, которые труднодоступны или где утечка или разбрызгивание жидких смазочных материалов могут загрязнить продукты или создать опасность. Они имеют широкий спектр применения и требований к производительности, от смазки подшипников реактивных двигателей при минусовых температурах до шестерен горячей прокатки, а также устойчивы к вымыванию кислотой или водой, а также к постоянному трению, создаваемому подшипниками качения колес железнодорожных вагонов.
Смазку получают путем смешивания металлических мыл (солей длинноцепочечных жирных кислот) со смазочной масляной средой при температуре от 205 до 315°С. Синтетические смазки могут использовать диэфиры, силиконовые или фосфорные эфиры и полиалкилгликоли в качестве жидкостей. Характеристики смазки в значительной степени зависят от конкретной текучей среды, металлического элемента (например, кальция, натрия, алюминия, лития и т. д.) в мыле и добавок, используемых для улучшения характеристик и стабильности, а также для уменьшения трения. Эти присадки включают противозадирные присадки, которые покрывают металл тонким слоем неагрессивных соединений металлической серы, нафтенат свинца или дитиофосфат цинка, ингибиторы ржавчины, антиоксиданты, жирные кислоты для дополнительной смазывающей способности, присадки, придающие липкость, цветные красители для идентификации и ингибиторы воды. Некоторые смазки могут содержать графитовые или молибденовые наполнители, которые покрывают металлические детали и обеспечивают смазку после того, как смазка истечет или разложится.
Промышленные смазочные материалы, консистентные смазки и присадки к автомобильным моторным маслам
В дополнение к использованию высококачественных базовых масел с химической и термической стабильностью и высокими индексами вязкости необходимы присадки для повышения качества жидкости и придания специфических характеристик, требуемых в промышленных смазочных материалах, смазочно-охлаждающих жидкостях, консистентных смазках и автомобильных моторных маслах. Наиболее часто используемые добавки включают, но не ограничиваются следующим:
Производство промышленных смазочных материалов и автомобильных масел
Промышленные смазочные материалы и масла, консистентные смазки, смазочно-охлаждающие жидкости и автомобильные моторные масла производятся на предприятиях по смешиванию и упаковке, также называемых «заводами по производству смазочных материалов» или «заводами по смешиванию». Эти объекты могут быть расположены либо на нефтеперерабатывающих заводах, производящих базовые масла для смазочных материалов, либо рядом с ними, либо они могут находиться на некотором расстоянии и получать базовые масла морскими танкерами или баржами, железнодорожными цистернами или автоцистернами. Смесительные и упаковочные заводы смешивают и смешивают присадки с базовыми компонентами смазочных масел для производства широкого спектра готовых продуктов, которые затем отправляются навалом или в контейнерах.
Процессы смешивания и компаундирования, используемые для производства смазочных материалов, жидкостей и консистентных смазок, зависят от возраста и сложности предприятия, имеющегося оборудования, типов и состава используемых добавок, а также разнообразия и объема производимой продукции. Для смешивания может потребоваться только физическое смешивание базовых компонентов и пакетов добавок в котле с использованием мешалок, лопастей или перемешивания воздухом, или может потребоваться дополнительное тепло от электрических или паровых змеевиков, чтобы способствовать растворению и смешиванию добавок. Другие промышленные жидкости и смазочные материалы производятся автоматически путем смешивания базовых компонентов и предварительно смешанных присадок и масляных суспензий через коллекторные системы. Смазка может производиться серийно или непрерывно. Заводы по производству смазочных материалов могут составлять свои собственные добавки из химикатов или приобретать расфасованные добавки у специализированных компаний; одно предприятие может использовать оба метода. Когда заводы по производству смазочных материалов производят свои собственные присадки и пакеты присадок, может возникнуть потребность в высоких температурах и давлениях в дополнение к химическим реакциям и физическому перемешиванию для соединения химикатов и материалов.
После производства жидкости и смазочные материалы могут храниться в смесительных котлах или помещаться в резервуары для хранения, чтобы гарантировать, что добавки остаются в виде суспензии или раствора, чтобы дать время для испытаний, чтобы определить, соответствует ли продукт спецификациям качества и требованиям сертификации, а также чтобы процесс температуры, чтобы вернуться к уровню окружающей среды, прежде чем продукты будут упакованы и отправлены. По окончании испытаний готовая продукция выпускается для оптовой отгрузки или упаковки в тару.
Готовая продукция отгружается наливом в железнодорожных цистернах или в автоцистернах напрямую потребителям, дистрибьюторам или сторонним упаковочным предприятиям. Готовая продукция также отгружается потребителям и дистрибьюторам в крытых вагонах или грузовиках для доставки посылок в различных контейнерах, а именно:
Некоторые заводы по смешиванию и упаковке могут отгружать поддоны со смешанной продукцией, а также контейнеры и упаковки разного размера непосредственно мелким потребителям. Например, поставка одной паллеты на станцию технического обслуживания может включать 1 бочку трансмиссионной жидкости, 2 кега консистентной смазки, 8 ящиков автомобильного моторного масла и 4 ведра трансмиссионного масла.
Качество продукции и цвета
Качество смазочных материалов важно для правильной работы машин и оборудования, а также для производства качественных деталей и материалов. Смесительные и фасовочные заводы производят готовые нефтепродукты в соответствии со строгими спецификациями и требованиями к качеству. Пользователи должны поддерживать уровень качества, устанавливая безопасные методы обращения, хранения, дозирования и перекачки смазочных материалов из их оригинальных контейнеров или баков в дозирующее оборудование и в точку нанесения на машину или оборудование, подлежащее смазке, или систему, подлежащую смазке. быть заполненным. На некоторых промышленных объектах установлены централизованные дозирующие, смазочные и гидравлические системы, которые сводят к минимуму загрязнение и воздействие. Промышленные масла, смазочные материалы, смазочно-охлаждающие жидкости и консистентные смазки портятся из-за загрязнения водой или влагой, воздействия чрезмерно высоких или низких температур, непреднамеренного смешивания с другими продуктами и длительного хранения, что приводит к выпадению добавок или химическим изменениям.
Здоровье и безопасность
Поскольку они используются и обрабатываются потребителями, готовые промышленные и автомобильные продукты должны быть относительно безопасными. Существует вероятность опасного воздействия при смешивании и компаундировании продуктов, при работе с присадками, при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей и при эксплуатации систем смазки масляным туманом.
Глава Нефтеперерабатывающие и газоперерабатывающие заводы В этом Энциклопедия дает информацию о потенциальных опасностях, связанных с вспомогательными объектами на предприятиях по смешиванию и фасовке, такими как котельные, лаборатории, офисы, водомасляные сепараторы и очистные сооружения, морские доки, хранилища резервуаров, складские операции, эстакады налива железнодорожных цистерн и автоцистерн и средства погрузки и разгрузки железнодорожных крытых вагонов и грузовых автомобилей.
Сохранность
Производственные добавки и суспензии, серийное смешивание, периодическое смешивание и смешивание в потоке требуют строгого контроля для поддержания желаемого качества продукта и, наряду с использованием СИЗ, для сведения к минимуму воздействия потенциально опасных химических веществ и материалов, а также контакта с горячими поверхностями и пар. Бочки и контейнеры с добавками следует хранить в безопасном месте и держать плотно закрытыми до тех пор, пока они не будут готовы к использованию. С добавками в бочках и мешках необходимо обращаться надлежащим образом, чтобы избежать мышечного напряжения. Опасные химические вещества должны храниться надлежащим образом, а несовместимые химические вещества не должны храниться там, где они могут смешиваться друг с другом. Меры предосторожности, которые необходимо соблюдать при работе с оборудованием для розлива и упаковки, включают использование перчаток и предотвращение защемления пальцев устройствами, сжимающими крышки бочонков и ведер. Защитные ограждения и защитные системы нельзя снимать, отсоединять или обходить для ускорения работы. Контейнеры средней грузоподъемности и бочки должны быть проверены перед заполнением, чтобы убедиться, что они чистые и пригодные для использования.
Должна быть установлена система разрешений на ограниченное пространство для входа в резервуары для хранения и смесительные котлы для очистки, осмотра, технического обслуживания или ремонта. Перед работой с упаковочным оборудованием, смесительными котлами со смесителями, конвейерами, укладчиками на поддоны и другим оборудованием с движущимися частями следует установить и внедрить процедуру блокировки/маркировки.
Протекающие бочки и контейнеры должны быть удалены из зоны хранения, а разливы должны быть убраны, чтобы предотвратить скольжение и падение. Переработка, сжигание и утилизация отходов, пролитых и использованных смазочных материалов, автомобильных моторных масел и смазочно-охлаждающих жидкостей должны осуществляться в соответствии с государственными постановлениями и процедурами компании. Рабочие должны использовать соответствующие СИЗ при очистке разливов и обращении с использованными продуктами или отходами. Слитое моторное масло, смазочно-охлаждающие жидкости или промышленные смазки, которые могут быть загрязнены бензином и легковоспламеняющимися растворителями, следует хранить в безопасном месте вдали от источников возгорания до надлежащей утилизации.
Противопожарная защита
Хотя вероятность возгорания при смешивании и компаундировании промышленных и автомобильных смазочных материалов меньше, чем в процессах рафинирования, необходимо соблюдать осторожность при производстве масел и смазок для металлообработки из-за использования высоких температур смешивания и компаундирования и продуктов с более низкой температурой воспламенения. Следует принимать особые меры предосторожности для предотвращения возгорания, когда продукты разливаются или контейнеры наполняются при температурах выше их температуры воспламенения. При перемещении легковоспламеняющихся жидкостей из одного контейнера в другой следует применять надлежащие методы соединения и заземления для предотвращения накопления статического электричества и электростатического разряда. Электрические двигатели и переносное оборудование должны быть должным образом классифицированы по опасностям, присутствующим в зоне их установки или использования.
Существует вероятность возникновения пожара, если вытекающий продукт или выделившийся пар в зонах смешивания смазочных материалов и смазки или в зонах хранения достигают источника воспламенения. Следует рассмотреть вопрос о создании и внедрении системы разрешений на огневые работы для предотвращения пожаров на предприятиях по смешиванию и упаковке. Резервуары для хранения, установленные внутри зданий, должны быть сконструированы, вентилироваться и защищены в соответствии с государственными требованиями и политикой компании. Продукты, хранящиеся на стеллажах и в штабелях, не должны блокировать системы противопожарной защиты, противопожарные двери или пути выхода.
Хранение готовой продукции, как навалом, так и в контейнерах и упаковках, должно осуществляться в соответствии с общепризнанной практикой и правилами пожарной безопасности. Например, легковоспламеняющиеся жидкости и добавки, находящиеся в растворах горючих жидкостей, могут храниться вне зданий или в отдельных, специально предназначенных для этого внутренних или пристроенных складских помещениях. Многие добавки хранятся в теплых помещениях (от 38 до 65°C) или в горячих помещениях (более 65°C), чтобы ингредиенты оставались во взвешенном состоянии, чтобы снизить вязкость более густых продуктов или облегчить смешивание или компаундирование. Эти складские помещения должны соответствовать требованиям электрической классификации, дренажа, вентиляции и взрывобезопасности, особенно когда легковоспламеняющиеся жидкости или горючие жидкости хранятся и распределяются при температурах выше их точек воспламенения.
Медицина
При смешивании, отборе проб и компаундировании следует предусмотреть средства индивидуальной защиты и защиты органов дыхания, чтобы предотвратить воздействие тепла, пара, пыли, тумана, паров, паров, солей металлов, химикатов и добавок. Безопасные методы работы, хорошая гигиена и надлежащая личная защита могут потребоваться при воздействии масляного тумана, дыма и паров, присадок, шума и тепла при проведении проверок и работ по техническому обслуживанию при отборе проб и обращении с углеводородами и присадками во время производства и упаковки, а также при очистке. разливы и выбросы:
Масло является распространенной причиной дерматита, который можно контролировать с помощью средств индивидуальной защиты и правил личной гигиены. Следует избегать прямого контакта кожи с любой консистентной смазкой или смазкой. Более легкие масла, такие как керосин, растворители и веретенные масла, обезжиривают кожу и вызывают сыпь. Более густые продукты, такие как трансмиссионные масла и смазки, блокируют поры кожи, что приводит к фолликулиту.
Опасности для здоровья из-за микробного загрязнения масла можно резюмировать следующим образом:
Контактный дерматит может возникнуть, когда сотрудники подвергаются воздействию смазочно-охлаждающих жидкостей во время производства, работы или технического обслуживания, а также когда они вытирают покрытые маслом руки тряпками с мельчайшими металлическими частицами. Металл вызывает небольшие порезы на коже, которые могут инфицироваться. Смазочно-охлаждающие жидкости на водной основе, нанесенные на кожу и одежду, могут содержать бактерии и вызывать инфекции, а эмульгаторы могут растворять кожный жир. Масляный фолликулит вызывается длительным воздействием смазочно-охлаждающих жидкостей на масляной основе, например, при ношении пропитанной маслом одежды. Работники должны снять и постирать одежду, пропитанную маслом, прежде чем надеть ее снова. Дерматит также может быть вызван использованием мыла, моющих средств или растворителей для очистки кожи. Дерматит лучше всего контролировать с помощью правил гигиены и минимизации воздействия. При сохранении дерматита следует обратиться за медицинской помощью.
В обширном обзоре, проведенном в качестве основы для его документа с критериями, Национальный институт безопасности и гигиены труда США (NIOSH) обнаружил связь между воздействием жидкостей для металлообработки и риском развития рака в нескольких органах, включая желудок, поджелудочную железу. , гортань и прямая кишка (NIOSH 1996). Конкретные составы, ответственные за повышенный риск рака, еще предстоит определить.
Профессиональное воздействие масляных туманов и аэрозолей связано с различными незлокачественными респираторными заболеваниями, включая липоидную пневмонию, астму, острое раздражение дыхательных путей, хронический бронхит и нарушение функции легких (NIOSH 1996).
Жидкости для металлообработки легко загрязняются бактериями и грибками. Они могут воздействовать на кожу или при вдыхании в виде загрязненных аэрозолей могут оказывать системное воздействие.
Процессы нефтепереработки, такие как гидроочистка и кислотная обработка, используются для удаления ароматических соединений из промышленных смазочных материалов, а использование нафтеновых базовых компонентов ограничено, чтобы минимизировать канцерогенность. Добавки, вводимые при смешивании и компаундировании, также могут создавать потенциальный риск для здоровья. Воздействие соединений хлора и свинца, таких как те, которые используются в некоторых трансмиссионных смазках и консистентных смазках, вызывает раздражение кожи и может быть потенциально опасным. Триортокрезилфосфат вызывает вспышки нервных расстройств, когда смазочное масло случайно используется для приготовления пищи. Синтетические масла состоят в основном из нитрита натрия и триэтаноламина и присадок. Коммерческий триэтаноламин содержит диэтаноламин, который может реагировать с нитритом натрия с образованием относительно слабого канцерогена, N-нитрозодиэтаноламина, который может представлять опасность. Полусинтетические смазочные материалы представляют опасность обоих продуктов, а также присадок в их рецептурах.
Информация о безопасности продукции важна как для сотрудников производителей, так и для пользователей смазочных материалов, масел и смазок. Производители должны иметь паспорта безопасности материалов (MSDS) или другую информацию о продукте для всех добавок и базовых компонентов, используемых при смешивании и компаундировании. Многие компании провели эпидемиологические и токсикологические испытания для определения степени опасности, связанной с любым острым и хроническим воздействием их продукции на здоровье. Эта информация должна быть доступна работникам и пользователям посредством предупредительных надписей и информации о безопасности продукции.
Адаптировано из 3-го издания, Энциклопедия охраны труда и техники безопасности.
Существует большое разнообразие приемов отделки поверхностей металлических изделий, чтобы они противостояли коррозии, лучше прилегали и лучше выглядели (см. табл. 1). Некоторые продукты обрабатываются последовательно несколькими из этих методов. В этой статье будут кратко описаны некоторые из наиболее часто используемых.
Таблица 1. Сводка опасностей, связанных с различными методами обработки металлов
Метод обработки металла |
опасности |
Меры предосторожности |
Электролитическая полировка |
Ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов |
Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. |
гальванопокрытие |
Воздействие хрома и никеля, потенциально вызывающих рак; воздействие цианидов; ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов; поражение электрическим током; процесс может быть влажным, вызывая опасность поскользнуться и упасть; возможное образование взрывоопасной пыли; эргономические опасности |
Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию, часто щелевую, двухтактную систему. Немедленно убирайте разливы. Установите нескользящее напольное покрытие. Используйте эффективный дизайн рабочих процедур и рабочих мест, чтобы избежать эргономического стресса. |
Эмали и глазурь |
Физические опасности от мельниц, конвейеров, мельниц; опасность ожога от высокотемпературных жидкостей и оборудования; воздействие пыли, которая может вызвать заболевание легких |
Установите надлежащие ограждения машины, включая блокировки. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установите эффективную вытяжную вентиляцию, чтобы избежать воздействия пыли. Может потребоваться оборудование с НЕРА-фильтром. |
Этчинг |
Воздействие плавиковой кислоты; ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов; опасность ожога от высокотемпературных жидкостей и оборудования |
Внедрите программу, чтобы избежать воздействия плавиковой кислоты. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. |
цинкование |
Опасность ожога от высокотемпературных жидкостей, металлов и оборудования; ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов; лихорадка металлического дыма; потенциальное воздействие свинца |
Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. Внедрить программу мониторинга/снижения воздействия свинца. |
Термическая обработка |
Опасность ожога от высокотемпературных жидкостей, металлов и оборудования; ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов; возможные взрывоопасные атмосферы водорода; потенциальное воздействие угарного газа; потенциальное воздействие цианидов; пожароопасность при закалке маслом |
Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. Отображение знаков, предупреждающих о высокой температуре оборудования и поверхностей. Установите системы контроля концентрации угарного газа. Установите адекватные системы пожаротушения. |
Металлизация |
Опасность ожога от высокотемпературных металлов и оборудования; возможные взрывоопасные среды пыли, ацетилена; цинковая лихорадка |
Установите адекватные системы пожаротушения. Правильно разделяйте химические вещества и газы. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. |
фосфатирование |
Ожоги и раздражение от едких и агрессивных химикатов |
Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. |
Пластиковое покрытие |
Воздействие химических сенсибилизаторов |
Ищите альтернативы сенсибилизаторам. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. |
заливка |
Воздействие различных потенциально токсичных и легковоспламеняющихся растворителей, воздействие химических сенсибилизаторов, воздействие потенциально канцерогенного хрома |
Ищите альтернативы сенсибилизаторам. Используйте соответствующие средства индивидуальной защиты. Установить эффективную вытяжную вентиляцию. Надлежащим образом разделяйте химические вещества/газы. |
Прежде чем применять любой из этих методов, продукты должны быть тщательно очищены. Применяется ряд методов очистки, индивидуально или последовательно. Они включают в себя механическую шлифовку, чистку щеткой и полировку (с образованием металлической или оксидной пыли — алюминиевая пыль может быть взрывоопасной), обезжиривание паром, промывку органическими жирорастворителями, «протравку» в концентрированных растворах кислот или щелочей и электролитическое обезжиривание. Последний включает погружение в ванны, содержащие цианид и концентрированную щелочь, в которых электролитически образующийся водород или кислород удаляют жир, в результате чего получаются «чистые» металлические поверхности, свободные от оксидов и жира. За очисткой следует соответствующее ополаскивание и сушка изделия.
Надлежащая конструкция оборудования и эффективная LEV частично снизят риск. Рабочие, подвергающиеся опасности брызг, должны быть обеспечены защитными очками или щитками для глаз и защитными перчатками, фартуками и одеждой. Душевые и фонтанчики для промывания глаз должны находиться поблизости и находиться в исправном состоянии, а брызги и разливы следует смывать незамедлительно. При работе с электролитическим оборудованием перчатки и обувь должны быть непроводящими, а также должны соблюдаться другие стандартные меры предосторожности при работе с электричеством, такие как установка прерывателей цепи замыкания на землю и процедуры блокировки/маркировки.
Процессы лечения
Электролитическая полировка
Электролитическая полировка используется для получения поверхности с улучшенным внешним видом и отражательной способностью, для удаления лишнего металла для точного соответствия требуемым размерам и для подготовки поверхности к осмотру на наличие дефектов. Процесс включает преимущественное анодное растворение выпуклостей на поверхности после парового обезжиривания и горячей щелочной очистки. В качестве растворов электролитов часто используют кислоты; соответственно, после этого требуется адекватное полоскание.
гальванопокрытие
Гальванопокрытие — это химический или электрохимический процесс нанесения на изделие металлического слоя, например, никеля для защиты от коррозии, твердого хрома для улучшения свойств поверхности или серебра и золота для украшения. Иногда используются неметаллические материалы. Изделие, соединенное в качестве катода, и анода из осаждаемого металла погружают в раствор электролита (который может быть кислым, щелочным или щелочным с цианидными солями и комплексами) и подключают снаружи к источнику постоянного тока. Положительно заряженные катионы металлического анода мигрируют к катоду, где они восстанавливаются до металла и осаждаются в виде тонкого слоя (см. рис. 1). Процесс продолжается до тех пор, пока новое покрытие не достигнет желаемой толщины, после чего изделие промывают, сушат и полируют.
Рисунок 1. Гальваника: схематическое изображение
Анод: Cu → Cu+2 + 2e- ; Катод: медь+2 + 2е- → медь
In гальванопластика, процесс, тесно связанный с гальванопокрытием; изделия, отлитые, например, из гипса или пластмассы, делают проводящими путем нанесения графита, а затем соединяют в качестве катода, так что на них осаждается металл.
In анодирование, в процессе, который приобретает все большее значение в последние годы, изделия из алюминия (также используются титан и другие металлы) соединяют в качестве анода и погружают в разбавленную серную кислоту. Однако вместо образования положительных ионов алюминия, мигрирующих для осаждения на катоде, они окисляются возникающими на аноде атомами кислорода и связываются с ним в виде оксидного слоя. Этот оксидный слой частично растворяется раствором серной кислоты, делая поверхностный слой пористым. Впоследствии в эти поры могут быть нанесены окрашенные или светочувствительные материалы, например, при изготовлении именных табличек.
Эмали и глазури
Стекловидная эмаль или фарфоровая эмаль используются для создания высокотемпературного, грязе- и коррозионностойкого покрытия на металлах, обычно железе или стали, в широком спектре готовых изделий, включая ванны, газовые и электрические плиты, кухонную утварь, резервуары для хранения. контейнеры и электрооборудование. Кроме того, эмали используются в отделке керамики, стекла, ювелирных изделий и декоративных украшений. Специальное использование эмалевых порошков в производстве таких декоративных изделий, как Cloisonné и Limoges, известно на протяжении веков. Глазури наносятся на гончарные изделия всех видов.
Материалы, используемые в производстве стекловидных эмалей и глазурей, включают:
Первым шагом во всех видах эмалирования или глазурования стекловидного тела является изготовление фритты, эмалевого порошка. Это включает в себя подготовку сырья, плавку и транспортировку фритты.
После тщательной очистки металлических изделий (например, дробеструйной обработки, травления, обезжиривания) эмаль может быть нанесена рядом процедур:
Подготовленные объекты затем «обжигают» в печи или печи для обжига, которые обычно работают на газе.
Этчинг
Химическое травление дает атласную или матовую поверхность. Чаще всего он используется в качестве предварительной обработки перед анодированием, лакировкой, конверсионным покрытием, полировкой или химическим отбеливанием. Чаще всего применяется для алюминия и нержавеющей стали, но также используется для многих других металлов.
Алюминий обычно травят в щелочных растворах, содержащих различные смеси гидроксида натрия, гидроксида калия, тринатрийфосфата и карбоната натрия вместе с другими ингредиентами для предотвращения образования шлама. В одном из наиболее распространенных процессов используется гидроксид натрия в концентрации от 10 до 40 г/л при температуре от 50 до 85°C и времени погружения до 10 минут.
Обычно перед щелочным травлением и после него проводят обработку в различных смесях соляной, плавиковой, азотной, фосфорной, хромовой или серной кислоты. Типичная обработка кислотой включает погружение на 15-60 секунд в смесь из 3 объемных частей азотной кислоты и 1 объемной части плавиковой кислоты, температура которой поддерживается на уровне 20°C.
цинкование
При цинковании на различные стальные изделия наносится цинковое покрытие для защиты от коррозии. Продукт должен быть чистым и не содержать оксидов, чтобы покрытие приклеилось должным образом. Обычно это включает в себя ряд процессов очистки, промывки, сушки или отжига перед тем, как продукт попадет в ванну цинкования. При «горячем» цинковании изделие проходит через ванну с расплавленным цинком; «Холодное» цинкование по сути является гальванопокрытием, как описано выше.
Производимые изделия обычно гальванизируют в периодическом процессе, в то время как метод непрерывной полосы используется для стальной полосы, листа или проволоки. Флюс можно использовать для обеспечения удовлетворительной очистки как продукта, так и цинковой ванны, а также для облегчения сушки. За стадией предварительного флюсования может следовать покрытие флюсом из хлорида аммония на поверхности цинковой ванны, или последний может использоваться отдельно. При цинковании трубы трубу погружают в горячий раствор хлорида цинка-аммония после очистки и до того, как труба попадет в ванну с расплавленным цинком. Потоки разлагаются с образованием раздражающего хлористого водорода и газообразного аммиака, что требует LEV.
Различные виды непрерывного горячего цинкования существенно различаются тем, как очищается изделие и выполняется ли очистка в режиме реального времени:
Линия непрерывного цинкования тонколистовой стали исключает травление и использование флюса; он использует щелочную очистку и поддерживает чистоту поверхности полосы, нагревая ее в камере или печи с восстановительной атмосферой водорода, пока она не пройдет ниже поверхности ванны с расплавленным цинком.
Непрерывное цинкование проволоки требует стадий отжига, обычно в ванне с расплавленным свинцом перед емкостями для очистки и цинкования; воздушное или водяное охлаждение; травление в горячей разбавленной соляной кислоте; полоскание; применение флюса; сушка; а затем цинкование в ванне с расплавленным цинком.
Окалина, сплав железа и цинка, оседает на дно ванны с расплавленным цинком и должна периодически удаляться. Различные типы материалов плавают на поверхности цинковой ванны, чтобы предотвратить окисление расплавленного цинка. В местах входа и выхода оцинковываемой проволоки или полосы требуется частая шлифовка.
Термическая обработка
Термическая обработка, нагрев и охлаждение металла, остающегося в твердом состоянии, обычно является неотъемлемой частью обработки металлических изделий. Он почти всегда связан с изменением кристаллической структуры металла, что приводит к модификации его свойств (например, отжиг для придания металлу большей пластичности, нагрев и медленное охлаждение для снижения твердости, нагрев и закалка для повышения твердости, низкотемпературная обработка). подогрев для минимизации внутренних напряжений).
отжиг
Отжиг — это «размягчающая» термическая обработка, широко используемая для дальнейшей холодной обработки металла, улучшения обрабатываемости, снятия напряжений с изделия перед его использованием и т. д. Он включает в себя нагрев металла до определенной температуры, выдерживание его при этой температуре в течение определенного периода времени и охлаждение с определенной скоростью. Применяется несколько методов отжига:
старение
Старение — это термообработка, часто используемая для алюминиево-медных сплавов, при которой естественное упрочнение сплава ускоряется путем нагрева до температуры около 180°C в течение примерно 1 часа.
Гомогенизация
Гомогенизация, обычно применяемая к слиткам или металлическим порошкам, предназначена для устранения или значительного уменьшения расслоения. Это достигается путем нагревания до температуры примерно на 20°C ниже точки плавления металла в течение примерно 2 часов или более с последующей закалкой.
Нормализация
Процесс, аналогичный полному отжигу, обеспечивает однородность получаемых механических свойств, а также обеспечивает большую прочность и устойчивость к механическим нагрузкам.
патентование
Патентование представляет собой особый тип процесса отжига, который обычно применяется к материалам малого поперечного сечения, предназначенным для волочения (например, проволока из 0.6% углеродистой стали). Металл нагревается в обычной печи выше предела превращения, а затем поступает из печи непосредственно, например, в свинцовую ванну, поддерживаемую при температуре около 170°С.
Закалка и отпуск
Увеличение твердости может быть достигнуто в сплаве на основе железа путем нагрева выше диапазона превращения и быстрого охлаждения до комнатной температуры путем закалки в масле, воде или воздухе. Изделие часто подвергается слишком высоким нагрузкам, чтобы его можно было пустить в эксплуатацию, и для повышения его ударной вязкости его подвергают отпуску путем повторного нагревания до температуры ниже диапазона превращения и охлаждения с желаемой скоростью.
Процессы мартенситной и аустемперации аналогичны, за исключением того, что изделие закаливают, например, в соляной или свинцовой ванне при температуре 400°С.
Поверхностное и поверхностное упрочнение
Это еще один процесс термообработки, наиболее часто применяемый к сплавам на основе железа, который позволяет поверхности объекта оставаться твердой, а его сердцевина остается относительно пластичной. Он имеет ряд вариаций:
Металлизация
Металлизация, или напыление металла, представляет собой метод нанесения защитного металлического покрытия на механически приданную шероховатость поверхности путем распыления на нее капель расплавленного металла. Он также используется для восстановления изношенных или корродированных поверхностей и для восстановления плохо обработанных деталей. Этот процесс широко известен как Шупинг в честь изобретателя доктора Шупа.
В нем используется пистолет Шупинга, ручной пистолет-распылитель, через который металл в форме проволоки подается в пламя горелки с топливным газом / кислородом, которое плавит его и с помощью сжатого воздуха распыляет на объект. Источником тепла является смесь кислорода и ацетилена, пропана или сжатого природного газа. Свернутая проволока обычно выпрямляется перед подачей в пистолет. Можно использовать любой металл, из которого можно сделать проволоку; Пистолет также может принимать металл в виде порошка.
Вакуумная металлизация — это процесс, при котором объект помещается в вакуумную банку, в которую напыляется металл покрытия.
фосфатирование
Фосфатирование используется в основном на мягкой и оцинкованной стали и алюминии для повышения адгезии и коррозионной стойкости лакокрасочных, восковых и масляных покрытий. Он также используется для формирования слоя, который действует как разделительная пленка при глубокой вытяжке листового металла и повышает его износостойкость. По сути, он состоит в том, чтобы позволить металлической поверхности реагировать с раствором одного или нескольких фосфатов железа, цинка, марганца, натрия или аммония. Растворы фосфатов натрия и аммония применяют для комбинированной очистки и фосфатирования. Необходимость фосфатировать изделия из нескольких металлов и желание увеличить скорость линии в автоматизированных операциях привели к сокращению времени реакции за счет добавления в растворы для фосфатирования ускорителей, таких как фториды, хлораты, молибдаты и соединения никеля. Чтобы уменьшить размер кристаллов и, следовательно, для повышения гибкости покрытий из фосфата цинка в промывку перед предварительной обработкой добавляют реагенты для очистки кристаллов, такие как третичный фосфат цинка или фосфат титана.
Последовательность фосфатирования обычно включает следующие этапы:
заливка
Органические грунтовки для краски наносятся на металлические поверхности, чтобы улучшить адгезию впоследствии нанесенных красок и замедлить коррозию на границе раздела краска-металл. Грунтовки обычно содержат смолы, пигменты и растворители и могут наноситься на подготовленные металлические поверхности кистью, распылением, погружением, валиком или электрофорезом.
Растворителями могут быть любые комбинации алифатических и ароматических углеводородов, кетонов, сложных эфиров, спиртов и простых эфиров. Наиболее часто используемые смолы представляют собой поливинилбутинолы, фенольные смолы, алкидные олифы, эпоксидированные масла, эпоксиэфиры, этилсиликаты и хлорированные каучуки. В комплексных грунтовках используются сшивающие агенты, такие как тетраэтиленпентамин, пентаэтиленгексамин, изоцианаты и карбамидоформальдегид. Неорганические пигменты, используемые в составе грунтовок, включают соединения свинца, бария, хрома, цинка и кальция.
Пластиковое покрытие
Пластмассовые покрытия наносят на металлы в жидком виде, в виде порошков, которые впоследствии отверждаются или спекаются при нагревании, или в виде готовых листов, которые приклеиваются к металлической поверхности с помощью клея. Наиболее часто используемые пластмассы включают полиэтилен, полиамиды (нейлоны) и ПВХ. Последние могут включать пластификаторы на основе мономерных и полимерных сложных эфиров и стабилизаторы, такие как карбонат свинца, соли жирных кислот бария и кадмия, дилаурат дибутилолова, меркаптиды алкилолова и фосфат цинка. Хотя в целом они малотоксичны и не вызывают раздражения, некоторые из пластификаторов являются сенсибилизаторами кожи.
Опасности и их предотвращение
Как можно сделать вывод из сложности описанных выше процессов, существует большое разнообразие опасностей для безопасности и здоровья, связанных с обработкой поверхности металлов. Многие из них регулярно встречаются в производственных операциях; другие представлены уникальностью используемых методов и материалов. Некоторые из них потенциально опасны для жизни. Однако в целом их можно предотвратить или контролировать.
Дизайн рабочего места
Рабочее место должно быть спроектировано таким образом, чтобы обеспечить доставку сырья и материалов и вывоз готовой продукции, не мешая текущей обработке. Поскольку многие химические вещества легко воспламеняются или склонны вступать в реакцию при смешивании, важно обеспечить надлежащее разделение при хранении и транспортировке. Во многих операциях по отделке металлов используются жидкости, и при утечке, разливе или разбрызгивании кислот или щелочей их необходимо немедленно смыть. Соответственно, должны быть предусмотрены адекватно дренированные, противоскользящие полы. Уборка должна быть тщательной, чтобы рабочие зоны и другие помещения были чистыми и свободными от скоплений материалов. Системы удаления твердых и жидких отходов и стоков из печей и вытяжной вентиляции должны проектироваться с учетом экологических соображений.
Рабочие места и рабочие задания должны основываться на принципах эргономики, чтобы свести к минимуму деформации, вывихи, чрезмерную усталость и RSI. Ограждения машины должны иметь автоматическую блокировку, чтобы машина обесточивалась при снятии ограждения. Брызговики необходимы. Из-за опасности разбрызгивания горячих растворов кислот и щелочей фонтанчики для промывки глаз и души для всего тела должны быть установлены в пределах легкой досягаемости. Должны быть вывешены знаки, предупреждающие другой производственный и обслуживающий персонал о таких опасностях, как химические ванны и горячие поверхности.
Химическая оценка
Все химические вещества следует оценивать на предмет потенциальной токсичности и физической опасности, и по возможности следует заменять их менее опасными материалами. Однако, поскольку менее токсичный материал может быть более легковоспламеняющимся, необходимо также учитывать опасность возгорания и взрыва. Кроме того, необходимо учитывать химическую совместимость материалов. Например, случайное смешивание солей нитратов и цианидов может привести к взрыву из-за сильных окислительных свойств нитратов.
Вентиляция
Для большинства процессов нанесения металлических покрытий требуется LEV, который стратегически расположен для отвода паров или других загрязняющих веществ от рабочего. Некоторые системы пропускают свежий воздух через бак, чтобы «вытолкнуть» переносимые по воздуху загрязняющие вещества к выпускной стороне системы. Заборы свежего воздуха должны быть расположены вдали от вытяжных вентиляционных отверстий, чтобы потенциально токсичные газы не рециркулировали.
Средства индивидуальной защиты
Процессы должны быть разработаны таким образом, чтобы предотвратить потенциально токсичные воздействия, но, поскольку их не всегда можно полностью избежать, сотрудники должны быть обеспечены соответствующими СИЗ (например, очками с лицевыми щитками или без них, перчатками, фартуками или комбинезонами и обувью). Поскольку многие воздействия связаны с горячими коррозионными или едкими растворами, защитные элементы должны быть изолированными и химически стойкими. Если возможно воздействие электричества, СИЗ должны быть непроводящими. СИЗ должны быть доступны в достаточном количестве, чтобы можно было очистить и высушить загрязненные, влажные предметы перед их повторным использованием. Утепленные перчатки и другая защитная одежда должны быть доступны там, где существует риск термических ожогов от горячего металла, печей и т.д.
Важным дополнением является наличие умывальников, чистых шкафчиков и раздевалок, чтобы одежда рабочих оставалась незагрязненной, а рабочие не несли домой токсичные материалы.
Обучение сотрудников и контроль
Обучение и подготовка сотрудников необходимы как для новых сотрудников, так и для тех, кто изменил оборудование или технологический процесс. Для каждого химического продукта должны быть предоставлены паспорта безопасности, объясняющие химическую и физическую опасность, на языках и на уровне образования, обеспечивающем их понимание работниками. Проверка компетентности и периодическая переподготовка гарантируют, что работники сохранят необходимую информацию. Рекомендуется пристальный надзор, чтобы убедиться, что соблюдаются надлежащие процедуры.
Выбранные опасности
Некоторые опасности характерны только для индустрии покрытий металлов и заслуживают особого внимания.
Щелочные и кислотные растворы
Нагретые щелочные и кислотные растворы, используемые при очистке и обработке металлов, обладают особенно коррозионными и едкими свойствами. Они раздражают кожу и слизистые оболочки и особенно опасны при попадании брызг в глаза. Необходимы фонтанчики для промывки глаз и аварийные души. Надлежащая защитная одежда и очки защитят от неизбежных брызг; при попадании брызг на кожу следует немедленно и обильно промыть пораженный участок прохладной чистой водой в течение не менее 15 минут; может потребоваться медицинская помощь, особенно при поражении глаз.
Следует соблюдать осторожность при использовании хлорированных углеводородов, так как фосген может образоваться в результате реакции хлорированных углеводородов, кислот и металлов. Азотная и фтористоводородная кислоты особенно опасны при вдыхании их газов, поскольку может пройти 4 часа и более, прежде чем станет очевидным воздействие на легкие. Бронхит, пневмонит и даже потенциально смертельный отек легких могут проявиться с опозданием у рабочего, у которого, по-видимому, не было первоначального эффекта от воздействия. Рабочим, подвергшимся облучению, рекомендуется незамедлительное профилактическое лечение и, часто, госпитализация. Контакт кожи с плавиковой кислотой может вызвать сильные ожоги без боли в течение нескольких часов. Немедленная медицинская помощь имеет важное значение.
Пыли
Металлическая и оксидная пыль представляют собой особую проблему при шлифовании и полировании и наиболее эффективно удаляются LEV по мере их образования. Воздуховоды должны быть спроектированы так, чтобы они были гладкими, а скорость воздуха должна быть достаточной, чтобы частицы не оседали в воздушном потоке. Алюминиевая и магниевая пыль может быть взрывоопасной и должна собираться во влажную ловушку. Свинец стал менее серьезной проблемой с уменьшением его использования в керамике и глазури для фарфора, но он остается повсеместным профессиональным вредным фактором, и от него следует всегда защищаться. В последнее время бериллий и его соединения вызывают интерес из-за возможности канцерогенности и хронического бериллиевого заболевания.
Некоторые операции представляют риск силикоза и пневмокониоза: прокаливание, дробление и сушка кремня, кварца или камня; просеивание, смешивание и взвешивание этих веществ в сухом виде; и засыпка печей такими материалами. Они также представляют опасность, когда они используются во влажном процессе и разбрызгиваются по рабочему месту и на одежду рабочих, чтобы снова превратиться в пыль, когда они высыхают. LEV и строгая чистота и личная гигиена являются важными профилактическими мерами.
Органические растворители
Растворители и другие органические химикаты, используемые при обезжиривании и в некоторых процессах, опасны при вдыхании. В острой фазе их наркотическое действие может привести к параличу дыхания и смерти. При хроническом воздействии наиболее часты токсическое воздействие на центральную нервную систему и поражение печени и почек. Защита обеспечивается LEV с зоной безопасности не менее 80-100 см между источником и зоной дыхания работника. Вентиляция стола также должна быть установлена для удаления остаточных паров от готовых заготовок. Обезжиривание кожи органическими растворителями может быть предвестником дерматита. Многие растворители также легко воспламеняются.
Цианид
Ванны, содержащие цианиды, часто используются при электролитическом обезжиривании, гальванике и цианировании. В результате реакции с кислотой образуется летучий, потенциально смертельный цианистый водород (синильная кислота). Смертельная концентрация в воздухе составляет от 300 до 500 частей на миллион. Смертельное воздействие также может быть результатом впитывания через кожу или проглатывания цианидов. Оптимальная чистота необходима для рабочих, использующих цианид. Пищу нельзя есть до мытья, и она никогда не должна находиться в рабочей зоне. Руки и одежда должны быть тщательно вымыты после потенциального воздействия цианида.
Меры первой помощи при отравлении цианидами включают вынос на открытый воздух, снятие загрязненной одежды, обильное промывание пораженных участков водой, оксигенотерапию и вдыхание амилнитрита. LEV и защита кожи имеют важное значение.
Хром и никель
Соединения хрома и никеля, используемые в гальванических ваннах при гальванике, могут быть опасны. Соединения хрома могут вызывать ожоги, изъязвления и экзему кожи и слизистых оболочек и характерную перфорацию носовой перегородки. Может развиться бронхиальная астма. Соли никеля могут вызывать стойкое аллергическое или токсико-раздражающее поражение кожи. Имеются данные о том, что соединения хрома и никеля могут быть канцерогенными. LEV и защита кожи имеют важное значение.
Печи и печи
Особые меры предосторожности необходимы при работе с используемыми печами, например, при термообработке металлов, когда компоненты обрабатываются при высоких температурах, а материалы, используемые в процессе, могут быть либо токсичными, либо взрывоопасными, либо и тем, и другим. Газообразные среды (атмосферы) в печи могут реагировать с металлошихтой (окисляющие или восстановительные атмосферы) или быть нейтральными и защитными. Большинство последних содержат до 50 % водорода и 20 % оксида углерода, которые, помимо горючести, при повышенных температурах образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Температура воспламенения колеблется от 450 до 750 °С, но локальная искра может вызвать воспламенение даже при более низких температурах. Опасность взрыва возрастает при запуске или остановке печи. Поскольку охлаждающая печь имеет тенденцию засасывать воздух (особенно опасно при прекращении подачи топлива или электроэнергии), необходимо обеспечить подачу инертного газа (например, азота или двуокиси углерода) для продувки, когда печь остановлена, а также при введении защитной атмосферы в горячую печь.
Угарный газ, пожалуй, самая большая опасность от печей и духовок. Поскольку он бесцветен и не имеет запаха, он часто достигает токсического уровня до того, как рабочий узнает об этом. Головная боль является одним из самых ранних симптомов интоксикации, поэтому работника, у которого на работе возникла головная боль, следует немедленно вывести на свежий воздух. Опасные зоны включают углубления, в которых может скапливаться окись углерода; следует помнить, что кирпичная кладка пористая и может задерживать газ при обычной продувке и выделять его при завершении продувки.
Свинцовые печи могут быть опасны, так как свинец имеет тенденцию довольно быстро испаряться при температурах выше 870°C. Соответственно, требуется эффективная система удаления дыма. Поломка или выход из строя горшка также может быть опасным; следует предусмотреть достаточно большой колодец или яму для сбора расплавленного металла, если это произойдет.
Огонь и взрыв
Многие из соединений, используемых в металлическом покрытии, являются легковоспламеняющимися и при определенных обстоятельствах взрывоопасными. По большей части печи и сушильные шкафы работают на газе, поэтому должны быть предусмотрены специальные меры предосторожности, такие как устройства контроля пламени на горелках, запорные клапаны низкого давления на линиях подачи и взрывозащитные панели в конструкции печей. . В электролитических операциях водород, образующийся в процессе, может собираться на поверхности ванны и, если его не выпустить, может достигать взрывоопасных концентраций. Печи должны хорошо вентилироваться, а горелки должны быть защищены от засорения капающим материалом.
Закалка в масле также пожароопасна, особенно если металлическая шихта погружена не полностью. Закалочные масла должны иметь высокую температуру вспышки, а их температура не должна превышать 27°С.
Баллоны со сжатым кислородом и топливным газом, используемые при металлизации, представляют опасность пожара и взрыва при неправильном хранении и эксплуатации. Подробные меры предосторожности см. в статье «Сварка и термическая резка» в этой главе.
В соответствии с местными постановлениями противопожарное оборудование, включая сигнализацию, должно быть предоставлено и содержаться в рабочем состоянии, а рабочие должны быть обучены его правильному использованию.
зной
Использование печей, открытого огня, печей, нагретых растворов и расплавленных металлов неизбежно сопряжено с риском чрезмерного теплового воздействия, которое усугубляется в жарком влажном климате и, в частности, при использовании непроницаемой защитной одежды и снаряжения. Полное кондиционирование воздуха на заводе может быть экономически невыгодным, но подача охлажденного воздуха в местные системы вентиляции полезна. Перерывы для отдыха в прохладном месте и достаточное потребление жидкости (жидкости, принимаемые на рабочем месте, не должны содержать токсичных примесей) помогут предотвратить тепловое отравление. Рабочие и руководители должны быть обучены распознаванию симптомов теплового стресса.
Заключение
Поверхностная обработка металлов включает в себя множество процессов, связанных с широким спектром потенциально токсичных воздействий, большинство из которых можно предотвратить или контролировать путем тщательного применения общепризнанных профилактических мер.
Регенерация металлов - это процесс, при котором металлы производятся из металлолома. Эти восстановленные металлы неотличимы от металлов, полученных в результате первичной обработки руды металла. Однако процесс немного отличается, и воздействие может быть другим. Инженерные средства управления в основном одинаковы. Утилизация металлов очень важна для мировой экономики из-за истощения запасов сырья и загрязнения окружающей среды ломом.
Алюминий, медь, свинец и цинк составляют 95% продукции вторичной цветной металлургии. Также регенерируются магний, ртуть, никель, драгоценные металлы, кадмий, селен, кобальт, олово и титан. (Железо и сталь обсуждаются в главе Металлургическая промышленность. См. также статью «Плавка и рафинирование меди, свинца и цинка» в этой главе.)
Стратегии контроля
Принципы контроля выбросов/воздействия
Восстановление металла связано с воздействием пыли, паров, растворителей, шума, тепла, кислотных туманов и других потенциально опасных материалов и рисков. Некоторые модификации процесса и/или обращения с материалами могут быть осуществимы для устранения или уменьшения образования выбросов: минимизация обработки, снижение температуры тигля, уменьшение образования окалины и образования пыли на поверхности, а также изменение планировки предприятия для уменьшения обработки материала или повторного уноса осевших частиц. пыль.
Воздействие может быть уменьшено в некоторых случаях, если машины выбраны для выполнения задач с высоким уровнем воздействия, так что сотрудники могут быть удалены из зоны. Это также может снизить эргономические риски, связанные с погрузочно-разгрузочными работами.
Чтобы предотвратить перекрестное загрязнение чистых зон предприятия, желательно изолировать процессы, вызывающие значительные выбросы. Физический барьер будет сдерживать выбросы и уменьшать их распространение. Таким образом, меньше людей будут подвергаться облучению, а количество источников выбросов, способствующих облучению в какой-либо одной области, сократится. Это упрощает оценку воздействия и упрощает идентификацию и контроль основных источников. Операции по регенерации часто изолированы от других операций предприятия.
Иногда можно закрыть или изолировать конкретный источник выбросов. Поскольку ограждения редко бывают герметичными, к ограждению часто применяется вытяжная система с отрицательной тягой. Одним из наиболее распространенных способов борьбы с выбросами является обеспечение местной вытяжной вентиляции в месте образования выбросов. Улавливание выбросов в их источнике снижает возможность их рассеивания в воздухе. Это также предотвращает вторичное воздействие на сотрудников, вызванное повторным уносом осевших загрязняющих веществ.
Скорость захвата вытяжного колпака должна быть достаточно большой, чтобы пары или пыль не попадали в вытяжку из воздушного потока. Поток воздуха должен иметь достаточную скорость, чтобы переносить частицы дыма и пыли в вытяжку и преодолевать разрушительное воздействие перекрестных сквозняков и других случайных движений воздуха. Скорость, необходимая для достижения этого, будет варьироваться от приложения к приложению. Следует ограничить использование рециркуляционных обогревателей или индивидуальных охлаждающих вентиляторов, которые могут заменить местную вытяжную вентиляцию.
Все системы вытяжной или разреженной вентиляции также требуют замещения воздуха (известные также как системы «подпиточного» воздуха). Если система замены воздуха хорошо спроектирована и интегрирована в системы естественной и комфортной вентиляции, можно ожидать более эффективного контроля воздействия. Например, выпускные отверстия для замены воздуха должны располагаться таким образом, чтобы чистый воздух из выпускного отверстия проходил через сотрудников к источнику выбросов и к выхлопу. Этот метод часто используется с островами подачи воздуха и помещает работника между чистым поступающим воздухом и источником выбросов.
Чистые зоны предназначены для контроля посредством прямого контроля выбросов и уборки. В этих районах наблюдается низкий уровень загрязнения окружающей среды. Сотрудники в загрязненных зонах могут быть защищены служебными кабинами с подачей воздуха, островами, дежурными пультами и диспетчерскими, дополненными средствами индивидуальной защиты органов дыхания.
Среднее дневное воздействие на рабочих можно уменьшить, предусмотрев чистые зоны, такие как комнаты отдыха и столовые, которые снабжаются свежим отфильтрованным воздухом. Проводя время в относительно свободной от загрязняющих веществ зоне, можно снизить средневзвешенное по времени воздействие загрязняющих веществ на сотрудников. Другим популярным применением этого принципа является остров приточной вентиляции, где свежий отфильтрованный воздух подается в зону дыхания работника на рабочем месте.
Необходимо предусмотреть достаточно места для вытяжных шкафов, воздуховодов, диспетчерских, операций по техническому обслуживанию, очистки и хранения оборудования.
Колесные транспортные средства являются значительными источниками вторичных выбросов. Там, где используется колесный транспорт, выбросы можно сократить путем покрытия всех поверхностей дорожным покрытием, очистки поверхностей от скопившихся пылевидных материалов, уменьшения расстояния и скорости движения транспортных средств, а также путем изменения направления выхлопных газов транспортных средств и вентилятора охлаждения. Подходящий материал для мощения, такой как бетон, следует выбирать с учетом таких факторов, как нагрузка, использование и уход за поверхностью. На некоторые поверхности могут быть нанесены покрытия для облегчения промывки дорог.
Все системы вытяжной, разбавляющей и подпиточной вентиляции должны содержаться в надлежащем состоянии, чтобы эффективно контролировать загрязнение воздуха. В дополнение к обслуживанию систем общей вентиляции необходимо обслуживать технологическое оборудование, чтобы исключить утечку материала и неорганизованные выбросы.
Реализация программы производственной практики
Хотя стандарты подчеркивают важность технических средств контроля как средства достижения соответствия, средства контроля рабочей практики необходимы для успешной программы контроля. Инженерный контроль может быть побежден плохими рабочими привычками, неадекватным обслуживанием и плохим хозяйством или личной гигиеной. Сотрудники, работающие с одним и тем же оборудованием в разные смены, могут подвергаться значительно разным воздействиям переносимых по воздуху из-за различий этих факторов между сменами.
Программы производственной практики, хотя ими часто пренебрегают, представляют собой как хорошую управленческую практику, так и здравый смысл; они экономически эффективны, но требуют ответственного отношения и сотрудничества со стороны сотрудников и линейных руководителей. Отношение высшего руководства к безопасности и охране здоровья отражается на отношении линейных руководителей. Точно так же, если руководители не обеспечивают соблюдение этих программ, может пострадать отношение сотрудников. Воспитание хорошего отношения к здоровью и безопасности может быть достигнуто посредством:
Программы производственной практики нельзя просто «установить». Как и в случае с вентиляционной системой, их необходимо обслуживать и постоянно проверять, чтобы убедиться, что они функционируют должным образом. Эти программы являются обязанностью руководства и сотрудников. Должны быть созданы программы для обучения, поощрения и надзора за «хорошими» (т. е. мало подверженными воздействию) практиками.
Средства индивидуальной защиты
Защитные очки с боковыми щитками, комбинезоны, защитную обувь и рабочие перчатки следует регулярно надевать при выполнении всех работ. Те, кто занимается литьем и плавкой или литьем сплавов, должны носить фартуки и средства защиты рук из кожи или других подходящих материалов для защиты от брызг расплавленного металла.
В тех случаях, когда технические меры не позволяют контролировать выбросы пыли или дыма, следует использовать соответствующие средства защиты органов дыхания. Если уровни шума чрезмерны и не могут быть устранены или источники шума не могут быть изолированы, следует надевать средства защиты органов слуха. Также должна быть программа сохранения слуха, включая аудиометрическое тестирование и обучение.
Процессы
алюминий
Вторичная алюминиевая промышленность использует алюминийсодержащий лом для производства металлического алюминия и алюминиевых сплавов. Процессы, используемые в этой отрасли, включают предварительную обработку лома, переплавку, легирование и литье. Сырье, используемое вторичной алюминиевой промышленностью, включает новый и старый лом, паровой чушка и некоторое количество первичного алюминия. Новый лом состоит из обрезков, поковок и других твердых материалов, приобретенных у авиационной промышленности, производителей и других производственных предприятий. Сверление и токарная обработка являются побочным продуктом обработки отливок, стержней и поковок в авиационной и автомобильной промышленности. Окалина, шлаки и шлаки получают на установках первичного восстановления, вторичной плавки и литейных цехах. К старому лому относятся автомобильные детали, предметы домашнего обихода и детали самолетов. Необходимые шаги следующие:
В таблице 1 перечислены воздействия и меры контроля при операциях по регенерации алюминия.
Таблица 1. Инженерно-административный контроль алюминия по операциям
Оборудование для процесса |
Экспозиция |
Инженерно-административный контроль |
Сортировка |
Демонтаж с помощью горелки - пары металлов, такие как свинец и кадмий. |
Местная вытяжная вентиляция при распайке; СИЗ — средства защиты органов дыхания при распайке |
Дробление/сортировка |
Неспецифическая пыль и аэрозоль, масляный туман, металлические частицы и шум |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Прессование |
Нет известного воздействия |
Нет контроля |
Обжиг/сушка |
Неспецифические твердые частицы, которые могут включать металлы, сажу и конденсированные тяжелые органические вещества. Газы и пары, содержащие фториды, двуокись серы, хлориды, окись углерода, углеводороды и альдегиды |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха при тепловом стрессе, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Обработка горячего шлака |
Некоторые пары |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Сухое измельчение |
Пыли |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Запекание |
Пыли |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха при тепловом стрессе, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха |
потение |
Металлические пары и твердые частицы, неспецифические газы и пары, тепло и шум |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха при тепловом стрессе, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Отражательная (хлорная) плавка-рафинирование |
Продукты горения, хлор, хлористый водород, хлориды металлов, хлориды алюминия, тепло и шум |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха при тепловом стрессе, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Реверберационная (фтористая) плавка-рафинирование |
Продукты сгорания, фтор, фтороводород, фториды металлов, фториды алюминия, тепло и шум |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха при тепловом стрессе, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Рекультивация меди
Вторичная медная промышленность использует медьсодержащий лом для производства металлической меди и сплавов на ее основе. Используемое сырье может быть классифицировано как новый лом, полученный при изготовлении готовых изделий, или старый лом из устаревших, изношенных или утилизированных изделий. К старым источникам металлолома относятся провода, сантехника, электрооборудование, автомобили и бытовая техника. Другие материалы, содержащие медь, включают шлаки, шлаки, литейную золу и отходы плавильных заводов. Предусматриваются следующие шаги:
В таблице 2 перечислены воздействия и средства контроля операций по регенерации меди.
Таблица 2. Инженерно-административный контроль меди по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Зачистка и сортировка |
Загрязнения воздуха от обработки материалов и распайки или резки металлолома |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Брикетирование и дробление |
Неспецифическая пыль и аэрозоль, масляный туман, металлические частицы и шум |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Измельчение |
Неспецифическая пыль, материал изоляции проводов, металлические частицы и шум |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Измельчение и гравитационное разделение |
Неспецифическая пыль, металлические частицы от флюсов, шлаков и окалины, шум |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Высушивание |
Неспецифические твердые частицы, которые могут включать металлы, сажу и конденсированные тяжелые органические вещества. |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Сгорание изоляции |
Неспецифические твердые частицы, которые могут включать дым, глину |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
потение |
Металлические пары и твердые частицы, неспецифические газы, пары и твердые частицы |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Выщелачивание карбонатом аммония |
аммоний |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Паровая дистилляция |
аммоний |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — очки с боковыми щитками |
Гидротермальное восстановление водорода |
аммоний |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Сернокислотное выщелачивание |
Серные серные кислоты |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Конвертерная плавка |
Летучие металлы, шум |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания и слуха. |
Электротигельная плавка |
Твердые частицы, оксиды серы и азота, сажа, угарный газ, шум |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Огневое рафинирование |
Оксиды серы, углеводороды, твердые частицы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Электролитическая очистка |
Серная кислота и металлы из шлама |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Регенерация свинца
Сырье, приобретаемое предприятиями по выплавке вторичного свинца, может потребовать обработки перед загрузкой в плавильную печь. В этом разделе обсуждается наиболее распространенное сырье, закупаемое предприятиями по выплавке вторичного свинца, а также возможные технические средства контроля и методы работы для ограничения воздействия свинца на сотрудников в ходе операций по переработке сырья. Следует отметить, что свинцовая пыль, как правило, встречается на всех предприятиях по переработке свинца и что воздух в любом транспортном средстве может поднимать свинцовую пыль, которая затем может вдыхаться или прилипать к обуви, одежде, коже и волосам.
Автомобильные аккумуляторы
Наиболее распространенным сырьем на заводе по выплавке вторичного свинца являются автомобильные аккумуляторы. Приблизительно 50% веса автомобильного аккумулятора из бывших в употреблении будет утилизировано в виде металлического свинца в процессе плавки и рафинирования. Приблизительно 90% автомобильных аккумуляторов, производимых сегодня, используют полипропиленовую коробку или корпус. Полипропиленовые гильзы утилизируются почти всеми заводами по выплавке вторичного свинца из-за высокой экономической ценности этого материала. В большинстве этих процессов могут образовываться пары металлов, в частности, свинца и сурьмы.
In поломка автомобильного аккумулятора существует вероятность образования арсина или стибина из-за присутствия мышьяка или сурьмы, используемых в качестве отвердителей в металлической сетке, и возможного присутствия образующегося водорода.
Четыре наиболее распространенных процесса поломки автомобильных аккумуляторов:
Первые три из этих процессов включают в себя отрезание верхней части батареи, а затем сброс групп или свинцовосодержащего материала. Четвертый процесс включает дробление всей батареи в молотковой дробилке и разделение компонентов гравитационным разделением.
Разделение автомобильных аккумуляторов происходит после поломки автомобильных аккумуляторов, чтобы можно было отделить свинецсодержащий материал от материала корпуса. При снятии корпуса может образовываться кислотный туман. Наиболее широко используемые методы для выполнения этой задачи:
Промышленные батареи, которые использовались для питания мобильного электрооборудования или для других промышленных целей, периодически закупаются в качестве сырья большинством вторичных плавильных заводов. Многие из этих батарей имеют стальной корпус, который необходимо снять, разрезав корпус газовым резаком или ручной бензопилой.
Прочий покупной свинецсодержащий лом
Плавильные заводы по производству вторичного свинца покупают множество других ломов в качестве сырья для процесса плавки. Эти материалы включают лом заводов по производству аккумуляторов, шлаки от рафинирования свинца, лом металлического свинца, такой как линотип и покрытия кабелей, а также остатки тетраэтилсвинца. Эти типы материалов могут загружаться непосредственно в плавильные печи или смешиваться с другими шихтовыми материалами.
Обработка и транспортировка сырья
Неотъемлемой частью процесса плавки вторичного свинца является обработка, транспортировка и хранение сырья. Материалы транспортируются вилочными погрузчиками, фронтальными погрузчиками или механическими конвейерами (винтовыми, ковшовыми или ленточными). Основным методом транспортировки материалов в производстве вторичного свинца является мобильное оборудование.
Некоторые распространенные механические методы транспортировки, которые используются на заводах по выплавке вторичного свинца, включают: системы ленточных конвейеров, которые можно использовать для транспортировки шихтового материала из зон хранения в зону обугливания печи; шнековые конвейеры для транспортировки колошниковой пыли из рукавного фильтра в агломерационную печь или в зону хранения или ковшовые элеваторы и скребковые цепи/линии.
выплавка
Операция плавки на заводе по выплавке вторичного свинца включает восстановление свинецсодержащего лома до металлического свинца в доменной печи или отражательной печи.
Доменные печи загружаются свинецсодержащим материалом, коксом (топливо), известняком и железом (флюс). Эти материалы подаются в печь в верхней части шахты печи или через загрузочную дверцу сбоку шахты в верхней части печи. Некоторыми экологическими опасностями, связанными с работой доменных печей, являются металлические пары и твердые частицы (особенно свинец и сурьма), тепло, шум и угарный газ. В промышленности вторичного свинца используются различные механизмы транспортировки шихтового материала. Скиповый подъемник, пожалуй, самый распространенный. Другие используемые устройства включают вибрационные бункеры, ленточные конвейеры и ковшовые элеваторы.
Операции по выпуску доменной печи включают удаление расплавленного свинца и шлака из печи в формы или ковши. Некоторые плавильные заводы выпускают металл непосредственно в резервуар для выдержки, в котором металл хранится в расплавленном состоянии для рафинирования. Остальные плавильни разливают печной металл в блоки и позволяют блокам затвердевать.
Дутьевой воздух для процесса горения поступает в доменную печь через фурмы, которые иногда начинают заполняться наростами и должны быть физически пробиты, обычно стальным стержнем, чтобы предотвратить их засорение. Обычный метод выполнения этой задачи состоит в том, чтобы снять крышку фурмы и вставить стальной стержень. После того, как наросты были пробиты, крышка заменяется.
Отражательные печи загружаются свинецсодержащим сырьем с помощью печного загрузочного механизма. Отражательные печи в производстве вторичного свинца обычно имеют пружинный свод или подвесной свод, построенный из огнеупорного кирпича. Многие загрязняющие вещества и физические опасности, связанные с отражательными печами, аналогичны тем, которые возникают в доменных печах. Такими механизмами могут быть гидроцилиндр, винтовой конвейер или другие устройства, аналогичные описанным для доменных печей.
Операции по выпуску отражательной печи очень похожи на операции по выпуску в доменной печи.
рафинирование
Очищение свинца на вторичных свинцовых плавильных заводах проводится в котлах или котлах с непрямым нагревом. Металл из плавильных печей обычно плавится в котле, затем содержание микроэлементов регулируется для получения желаемого сплава. Обычными продуктами являются мягкий (чистый) свинец и различные сплавы твердого (сурьмяного) свинца.
Практически во всех операциях по рафинированию вторичного свинца используются ручные методы добавления легирующих материалов в котлы и методы ручного образования окалины. Окалина подметается к краю котла и удаляется лопатой или большой ложкой в контейнер.
В Таблице 3 перечислены воздействия и средства контроля операций по регенерации свинца.
Таблица 3. Инженерно-административный контроль свинца по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Транспорт |
Свинцовая пыль с дорог и брызги воды, содержащей свинец |
Промывка водой и увлажнение участков. Обучение операторов, предусмотрительные методы работы и надлежащее ведение хозяйства являются ключевыми элементами минимизации выбросов свинца при эксплуатации мобильного оборудования. Оградите оборудование и обеспечьте систему фильтрованного воздуха с положительным давлением. |
Конвейеры |
Свинцовая пыль |
Также предпочтительно оборудовать системы ленточных конвейеров самоочищающимися хвостовыми шкивами или ленточными очистителями, если они используются для транспортировки сырья для печи или колошниковой пыли. |
Разрушение батареи |
Свинцовая пыль, кислотные туманы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Подготовка заряда |
Свинцовая пыль |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Доменная печь |
Металлические пары и твердые частицы (свинец, сурьма), тепло и шум, окись углерода |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов дыхания и слуха. |
Отражательная печь |
Металлические пары и твердые частицы (свинец, сурьма), тепло и шум |
Местная вытяжная вентиляция, общая вентиляция помещений, режим труда и отдыха, жидкости, изоляция источника шума; СИЗ — средства защиты органов дыхания и слуха. |
рафинирование |
Частицы свинца и, возможно, легирующие металлы и флюсы, шум |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Кастинг |
Частицы свинца и, возможно, легирующие металлы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Рекультивация цинка
В производстве вторичного цинка в качестве источников цинка используются новые обрезки, шлаки и зола, литые шлаки, окалина гальванических заводов, колошниковая пыль и химические остатки. Большая часть нового перерабатываемого лома представляет собой сплавы на основе цинка и меди из ванн для цинкования и литья под давлением. В категорию старого лома входят старые пластины для гравировки цинка, отливки под давлением, стержневой и штамповый лом. Процессы следующие:
В таблице 4 перечислены воздействия и средства контроля для операций по регенерации цинка.
Таблица 4. Инженерно-административный контроль цинка по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Реверберационное потоотделение |
Твердые частицы, содержащие цинк, алюминий, медь, железо, свинец, кадмий, марганец и хром, загрязнения от флюсов, оксиды серы, хлориды и фториды |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим работы и отдыха при тепловом напряжении, жидкости |
Вращательное потоотделение |
Твердые частицы, содержащие цинк, алюминий, медь, железо, свинец, кадмий, марганец и хром, загрязнения от флюсов, оксиды серы, хлориды и фториды |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Потливость муфеля и потливость чайника (горшка) |
Твердые частицы, содержащие цинк, алюминий, медь, железо, свинец, кадмий, марганец и хром, загрязнения от флюсов, оксиды серы, хлориды и фториды |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Дробление/сортировка |
Оксид цинка, незначительное количество тяжелых металлов, хлориды |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Выщелачивание карбонатом натрия |
Оксид цинка, карбонат натрия, карбонат цинка, гидроксид цинка, хлористый водород, хлорид цинка |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Котловой плавильный тигель, ревербератор, электроиндукционная плавка |
Пары оксида цинка, аммиак, хлорид аммиака, хлористый водород, хлорид цинка |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Легирование |
Твердые частицы, содержащие цинк, легирующие металлы, хлориды; неспецифические газы и пары; нагревать |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Ретортная перегонка, ретортная перегонка/окисление и муфельная перегонка |
Пары оксида цинка, другие металлические частицы, оксиды серы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Перегонка резистора графитового стержня |
Пары оксида цинка, другие металлические частицы, оксиды серы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Рекультивация магния
Старый лом получают из таких источников, как лом автомобильных и авиационных деталей, старые и устаревшие литографские пластины, а также некоторые шламы заводов по выплавке первичного магния. Новый лом состоит из обрезков, стружки, стружки, шлаков, шлаков, окалины и бракованных изделий с листопрокатных заводов и заводов-изготовителей. Наибольшую опасность при обращении с магнием представляет опасность возгорания. Небольшие фрагменты металла могут легко воспламениться от искры или пламени.
В Таблице 5 перечислены воздействия и средства контроля операций по регенерации магния.
Таблица 5. Инженерно-административный контроль магния по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административное |
Сортировка лома |
Пыли |
Промывка водой |
Плавление в открытом котле |
Дым и пыль, высокая вероятность возгорания |
Местная вытяжная вентиляция и общая вентиляция помещений и методы работы |
Кастинг |
Пыль и пары, тепло и высокая вероятность возгорания |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Утилизация ртути
Основными источниками ртути являются стоматологические амальгамы, лом ртутных батарей, шламы электролитических процессов, в которых ртуть используется в качестве катализатора, ртуть из демонтированных хлорщелочных заводов и ртутьсодержащие инструменты. Пары ртути могут загрязнять каждый из этих процессов.
В Таблице 6 перечислены воздействия и средства контроля для операций по регенерации ртути.
Таблица 6. Технические/административные средства контроля ртути в разбивке по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Дробление |
Летучая ртуть |
местная вытяжка; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Фильтрация |
Летучая ртуть |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Вакуумная дистилляция |
Летучая ртуть |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Очистка раствора |
Летучая ртуть, растворители, органические вещества и кислотные туманы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Окисление |
Летучая ртуть |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Реторта |
Летучая ртуть |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Рекультивация никеля
Основным сырьем для регенерации никеля являются сплавы на основе паров никеля, меди и алюминия, которые можно найти в виде старого или нового лома. К старому лому относятся сплавы, извлеченные из деталей машин и самолетов, а к новому лому относятся листовой лом, стружка и твердые частицы, которые являются побочными продуктами производства изделий из сплавов. Регенерация никеля включает следующие этапы:
Воздействие и меры контроля при операциях по регенерации никеля перечислены в таблице 7.
Таблица 7. Инженерно-административный контроль никеля по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Сортировка |
Пыли |
Местный выхлоп и замена растворителя |
обезжиривание |
растворитель |
Местная вытяжная вентиляция и замена и/или рекуперация растворителей, общая вентиляция помещений |
выплавка |
Дым, пыль, шум, жара |
Местная вытяжная вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости; СИЗ — средства защиты органов дыхания и слуха. |
рафинирование |
Дым, пыль, тепло, шум |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости; СИЗ — средства защиты органов дыхания и слуха. |
Кастинг |
Тепло, пары металла |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Регенерация драгоценных металлов
Сырье для производства драгоценных металлов состоит как из старого, так и из нового лома. К старому лому относятся электронные компоненты устаревшей военной и гражданской техники, а также лом стоматологической промышленности. Новый лом образуется при изготовлении и изготовлении изделий из драгоценных металлов. Продукция представляет собой элементарные металлы, такие как золото, серебро, платина и палладий. Обработка драгоценных металлов включает следующие этапы:
Воздействия и меры контроля перечислены по операциям в таблице 8 (см. также «Плавка и аффинаж золота»).
Таблица 8. Инженерно-административный контроль драгоценных металлов по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Сортировка и измельчение |
Молотковая мельница представляет собой потенциальную шумовую опасность |
шумопоглощающий материал; СИЗ — средства защиты органов слуха |
сжигание |
Органические вещества, дымовые газы и пыль |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция |
Доменная плавка |
Пыль, шум |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов слуха и дыхания |
Электролитическая очистка |
Кислотные туманы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Химическая очистка |
Кислота |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — кислотостойкая одежда, химические очки и лицевой щиток. |
Рекультивация кадмия
К старому кадмийсодержащему лому относятся покрытые кадмием детали списанных автомобилей и лодок, бытовая техника, скобяные изделия и крепежные изделия, кадмиевые аккумуляторы, кадмиевые контакты переключателей и реле и другие бывшие в употреблении кадмиевые сплавы. Новый лом, как правило, представляет собой отходы, содержащие пары кадмия, и загрязненные побочные продукты производств, обрабатывающих металлы. Процессы рекультивации следующие:
Воздействие в процессах регенерации кадмия и необходимые средства контроля приведены в таблице 9.
Таблица 9. Инженерно-административный контроль кадмия по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Обезжиривание лома |
Растворители и кадмиевая пыль |
Местный выхлоп и замена растворителя |
Плавка/рафинирование сплава |
Продукты сгорания нефти и газа, цинковые пары, кадмиевая пыль и пары |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Ретортная перегонка |
Кадмий пары |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Плавление/удаление цинка |
Пары и пыль кадмия, пары и пыль цинка, хлорид цинка, хлор, хлористый водород, тепловой удар |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Кастинг |
Кадмиевая пыль и пары, тепло |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Рекультивация селена
Сырьем для этого сегмента служат цилиндры ксерографического копирования и лом, образующийся при производстве селеновых выпрямителей. Повсюду может присутствовать селеновая пыль. При дистилляции и ретортной плавке могут образовываться дымовые газы и пыль. Ретортная плавка шумная. При рафинировании присутствуют туман двуокиси серы и кислотный туман. Металлическая пыль может образовываться в результате операций литья (см. таблицу 10).
Таблица 10. Инженерно-административный контроль селена по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Предварительная обработка лома |
Пыли |
Местный выхлоп |
Ретортная плавка |
Дымовые газы и пыль, шум |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция; СИЗ – средства защиты органов слуха; контроль шума горелки |
рафинирование |
SO2, кислотный туман |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — химические очки |
Перегонка |
Пыль и продукты горения |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
гашение |
Металлическая пыль |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Кастинг |
Селеновые пары |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Процессы рекультивации следующие:
Рекультивация кобальта
Источниками кобальтового лома являются шлифовка и точение жаропрочных сплавов, а также устаревшие или изношенные детали двигателей и лопатки турбин. Процессы рекультивации следующие:
См. в таблице 11 краткую информацию о воздействии и средствах контроля за утилизацией кобальта.
Таблица 11. Инженерно-административный контроль за кобальтом по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Ручная сортировка |
Пыли |
Промывка водой |
обезжиривание |
Растворители |
Рекуперация растворителя, местная вытяжка и замена растворителя |
взрывные работы |
Пыль — токсичность зависит от используемого песка. |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ для защиты от физической опасности и защиты органов дыхания в зависимости от используемого песка |
Процесс травления и химической обработки |
Кислотные туманы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция; СИЗ — средства защиты органов дыхания |
Вакуумная плавка |
Тяжелые металлы |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Кастинг |
зной |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Мелиорация олова
Основными источниками сырья являются обрезки луженой стали, отходы предприятий по производству консервных банок, бракованные рулоны гальванопокрытий в сталелитейной промышленности, оловянные окалины и шламы, окалины и шламы припоя, использованная бронза и отходы бронзы, а также металлолом. Оловянная пыль и кислотные туманы присутствуют во многих технологических процессах.
См. в таблице 12 краткую информацию о воздействии и средствах контроля за утилизацией олова.
Таблица 12. Инженерно-административный контроль олова по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Деалюминирование |
Едкий натр |
местная вытяжка; СИЗ — химические очки и/или лицевой щиток. |
Порционное смешивание |
Пыли |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция |
Химическое олово |
каустика |
местная вытяжная вентиляция; СИЗ — химические очки и/или лицевой щиток. |
Шлаковая плавка |
Пыль и жара |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция, режим труда и отдыха, жидкости |
Пылеудаление и фильтрация |
Пыли |
Местная вытяжная вентиляция, общедомовая вентиляция |
Отстой и листовая фильтрация |
Не идентифицировано |
Не идентифицировано |
Эвапоцентрифугирование |
Не идентифицировано |
Не идентифицировано |
Электролитическая очистка |
Кислотный туман |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция; СИЗ — химические очки и/или лицевой щиток. |
Подкисление и фильтрация |
Кислотные туманы |
Местная вытяжная вентиляция и общедомовая вентиляция; СИЗ — химические очки и/или лицевой щиток. |
Огневое рафинирование |
зной |
Режим труда/отдыха, СИЗ |
выплавка |
Дымовые газы, дым и пыль, тепло |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, режим труда и отдыха, СИЗ |
Обжиг |
Пыль, дым, жара |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, режим труда и отдыха, СИЗ |
Чайник рафинирования |
Пыль, дым, жара |
Местная вытяжная вентиляция и вентиляция помещений, режим труда и отдыха, СИЗ |
Регенерация титана
Двумя основными источниками титанового лома являются домашние хозяйства и потребители титана. Домашний лом, образующийся при фрезеровании и производстве изделий из титана, включает в себя отделочные листы, дощатый лист, обрезки, токарную обработку и сверление. Потребительский лом состоит из переработанных титановых изделий. Рекультивационные работы включают в себя:
Средства контроля за воздействием в процедурах регенерации титана перечислены в таблице 13.
Таблица 13. Инженерно-административный контроль титана по операциям
Оборудование для процесса |
Облучение |
Инженерно-административный контроль |
Обезжиривание растворителем |
растворитель |
Локальная регенерация выхлопных газов и растворителей |
маринование |
Кислоты |
Маски для лица, фартуки, длинные рукава, защитные очки или защитные очки |
Электролитическое |
Никто не известен |
Никто не известен |
выплавка |
Летучие металлы, шум |
Местная вытяжная вентиляция и контроль шума от горелок; СИЗ — средства защиты органов слуха |
Кастинг |
зной |
средства индивидуальной защиты |
Металлическая отделка
Поверхностная обработка металлов повышает их долговечность и улучшает внешний вид. Один продукт может подвергаться более чем одной обработке поверхности — например, панель кузова автомобиля может быть фосфатирована, загрунтована и окрашена. В этой статье рассматриваются процессы, используемые для обработки поверхности металлов, и методы, используемые для снижения их воздействия на окружающую среду.
Управление бизнесом по отделке металлов требует сотрудничества между руководством компании, сотрудниками, правительством и обществом, чтобы эффективно свести к минимуму воздействие операций на окружающую среду. Общество обеспокоено количеством и долгосрочными последствиями загрязнения, попадающего в воздушную, водную и наземную среду. Эффективное управление окружающей средой устанавливается благодаря детальным знаниям обо всех элементах, химических веществах, металлах, процессах и продуктах.
Планирование предотвращения загрязнения смещает философию экологического менеджмента с реагирования на проблемы на прогнозирование решений, ориентированных на замену химических веществ, изменение процессов и внутреннюю переработку, используя следующую последовательность планирования:
Непрерывное улучшение достигается путем установления новых приоритетов действий и повторения последовательности действий.
Подробная технологическая документация определит потоки отходов и позволит установить приоритеты для возможностей сокращения отходов. Информированные решения о возможных изменениях будут способствовать:
Основные процессы и стандартные операционные процессы
Уборка требуется, потому что все процессы отделки металлов требуют, чтобы обрабатываемые детали были свободны от органических и неорганических загрязнений, включая масла, окалину, полировальные и полирующие составы. Используются три основных типа чистящих средств: растворители, паровые обезжириватели и щелочные моющие средства.
Методы очистки растворителями и паровым обезжириванием почти полностью заменены щелочными материалами, где последующие процессы являются влажными. Растворители и паровые обезжириватели все еще используются там, где детали должны быть чистыми и сухими без дальнейшей влажной обработки. Растворители, такие как терпены, в некоторых случаях заменяют летучие растворители. Менее токсичные материалы, такие как 1,1,1-трихлорэтан, были заменены более опасными материалами при обезжиривании паром (хотя этот растворитель постепенно прекращается как озоноразрушающий).
Циклы щелочной очистки обычно включают замачивание в погружении, за которым следует анодная электроочистка, а затем погружение в слабую кислоту. Для очистки алюминия обычно используются нетравящие, несиликатные очистители. Кислоты обычно серная, соляная и азотная.
анодирование, электрохимический процесс для утолщения оксидной пленки на поверхности металла (часто применяемый к алюминию), обрабатывающий детали разбавленными растворами хромовой или серной кислоты.
Конверсионное покрытие используется в качестве основы для последующей окраски или пассивации для защиты от окисления. При хроматировании детали погружают в раствор шестивалентного хрома с активными органическими и неорганическими веществами. Для фосфатирования детали погружают в разбавленную фосфорную кислоту с другими реагентами. Пассивирование проводят погружением в азотную кислоту или азотную кислоту с бихроматом натрия.
Безэлектронное покрытие предполагает осаждение металла без электричества. Химическое осаждение меди или никеля используется при изготовлении печатных плат.
гальванопокрытие заключается в нанесении тонкого слоя металла (цинка, никеля, меди, хрома, кадмия, олова, латуни, бронзы, свинца, оловянно-свинцового сплава, золота, серебра и других металлов, таких как платина) на подложку (черную или цветную). железный). Технологические ванны включают растворы металлов в кислотных, щелочно-нейтральных и щелочно-цианидных составах (см. рис. 1).
Рисунок 1. Входы и выходы для типичной линии гальваники
Химическое фрезерование и травление представляют собой управляемые иммерсионные процессы растворения с использованием химических реагентов и травителей. Перед анодированием алюминий обычно протравливают каустиком или химически осветляют в растворе, который может содержать азотную, фосфорную и серную кислоты.
Покрытия методом горячего погружения предусматривают нанесение металла на заготовку погружением в расплавленный металл (цинковое или оловянное цинкование стали).
Надлежащая практика управления
Важные улучшения в области безопасности, охраны здоровья и окружающей среды могут быть достигнуты за счет усовершенствования процессов, таких как:
Экологическое планирование для конкретных отходов
Конкретные потоки отходов, обычно отработанные растворы для покрытия, можно уменьшить за счет:
Несколько методов уменьшения торможения включают в себя:
Драг-аут рекуперации химикатов использует различные технологии. К ним относятся:
Промыть водой
Большая часть опасных отходов, образующихся на предприятиях по отделке металлов, поступает из сточных вод, образующихся в результате операций промывки, следующих за очисткой и нанесением покрытия. Повышая эффективность полоскания, предприятие может значительно сократить поток сточных вод.
Две основные стратегии повышают эффективность полоскания. Во-первых, может возникнуть турбулентность между заготовкой и промывочной водой из-за струйной промывки и перемешивания промывочной воды. Движение стеллажа или принудительная вода или воздух используются. Во-вторых, время контакта между заготовкой и промывочной водой может быть увеличено. Несколько баков для полоскания, установленных последовательно, уменьшат количество используемой воды для полоскания.
Промышленные покрытия
Термин покрытия включает краски, лаки, лаки, эмали и шеллаки, замазки, наполнители и герметики для дерева, средства для удаления краски и лака, чистящие средства для малярных кистей и родственные лакокрасочные материалы. Жидкие покрытия содержат пигменты и добавки, диспергированные в смеси жидкого связующего и растворителя. Пигменты представляют собой неорганические или органические соединения, которые обеспечивают цвет покрытия и непрозрачность, а также влияют на текучесть и долговечность покрытия. Пигменты часто содержат тяжелые металлы, такие как кадмий, свинец, цинк, хром и кобальт. Связующее увеличивает клейкость покрытия, когезию и консистенцию и является основным компонентом, который остается на поверхности после нанесения покрытия. Связующие включают различные масла, смолы, каучуки и полимеры. Добавки, такие как наполнители и наполнители, могут быть добавлены к покрытиям для снижения производственных затрат и увеличения долговечности покрытия.
Типы органических растворителей, используемых в покрытиях, включают алифатические углеводороды, ароматические углеводороды, сложные эфиры, кетоны, гликолевые эфиры и спирты. Растворители диспергируют или растворяют связующие и уменьшают вязкость и толщину покрытия. Растворители, используемые в составах покрытий, опасны, потому что многие из них являются канцерогенами для человека, легко воспламеняются или взрывоопасны. Большинство растворителей, содержащихся в покрытии, испаряются при отверждении покрытия, что приводит к выбросу летучих органических соединений (ЛОС). Выбросы ЛОС становятся все более регулируемыми из-за негативного воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Экологические проблемы, связанные с традиционными ингредиентами, технологиями нанесения покрытий и отходами покрытий, являются движущей силой разработки альтернатив предотвращения загрязнения.
Большинство покрытий используются на архитектурных, промышленных или специальных изделиях. Архитектурные покрытия используются в зданиях и строительных изделиях, а также для декоративных и защитных услуг, таких как лаки для защиты древесины. Промышленные предприятия включают операции по нанесению покрытий в различные производственные процессы. Основными потребителями промышленных покрытий являются автомобилестроение, производство металлических банок, сельскохозяйственной техники, производство рулонных покрытий, производство деревянной и металлической мебели и приспособлений, а также производство бытовой техники.
Разработка рецептуры покрытия зависит от цели нанесения покрытия. Покрытия обеспечивают эстетику, а также защиту от коррозии и поверхности. Стоимость, функциональность, безопасность продукта, безопасность для окружающей среды, эффективность переноса и скорость высыхания и отверждения определяют рецептуры.
Процессы нанесения покрытий
Существует пять операций, включающих в себя большинство процессов нанесения покрытий: обработка и подготовка сырья, подготовка поверхности, нанесение покрытия, очистка оборудования и утилизация отходов.
Обработка и подготовка сырья
Обработка и подготовка сырья включает в себя хранение запасов, операции смешивания, разбавление и корректировку покрытий, а также перемещение сырья по объекту. Процедуры и методы контроля и обработки необходимы для сведения к минимуму образования отходов в результате порчи, несоответствия спецификации и неправильной подготовки, которые могут возникнуть в результате чрезмерного разбавления и последующих потерь. Перекачка, будь то ручная или через трубопроводную систему, должна быть запланирована, чтобы избежать порчи.
Подготовка поверхности
Тип используемой техники подготовки поверхности зависит от поверхности, на которую наносится покрытие, — от предшествующей подготовки, количества грунта, смазки, наносимого покрытия и требуемой отделки поверхности. Обычные подготовительные операции включают обезжиривание, предварительное покрытие или фосфатирование и удаление покрытия. В целях чистовой обработки металлов обезжиривание включает протирание растворителем, холодную очистку или обезжиривание паром с помощью галогенсодержащих растворителей, водно-щелочную очистку, полуводную очистку или очистку алифатическими углеводородами для удаления органических загрязнений, грязи, масла и жира. Кислотное травление, абразивная очистка или очистка пламенем используются для удаления прокатной окалины и ржавчины.
Наиболее распространенной операцией подготовки металлических поверхностей, помимо очистки, является фосфатирование, используемое для улучшения адгезии органических покрытий к металлическим поверхностям и замедления коррозии. Фосфатные покрытия наносят погружением или опрыскиванием металлических поверхностей раствором фосфата цинка, железа или марганца. Фосфатирование — это процесс отделки поверхности, аналогичный гальванике, состоящий из ряда химических и промывочных ванн, в которые погружаются детали для достижения желаемой подготовки поверхности. См. статью «Поверхностная обработка металлов» в этой главе.
Удаление покрытия, химическое или механическое, проводится с поверхностей, требующих повторного покрытия, ремонта или осмотра. Наиболее распространенным методом удаления химического покрытия является удаление растворителем. Эти растворы обычно содержат фенол, метиленхлорид и органическую кислоту для растворения покрытия с поверхности с покрытием. Окончательная промывка водой для удаления химикатов может привести к образованию большого количества сточных вод. Абразивоструйная очистка - это обычный механический процесс, сухая операция, в которой используется сжатый воздух для подачи абразива на поверхность для удаления покрытия.
Операции по подготовке поверхности влияют на количество отходов конкретного процесса подготовки. Если подготовка поверхности неадекватна, что приводит к плохому покрытию, то удаление покрытия и повторное покрытие увеличивают образование отходов.
Покрытие
Операция нанесения покрытия включает перенос покрытия на поверхность и отверждение покрытия на поверхности. Большинство технологий нанесения покрытий можно разделить на 1 из 5 основных категорий: покрытие окунанием, покрытие валиком, покрытие обливом, покрытие распылением и наиболее распространенный метод — напыление распылением воздухом с использованием покрытий на основе растворителей.
Нанесение покрытий с распылением воздухом обычно проводится в контролируемой среде из-за выбросов растворителей и избыточного распыления. Устройства контроля избыточного распыления представляют собой тканевые фильтры или водяные стены, образующие либо использованные фильтры, либо сточные воды из систем очистки воздуха.
Отверждение выполняется для превращения связующего покрытия в твердую, прочную, липкую поверхность. Механизмы отверждения включают: сушку, запекание или воздействие электронного луча, инфракрасного или ультрафиолетового света. При отверждении из покрытий на основе растворителей выделяется значительное количество летучих органических соединений, что может привести к взрыву, если концентрация растворителя превысит нижний предел взрываемости. Следовательно, операции по отверждению оснащены устройствами контроля загрязнения воздуха для предотвращения выбросов летучих органических соединений и контроля безопасности для предотвращения взрывов.
Забота об окружающей среде и здоровье, ужесточение правил, касающихся обычных составов покрытий, высокая стоимость растворителей и дорогостоящая утилизация опасных отходов создали спрос на альтернативные составы покрытий, которые содержат менее опасные компоненты и производят меньше отходов при нанесении. Альтернативные составы покрытия включают:
Очистка оборудования
Очистка оборудования является необходимой регулярной операцией технического обслуживания в процессах нанесения покрытий. Это создает значительное количество опасных отходов, особенно если для очистки используются галогенированные растворители. Очистка оборудования для покрытий на основе растворителей традиционно проводилась вручную с помощью органических растворителей для удаления покрытий с технологического оборудования. Трубопровод необходимо промывать растворителем партиями до тех пор, пока он не станет чистым. Оборудование для нанесения покрытий необходимо очищать между сменой продукта и после остановки процесса. Используемые процедуры и методы будут определять уровень отходов, образующихся в результате этих действий.
обращение с отходами
В процессе нанесения покрытия образуется несколько потоков отходов. К твердым отходам относятся пустые контейнеры для нанесения покрытий, шлам от избыточного распыления и очистки оборудования, отработанные фильтры и абразивные материалы, сухие покрытия и ветошь для очистки.
К жидким отходам относятся сточные воды, образующиеся при подготовке поверхности, борьбе с избыточным распылением или очистке оборудования, не соответствующие спецификации или излишки материалов для покрытия или подготовки поверхности, избыточное распыление, разливы и отработанные чистящие растворы. Замкнутая переработка на месте становится все более популярной для отработанных растворителей по мере роста затрат на утилизацию. Жидкости на водной основе обычно обрабатываются на месте перед сбросом в государственные системы очистки.
Выбросы летучих органических соединений образуются во всех обычных процессах нанесения покрытий, в которых используются покрытия на основе растворителей, требующие устройств контроля, таких как устройства для адсорбции углерода, конденсаторы или термические каталитические окислители.
Разнообразие процессов и продуктов в микроэлектронной и полупроводниковой промышленности огромно. Основное внимание в обсуждении вопросов охраны труда и техники безопасности в этой главе сосредоточено на производстве полупроводниковых интегральных схем (ИС) (как в продуктах на основе кремния, так и в соединениях с валентностью III-V), производстве печатных плат (PWB), печатных платах (PCB) сборка и сборка компьютеров.
Промышленность состоит из множества основных сегментов. Ассоциация электронной промышленности использует следующее разграничение в отчетных данных о соответствующих тенденциях, продажах и занятости в отрасли:
К электронным компонентам относятся электронные лампы (например, приемные, специальные и телевизионные), полупроводниковые изделия (например, транзисторы, диоды, ИС, светоизлучающие диоды (СИД) и жидкокристаллические дисплеи (ЖКД)) и пассивные и другие компоненты (например, конденсаторы, резисторы, катушки, трансформаторы и переключатели).
Бытовая электроника включает телевизоры и другие бытовые и портативные аудио- и видеоустройства, а также информационное оборудование, такое как персональные компьютеры, факсимильные аппараты и автоответчики. Электронное игровое оборудование и программное обеспечение, домашние системы безопасности, пустые аудио- и видеокассеты и дискеты, электронные аксессуары и общее количество первичных батарей также подпадают под категорию бытовой электроники.
В дополнение к компьютерам общего назначения и специализированным компьютерам, компьютеры и периферийное оборудование включают вспомогательное оборудование для хранения данных, оборудование ввода/вывода (например, клавиатуры, мыши, оптические сканирующие устройства и принтеры), терминалы и т.д. В то время как телекоммуникации, оборонная связь, промышленная и медицинская электроника используют одни и те же технологии, эти сегменты также включают специализированное оборудование.
Появление микроэлектронной промышленности оказало глубокое влияние на эволюцию и структуру мировой экономики. На темпы изменений в промышленно развитых странах мира большое влияние оказали достижения в этой отрасли, особенно в развитии интегральных схем. Этот темп изменений графически представлен на временной шкале количества транзисторов на микросхему интегральной схемы (см. рис. 1).
Рис. 1. Транзисторы на микросхему интегральной схемы
Экономическое значение мировых продаж полупроводников очень велико. На рис. 2 представлен прогноз Ассоциации полупроводниковой промышленности для мировых и региональных продаж полупроводников с 1993 по 1998 год.
Рисунок 2. Прогноз мировых продаж полупроводников
Отрасли производства полупроводниковых интегральных схем и сборки компьютеров/электроники уникальны по сравнению с большинством других категорий отраслей по относительному составу производственной рабочей силы. На участке производства полупроводников высок процент женщин-операторов, управляющих технологическим оборудованием. Задачи, связанные с оператором, обычно не требуют подъема тяжестей или чрезмерной физической силы. Кроме того, многие рабочие задачи требуют мелкой моторики и внимания к деталям. Работники-мужчины преобладают в задачах, связанных с техническим обслуживанием, инженерными функциями и управлением. Аналогичный состав встречается в части сборки компьютеров / электроники в этом сегменте промышленности. Другой необычной особенностью этой отрасли является концентрация производства в Азиатско-Тихоокеанском регионе мира. Это особенно верно в окончательная сборка or Админцетр процессы в полупроводниковой промышленности. Эта обработка включает позиционирование и размещение изготовленного чипа интегральной схемы (технически известного как кристалл) на держателе чипа и выводной рамке. Эта обработка требует точного позиционирования чипа, как правило, с помощью микроскопа, и очень мелкой моторики. Опять же, в этой части процесса преобладают женщины, при этом большая часть мирового производства сосредоточена в Тихоокеанском регионе, с высокой концентрацией на Тайване, Малайзии, Таиланде, Индонезии и Филиппинах и растущим числом в Китае и Вьетнаме.
Области производства полупроводниковых ИС обладают различными необычными свойствами и характеристиками, уникальными для этой отрасли. А именно, обработка IC включает чрезвычайно строгие режимы и требования контроля твердых частиц. Типичное современное производственное помещение ИС может быть оценено как чистое помещение класса 1 или ниже. Для сравнения, внешняя среда будет выше класса 500,000 100,000; типичная комната в доме примерно 10,000 XNUMX класса; и участок внутренней сборки полупроводников примерно класса XNUMX XNUMX. Чтобы достичь такого уровня контроля над твердыми частицами, нужно фактически поместить рабочего в полностью закрытое помещение. кролик костюмы которые имеют системы подачи и фильтрации воздуха для контроля уровня твердых частиц, создаваемых рабочими в производственной зоне. Люди, обитающие в производственных зонах, считаются очень мощными генераторами мелких частиц из выдыхаемого воздуха, сброшенной кожи и волос, а также из их одежды и обуви. Это требование носить тесную одежду и изолировать рабочие будни способствовало тому, что сотрудники чувствовали, что работают в «негостеприимной» рабочей среде. См. рис. 3. Кроме того, в области фотолитографии обработка включает воздействие на пластину фотоактивного раствора, а затем нанесение изображения на поверхность пластины с использованием ультрафиолетового света. Чтобы уменьшить нежелательный ультрафиолетовый (УФ) свет из этой области обработки, используются специальные желтые лампы (в них отсутствует составляющая длины волны УФ, обычно присутствующая в освещении внутри помещений). Эти желтые огни помогают работникам почувствовать, что они находятся в другой рабочей среде, и могут дезориентировать некоторых людей.
Рисунок 3. Современная чистая комната
Обзор процесса
Описание обработки кремниевых полупроводниковых устройств, либо дискретных устройств (полупроводник, содержащий только одно активное устройство, такое как транзистор), либо ИС (взаимосвязанные массивы активных и пассивных элементов на одной полупроводниковой подложке, способные выполнять по крайней мере одну функцию электронной схемы) , включает в себя множество узкоспециализированных и специфических операций. Цель этого описания состоит в том, чтобы предоставить базовую структуру и объяснить этапы основных компонентов, используемые при изготовлении кремниевого полупроводникового устройства, и связанные с этим вопросы охраны окружающей среды, здоровья и безопасности (EHS).
Изготовление ИС включает в себя последовательность процессов, которые могут повторяться много раз, прежде чем схема будет завершена. Наиболее популярные ИС используют 6 или более масок для выполнения процессов формирования паттернов, обычно от 10 до 24 масок. Изготовление микросхемы начинается с кремниевой пластины сверхвысокой чистоты диаметром от 4 до 12 дюймов. Идеально чистый кремний является почти изолятором, но некоторые примеси, называемые легирующие примеси, добавленные в количестве от 10 до 100 частей на миллион, заставляют кремний проводить электричество.
Интегральная схема может состоять из миллионов транзисторов (а также диодов, резисторов и конденсаторов), сделанных из легированного кремния, и все они соединены соответствующей схемой проводников для создания компьютерной логики, памяти или другого типа схемы. На одной пластине можно сделать сотни микросхем.
Шесть основных этапов обработки являются универсальными для всех кремниевых полупроводниковых устройств: окисление, литография, травление, легирование, химическое осаждение из паровой фазы и металлизация. Далее следуют сборка, тестирование, маркировка, упаковка и отгрузка.
Окисление
Как правило, первый этап обработки полупроводниковых устройств включает окисление внешней поверхности пластины для выращивания тонкого слоя (около одного микрона) диоксида кремния (SiO2). Это в первую очередь защищает поверхность от загрязнений и служит маской для последующего процесса диффузии. Эта способность выращивать химически стабильную защитную пластину диоксида кремния на кремнии делает кремниевые пластины наиболее широко используемой полупроводниковой подложкой.
Окисление, обычно называемое термическим окислением, представляет собой периодический процесс, происходящий в высокотемпературной диффузионной печи. Защитный слой диоксида кремния выращивают в атмосфере, содержащей либо кислород ( O2) (сухое окисление) или кислород в сочетании с водяным паром ( H2О) (мокрое окисление). Температура в печи колеблется от 800 до 1,300oC. Соединения хлора в форме хлористого водорода (HCl) также могут быть добавлены для контроля нежелательных примесей.
На новых производственных объектах наблюдается тенденция к использованию вертикальных печей для окисления. Вертикальные печи лучше удовлетворяют потребность в большем контроле загрязнения, большем размере пластин и более равномерной обработке. Они позволяют уменьшить занимаемую площадь оборудования, что экономит драгоценную площадь чистых помещений.
Сухое окисление
Кремниевые пластины, подлежащие окислению, сначала очищают с использованием моющего средства и водного раствора, а затем промывают растворителем с ксилолом, изопропиловым спиртом или другими растворителями. Очищенные пластины высушивают, загружают в держатель кварцевых пластин, называемый лодка и загружается в конец оператора (конец нагрузки) трубы или ячейки кварцевой диффузионной печи. Входной конец трубы (исходный конец) подает кислород высокой чистоты или кислородно-азотную смесь. Поток «сухого» кислорода в кварцевую трубку контролируется и гарантирует наличие избытка кислорода для роста диоксида кремния на поверхности кремниевой пластины. Основная химическая реакция:
Si + О2 → SiO2
Мокрое окисление
Когда вода является окислителем, обычно используются четыре метода введения водяного пара: пирофорный, высокого давления, барботер и мгновенное испарение. К основным химическим реакциям относятся:
Пирофорный и высокого давления: Si + 2O2 + 2H2 → SiO2 + 2H2O
Вспышка и барботер: Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
Пирофорное окисление включает в себя введение и сжигание газообразной смеси водорода и кислорода. Такие системы обычно называют сгоревший водород or факел системы. Водяной пар образуется, когда на входной конец трубки вводят надлежащее количество водорода и кислорода и дают им вступить в реакцию. Смесь необходимо точно контролировать, чтобы гарантировать правильное сгорание и предотвратить накопление взрывоопасного газообразного водорода.
Окисление под высоким давлением (HiPox) технически называется системой пиросинтеза воды и генерирует водяной пар в результате реакции сверхчистого водорода и кислорода. Затем пар закачивается в камеру высокого давления и сжимается до 10 атмосфер, что ускоряет процесс влажного окисления. Деионизированная вода также может использоваться в качестве источника пара.
In барботерное окисление деионизированную воду помещают в емкость, называемую фонтанчик для питья и поддерживается при постоянной температуре ниже его точки кипения 100°C за счет использования колбонагревателя. Газообразный азот или кислород поступает на вход барботера, насыщается водяным паром по мере подъема через воду и выходит через выход в диффузионную печь. Барботажные системы, по-видимому, являются наиболее широко используемым методом окисления.
In мгновенное окисление Деионизированная вода непрерывно капает на нагретую нижнюю поверхность кварцевого контейнера, и вода быстро испаряется, когда попадает на горячую поверхность. Азот или кислородный газ-носитель течет над испаряющейся водой и переносит водяной пар в диффузионную печь.
литография
Литография, также известная как фотолитография или просто маскирование, представляет собой метод точного формирования рисунков на оксидированной пластине. Микроэлектронная схема строится слой за слоем, каждый слой получает рисунок из маски, заданной в схеме.
Полиграфия создала настоящих предшественников современных процессов микропроизводства полупроводниковых устройств. Эти разработки относятся к изготовлению печатных форм, обычно металлических, на которых при удалении материала химическим травлением образуется рельефный рисунок поверхности. Этот же базовый метод используется при производстве мастера маски используется при изготовлении каждого слоя обработки устройства.
Разработчики схем оцифровывают основные схемы каждого уровня. Эта компьютеризированная схема позволяет быстро генерировать схему маски и облегчает любые необходимые изменения. Этот метод известен как автоматизированное проектирование (САПР). Используя мощные компьютерные алгоритмы, эти онлайн-системы проектирования позволяют разработчику размещать и изменять схемы непосредственно на экранах видеодисплеев с интерактивными графическими возможностями.
Окончательный рисунок или маска для каждого слоя схемы создается управляемым компьютером фотоплоттером или генератором шаблонов. Затем эти фоточертежи уменьшаются до фактического размера схемы, эталонная маска изготавливается на стекле с хромированным рельефом и воспроизводится на рабочей пластине, которая служит либо для контактной, либо для проекционной печати на пластине.
Эти маски очерчивают рисунок проводящих и изолирующих областей, которые переносятся на пластину с помощью фотолитографии. Большинство компаний не производят свои собственные маски, а используют маски, предоставленные производителем масок.
Уборка
Необходимость в том, чтобы внешняя поверхность пластины не содержала твердых частиц и загрязнений, требует частой очистки. Основные категории:
Сопротивление приложению
Пластины покрыты резистивным материалом из полимера на основе растворителя и быстро вращаются на прядильщик, который ложится тонким равномерным слоем. Затем растворители испаряются, оставляя полимерную пленку. Все резистивные материалы зависят от изменений растворимости синтетического органического полимера в выбранной промывочной жидкости проявителя, вызванных излучением (в первую очередь ультрафиолетовым). Материалы резиста классифицируются как отрицательные или положительные резисты, в зависимости от того, снижается ли растворимость в проявителе (отрицательный) или увеличивается (положительный) при воздействии радиации. В таблице 1 указан состав компонентов различных систем фоторезистов.
Таблица 1. Фоторезистивные системы
Ультрафиолетовый |
|||
Ближний (350–450 нм) |
Отрицательный |
PB |
Алифатический каучук на основе азида (изопрен) |
Положительный |
PB |
Орто-диазокетон |
|
Глубокий (200–250 нм) |
В первую очередь |
||
Электронно-лучевой (около 100 нм) |
|||
Отрицательный |
PB |
Сополимер-этилакрилат и глицидилметакрилат (COP) |
|
Положительный |
PB |
Полиметилметакрилат, полифторалкилметакрилат, полиалкилальдегид, полицианоэтилакрилат |
|
Рентгеновский (0.5–5 нм) |
|||
Отрицательный |
PB |
Сополимер-этилакрилат и глицидилметакрилат (COP) |
|
Положительный |
PB |
Полиметилметакрилат, орто-диазокетон, поли |
ПБ = полимерная основа; S = растворитель; Д = разработчик.
Поскольку большинство фоторезистов чувствительны к ультрафиолетовому (УФ) излучению, область обработки освещается специальным желтым светом, в котором отсутствуют чувствительные длины волн УФ (см. рис. 1).
Рис. 1. Фотолитографическое оборудование «Желтая комната»
Негативные и позитивные УФ-резисты в основном используются в промышленности. Однако электронно-лучевые и рентгеновские резисты завоевывают долю рынка благодаря более высокому разрешению. Проблемы со здоровьем при литографии в первую очередь вызваны потенциальными опасностями для репродуктивной системы, связанными с отдельными положительными резистами (например, ацетатом моноэтилового эфира этиленгликоля в качестве носителя), которые в настоящее время постепенно выводятся из употребления в промышленности. Периодические запахи негативных резистов (например, ксилола) также вызывают беспокойство у сотрудников. Из-за этих опасений промышленные гигиенисты полупроводниковой промышленности тратят много времени на отбор проб фоторезистов. Хотя это полезно для характеристики этих операций, обычное воздействие во время работы центрифуги и проявителя обычно составляет менее 5% от стандартов профессионального воздействия растворителей, используемых в процессе, в воздухе (Scarpace et al. 1989).
Было обнаружено 1-часовое воздействие ацетата моноэтилового эфира этиленгликоля с концентрацией 6.3 частей на миллион во время работы вращающейся системы. Это воздействие было в первую очередь вызвано неправильным выполнением работ при техническом обслуживании (Болдуин, Рубин и Горовиц, 1993 г.).
Сушка и предварительная выпечка
После нанесения резиста пластины перемещаются по направляющей или вручную перемещаются из центрифуги в печь с регулируемой температурой в атмосфере азота. Умеренная температура (от 70 до 90°C) вызывает отверждение фоторезиста (мягкое спекание) и испарение оставшихся растворителей.
Для обеспечения адгезии слоя резиста к пластине на пластину наносится грунтовка гексаметилдисилизан (ГМДС). Праймер связывает молекулярную воду на поверхности пластины. ГМДС применяется либо непосредственно в процессе погружения или навинчивания, либо с помощью паровой заливки, что обеспечивает технологические и экономические преимущества по сравнению с другими методами.
Выравнивание маски и экспозиция
Маска и пластина сближаются с помощью точного оптического/механического оборудования, и изображение на маске выравнивается по любому рисунку, уже существующему на пластине под слоем фоторезиста. Для первой маски выравнивание не требуется. В более старых технологиях выравнивание последовательных слоев стало возможным за счет использования бископа (микроскопа с двумя объективами) и точного контроля позиционирования пластины по отношению к маске. В более новых технологиях выравнивание выполняется автоматически с использованием контрольных точек на пластинах.
После того, как выравнивание выполнено, высокоинтенсивный ультрафиолетовый источник паров ртути или дуговой лампы освещает маску, обнажая резист в местах, не защищенных непрозрачными областями маски.
Различные методы выравнивания и экспонирования пластин включают экспонирование УФ-излучением (контактное или близкое), УФ-облучение через проекционную линзу для уменьшения (проекция), воздействие УФ-пошаговым и повторным уменьшением (проекция), рентгеновское излучение (близкое) и сканирование электронным лучом. экспозиция (прямое письмо). Основной используемый метод включает воздействие УФ-излучением от паров ртути и дуговых ламп через бесконтактные или проекционные выравниватели. УФ-резисты либо предназначены для реакции на широкий спектр длин волн УФ-излучения, либо их рецептура предназначена для реакции преимущественно на одну или несколько основных линий спектра, излучаемых лампой (например, g-линия при 435 нм, h-линия при 405 нм и i-линия при 365 нм).
Преобладающие длины волн УФ-света, используемые в настоящее время для фотомаскирования, составляют 365 нм или выше, но спектры УФ-лампы также содержат значительную энергию в области длин волн, представляющей опасность для здоровья, актиничной области ниже 315 нм. Обычно интенсивность УФ-излучения, выходящего из оборудования, меньше, чем интенсивность солнечного излучения в актиничной области и нормы, установленные для профессионального воздействия УФ-излучения.
Иногда во время технического обслуживания для юстировки УФ-лампы требуется, чтобы она была запитана вне шкафа с оборудованием или без обычных защитных фильтров. Уровни воздействия во время этой операции могут превышать пределы воздействия на рабочем месте, но стандартная одежда для чистых помещений (например, халаты, виниловые перчатки, лицевые маски и защитные очки из поликарбоната с УФ-ингибитором) обычно достаточна для ослабления УФ-излучения до значений ниже пределов воздействия (Болдуин и Стюарт, 1989 г.). ).
В то время как преобладающие длины волн для ультрафиолетовых ламп, используемых в фотолитографии, составляют 365 нм или выше, поиск более мелких функций в усовершенствованных ИС приводит к использованию источников облучения с меньшими длинами волн, таких как глубокое УФ и рентгеновское излучение. Одной из новых технологий для этой цели является использование эксимерных лазеров на фториде криптона, используемых в шаговых двигателях. Эти степперы используют длину волны 248 нм с высокой выходной мощностью лазера. Однако корпуса для этих систем удерживают балку при нормальной работе.
Как и в случае с другим оборудованием, содержащим мощные лазерные системы, используемые в производстве полупроводников, основная проблема заключается в том, что блокировки системы должны быть отключены во время выравнивания луча. Мощные лазеры также представляют собой одну из наиболее значительных электрических опасностей в полупроводниковой промышленности. Даже после отключения питания внутри инструмента существует значительный потенциал удара. Элементы управления и соображения безопасности для этих систем рассматриваются Эшером, Уэзерсом и Лабонвиллем (1993).
Одним из передовых источников излучения, используемых в литографии, является рентгеновское излучение. Уровни излучения от источников рентгеновской литографии могут привести к мощности дозы, приближающейся к 50 миллизивертам (5 бэр) в год в центре оборудования. Для минимизации воздействия рекомендуется ограничить доступ к участкам внутри экранированной стены (Rooney and Leavey 1989).
Развивающийся
На этапе проявления неполимеризованные участки резиста растворяются и удаляются. Проявитель на основе растворителя наносится на поверхность пластины, покрытой резистом, путем погружения, распыления или распыления. Растворы-проявители указаны в таблице 1. Промывка растворителем (n-бутилацетат, изопропиловый спирт, ацетон и т. д.) обычно наносят после проявителя для удаления любого остаточного материала. Оставшийся после проявления резист защищает отдельные слои при последующей обработке.
Выпекание
После выравнивания, экспонирования и проявления резиста пластины затем перемещаются в другую печь с регулируемой температурой в атмосфере азота. В печи с более высокой температурой (от 120 до 135°C) фоторезист отвердевает и полностью полимеризуется на поверхности пластины (запекание).
Снятие фоторезиста
Затем проявленная пластина выборочно травится с использованием влажных или сухих химикатов (см. «Травление» ниже). Оставшийся фоторезист необходимо удалить с пластины перед дальнейшей обработкой. Это делается либо с помощью влажных химических растворов в ваннах с регулируемой температурой, либо с помощью плазменного озолителя или сухого химиката. В таблице 2 указаны как влажные, так и сухие химические компоненты. Далее следует обсуждение сухого химического плазменного травления с использованием того же оборудования и принципов работы, что и при плазменном озолении.
Таблица 2. Инструмент для удаления фоторезиста
Мокрая химия
Кислота
Серная (H2SO4) и хромовые (CrO3)
Серная (H2SO4) и персульфат аммония ((NH4)2S2O8)
Серная (H2SO4) и перекись водорода (H2O2)
Organics
Фенолы, серная кислота, трихлорбензол, перхлорэтилен
Эфиры гликоля, этаноламин, триэтаноламин
Гидроксид натрия и силикаты (положительный резист)
Сухой химический
Плазменное озоление (зачистка)
ВЧ (радиочастотный) источник питания — частота 13.56 МГц или 2,450 МГц.
Кислород (O2) исходный газ
Вакуумные насосные системы
—Масляная смазка с ловушкой жидким азотом (старая технология)
— Смазка инертными перфторполиэфирными жидкостями (более новая технология)
— Сухой насос (новейшая технология)
Этчинг
Травление удаляет слои диоксида кремния (SiO2), металлы и поликремний, а также резисты в соответствии с желаемыми рисунками, очерченными резистом. Двумя основными категориями травления являются влажное и сухое химическое травление. Преимущественно используется влажное травление, включающее растворы, содержащие травители (обычно смесь кислот) нужной концентрации, которые вступают в реакцию с удаляемыми материалами. Сухое травление предполагает использование реактивных газов под вакуумом в камере с высоким напряжением, что также удаляет желаемые слои, не защищенные резистом.
Мокрая химия
Растворы для влажного химического травления размещаются в травильных ваннах с регулируемой температурой, изготовленных из полипропилена (полипро), огнестойкого полипропилена (FRPP) или поливинилхлорида (ПВХ). Ванны, как правило, оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией кольцевого типа или щелевой вытяжкой в задней части станции влажного химического травления. Вертикальные вытяжки с ламинарным потоком подают равномерно отфильтрованный воздух, не содержащий твердых частиц, на верхнюю поверхность травильных ванн. Обычные химические растворы для влажного травления представлены в таблице 3 в зависимости от протравливаемого поверхностного слоя.
Таблица 3. Мокрые химические травители
Материал для травления |
травители |
|
кремний |
||
Поликристаллический кремний (Si) |
Плавиковая, азотная, уксусная кислоты и йод |
|
Диоксид кремния (SiO2) |
Травление буферным оксидом (BOE) - фтористоводородная и |
|
Нитрид кремния (Si3N4) |
Фосфорная и плавиковая кислоты |
|
Оксид CVD или травление тампоном |
Фторид аммония, уксусная и плавиковая кислоты |
|
Драгоценные металлы |
||
Алюминий (Al) |
Фосфорная, азотная, уксусная и соляная кислоты |
|
Хромоникелевый сплав (Cr/Ni) |
Церико-аммиачная селитра и азотная кислота |
|
Золото (Au) |
Соляная и азотная кислоты (царская водка) |
|
Серебро (Ag) |
Нитрат железа (FeNO3) и этиленгликоль |
|
Соединение |
Формула |
Стандартная концентрация (%) |
Уксусная кислота |
CH3СООН |
36 |
Фторид аммония |
NH4F |
40 |
Ледяная уксусная кислота |
CH3СООН |
99.5 |
соляная кислота |
HCl |
36 |
Плавиковая кислота |
HF |
49 |
Азотная кислота |
HNO3 |
67 |
Фосфорная кислота |
H3PO4 |
85 |
Гидроксид калия |
KOH |
50 или 10 |
Едкий натр |
NaOH |
50 или 10 |
Серная кислота |
H2SO4 |
96 |
Вертикально установленные колпаки подачи потока при использовании в сочетании с брызгозащитными экранами и вытяжной вентиляцией могут создавать зоны турбулентности воздуха внутри станции влажного химического травления. В результате возможно снижение эффективности местной вытяжной вентиляции по улавливанию и отводу летучих загрязнителей воздуха из находящихся в эксплуатации ванн травления.
Основной проблемой при влажном травлении является возможность контакта кожи с концентрированными кислотами. Хотя все кислоты, используемые при травлении, могут вызывать кислотные ожоги, воздействие плавиковой кислоты (HF) вызывает особую озабоченность. Задержка между контактом с кожей и болью (до 24 часов для растворов с содержанием HF менее 20 % и от 1 до 8 часов для растворов с содержанием HF от 20 до 50 %) может привести к задержке лечения и более серьезным ожогам, чем ожидалось (Hathaway et al., 1991). .
Исторически кислотные ожоги были особой проблемой в отрасли. Однако в последние годы количество случаев контакта кожи с кислотами сократилось. Частично это снижение было вызвано улучшениями в процессе травления, связанными с продуктом, такими как переход на сухое травление, использование большего количества робототехники и установка систем дозирования химикатов. Снижение частоты кислотных ожогов также может быть связано с лучшими методами обработки, более широким использованием средств индивидуальной защиты, более продуманными мокрыми палубами и лучшим обучением — все это требует постоянного внимания, если уровень будет снижаться еще больше (Болдуин и Уильямс, 1996 г.). ).
Сухой химический
Сухое химическое травление представляет собой область растущего интереса и использования из-за его способности лучше контролировать процесс травления и снижать уровень загрязнения. Сухая химическая обработка эффективно травит желаемые слои за счет использования химически активных газов или физической бомбардировки.
Были разработаны химически реактивные системы плазменного травления, которые могут эффективно травить кремний, диоксид кремния, нитрид кремния, алюминий, тантал, соединения тантала, хром, вольфрам, золото и стекло. Используются два типа систем реакторов плазменного травления: бочкообразные, или цилиндрические, и плоскопараллельные, или плоские. Оба работают по одним и тем же принципам и в основном различаются только конфигурацией.
Плазма похожа на газ, за исключением того, что некоторые атомы или молекулы плазмы ионизированы и могут содержать значительное количество свободных радикалов. Типичный реактор состоит из камеры вакуумного реактора, содержащей пластину, обычно изготовленную из алюминия, стекла или кварца; источник радиочастотной (РЧ) энергии - обычно на частоте 450 кГц, 13.56 МГц или 40.5 МГц и модуль управления для контроля времени обработки, состава газа-реагента, расхода газа и уровня мощности РЧ. Кроме того, источник вакуума форвакуумного насоса с масляной смазкой (более старая технология) или сухим (более новая технология) находится на одной линии с камерой реактора. Пластины загружаются в реактор по отдельности или в кассетах, насос откачивает камеру и вводится газ-реагент (обычно четырехфтористый углерод). При ионизации газа образуется плазма травления, которая вступает в реакцию с пластинами с образованием летучих продуктов, которые откачиваются. Введение свежего газа-реагента в камеру поддерживает активность травления. В таблице 4 указаны материалы и плазмообразующие газы, используемые для травления различных слоев.
Таблица 4. Газы плазменного травления и травящиеся материалы
Материалы |
Газовый |
кремний |
|
Поликремний (polySi) и кремний |
CF + О2, ККл4 или CF3Кл, CF4 и HCl |
Диоксид кремния (SiO2) |
C2F6, C3F8, КФ4, СиФ4, C5F12, швейцарских франков3, ККл2F2, СФ6, ВЧ |
Нитрид кремния (Si3N4) |
CF4 + Ар, КФ4 + О2, КФ4 + H2 |
Драгоценные металлы |
|
Алюминий (Al) |
CCl4 или BCl3 + Он или Ар |
Хром (Cr) |
CCl4 |
Оксид хрома (CrO3) |
Cl2 + Ar или CCl4 + Ар |
Арсенид галлия (GaAs) |
CCl2F2 |
Ванадий (V) |
CF4 |
Титан (Ti) |
CF4 |
Тантулум (Та) |
CF4 |
Молибден (Мо) |
CF4 |
Вольфрам (Вт) |
CF4 |
Другой метод, который в настоящее время разрабатывается для травления, - это микроволновая обработка. Он использует микроволновый разряд высокой плотности для создания метастабильных атомов с длительным временем жизни, которые травят материал почти так, как если бы он был погружен в кислоту.
Процессы физического травления аналогичны пескоструйной очистке в том смысле, что атомы аргона используются для физической бомбардировки слоя, подлежащего травлению. Для удаления смещенного материала используется вакуумная насосная система. Реактивное ионное травление включает комбинацию химического и физического сухого травления.
Процесс распыления представляет собой процесс ионного удара и передачи энергии. Травление распылением включает систему распыления, в которой пластина, подлежащая травлению, прикрепляется к отрицательному электроду или мишени в цепи тлеющего разряда. Материал вылетает из пластины при бомбардировке положительными ионами, обычно аргоном, что приводит к дислокации поверхностных атомов. Питание обеспечивается источником ВЧ на частоте 450 кГц. Встроенная вакуумная система используется для контроля давления и удаления реагентов.
Ионно-лучевое травление и фрезерование — это щадящий процесс травления, в котором используется пучок низкоэнергетических ионов. Ионно-лучевая система состоит из источника для генерации ионного пучка, рабочей камеры, в которой происходит травление или фрезерование, приспособления с мишенью для удержания пластин в ионном пучке, системы вакуумного насоса, поддерживающей электроники и инструментов. Ионный пучок извлекается из ионизированного газа (аргона или аргона/кислорода) или плазмы, создаваемой электрическим разрядом. Разряд получают приложением напряжения между термокатодом, излучающим электроны, и анодным цилиндром, расположенным во внешнем диаметре области разряда.
Ионно-лучевое измельчение осуществляется в низкоэнергетическом диапазоне ионной бомбардировки, когда происходят только поверхностные взаимодействия. Эти ионы, обычно в диапазоне от 500 до 1,000 эВ, поражают цель и брызгать слюной поверхностных атомов, разрушая силы, связывающие атом с его соседом. Ионно-лучевое травление выполняется в несколько более высоком диапазоне энергий, что связано с более резким смещением поверхностных атомов.
Реактивное ионное травление (РИТ) представляет собой комбинацию физического распыления и химического травления реактивных частиц при низких давлениях. RIE использует ионную бомбардировку для достижения направленного травления, а также химически активный газ, четырехфтористый углерод (CF4) или четыреххлористый углерод (CCl4), чтобы поддерживать хорошую селективность травленого слоя. Пластину помещают в камеру с атмосферой химически активного газового соединения при низком давлении около 0.1 торр (1.3 х 10-4 атмосфера). Электрический разряд создает плазму реактивных «свободных радикалов» (ионов) с энергией в несколько сотен электрон-вольт. Ионы ударяются о поверхность пластины вертикально, где они вступают в реакцию с образованием летучих частиц, которые удаляются встроенной вакуумной системой низкого давления.
У машин для сухого травления иногда есть цикл очистки, который используется для удаления отложений, скапливающихся внутри реакционных камер. Исходные соединения, используемые для плазмы цикла очистки, включают трифторид азота (NF3), гексафторэтан (C2F6) и октафторпропан ( C3F8).
Эти три газа, используемые в процессе очистки, и многие газы, используемые в травлении, являются краеугольным камнем экологической проблемы, стоящей перед полупроводниковой промышленностью, которая возникла в середине 1990-х годов. Было установлено, что несколько высокофторированных газов обладают значительным потенциалом глобального потепления (или парникового эффекта). (Эти газы также называются ПФУ, перфторированные соединения.) Длительное время жизни в атмосфере, высокий потенциал глобального потепления и значительное увеличение использования ПФУ, таких как NF.3, C2F6, C3F8, КФ4, трифторметан (CHF3) и гексафторид серы (SF6) заставили полупроводниковую промышленность сосредоточиться на способах сокращения выбросов.
Выбросы в атмосферу ПФУ в полупроводниковой промышленности связаны с низкой эффективностью инструментов (многие инструменты потребляют только от 10 до 40% используемого газа) и неадекватным оборудованием для снижения выбросов в атмосферу. Мокрые скрубберы неэффективны для удаления ПФУ, и испытания многих установок для сжигания показали низкую эффективность удаления некоторых газов, особенно CF.4. Многие из этих установок сгорания вышли из строя C2F6 и C3F8 в CF4. Кроме того, высокая стоимость владения этими средствами борьбы с выбросами, потребляемая ими мощность, выделение ими других газов, вызывающих глобальное потепление, и побочных продуктов их сгорания опасных загрязнителей воздуха указывают на то, что борьба со сжиганием не является подходящим методом для контроля выбросов ПФУ.
Повышение эффективности технологических инструментов, выявление и разработка более экологически чистых альтернатив этим газам сухого травления, а также рекуперация/рециркуляция выхлопных газов — вот основные экологические задачи, связанные с установками для сухого травления.
Основное внимание в области гигиены труда для машин для сухого травления уделялось потенциальному воздействию на обслуживающий персонал, работающий с реакционными камерами, насосами и другим сопутствующим оборудованием, которое может содержать остатки продуктов реакции. Сложность плазменных травильных машин и сложность характеристики запахов, связанных с их обслуживанием, сделали их предметом многих исследований.
Продукты реакции, образующиеся в плазменных травителях металлов, представляют собой сложную смесь хлорированных и фторированных соединений. Техническое обслуживание травильных станков по металлу часто связано с кратковременными операциями, которые вызывают сильный запах. Было обнаружено, что гексахлорэтан является основной причиной появления запаха в одном типе травильных установок для алюминия (Helb et al., 1983). В другом случае главной проблемой был хлорид циана: уровни воздействия в 11 раз превышали предел воздействия на рабочем месте 0.3 ppm (Baldwin 1985). В других типах травителей хлористый водород вызывает запах; максимальное измеренное воздействие составило 68 частей на миллион (Балдуин, Рубин и Горовиц, 1993). Дополнительную информацию по этому вопросу см. в Mueller and Kunesh (1989).
Сложность химического состава выхлопных газов установок для травления металлов побудила исследователей разработать экспериментальные методы изучения токсичности этих смесей (Bauer et al. 1992a). Применение этих методов в исследованиях на грызунах указывает на то, что некоторые из этих химических смесей предположительно являются мутагенами (Bauer et al. 1992b) и предполагаемыми репродуктивными токсинами (Schmidt et al. 1995).
Поскольку установки для сухого травления работают как закрытые системы, химическое воздействие на операторов оборудования обычно не происходит, пока система закрыта. Единственным редким исключением является случай, когда цикл продувки старых травильных установок периодического действия недостаточно длинный для надлежащего удаления травильных газов. Сообщалось о кратковременном, но раздражающем воздействии соединений фтора, уровень которых ниже предела обнаружения для типичных процедур контроля промышленной гигиены, когда дверцы этих травильных установок были открыты. Обычно это можно исправить, просто увеличив продолжительность цикла продувки перед открытием дверцы камеры травления.
Основная опасность воздействия радиочастотной энергии на оператора возникает во время плазменного травления и озоления (Cohen 1986; Jones 1988). Как правило, утечка радиочастотной энергии может быть вызвана:
Радиочастотное облучение также может происходить во время технического обслуживания травильных станков, особенно если шкаф с оборудованием был снят. Экспозиция 12.9 мВт/см2 был найден в верхней части старой модели плазменного травителя со снятой крышкой для обслуживания (Horowitz 1992). Фактическая утечка радиочастотного излучения в зоне, где стоит оператор, обычно не превышала 4.9 мВт/см.2.
легирование
Формирование электрического соединения или границы между p и n областей в монокристаллической кремниевой пластине является важным элементом для функционирования всех полупроводниковых устройств. Соединения позволяют току течь в одном направлении гораздо легче, чем в другом. Они обеспечивают основу для диодных и транзисторных эффектов во всех полупроводниках. В интегральной схеме контролируемое количество элементарных примесей или примесей должно быть введено в выбранные протравленные области кремниевой подложки или пластины. Это можно сделать методами диффузии или ионной имплантации. Независимо от используемой технологии одни и те же типы или примеси используются для производства полупроводниковых переходов. В таблице 5 указаны основные компоненты, используемые для легирования, их физическое состояние, электрический тип (p or n) и основной используемый метод соединения - диффузионная или ионная имплантация.
Таблица 5. Добавки для формирования переходов при диффузии и ионной имплантации
Элемент |
Соединение |
Формула |
Область |
Техника |
п-типа |
||||
сурьма |
Триоксид сурьмы |
Sb2O3 |
SOLID |
Вещание |
мышьяк |
Триоксид мышьяка |
As2O3 |
SOLID |
Вещание |
Фосфор |
Пятиокись фосфора |
P2O5 |
SOLID |
Вещание |
р-типа |
||||
Бор |
Нитрид бора |
BN |
SOLID |
Вещание |
Обычное химическое воздействие на операторов как диффузионных печей, так и аппаратов для ионной имплантации невелико — обычно меньше предела обнаружения стандартных процедур отбора проб гигиены труда. Химические проблемы, связанные с технологическим процессом, связаны с возможностью выброса токсичных газов.
Еще в 1970-х годах прогрессивные производители полупроводников начали устанавливать первые системы непрерывного газоанализа горючих и токсичных газов. Основное внимание в этом мониторинге уделялось обнаружению аварийных выбросов наиболее токсичных легирующих газов с пороговыми значениями запаха, превышающими пределы воздействия на рабочем месте (например, арсин и диборан).
Большинство мониторов промышленной гигиены в полупроводниковой промышленности используются для обнаружения утечек легковоспламеняющихся и токсичных газов. Однако на некоторых объектах также используются системы непрерывного мониторинга для:
Технологии, наиболее часто используемые в полупроводниковой промышленности для этого типа мониторинга, включают колориметрическое обнаружение газа (например, непрерывный детектор газа MDA), электрохимические датчики (например, мониторы sensydyne) и инфракрасное преобразование Фурье (например, Telos ACM) (Балдуин и Уильямс, 1996). .
Вещание
Вещание термин, используемый для описания перемещения легирующих примесей из областей с высокой концентрацией на стороне источника диффузионной печи в области с более низкой концентрацией внутри кремниевой пластины. Диффузия - наиболее распространенный метод образования соединений.
Этот метод включает в себя воздействие на пластину нагретой атмосферы внутри диффузионной печи. Печь содержит желаемые легирующие примеси в форме пара, что приводит к созданию областей легированной электрической активности либо p or n. Наиболее часто используемые легирующие примеси: бор для р-типа; и фосфор (P), мышьяк (As) или сурьма (Sb) для n-типа (см. таблицу 5).
Обычно пластины укладываются в кварцевый носитель или лодочку и помещаются в диффузионную печь. Диффузионная печь содержит длинную кварцевую трубку и механизм точного контроля температуры. Температурный контроль чрезвычайно важен, так как скорость диффузии различных примесей кремния в первую очередь зависит от температуры. Диапазон рабочих температур от 900 до 1,300 oC, в зависимости от конкретной легирующей примеси и процесса.
Нагрев кремниевой пластины до высокой температуры позволяет атомам примесей медленно диффундировать через кристаллическую структуру. Примеси перемещаются через диоксид кремния медленнее, чем через сам кремний, что позволяет тонкому оксиду шаблон, служащий маской, и тем самым позволяя легирующей примеси проникать в кремний только там, где он незащищен. После накопления достаточного количества примесей пластины удаляются из печи, и диффузия фактически прекращается.
Для максимального контроля большинство диффузий выполняются в два этапа:предварительное осаждение и вбивать. Предварительное осаждение или диффузия с постоянным источником является первым этапом и происходит в печи, температура в которой выбирается для достижения наилучшего контроля количества примесей. Температура определяет растворимость легирующей примеси. После сравнительно короткой обработки перед осаждением пластина физически перемещается во вторую печь, обычно при более высокой температуре, где вторая термообработка нагнетает легирующую добавку до желаемой глубины диффузии в решетке кремниевой пластины.
Источники легирующей примеси, используемые на этапе предварительного осаждения, находятся в трех различных химических состояниях: газообразном, жидком и твердом. В таблице 5 указаны различные типы примесей диффузионного источника и их физические состояния.
Газы обычно подаются из баллонов со сжатым газом с регуляторами или регуляторами давления, запорными клапанами и различными приспособлениями для продувки и распределяются по металлическим трубкам малого диаметра.
Жидкости обычно дозируются из барботеров, которые насыщают поток газа-носителя, обычно азота, парами жидкой легирующей примеси, как описано в разделе о мокром окислении. Другой способ дозирования жидкости – использование крутиться добавка аппарат. Это влечет за собой помещение твердой легирующей примеси в раствор с жидким растворителем-носителем, затем капание раствора на пластину и вращение, аналогично нанесению фоторезистов.
Твердые источники могут иметь форму пластины нитрида бора, которая помещается между двумя пластинами кремния для легирования, а затем помещается в диффузионную печь. Кроме того, твердые примеси в виде порошка или гранул могут быть помещены в кварцевая бомба корпус (триоксид мышьяка), вручную сбрасываемый в исходный конец диффузионной трубы или загружаемый в отдельную исходную печь на одной линии с основной диффузионной печью.
При отсутствии надлежащего контроля воздействие мышьяка выше 0.01 мг/м3 сообщалось во время очистки печи для осаждения (Wade et al., 1981) и во время очистки камер корпуса источника для твердотельных ионных имплантатов (McCarthy, 1985; Baldwin, King and Scarpace, 1988). Эти воздействия произошли, когда не были приняты меры предосторожности для ограничения количества пыли в воздухе. Однако, когда остатки оставались влажными во время очистки, воздействие снижалось до намного ниже предела воздействия в воздухе.
В более старых диффузионных технологиях существует угроза безопасности при снятии, очистке и установке печных труб. Опасности включают в себя возможные порезы от разбитой кварцевой посуды и ожоги кислотой во время ручной очистки. В более новых технологиях эти опасности уменьшаются за счет на месте очистка трубки, которая устраняет большую часть ручного обращения.
Операторы диффузионных печей чаще всего подвергаются воздействию электромагнитных полей крайне низкой частоты (например, от 50 до 60 Гц) в чистых помещениях при производстве полупроводников. Сообщалось о среднем воздействии более 0.5 микротесла (5 мГс) во время фактической работы печей (Crawford et al. 1993). В этом исследовании также было отмечено, что средний измеренный уровень воздействия на персонал чистых помещений, работающий вблизи диффузионных печей, был заметно выше, чем у других работников чистых помещений. Этот вывод согласовывался с точечными измерениями, о которых сообщили Розенталь и Абдоллахзаде (1991), которые обнаружили, что диффузионные печи давали показания близости (на расстоянии 5 см или 2 дюйма) до 10–15 микротесл, при этом окружающие поля постепенно уменьшались с расстоянием. чем другое изученное оборудование для чистых помещений; даже на расстоянии 6 футов от диффузионных печей заявленная плотность потока составляла от 1.2 до 2 мкТл (Crawford et al. 1993). Эти уровни выбросов значительно ниже текущих предельных значений воздействия на здоровье, установленных Всемирной организацией здравоохранения и установленных отдельными странами.
Ионная имплантация
Ионная имплантация — это новый метод введения примесных элементов при комнатной температуре в кремниевые пластины для формирования перехода. Ионизированные атомы легирующей примеси (т. е. атомы, лишенные одного или нескольких электронов) ускоряются до высокой энергии, пропуская их через разность потенциалов в десятки тысяч вольт. В конце своего пути они ударяются о пластину и внедряются на разную глубину в зависимости от их массы и энергии. Как и при обычной диффузии, узорчатый оксидный слой или рисунок фоторезиста избирательно маскирует пластину от ионов.
Типичная система ионной имплантации состоит из ионного источника (газообразный источник легирующей примеси, обычно в небольших колбах для лекций), аналитического оборудования, ускорителя, фокусирующей линзы, ловушки нейтрального луча, технологической камеры сканера и вакуумной системы (обычно три отдельных набора встроенных форвакуумные и маслодиффузионные насосы). Поток электронов генерируется из горячей нити за счет сопротивления, дугового разряда или электронного луча с холодным катодом.
Как правило, после имплантации пластин выполняется этап высокотемпературного отжига (от 900 до 1,000°C) с помощью отжига лазерным лучом или импульсного отжига с источником электронного луча. Процесс отжига помогает восстановить повреждение внешней поверхности имплантированной пластины, вызванное бомбардировкой ионами легирующей примеси.
С появлением безопасной системы доставки газовых баллонов с арсином, фосфином и трехфтористым бором, используемых в устройствах для ионной имплантации, возможность катастрофического выброса этих газов значительно снизилась. Эти небольшие газовые баллоны заполнены соединением, на котором адсорбированы арсин, фосфин и трифторид бора. Газы вытягиваются из цилиндров с помощью вакуума.
Ионные имплантеры представляют собой одну из наиболее значительных электрических опасностей в полупроводниковой промышленности. Даже после отключения питания внутри инструмента существует значительный потенциал удара, который необходимо рассеять перед работой внутри имплантера. Для всего вновь устанавливаемого оборудования, но особенно для ионных имплантантов, требуется тщательный анализ операций по техническому обслуживанию и опасностей, связанных с электричеством.
Воздействие гидридов (вероятно, смеси арсина и фосфина) до 60 частей на миллиард было обнаружено во время технического обслуживания крионасоса устройства для ионного имплантирования (Балдуин, Рубин и Горовиц, 1993). Кроме того, высокие концентрации как арсина, так и фосфина могут выделять газы из загрязненных частей имплантата, которые удаляются во время профилактического обслуживания (Flipp, Hunsaker and Herring 1992).
Портативные пылесосы с высокоэффективными фильтрами для подавления твердых частиц (HEPA) используются для очистки загрязненных мышьяком рабочих поверхностей в зонах ионной имплантации. Воздействие свыше 1,000 мкг/м3 были измерены при неправильной очистке пылесосов HEPA. Пылесосы HEPA при выбросе в рабочее пространство также могут эффективно распространять характерный запах, похожий на гидрид, связанный с очисткой линии пучка ионного имплантанта (Балдуин, Рубин и Горовиц, 1993).
Несмотря на озабоченность, не было опубликованных отчетов о значительном воздействии легирующего газа во время замены масла в вакуумных насосах, используемых с легирующими присадками, возможно, потому, что это обычно делается в закрытой системе. Отсутствие сообщений о воздействии также может быть результатом низкого уровня газовыделения гидридов из отработанного масла.
Результат полевого исследования, в ходе которого 700 мл отработанного масла для форвакуумного насоса из устройства для ионного имплантирования, в котором использовались как арсин, так и фосфин, нагревали, показал определяемые концентрации переносимых по воздуху гидридов в головном пространстве насоса только тогда, когда температура масла в насосе превышала 70oC (Балдуин, Кинг и Скарпейс, 1988). Поскольку нормальные рабочие температуры механических форвакуумных насосов составляют от 60 до 80oC, это исследование не указало на возможность значительного воздействия.
При ионной имплантации рентгеновские лучи формируются попутно во время операции. Большинство аппаратов для имплантации имеют достаточную защиту корпуса (включая свинцовую пленку, расположенную вокруг корпуса ионного источника и прилегающих дверей доступа), чтобы поддерживать воздействие на сотрудников менее 2.5 микрозивертов (0.25 миллибэр) в час (Maletskos and Hanley 1983). Однако было обнаружено, что у старой модели имплантеров утечка рентгеновского излучения на поверхность устройства превышала 20 микрозивертов в час (мкЗв/ч) (Baldwin, King and Scarpace 1988). Эти уровни были снижены до уровня менее 2.5 мкЗв/ч после установки дополнительной свинцовой защиты. У другой старой модели ионного имплантера была обнаружена утечка рентгеновского излучения вокруг входной двери (до 15 мкЗв/ч) и в смотровом окне (до 3 мкЗв/ч). Для снижения возможного облучения была добавлена дополнительная свинцовая защита (Балдуин, Рубин и Горовиц, 1993).
В дополнение к рентгеновскому облучению от ионных имплантеров была постулирована возможность образования нейтронов, если имплантер работает при напряжении выше 8 миллионов электрон-вольт (МэВ) или в качестве источника ионов используется газообразный дейтерий (Rogers 1994). Однако обычно имплантеры рассчитаны на работу при энергиях значительно ниже 8 МэВ, а дейтерий обычно не используется в промышленности (Балдуин и Уильямс, 1996).
Химическое осаждение из паровой фазы
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) включает нанесение дополнительного материала на поверхность кремниевой пластины. Установки CVD обычно работают как закрытая система, в результате чего химическое воздействие на операторов незначительно или отсутствует. Однако при очистке некоторых предварительных скрубберов CVD может произойти кратковременное воздействие хлористого водорода выше 5 частей на миллион (Baldwin and Stewart 1989). Обычно используются две широкие категории осаждения — эпитаксиальное и более общая категория неэпитаксиального CVD.
Эпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы
Эпитаксиальный рост представляет собой строго контролируемое осаждение тонкой монокристаллической пленки материала, который сохраняет ту же кристаллическую структуру, что и существующий слой пластины подложки. Он служит матрицей для изготовления полупроводниковых компонентов в последующих процессах диффузии. Большинство эпитаксиальных пленок выращивают на подложках из одного и того же материала, например кремния на кремнии, в процессе, называемом гомоэпитаксией. Выращивание слоев различных материалов на подложке, такой как кремний на сапфире, называется гетероэпитаксией обработки устройства ИС.
Для выращивания эпитаксиальных слоев используются три основных метода: паровая фаза, жидкая фаза и молекулярный пучок. Жидкофазная и молекулярно-лучевая эпитаксии в основном используются при обработке приборов III-V (например, GaAs). Они обсуждаются в статье «Производство полупроводников III-V».
Методом парофазной эпитаксии выращивают пленки методом CVD молекул при температуре от 900 до 1,300°С.oC. Пары, содержащие кремний и контролируемые количества примесей p- или n-типа в газе-носителе (обычно водороде), пропускают над нагретыми пластинами для осаждения легированных слоев кремния. Процесс обычно проводят при атмосферном давлении.
В таблице 6 указаны четыре основных типа парофазной эпитаксии, параметры и протекающие химические реакции.
Таблица 6. Основные категории газофазной эпитаксии кремния
параметры |
||
Давление |
атмосферный |
|
Температура |
900-1300 ° C |
|
Источники кремния |
Силан (SiH4), тетрахлорид кремния ( SiCl4), трихлорсилан (SiHCl3), |
|
Легирующие газы |
Арсин (AsH3), фосфин (PH3), диборан (B2H6) |
|
Концентрация легирующего газа |
≈100 частей на миллион |
|
Травильный газ |
Хлористый водород (HCl) |
|
Концентрация травильного газа |
≈1–4% |
|
Газы-носители |
Водород (H2), азот (Н2) |
|
Источник отопления |
Радиочастотный (RF) или инфракрасный (IR) |
|
Типы парофазной эпитаксии |
Химические реакции |
|
Водородное восстановление тетрахлорида кремния |
SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl |
|
Пиролитическое разложение силана |
ДаH4 → Si + 2Н2 |
|
Водородное восстановление трихлорсилана |
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl |
|
Восстановление дихлорсилана |
ДаH2Cl2 → Si + 2HCl |
Последовательность осаждения, обычно выполняемая в эпитаксиальном процессе, включает:
Неэпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы
В то время как эпитаксиальный рост является высокоспецифичной формой CVD, при которой осажденный слой имеет ту же ориентацию кристаллической структуры, что и слой подложки, неэпитаксиальный CVD представляет собой образование стабильного соединения на нагретой подложке в результате термической реакции или разложения газообразных соединений.
CVD можно использовать для осаждения многих материалов, но при обработке кремниевых полупроводников, помимо эпитаксиального кремния, обычно встречаются следующие материалы:
Каждый из этих материалов может быть нанесен различными способами, и каждый из них имеет множество применений.
В таблице 7 указаны три основные категории сердечно-сосудистых заболеваний с использованием рабочей температуры в качестве механизма дифференциации.
Таблица 7. Основные категории химического осаждения кремния из паровой фазы (CVD)
параметры |
||||
Давление |
Атмосферное (APCVD) или низкое давление (LPCVD) |
|||
Температура |
500-1,100 ° C |
|||
Источники кремния и нитрида |
Силан (SiH4), тетрахлорид кремния ( SiCl4), аммиак (NH3), закись азота ( N20) |
|||
Источники примеси |
Арсин (AsH3), фосфин (PH3), диборан (B2H6) |
|||
Газы-носители |
Азот (N2), водород (H2) |
|||
Источник отопления |
Система холодных стен — радиочастотная (РЧ) или инфракрасная (ИК) |
|||
Тип ССЗ |
реакция |
Газ-носитель |
Температура |
|
Средняя температура (≈ 600–1,100 °C) |
||||
Нитрид кремния (Si3N4) |
3Сих4 + 4 НХ3 → Си3N4 + 12H2 |
H2 |
900-1,100 ° C |
|
Поликремний (поли кремний) |
ДаH4 + Тепло → Si + 2H2 |
H2 |
850-1,000 ° C |
|
Диоксид кремния (SiO2) |
ДаH4 + 4СО2 → SiO2 + 4СО + 2Н2O |
N2 |
500-900 ° C |
|
Низкотемпературные (≈<600 C) Silox, Pyrox, Vapox и Nitrox** |
||||
Диоксид кремния (SiO2) или p-легированный SiO2 |
||||
Силокс |
ДаH4 + 2О2 + Легирующая добавка → SiO2 + 2H2O |
N2 |
200-500 ° C |
|
Пирокс |
ДаH4 + 2О2 + Легирующая добавка → SiO2 + 2H2O |
N2 |
<600 ° С |
|
Вапокс |
ДаH4 + 2О2 + Легирующая добавка → SiO2 + 2H2O |
N2 |
<600 ° С |
|
Нитрид кремния (Si3N4) |
||||
Nitrox |
3Сих4 + 4НХ3 (или Н2О*) → Si3N4 + 12ч2 |
N2 |
600-700 ° C |
|
Усиленная низкотемпературная плазма (пассивация) (<600°C) |
||||
Использование радиочастот (RF) или |
||||
Диоксид кремния (SiO2) |
ДаH4 + 2О2 → SiO2 + 2H20 |
|||
Нитрид кремния (Si3N4) |
3Сих4 + 4НХ3 (или Н2О*) → Si3N4 + 12ч2 |
* Примечание: реакции не являются стехиометрически сбалансированными.
**Общие, патентованные или товарные знаки для реакторных систем CVD.
Следующие компоненты присутствуют почти во всех типах оборудования CVD:
В основном, процесс CVD влечет за собой подачу контролируемых количеств исходных газов кремния или нитрида в сочетании с газами-носителями азота и/или водорода и легирующим газом, если это необходимо, для химической реакции в камере реактора. Тепло применяется для обеспечения необходимой энергии для химической реакции в дополнение к контролю температуры поверхности реактора и пластин. После завершения реакции непрореагировавший исходный газ вместе с газом-носителем выпускаются через систему обработки сточных вод и выбрасываются в атмосферу.
Пассивация является функциональным типом ССЗ. Он включает в себя наращивание защитного оксидного слоя на поверхности кремниевой пластины, как правило, в качестве последнего этапа изготовления перед производственной обработкой. Слой обеспечивает электрическую стабильность, изолируя поверхность интегральной схемы от электрических и химических условий окружающей среды.
Металлизация
После изготовления устройств на кремниевой подложке их необходимо соединить вместе для выполнения функций схемы. Этот процесс известен как металлизация. Металлизация обеспечивает средства проводки или соединения самых верхних слоев интегральных схем путем нанесения сложных узоров из проводящих материалов, которые направляют электрическую энергию внутри схем.
Широкий процесс металлизации дифференцируется в зависимости от размера и толщины слоев осаждаемых металлов и других материалов. Эти:
Наиболее распространенными металлами, используемыми для металлизации кремниевых полупроводников, являются: алюминий, никель, хром или сплав, называемый нихромом, золото, германий, медь, серебро, титан, вольфрам, платина и тантал.
Тонкие или толстые пленки также можно напылять или наносить на различные керамические или стеклянные подложки. Некоторые примеры этих подложек: оксид алюминия (96% Al203), бериллий (99% BeO), боросиликатное стекло, пирокерам и кварц (SiO2).
Тонкая пленка
Тонкопленочная металлизация часто применяется с использованием высоковакуумного или частичновакуумного осаждения или метода испарения. Основными типами высоковакуумного напыления являются электронно-лучевое, мгновенное и резистивное напыление, в то время как напыление в частичном вакууме осуществляется в основном распылением.
Для выполнения любого типа тонкопленочной вакуумной металлизации система обычно состоит из следующих основных компонентов:
Электронно-лучевое испарениечасто называют Электронный луч, использует сфокусированный пучок электронов для нагрева материала металлизации. Пучок электронов высокой интенсивности генерируется аналогично тому, как это делается в телевизионном кинескопе. Поток электронов ускоряется электрическим полем обычно от 5 до 10 кВ и фокусируется на испаряемом материале. Сфокусированный пучок электронов плавит материал, содержащийся в водоохлаждаемом блоке с большим углублением, называемым очагом. Затем расплавленный материал испаряется внутри вакуумной камеры и конденсируется на холодных пластинах, а также на всей поверхности камеры. Затем выполняются стандартные операции фоторезиста, экспонирования, проявления и влажного или сухого травления, чтобы очертить сложную металлизированную схему.
Быстрое испарение Еще один способ нанесения тонких металлизированных пленок. Этот метод в основном используется, когда необходимо одновременно испарить смесь двух материалов (сплавов). Некоторые примеры двухкомпонентных пленок: никель/хром (нихром), монооксид хрома/кремния (SiO) и алюминий/кремний.
При мгновенном испарении керамический стержень нагревается за счет термического сопротивления, и непрерывно подаваемая катушка с проволокой, поток гранул или вибрационно распределяемый порошок контактируют с горячей нитью или стержнем. Затем испаренные металлы покрывают внутреннюю камеру и поверхности пластин.
Резистивное испарение (также известное как испарение нити) — самая простая и наименее дорогая форма осаждения. Испарение осуществляется путем постепенного увеличения тока, протекающего через нить, чтобы сначала расплавить петли испаряемого материала, тем самым смачивая нить. Как только нить смачивается, ток через нить увеличивается до тех пор, пока не произойдет испарение. Основным преимуществом резистивного испарения является широкий спектр материалов, которые можно испарять.
Работы по техническому обслуживанию иногда выполняются на внутренней поверхности камер осаждения электронно-лучевого испарителя, называемых колпаками. Когда головы специалистов по техническому обслуживанию находятся внутри колпаков, может произойти значительное облучение. Удаление металлических остатков, которые оседают на внутренней поверхности колпаков, может привести к таким воздействиям. Например, воздействие на техников, намного превышающее предел воздействия серебра в воздухе, было измерено во время удаления остатков из испарителя, используемого для осаждения серебра (Baldwin and Stewart 1989).
Очистка остатков колпака с помощью органических чистящих растворителей также может привести к сильному воздействию растворителей. Во время этого типа очистки технический персонал подвергался воздействию метанола выше 250 частей на миллион. Это воздействие можно устранить, используя воду в качестве чистящего растворителя вместо метанола (Балдуин и Стюарт, 1989).
Ассоциация напыление процесс происходит в газовой атмосфере низкого давления или частичного вакуума с использованием либо постоянного электрического тока (постоянный ток, или катодное напыление), либо высокочастотного напряжения в качестве источника высокой энергии. При распылении ионы инертного газа аргона вводятся в вакуумную камеру после достижения удовлетворительного уровня вакуума с помощью форвакуумного насоса. Электрическое поле формируется путем подачи высокого напряжения, обычно 5,000 В, между двумя противоположно заряженными пластинами. Этот высокоэнергетический разряд ионизирует атомы газообразного аргона и заставляет их двигаться и ускоряться к одной из пластин в камере, называемой мишенью. Когда ионы аргона ударяются о мишень, изготовленную из осаждаемого материала, они смещают или распыляют эти атомы или молекулы. Выбитые атомы металлизирующего материала затем осаждаются тонкой пленкой на кремниевых подложках, обращенных к мишени.
Было обнаружено, что утечка радиочастотного излучения сбоку и сзади на многих старых распылительных установках превышает допустимый предел воздействия на рабочем месте (Болдуин и Стюарт, 1989). Большая часть утечек была связана с трещинами в шкафах, вызванными неоднократным снятием ремонтных панелей. В более новых моделях того же производителя панели с проволочной сеткой вдоль швов предотвращают значительные утечки. Старые напылители можно дооснастить проволочной сеткой или, в качестве альтернативы, можно использовать медную ленту для покрытия швов, чтобы уменьшить утечку.
Толстая пленка
Структура и размеры большинства толстых пленок несовместимы с металлизацией кремниевых интегральных схем, в первую очередь из-за ограничений по размеру. Толстые пленки используются в основном для металлизации гибридных электронных структур, например, при производстве ЖК-дисплеев.
Процесс шелкографии является доминирующим методом нанесения толстой пленки. Обычно используемыми толстопленочными материалами являются палладий, серебро, диоксид титана и стекло, золото-платина и стекло, золото-стекло и серебро-стекло.
Толстые резистивные пленки обычно наносятся на керамическую подложку и формируются с помощью технологии шелкографии. металлокерамика представляет собой резистивную толстую пленку, состоящую из суспензии проводящих металлических частиц в керамической матрице с органической смолой в качестве наполнителя. Типичные металлокерамические структуры состоят из оксида хрома, серебра или свинца в матрице из монооксида или диоксида кремния.
Обшивка
При формировании металлических пленок на полупроводниковых подложках используются два основных метода нанесения покрытий: гальваническое и химическое осаждение.
In гальванопокрытиеПокрываемая подложка помещается на катод или отрицательно заряженную клемму гальванического резервуара и погружается в раствор электролита. Электрод из покрываемого металла служит анодом или положительно заряженным выводом. При пропускании через раствор постоянного тока положительно заряженные ионы металлов, которые растворяются в растворе с анода, мигрируют и оседают на катоде (подложке). Этот метод покрытия используется для формирования проводящих пленок из золота или меди.
In электроосаждение, одновременное восстановление и окисление металла, подлежащего покрытию, используется для образования свободного атома или молекулы металла. Поскольку этот метод не требует электропроводности в процессе нанесения покрытия, его можно использовать с подложками изолирующего типа. Никель, медь и золото являются наиболее распространенными металлами, наносимыми таким образом.
Легирование/отжиг
После осаждения и травления металлизированных межсоединений можно выполнить последний этап легирования и отжига. Легирование заключается в помещении металлизированных подложек, обычно с алюминием, в низкотемпературную диффузионную печь, чтобы обеспечить контакт с низким сопротивлением между металлическим алюминием и кремниевой подложкой. Наконец, либо во время стадии сплавления, либо непосредственно после нее пластины часто подвергают воздействию газовой смеси, содержащей водород, в диффузионной печи при температуре от 400 до 500°C. Этап отжига предназначен для оптимизации и стабилизации характеристик устройства путем объединения водорода с незадействованными атомами на границе раздела кремний-диоксид кремния или вблизи нее.
Облицовка и металлизация тыльной стороны
Существует также необязательный этап обработки металлизацией, называемый обратным наплавом. Задняя сторона пластины может быть притерта или отшлифована с использованием влажного абразивного раствора и давления. Металл, такой как золото, может быть нанесен на обратную сторону пластины путем напыления. Это облегчает крепление отделенной матрицы к упаковке при окончательной сборке.
Сборка и тестирование
Непроизводственная обработка, которая включает в себя внешнюю упаковку, крепления, герметизацию, сборку и испытания, обычно выполняется на отдельных производственных объектах и часто выполняется в странах Юго-Восточной Азии, где выполнение этих трудоемких работ менее затратно. Кроме того, требования к вентиляции для технологического процесса и контроля твердых частиц, как правило, различны (не чистые помещения) в непроизводственных производственных зонах. Эти заключительные этапы производственного процесса включают в себя операции, включающие пайку, обезжиривание, испытания с использованием химикатов и источников излучения, а также обрезку и маркировку с помощью лазеров.
Пайка при производстве полупроводников обычно не приводит к сильному воздействию свинца. Чтобы предотвратить тепловое повреждение интегральной схемы, температура припоя поддерживается ниже температуры, при которой может произойти значительное образование паров расплавленного свинца (430°C). Однако очистка паяльного оборудования путем соскабливания или очистки щеткой от остатков свинца может привести к воздействию свинца выше 50 мкг/м.3 (Болдуин и Стюарт, 1989). Кроме того, воздействие свинца 200 мкг/м3 имели место, когда во время операций пайки волной припоя использовались неправильные методы удаления окалины (Болдуин и Уильямс, 1996).
Одной из растущих проблем, связанных с операциями пайки, является раздражение дыхательных путей и астма из-за воздействия продуктов пиролиза флюсов припоя, особенно во время ручной пайки или операций подкраски, где исторически местная вытяжная вентиляция обычно не использовалась (в отличие от операций пайки волной припоя, которые последние несколько десятилетий обычно заключали в вытяжные шкафы) (Goh and Ng 1987). Подробнее читайте в статье «Печатная плата и сборка компьютера».
Поскольку канифоль в флюсе припоя является сенсибилизатором, все воздействия должны быть снижены до минимума, независимо от результатов отбора проб воздуха. Новые установки для пайки особенно должны иметь местную вытяжную вентиляцию, когда пайка должна выполняться в течение длительного периода времени (например, более 2 часов).
Пары от ручной пайки будут подниматься вертикально на тепловых потоках, попадая в зону дыхания работника, когда человек наклоняется над местом пайки. Контроль обычно достигается с помощью эффективной местной вытяжной вентиляции с высокой скоростью и малым объемом на наконечнике припоя.
Устройства, которые возвращают отфильтрованный воздух на рабочее место, могут, если эффективность фильтрации недостаточна, вызвать вторичное загрязнение, которое может повлиять на людей в рабочем помещении, кроме тех, кто занимается пайкой. Отфильтрованный воздух не должен возвращаться в рабочее помещение, за исключением случаев, когда объем пайки невелик и в помещении имеется хорошая общая вентиляция.
Сортировка и испытание вафель
После того, как изготовление пластины завершено, каждая полностью готовая пластина проходит процесс сортировки пластин, при котором интегральные схемы на каждой конкретной матрице электрически тестируются с помощью зондов, управляемых компьютером. Отдельная пластина может содержать от ста до многих сотен отдельных кристаллов или чипов, которые необходимо протестировать. После завершения испытаний штампы физически маркируются однокомпонентной эпоксидной смолой, дозируемой автоматически. Красный и синий используются для идентификации и сортировки кристаллов, которые не соответствуют требуемым электрическим характеристикам.
Разделение штампов
Когда устройства или схемы на пластине протестированы, промаркированы и отсортированы, отдельные кристаллы на пластине должны быть физически разделены. Для разделения отдельных штампов был разработан ряд методов: алмазная скрайбировка, лазерная скрайбировка и распиловка алмазным кругом.
Алмазное скрайбирование является старейшим используемым методом и включает в себя нанесение алмазного наконечника точной формы на пластину вдоль линии или «улицы», разделяющей отдельные штампы на поверхности пластины. Несовершенство кристаллической структуры, вызванное скрайбированием, позволяет пластине изгибаться и ломаться вдоль этой линии.
Лазерное скрайбирование — относительно новый метод разделения штампов. Лазерный луч генерируется импульсным мощным неодим-иттриевым лазером. Луч создает канавку в кремниевой пластине вдоль линий разметки. Канавка служит линией, по которой пластина ломается.
Широко используемый метод разделения штампов — мокрая распиловка — резка подложек вдоль улицы с помощью высокоскоростной циркулярной алмазной пилы. Пиление может либо частично прорезать (разметить), либо полностью прорезать (нарезать кубиками) кремниевую подложку. При распиловке образуется влажная суспензия материала, убираемого с улицы.
Die прикрепить и склеить
Индивидуальная матрица или чип должны быть прикреплены к несущей упаковке и металлической выводной рамке. Носители обычно изготавливаются из изоляционного материала, керамики или пластика. Керамические материалы-носители обычно изготавливаются из оксида алюминия (Al2O3), но, возможно, может состоять из бериллия (BeO) или стеатита (MgO-SiO2). Пластиковые носители представляют собой термопластичные или термореактивные смолы.
Крепление отдельной матрицы обычно осуществляется с помощью одного из трех различных типов крепления: эвтектического, преформного и эпоксидного. Эвтектическое крепление матрицы включает использование эвтектического припоя, такого как золото-кремний. В этом методе слой металлического золота предварительно наносится на заднюю сторону штампа. При нагревании пакета выше температуры эвтектики (370°C для золота и кремния) и размещении на нем штампа образуется связь между штампом и корпусом.
Склеивание преформы предполагает использование небольшого кусочка специального композиционного материала, который будет прилипать как к штампу, так и к упаковке. Преформу помещают на место прикрепления штампа к упаковке и дают расплавиться. Затем матрицу протирают по всей области до тех пор, пока матрица не будет прикреплена, а затем упаковка охлаждается.
Эпоксидное соединение предполагает использование эпоксидного клея для прикрепления штампа к корпусу. На упаковку наносится капля эпоксидной смолы, а поверх нее кладется штамп. Возможно, упаковку придется запекать при повышенной температуре, чтобы эпоксидная смола застыла должным образом.
Как только кристалл физически прикреплен к корпусу, необходимо обеспечить электрические соединения между интегральной схемой и выводами корпуса. Это достигается с помощью методов термокомпрессии, ультразвукового или термозвукового соединения для прикрепления золотых или алюминиевых проводов между контактными областями на кремниевом чипе и выводами корпуса.
Термокомпрессионное соединение часто используется с золотой проволокой и включает нагрев корпуса примерно до 300°С.oC и формирование связи между проволокой и контактными площадками с использованием как тепла, так и давления. Используются два основных типа термокомпрессионного соединения:склеивание шариков и клиновое соединение. Связывание шариков, которое используется только с золотой проволокой, подает проволоку через капиллярную трубку, сжимает ее, а затем водородное пламя плавит проволоку. Кроме того, это формирует новый шарик на конце провода для следующего цикла склеивания. При клиновидном склеивании используется клиновидный инструмент для склеивания и микроскоп, используемые для точного позиционирования кремниевого чипа и корпуса на контактной площадке. Процесс проводят в инертной атмосфере.
Ультразвуковое склеивание использует импульс ультразвуковой высокочастотной энергии, чтобы обеспечить чистящее действие, которое формирует связь между проволокой и контактной площадкой. Ультразвуковое соединение в основном используется с алюминиевой проволокой и часто предпочтительнее термокомпрессионного соединения, поскольку оно не требует нагрева микросхемы во время операции соединения.
Термозвуковое склеивание - это недавнее технологическое изменение в скреплении золотой проволокой. Он включает использование комбинации ультразвуковой и тепловой энергии и требует меньше тепла, чем термокомпрессионное соединение.
Инкапсуляция
Основная цель инкапсуляции состоит в том, чтобы поместить интегральную схему в корпус, отвечающий электрическим, термическим, химическим и физическим требованиям, связанным с применением интегральной схемы.
Наиболее широко используемыми типами корпусов являются корпус с радиальным выводом, плоский пакет и корпус с двумя рядами (DIP). Упаковки радиального типа в основном изготавливаются из ковара, сплава железа, никеля и кобальта, с уплотнениями из твердого стекла и коварными выводами. В плоских упаковках используются металлосвинцовые рамы, обычно изготовленные из алюминиевого сплава в сочетании с керамическими, стеклянными и металлическими компонентами. Двухрядные упаковки, как правило, являются наиболее распространенными и часто используют керамику или формованные пластмассы.
Формованные пластиковые полупроводниковые корпуса в основном производятся двумя отдельными процессами:трансферное литье и литье под давлением. Трансферное формование является преобладающим методом герметизации пластмасс. В этом методе щепа устанавливается на необрезанные свинцовые рамы, а затем партиями загружается в формы. Порошкообразные или гранулированные формы термореактивных пластиковых формовочных масс плавятся в нагретом котле, а затем нагнетаются (перемещаются) под давлением в загруженные формы. Системы формовочных масс в форме порошка или гранул могут использоваться на эпоксидных, силиконовых или силиконовых/эпоксидных смолах. Система обычно состоит из смеси:
При литье под давлением используется либо термопластичный, либо термореактивный состав для литья под давлением, который нагревается до точки плавления в цилиндре при контролируемой температуре и под давлением через сопло подается в форму. Смола быстро затвердевает, форма открывается, и упаковка выталкивается. В литье под давлением используется широкий спектр пластиковых компаундов, причем эпоксидные и полифениленсульфидные (PPS) смолы являются новейшими разработками в области герметизации полупроводников.
Окончательная упаковка кремниевого полупроводникового устройства классифицируется в соответствии с его устойчивостью к утечке или способностью изолировать интегральную схему от окружающей среды. Они бывают герметичными (воздухонепроницаемыми) и негерметичными.
Проверка на герметичность и сжигание
Тестирование на утечку это процедура, разработанная для проверки фактической герметизирующей способности или герметичности упакованного устройства. Используются две распространенные формы проверки на утечку: обнаружение утечки гелия и обнаружение утечки радиоактивного индикатора.
При обнаружении утечек гелия готовые упаковки помещаются в атмосферу с давлением гелия на определенный период времени. Гелий способен проникать сквозь несовершенства упаковки. После извлечения из камеры наддува гелия пакет переносится в камеру масс-спектрометра и проверяется на утечку гелия из дефектов пакета.
Во втором методе гелий заменяют радиоактивным индикаторным газом, обычно криптоном-85 (Kr-85), и измеряют вытекание радиоактивного газа из упаковки. В нормальных условиях облучение персонала в результате этого процесса составляет менее 5 миллизивертов (500 миллибэр) в год (Балдуин и Стюарт, 1989). Элементы управления для этих систем обычно включают:
Кроме того, материалы, вступающие в контакт с Kr-85 (например, открытые микросхемы, отработанное насосное масло, клапаны и уплотнительные кольца), проверяются, чтобы убедиться, что они не излучают чрезмерных уровней радиации из-за остаточного газа в них, прежде чем они будут удалены из контролируемая территория. Leach-Marshal (1991) предоставляет подробную информацию о воздействии и контроле от систем обнаружения утечек Kr-85.
Записать в представляет собой температурную и электрическую нагрузку для определения надежности конечного упакованного устройства. Устройства помещают в печь с регулируемой температурой на продолжительный период времени, используя либо атмосферу окружающей среды, либо инертную атмосферу азота. Температуры колеблются от 125°C до 200°C (в среднем 150°C), а периоды времени от нескольких часов до 1,000 часов (в среднем 48 часов).
Финальный тест
Для окончательной характеристики производительности упакованного кремниевого полупроводникового устройства проводится окончательное электрическое испытание. Из-за большого количества и сложности необходимых тестов компьютер выполняет и оценивает тестирование многочисленных параметров, важных для конечного функционирования устройства.
Отметить и упаковать
Физическая идентификация конечного упакованного устройства осуществляется с помощью различных систем маркировки. Двумя основными категориями маркировки компонентов являются контактная и бесконтактная печать. Контактная печать обычно включает ротационную офсетную технику с использованием красок на основе растворителей. Бесконтактная печать, при которой маркировка переносится без физического контакта, включает струйную печать или тонерную печать с использованием чернил на основе растворителей или лазерную маркировку.
Растворители, используемые в качестве носителя для печатных красок и в качестве предварительного очистителя, обычно состоят из смеси спиртов (этанол) и сложных эфиров (этилацетат). В большинстве систем маркировки компонентов, кроме лазерной маркировки, используются чернила, которые требуют дополнительного этапа для закрепления или отверждения. Этими методами отверждения являются воздушное отверждение, тепловое отверждение (тепловое или инфракрасное) и ультрафиолетовое отверждение. Краски ультрафиолетового отверждения не содержат растворителей.
Системы лазерной маркировки используют мощный диоксид углерода (CO2) лазер или мощный неодимовый: иттриевый лазер. Эти лазеры обычно встроены в оборудование и имеют блокируемые шкафы, ограничивающие путь луча и точку, в которой луч касается цели. Это устраняет опасность лазерного луча при нормальной работе, но возникает проблема, когда блокировка безопасности отключена. Наиболее распространенной операцией, при которой необходимо снять ограждения луча и отключить блокировки, является юстировка лазерного луча.
Во время этих операций по техническому обслуживанию помещение, в котором находится лазер, в идеале должно быть эвакуировано, за исключением необходимого технического персонала, при этом двери в помещение должны быть заперты и вывешены соответствующие знаки безопасности при работе с лазером. Однако мощные лазеры, используемые в производстве полупроводников, часто располагаются на больших открытых производственных площадях, что делает непрактичным перемещение необслуживающего персонала во время технического обслуживания. Для таких ситуаций обычно устанавливается временная зона контроля. Обычно эти зоны контроля состоят из лазерных завес или сварочных экранов, способных противостоять прямому контакту с лазерным лучом. Вход во временную зону управления обычно осуществляется через вход в лабиринт, который вывешивается с предупреждающим знаком всякий раз, когда блокировка лазера не работает. Другие меры предосторожности при юстировке луча аналогичны тем, которые требуются при работе с мощным лазером с открытым лучом (например, обучение, защита глаз, письменные процедуры и т. д.).
Мощные лазеры также представляют собой одну из наиболее значительных электрических опасностей в полупроводниковой промышленности. Даже после отключения питания внутри инструмента существует значительный потенциал удара, который необходимо рассеять перед работой внутри шкафа.
Наряду с опасностью луча и опасностью поражения электрическим током следует также соблюдать осторожность при обслуживании систем лазерной маркировки из-за возможности химического загрязнения огнестойкими триоксидом сурьмы и бериллием (керамические упаковки, содержащие это соединение, будут маркированы). Во время маркировки мощными лазерами может образовываться дым, оседающий на поверхностях оборудования и фильтрах дымоудаления.
В прошлом обезжириватели использовались для очистки полупроводников перед нанесением на них идентификационных кодов. Воздействие растворителя, превышающее применимый предел воздействия переносимого по воздуху на рабочем месте, может легко произойти, если голова оператора находится под охлаждающими змеевиками, которые вызывают повторную конденсацию паров, как это может произойти, когда оператор пытается поднять упавшие детали или когда техник очищает остатки со дна единица (Болдуин и Стюарт, 1989). Использование обезжиривающих средств в полупроводниковой промышленности значительно сократилось из-за ограничений на использование озоноразрушающих веществ, таких как хлорфторуглероды и хлорсодержащие растворители.
Анализ отказов и обеспечение качества
Лаборатории анализа отказов и качества обычно выполняют различные операции, используемые для обеспечения надежности устройств. Некоторые из операций, выполняемых в этих лабораториях, представляют потенциальную опасность для сотрудников. К ним относятся:
Кобальт-60 (до 26,000 5 кюри) используется в облучателях для проверки способности ИС выдерживать воздействие гамма-излучения в военных и космических приложениях. В нормальных условиях облучение персонала в результате этой операции составляет менее 500 миллизивертов (1989 миллибэр) в год (Балдуин и Стюарт, 85 г.). Элементы управления для этой несколько специализированной операции аналогичны тем, которые используются для систем с малыми утечками Кр-XNUMX (например, изолированное помещение, непрерывные радиационные мониторы, контроль облучения персонала и т. д.).
Малые источники альфа-излучения со «специальной лицензией» (например, микро- и милликюри америция-241) используются в процессе анализа отказов. Эти источники покрыты тонким защитным покрытием, называемым окном, которое позволяет испускать альфа-частицы из источника для проверки способности интегральной схемы работать при бомбардировке альфа-частицами. Обычно источники периодически проверяют (например, раз в полгода) на утечку радиоактивного материала, которая может произойти, если защитное окно повреждено. Любая обнаруживаемая утечка обычно приводит к удалению источника и отправке его обратно производителю.
Кабинетные рентгеновские системы используются для проверки толщины металлических покрытий и выявления дефектов (например, пузырьков воздуха в пакетах пресс-форм). Несмотря на то, что они не являются значительным источником утечек, эти устройства обычно проверяют на периодической основе (например, ежегодно) с помощью ручного измерительного прибора на наличие утечек рентгеновского излучения и проверяют, чтобы убедиться, что дверные замки работают должным образом.
Доставка и оплата
Доставка является конечной точкой участия большинства производителей кремниевых полупроводниковых устройств. Торговые производители полупроводников продают свою продукцию другим производителям конечной продукции, в то время как несвободные производители используют устройства для производства своей собственной конечной продукции.
Исследование здоровья
На каждом этапе процесса используется определенный набор химикатов и инструментов, что приводит к определенным проблемам EHS. В дополнение к опасениям, связанным со специфическими этапами обработки кремниевых полупроводниковых устройств, в эпидемиологическом исследовании изучались последствия для здоровья работников полупроводниковой промышленности (Schenker et al., 1992). См. также обсуждение в статье «Влияние на здоровье и закономерности заболевания».
Основной вывод исследования заключался в том, что работа на предприятиях по производству полупроводников связана с повышенным уровнем самопроизвольных абортов (САБ). В историческом компоненте исследования количество изучаемых беременностей у производственных и непроизводственных работников было примерно равным (447 и 444 соответственно), но самопроизвольных абортов у производственных (n=67) было больше, чем у непроизводственных (n=46). . С поправкой на различные факторы, которые могли вызвать систематическую ошибку (возраст, этническая принадлежность, курение, стресс, социально-экономический статус и история беременности), относительный риск (RR) выдумки против невыдумки составил 1.43 (95% доверительный интервал = 0.95-2.09). .
Исследователи связали повышенный уровень SAB с воздействием определенных эфиров гликоля на основе этилена (EGE), используемых в производстве полупроводников. Конкретные эфиры гликоля, которые участвовали в исследовании и которые подозреваются в неблагоприятном воздействии на репродуктивную функцию, включают:
Хотя это и не является частью исследования, два других эфира гликоля, используемые в промышленности, 2-этоксиэтанол (CAS 110-80-5) и диметиловый эфир диэтиленгликоля (CAS 111-96-6), обладают аналогичными токсическими эффектами и были запрещены некоторыми производителей полупроводников.
В дополнение к повышенному уровню SAB, связанному с воздействием определенных эфиров гликоля, исследование также пришло к выводу:
Обзор оборудования
Сложность оборудования для производства полупроводников в сочетании с постоянным совершенствованием производственных процессов делает проверку нового технологического оборудования перед установкой важной для минимизации рисков EHS. Два процесса проверки оборудования помогают гарантировать, что новое полупроводниковое технологическое оборудование будет иметь соответствующие средства контроля EHS: маркировка CE и стандарты Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI).
Маркировка CE является заявлением производителя о том, что маркированное таким образом оборудование соответствует требованиям всех применимых директив Европейского Союза (ЕС). Для оборудования для производства полупроводников наиболее применимыми считаются Директива по машинному оборудованию (MD), Директива по электромагнитной совместимости (EMC) и Директива по низкому напряжению (LVD).
В случае Директивы по электромагнитной совместимости необходимо привлечь компетентный орган (организацию, официально уполномоченную государством-членом ЕС) для определения требований к тестированию и утверждения результатов проверки. MD и LVD могут быть оценены либо производителем, либо нотифицированным органом (организацией, официально уполномоченной государством-членом ЕС). Независимо от выбранного пути (самооценка или третья сторона) именно зарегистрированный импортер несет ответственность за то, чтобы импортируемый продукт имел маркировку СЕ. Они могут использовать информацию третьих лиц или результаты собственной оценки в качестве основания для своей уверенности в том, что оборудование соответствует требованиям применимых директив, но, в конечном счете, они сами подготовят декларацию о соответствии и нанесут маркировку СЕ.
Semiconductor Equipment and Materials International — международная торговая ассоциация, представляющая поставщиков полупроводникового и плоскопанельного оборудования и материалов. Среди ее направлений деятельности — разработка добровольных технических стандартов, которые представляют собой соглашения между поставщиками и покупателями, направленные на повышение качества и надежности продукции при разумной цене и стабильных поставках.
Два стандарта SEMI, которые специально применяются к проблемам EHS для нового оборудования, — это SEMI S2 и SEMI S8. СЕМИ С2-93, Правила техники безопасности для оборудования для производства полупроводников, представляет собой минимальный набор рекомендаций по EHS, основанных на производительности, для оборудования, используемого в производстве полупроводников. ПОЛУ С8-95, Руководство пользователя по эргономическим критериям успеха для поставщиков, расширяет раздел эргономики в SEMI S2.
Многие производители полупроводников требуют, чтобы новое оборудование было сертифицировано третьей стороной как отвечающее требованиям SEMI S2. Рекомендации по интерпретации SEMI S2-93 и SEMI S8-95 содержатся в публикации отраслевого консорциума SEMATECH (SEMATECH 1996). Дополнительная информация о SEMI доступна во всемирной сети (http://www.semi.org).
Химическая обработка
Дозирование жидкости
Благодаря тому, что автоматизированные системы дозирования химикатов стали правилом, а не исключением, количество химических ожогов у сотрудников снизилось. Однако в этих автоматизированных системах дозирования химикатов должны быть установлены надлежащие меры безопасности. К ним относятся:
Раздача газа
Безопасность газораспределения значительно улучшилась за последние годы с появлением новых типов клапанов для баллонов, дроссельных отверстий, встроенных в баллон, автоматических панелей продувки газа, обнаружения и отключения при высокой скорости потока, а также более сложного оборудования для обнаружения утечек. Из-за своих пирофорных свойств и широкого использования в качестве исходного сырья силановый газ представляет наибольшую взрывоопасность в промышленности. Однако инциденты, связанные с газообразным силаном, стали более предсказуемыми благодаря новым исследованиям, проведенным Factory Mutual и SEMATECH. Благодаря правильно подобранным дроссельным отверстиям (RFO), давлению нагнетания и скорости вентиляции большинство взрывоопасных ситуаций было устранено (SEMATECH 1995).
В последние годы произошло несколько инцидентов, связанных с безопасностью, из-за неконтролируемого смешивания несовместимых газов. Из-за этих инцидентов производители полупроводников часто пересматривают установки газовых линий и ящики для инструментального газа, чтобы исключить неправильное смешивание и / или обратный поток газов.
Химические проблемы обычно вызывают наибольшие опасения в производстве полупроводников. Однако большинство травм и смертей в отрасли являются результатом нехимических опасностей.
Электрическая безопасность
Существует множество электрических опасностей, связанных с оборудованием, используемым в этой отрасли. Защитные блокировки играют важную роль в обеспечении электробезопасности, но специалисты по техническому обслуживанию часто отключают эти блокировки. Значительный объем работ по техническому обслуживанию обычно выполняется, когда оборудование все еще находится под напряжением или только частично обесточено. Наиболее значительные электрические опасности связаны с ионными имплантатами и источниками питания лазеров. Даже после отключения питания в инструменте существует значительный потенциал удара, который необходимо рассеять перед работой внутри инструмента. Процесс проверки SEMI S2 в Соединенных Штатах и маркировка CE в Европе помогли улучшить электрическую безопасность нового оборудования, но операции по техническому обслуживанию не всегда учитываются должным образом. Для всего вновь установленного оборудования необходимо тщательно изучить операции по техническому обслуживанию и опасности поражения электрическим током.
Вторым в списке опасности поражения электрическим током является комплект оборудования, генерирующего радиочастотную энергию в процессах травления, напыления и очистки камеры. Надлежащее экранирование и заземление необходимы для сведения к минимуму риска радиочастотных ожогов.
Эти опасности поражения электрическим током и многие инструменты, не отключаемые во время операций по техническому обслуживанию, требуют, чтобы техники по техническому обслуживанию использовали другие средства для своей защиты, такие как процедуры блокировки/маркировки. Опасности поражения электрическим током — не единственные источники энергии, для которых предусмотрена блокировка/маркировка. Другие источники энергии включают линии под давлением, многие из которых содержат опасные газы или жидкости, а также пневматические средства управления. Разъединители для управления этими источниками энергии должны находиться в легкодоступном месте — в потрясающий (изготовление) или место погони, где сотрудник будет работать, а не в неудобных местах, таких как субфабрики.
Эргономика
Взаимодействие между работником и инструментом продолжает вызывать травмы. Мышечные напряжения и растяжения довольно распространены в полупроводниковой промышленности, особенно среди специалистов по техническому обслуживанию. Доступ к насосам, крышкам камер и т. д. часто плохо спроектирован во время изготовления инструмента и во время размещения инструмента на производстве. Насосы должны быть на колесах или помещены в выдвижные ящики или поддоны. Подъемные устройства должны быть включены для многих операций.
Простое обращение с пластинами создает эргономические риски, особенно на старых предприятиях. В более новых установках обычно используются пластины большего размера, и поэтому требуется больше автоматизированных систем обработки. Многие из этих систем обработки пластин считаются роботизированными устройствами, и вопросы безопасности, связанные с этими системами, должны учитываться при их проектировании и установке (ANSI 1986).
Пожарная Безопасность
В дополнение к газообразному силану, о котором уже говорилось, газообразный водород потенциально может представлять значительную пожароопасность. Тем не менее, он лучше изучен, и в отрасли не возникло многих серьезных проблем, связанных с водородом.
Наиболее серьезная пожароопасность сейчас связана с мокрые палубы или травильные ванны. Типичные пластиковые конструкционные материалы (поливинилхлорид, полипропилен и огнестойкий полипропилен) были задействованы в производстве. пожары. Источником воспламенения может быть нагреватель ванны травления или гальванического покрытия, электрическое управление, установленное непосредственно на пластике, или соседний инструмент. Если с одним из этих пластиковых инструментов возникает пожар, частицы загрязнения и коррозионно-активные продукты горения распространяются по всей фабрике. Экономические потери высоки из-за простоя фабрики, в то время как площадь и оборудование возвращаются к стандартам чистых помещений. Часто какое-то дорогостоящее оборудование невозможно должным образом обеззаразить, и приходится приобретать новое оборудование. Таким образом, надлежащая профилактика пожаров и противопожарная защита имеют решающее значение.
Противопожарную защиту можно решить с помощью различных негорючих строительных материалов. Нержавеющая сталь является предпочтительным конструкционным материалом для этих мокрых настилов, но часто процесс «не принимает» металлический инструмент. Пластмассы с меньшим потенциалом воспламенения/задымления существуют, но еще не были должным образом протестированы, чтобы определить, будут ли они совместимы с процессами производства полупроводников.
В целях противопожарной защиты эти инструменты должны быть защищены беспрепятственной спринклерной защитой. Размещение фильтров HEPA над влажными скамейками часто блокирует спринклерные головки. В этом случае под фильтрами устанавливаются дополнительные спринклерные головки. Многие компании также требуют, чтобы система обнаружения и тушения пожара была установлена внутри полостей этих инструментов, где возникает много пожаров.
Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) коммерчески доступны с 1970-х годов. Они обычно используются в часах, калькуляторах, радиоприемниках и других продуктах, требующих индикаторов и трех или четырех буквенно-цифровых символов. Недавние усовершенствования жидкокристаллических материалов позволяют производить большие дисплеи. Хотя ЖК-дисплеи составляют лишь небольшую часть полупроводниковой промышленности, их значение возросло с их использованием в плоских дисплеях для портативных компьютеров, очень легких портативных компьютеров и специализированных текстовых процессоров. Ожидается, что важность ЖК-дисплеев будет продолжать расти, поскольку они в конечном итоге заменят последнюю электронную лампу, обычно используемую в электронике, — электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) (O'Mara 1993).
Производство ЖК-дисплеев является очень специализированным процессом. Результаты мониторинга промышленной гигиены указывают на очень низкие уровни переносимых по воздуху загрязняющих веществ для различных отслеживаемых воздействий растворителей (Wade et al. 1981). В целом, количество используемых токсичных, коррозионных и легковоспламеняющихся твердых, жидких и газообразных химических веществ и опасных физических веществ ограничено по сравнению с другими видами производства полупроводников.
Жидкокристаллические материалы представляют собой стержнеобразные молекулы, примером которых являются молекулы цианобифенила, показанные на рисунке 1. Эти молекулы обладают свойством вращать направление прохождения поляризованного света. Хотя молекулы прозрачны для видимого света, контейнер с жидким материалом кажется молочным или полупрозрачным, а не прозрачным. Это происходит потому, что длинная ось молекул выровнена под случайными углами, поэтому свет рассеивается случайным образом. Ячейка жидкокристаллического дисплея устроена так, что молекулы следуют определенному выравниванию. Это выравнивание можно изменить с помощью внешнего электрического поля, что позволяет изменить поляризацию входящего света.
Рисунок 1. Основные молекулы жидкокристаллического полимера
При производстве плоскопанельных дисплеев две стеклянные подложки обрабатываются отдельно, а затем соединяются вместе. Передняя подложка имеет рисунок для создания массива цветовых фильтров. На задней стеклянной подложке расположены тонкопленочные транзисторы и металлические соединительные линии. Эти две пластины сопрягаются в процессе сборки и, при необходимости, разрезаются и разделяются на отдельные дисплеи. Жидкокристаллический материал впрыскивается в зазор между двумя стеклянными пластинами. Дисплеи проверяются и тестируются, и на каждую стеклянную пластину наносится поляризующая пленка.
Для производства плоских дисплеев требуется множество отдельных процессов. Они требуют специального оборудования, материалов и процессов. Некоторые ключевые процессы описаны ниже.
Подготовка стеклянной подложки
Стеклянная подложка является важным и дорогостоящим компонентом дисплея. Требуется очень жесткий контроль оптических и механических свойств материала на каждой стадии процесса, особенно при нагреве.
Производство стекла
Два процесса используются для изготовления очень тонкого стекла с очень точными размерами и воспроизводимыми механическими свойствами. В процессе плавления, разработанном Corning, используется стеклянный питательный стержень, который плавится в клиновидном желобе и течет вверх и по краям желоба. Стекая по обеим сторонам желоба, расплавленное стекло соединяется в единый лист на дне желоба и может вытягиваться вниз как однородный лист. Толщина листа регулируется скоростью опускания стекла. Может быть получена ширина почти до 1 м.
Другие производители стекол с соответствующими размерами для ЖК-подложек используют флоат-метод изготовления. В этом методе расплавленное стекло вытекает на слой расплавленного олова. Стекло не растворяется и не реагирует с металлическим оловом, а плавает на поверхности. Это позволяет гравитации сгладить поверхность и позволить обеим сторонам стать параллельными. (см. главу Стекло, керамика и сопутствующие материалы.)
Доступны различные размеры подложек, вплоть до 450 × 550 мм и больше. Типичная толщина стекла для плоских дисплеев составляет 1.1 мм. Более тонкое стекло используется для некоторых небольших дисплеев, таких как пейджеры, телефоны, игры и так далее.
Резка, скашивание и полировка
Стеклянные подложки обрезаются по размеру после процесса плавления или флоатинга, обычно примерно до 1 м со стороны. За процессом формования следуют различные механические операции, в зависимости от конечного применения материала.
Поскольку стекло является хрупким и легко скалывается или трескается по краям, на них обычно делают фаски, фаски или иную обработку для уменьшения сколов при обращении. Термические напряжения в краевых трещинах накапливаются в процессе обработки подложки и приводят к ее разрушению. Поломка стекла является серьезной проблемой во время производства. Помимо возможности получения порезов и рваных ран работниками, это представляет собой потерю производительности, а осколки стекла могут оставаться в оборудовании, вызывая загрязнение твердыми частицами или царапая другие подложки.
Увеличение размера подложки приводит к увеличению сложности полировки стекла. Большие подложки крепятся к носителям с помощью воска или другого клея и полируются с помощью суспензии абразивного материала. За этим процессом полировки должна следовать тщательная химическая очистка для удаления остатков воска или других органических остатков, а также металлических примесей, содержащихся в абразиве или полировальной среде.
Уборка
Процессы очистки используются для чистых стеклянных подложек и для подложек, покрытых органическими пленками, такими как цветные фильтры, полиимидные ориентационные пленки и т.д. Кроме того, подложки с полупроводниковыми, изоляционными и металлическими пленками требуют очистки на определенных этапах производственного процесса. Как минимум, требуется очистка перед каждым этапом маскирования при изготовлении цветных фильтров или тонкопленочных транзисторов.
В большинстве случаев при очистке плоских панелей используется комбинация физических и химических методов с избирательным использованием сухих методов. После химического травления или очистки подложки обычно сушат изопропиловым спиртом. (См. таблицу 1.)
Табл. 1. Очистка плоскопанельных дисплеев
Физическая очистка |
Сухая чистка |
Химическая очистка |
Чистка щеткой |
Ультрафиолетовый озон |
Органический растворитель* |
Струйный спрей |
Плазма (оксид) |
Нейтральное моющее средство |
Ультразвуковой |
Плазма (неоксидная) |
|
Мегазвук |
Лазер |
Чистая вода |
* Обычные органические растворители, используемые при химической очистке, включают: ацетон, метанол, этанол, n-пропанол, изомеры ксилола, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен.
Формирование цветового фильтра
Формирование цветного фильтра на передней стеклянной подложке включает в себя некоторые этапы обработки и подготовки стекла, общие для передней и задней панелей, в том числе процессы снятия фаски и притирки. Такие операции, как формирование рисунка, покрытие и отверждение, многократно выполняются на подложке. Существует много точек сходства с обработкой кремниевых пластин. Стеклянные подложки обычно обрабатываются в направляющих системах для очистки и покрытия.
Рисунок цветового фильтра
Для создания цветных фильтров для различных типов плоскопанельных дисплеев используются различные материалы и методы нанесения. Можно использовать либо краситель, либо пигмент, и любой из них можно наносить и создавать узор несколькими способами. В одном подходе желатин наносят и окрашивают в последовательных фотолитографических операциях с использованием оборудования для бесконтактной печати и стандартных фоторезистов. В другом используются пигменты, диспергированные в фоторезисте. Другие методы формирования цветных фильтров включают электроосаждение, травление и печать.
Депонирование ИТО
После формирования цветного фильтра завершающим этапом является напыление прозрачного электродного материала. Это оксид индия-олова (ITO), который на самом деле представляет собой смесь оксидов In2O3 и SnO2. Этот материал является единственным, подходящим для использования в качестве прозрачного проводника для ЖК-дисплеев. Тонкая пленка ITO требуется с обеих сторон дисплея. Обычно пленки ITO изготавливают с помощью вакуумного испарения и напыления.
Тонкие пленки ITO легко протравливаются влажными химическими веществами, такими как соляная кислота, но по мере того, как шаг электродов становится меньше, а детали становятся тоньше, может потребоваться сухое травление, чтобы предотвратить подрезание линий из-за перетравливания.
Формирование тонкопленочных транзисторов
Изготовление тонкопленочных транзисторов очень похоже на изготовление интегральной схемы.
Осаждение тонкой пленки
Подложки начинают процесс изготовления с этапа нанесения тонкой пленки. Тонкие пленки наносят методом CVD или методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Плазменный CVD, также известный как тлеющий разряд, используется для аморфного кремния, нитрида кремния и диоксида кремния.
Шаблоны устройств
После нанесения тонкой пленки наносится фоторезист и отображается изображение, позволяющее протравить тонкую пленку до соответствующих размеров. Последовательность тонких пленок осаждается и травится, как при изготовлении интегральных схем.
Нанесение ориентационной пленки и втирание
Как на верхнюю, так и на нижнюю подложку нанесена тонкая полимерная пленка для ориентации молекул жидкого кристалла на поверхности стекла. Эта ориентирующая пленка толщиной примерно 0.1 мкм может быть полиимидом или другим «жестким» полимерным материалом. После осаждения и запекания его натирают тканью в определенном направлении, оставляя на поверхности едва заметные бороздки. Натирание может производиться однократной тканью на ленте, подаваемой с валика с одной стороны, проходящей под валиком, контактирующим с подложкой, на валик с другой стороны. Подложка перемещается под тканью в том же направлении, что и ткань. Другие методы включают передвижную щетку, которая перемещается по подложке. Важное значение имеет ворс натирающего материала. Канавки помогают молекулам жидких кристаллов выравниваться на поверхности подложки и принимать правильный угол наклона.
Ориентационная пленка может быть нанесена центрифугированием или печатью. Метод печати более эффективен в использовании материала; От 70 до 80% полиимида переносится с печатного вала на поверхность подложки.
сборка
После завершения этапа притирки подложки начинается последовательность автоматизированной сборочной линии, которая состоит из:
По линии происходит автоматизированная транспортировка как верхних, так и нижних плит. На одну пластину наносится клей, а вторая пластина вводится в аппликаторную станцию.
Впрыск жидких кристаллов
В случае, когда на подложке было построено более одного дисплея, дисплеи теперь разделяются путем нарезки. В этот момент жидкокристаллический материал может быть введен в зазор между подложками, используя отверстие, оставленное в герметизирующем материале. Затем это входное отверстие запечатывается и подготавливается к окончательной проверке. Жидкокристаллические материалы часто поставляются в виде двух- или трехкомпонентных систем, которые смешиваются при впрыскивании. Системы впрыска обеспечивают перемешивание и продувку ячейки во избежание захвата пузырьков в процессе наполнения.
Проверка и тестирование
Осмотр и функциональное тестирование выполняются после сборки и впрыска жидких кристаллов. Большинство дефектов связано с частицами (включая точечные и линейные дефекты) и проблемами с зазорами между ячейками.
Насадка-поляризатор
Последним этапом изготовления самого жидкокристаллического дисплея является нанесение поляризатора на внешнюю сторону каждой стеклянной пластины. Поляризационная пленка представляет собой композитную пленку, содержащую самоклеящийся клейкий слой, необходимый для прикрепления поляризатора к стеклу. Они наносятся автоматическими машинами, которые дозируют материал из рулонов или предварительно нарезанных листов. Эти машины представляют собой варианты этикетировочных машин, разработанные для других отраслей промышленности. Поляризационная пленка прикреплена к обеим сторонам дисплея.
В некоторых случаях перед поляризатором наносится компенсационная пленка. Компенсационные пленки представляют собой полимерные пленки (например, поликарбонат и полиметилметакрилат), которые растягиваются в одном направлении. Это растяжение изменяет оптические свойства пленки.
Готовый дисплей обычно имеет интегральные схемы драйвера, установленные на одной из стеклянных подложек или рядом с ней, обычно на стороне тонкопленочного транзистора.
опасности
Разрушение стекла представляет собой серьезную опасность при производстве ЖК-дисплеев. Возможны порезы и рваные раны. Воздействие химических веществ, используемых для очистки, является еще одной проблемой.
Кремний исторически доминировал в разработке технологий ИС в качестве основного полупроводникового материала. Основное внимание в последние годы к альтернативе кремнию было сосредоточено на соединениях III-V, таких как арсенид галлия (GaAs), в качестве материала подложки. Как полупроводниковый материал, GaAs демонстрирует повышенные возможности по сравнению с кремнием, например, подвижность электронов в 5-6 раз больше, чем у кремния. Эта характеристика в сочетании с потенциальными полуизолирующими свойствами GaAs приводит к увеличению производительности как по скорости, так и по энергопотреблению.
GaAs имеет структуру цинковой обманки, состоящую из двух взаимопроникающих гранецентрированных кубических подрешеток, которые связаны с выращиванием высококачественного материала слитка. Технология, связанная с выращиванием GaAs, значительно сложнее, чем технология, используемая для кремния, поскольку используется более сложное двухфазное равновесие и легколетучий компонент, мышьяк (As). Точный контроль давления паров мышьяка в системе выращивания слитков необходим для поддержания точной стехиометрии соединения GaAs в процессе роста. Две основные категории производства полупроводниковых дисплеев и устройств III-V имеют экономически целесообразные процедуры обработки - светодиодные дисплеи и микроволновые устройства ИС.
Светодиоды изготавливаются из монокристаллического GaAs, в котором pn-переходы образованы добавлением подходящих легирующих присадок — обычно теллура, цинка или кремния. Эпитаксиальные слои тройных и четвертичных материалов III-V, таких как фосфид арсенида галлия (GaAsP), выращиваются на подложке и дают полосу излучения определенных длин волн в видимом спектре для дисплеев или в инфракрасном спектре для излучателей или детекторов. Например, красный свет с пиком около 650 нм возникает в результате прямой рекомбинации p-n электронов и дырок. Зеленые диоды обычно состоят из фосфида галлия (GaP). Обобщенные этапы обработки светодиодов описаны в этой статье.
СВЧ-устройства на ИС представляют собой специализированную форму интегральной схемы; они используются в качестве усилителей высокой частоты (от 2 до 18 ГГц) для радиолокации, телекоммуникаций и телеметрии, а также в качестве октавных и многооктавных усилителей для использования в системах радиоэлектронной борьбы. Производители СВЧ-устройств обычно покупают монокристаллическую подложку GaAs с эпитаксиальным слоем или без него у сторонних поставщиков (как и производители кремниевых устройств). Основные этапы обработки включают жидкофазное эпитаксиальное осаждение, изготовление и обработку без изготовления, аналогичную производству кремниевых устройств. В этой статье также обсуждаются этапы обработки, которые требуют описания в дополнение к обработке светодиодов.
Производство вафель
Подобно процессу выращивания слитков кремния, элементарные формы галлия и мышьяка, а также небольшие количества легирующего материала — кремния, теллура или цинка — вступают в реакцию при повышенных температурах с образованием слитков легированного монокристалла GaAs. Используются три обобщенных метода производства слитков:
Объемное поликристаллическое соединение GaAs обычно образуется в результате реакции паров As с металлическим Ga при повышенных температурах в запаянных кварцевых ампулах. Обычно резервуар As, расположенный на одном конце ампулы, нагревают до 618°C. Это создает примерно 1 атмосферу давления паров As в ампуле, что является необходимым условием для получения стехиометрического GaAs. Пары As вступают в реакцию с металлом Ga, поддерживаемым при температуре 1,238°C и расположенным на другом конце ампулы в лодочке из кварца или пиролитического нитрида бора (PBN). После полной реакции мышьяка образуется поликристаллический заряд. Это используется для выращивания монокристаллов путем программируемого охлаждения (градиентное замораживание) или путем физического перемещения либо ампулы, либо печи, чтобы обеспечить надлежащие температурные градиенты для роста (Бриджмен). Этот непрямой подход (перенос мышьяка) для компаундирования и выращивания GaAs используется из-за высокого давления паров мышьяка при температуре плавления GaAs, около 20 атмосфер при 812°C и 60 атмосфер при 1,238°C соответственно.
Другим подходом к коммерческому производству массивного монокристалла GaAs является метод LEC. Съемник кристаллов Чохральского загружается куском GaAs в тигель с внешним графитовым токоприемником. Затем объемный GaAs плавится при температурах, близких к 1,238 °C, и кристалл вытягивается в атмосфере под давлением, которое может варьироваться в зависимости от производителя, как правило, от нескольких атмосфер до 100 атмосфер. Расплав полностью инкапсулирован вязким стеклом B2O3, который предотвращает диссоциацию расплава, поскольку давление пара As соответствует или превышает давление инертного газа (обычно аргона или азота), подаваемого в камеру выталкивателя. В качестве альтернативы можно синтезировать монокристаллический GaAs. на месте путем впрыскивания As в расплавленный Ga или комбинирования As и Ga непосредственно под высоким давлением.
Производство пластин GaAs представляет собой процесс производства полупроводников с наибольшим потенциалом значительных рутинных химических воздействий. Хотя производство GaAs-пластин осуществляется лишь небольшим процентом производителей полупроводников, в этой области необходимо уделять особое внимание. Большое количество мышьяка, используемого в процессе, многочисленные этапы процесса и низкий предел воздействия мышьяка в воздухе затрудняют контроль воздействия. Статьи Харрисона (1986); Ленихан, Шихи и Джонс (1989); Макинтайр и Шерин (1989) и Шихи и Джонс (1993) предоставляют дополнительную информацию об опасностях и средствах контроля этого процесса.
Синтез поликристаллических слитков
Загрузка ампулы и запайка
Элементарный мышьяк (99.9999%) в виде кусков взвешивают и загружают в кварцевую лодочку в вытяжном перчаточном боксе. Чистый жидкий Ga (99.9999%) и легирующий материал также взвешивают и загружают в лодочку (лодочки) из кварца или пиролитического нитрида бора (PBN) таким же образом. Лодочки загружаются в длинную цилиндрическую кварцевую ампулу. (В методах Бриджмена и градиентной заморозки также вводится затравочный кристалл с желаемой кристаллографической ориентацией, тогда как в двухэтапном методе LEC, где на этом этапе требуется только поли-GaAs, поликристаллический GaAs синтезируется без затравочного кристалла. )
Кварцевые ампулы помещают в низкотемпературную печь и нагревают при продувке ампулы водородом (H2), в процессе, известном как реакция восстановления водорода, для удаления оксидов. После продувки инертным газом, например аргоном, кварцевые ампулы присоединяют к узлу вакуумного насоса, вакуумируют, концы ампул нагревают и запаивают водородно-кислородной горелкой. Это создает заряженную и запаянную кварцевую ампулу, готовую к выращиванию в печи. Продувка водородом и система водородно-кислородной горелки представляют собой потенциальную опасность пожара/взрыва, если не используются надлежащие предохранительные устройства и оборудование (Wade et al. 1981).
Поскольку мышьяк нагревается, эта сборка поддерживается при вытяжной вентиляции. Отложения оксида мышьяка могут образовываться в выхлопном канале, поддерживающем этот узел. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить воздействие и загрязнение, если воздуховоды каким-либо образом будут нарушены.
Хранение и обращение с кусками мышьяка вызывает озабоченность. В целях безопасности мышьяк часто хранится под замком и под строгим инвентарным контролем. Обычно мышьяк также хранится в огнеупорном шкафу, чтобы предотвратить его попадание в случае пожара.
Рост печи
Как в методах Бриджмена, так и в методах градиентного замораживания для выращивания монокристаллических слитков используются загруженные и запаянные кварцевые ампулы в высокотемпературном корпусе печи, вентилируемом в систему мокрого скруббера. Основная опасность воздействия во время выращивания в печи связана с возможностью взрыва или взрыва кварцевой ампулы во время выращивания слитка. Эта ситуация возникает довольно спорадически и нечасто и является результатом одного из следующих действий:
Горизонтальная система Бриджмена состоит из многозонной печи, в которой запаянная кварцевая ампула имеет отдельные температурные зоны — мышьяковый «холодный» конец пальца при 618°C и кварцевая лодочка из галлия/легирующей примеси/затравочного кристалла, содержащая расплав при 1,238°C. Основной принцип горизонтальной системы Бриджмена включает в себя пересечение двух нагретых зон (одна выше точки плавления GaAs и одна ниже точки плавления) над лодочкой из GaAs, чтобы обеспечить точно контролируемое замораживание расплавленного GaAs. Затравочный кристалл, постоянно поддерживаемый в зоне замораживания, обеспечивает первоначальную начальную структуру кристалла, определяя направление и ориентацию кристаллической структуры внутри лодочки. Кварцевая лодочка и ампула Ga и As подвешены внутри камеры нагревателя с помощью набора вкладышей из карбида кремния, называемых опорными трубками, которые расположены внутри узла резистивного нагревателя для механического перемещения ампулы на полное расстояние. Кроме того, сборка печи опирается на стол, который необходимо наклонять во время выращивания, чтобы обеспечить надлежащую границу раздела синтезированного расплава GaAs с затравочным кристаллом.
В методе градиентной заморозки многозонная высокотемпературная печь с использованием резистивного нагрева поддерживается при температуре от 1,200 до 1,300 °C (1,237 °C — это точка плавления/замерзания GaAs). Общая продолжительность процесса выращивания слитка обычно составляет 3 дня и включает следующие этапы:
Кварцевая ампула также наклоняется в процессе выращивания с помощью ручного домкрата ножничного типа.
Ампульный прорыв
После того, как монокристаллический слиток GaAs выращен в запаянной кварцевой ампуле, ампулу необходимо открыть и удалить кварцевую лодочку, содержащую слиток и затравочный кристалл. Это достигается одним из следующих способов:
Кварцевые ампулы перерабатываются путем влажного травления конденсированного мышьяка на внутренней поверхности царской водкой (HCl, HNO3) или серная кислота/перекись водорода (H2SO4/H2O2).
Дробеструйная обработка/очистка слитка
Чтобы увидеть поликристаллические дефекты и удалить внешние оксиды и загрязнения, слиток монокристалла GaAs необходимо подвергнуть дробеструйной очистке. Дробеструйная очистка выполняется в перчаточном боксе с отработанным воздухом с использованием пескоструйной среды из карбида кремния или прокаленного оксида алюминия. Влажная очистка производится в химических ваннах, оборудованных местной вытяжной вентиляцией и использующих царская водка или спиртовые ополаскиватели (изопропиловый спирт и/или метанол).
Рост монокристаллического слитка
Слиток поликристаллического GaAs, извлеченный из ампулы, разбивается на куски, взвешивается и помещается в кварцевый или PBN-тигель, а сверху на него помещается диск из оксида бора. Затем тигель помещают в устройство для выращивания кристаллов (выталкиватель), находящееся под давлением инертного газа и нагреваемое до 1,238°C. При этой температуре GaAs плавится, а более легкий оксид бора становится жидким герметиком, предотвращающим диссоциацию мышьяка из расплава. Затравочный кристалл вводят в расплав ниже жидкостной шапки и, вращаясь в противоположных направлениях, медленно извлекают из расплава, тем самым затвердевая по мере выхода из «горячей зоны». Этот процесс занимает примерно 24 часа, в зависимости от размера заряда и диаметра кристалла.
После завершения цикла выращивания гровер открывается для извлечения монокристаллического слитка и очистки. Некоторое количество мышьяка выходит из расплава даже при установленной жидкостной крышке. На этом этапе процесса может быть значительное воздействие переносимого по воздуху мышьяка. Чтобы контролировать это воздействие, гровер охлаждают до температуры ниже 100°C, что приводит к отложению мелких частиц мышьяка на внутренней поверхности гровера. Такое охлаждение помогает свести к минимуму количество мышьяка, попадающего в воздух.
Внутри устройства для выращивания кристаллов остаются тяжелые отложения мышьякосодержащих остатков. Удаление остатков во время планового профилактического обслуживания может привести к значительным концентрациям мышьяка в воздухе (Lenihan, Sheehy and Jones 1989; Baldwin and Stewart 1989; McIntyre and Sherin 1989). Средства контроля, используемые во время этой операции технического обслуживания, часто включают вытяжную вентиляцию, одноразовую одежду и респираторы.
Когда слиток извлекают, гровер демонтируют. Вакуум HEPA используется для сбора частиц мышьяка со всех частей гровера. После вакуумирования детали из нержавеющей стали протирают смесью гидроксида аммония и перекиси водорода, чтобы удалить остатки мышьяка, после чего гровер собирается.
обработка пластин
дифракция рентгеновских лучей
Кристаллическая ориентация слитка GaAs определяется с помощью установки рентгеновской дифракции, как при обработке слитка кремния. Лазер малой мощности можно использовать для определения ориентации кристаллов в производственных условиях; однако дифракция рентгеновских лучей является более точным и предпочтительным методом.
При использовании рентгеновской дифракции часто рентгеновский луч полностью помещается в защитный шкаф, который периодически проверяется на предмет утечки излучения. При определенных обстоятельствах нецелесообразно полностью удерживать рентгеновский луч в блокируемом корпусе. В этом случае от операторов может потребоваться ношение значков радиационного излучения на пальцах, и используются элементы управления, аналогичные тем, которые используются для мощных лазеров (например, закрытое помещение с ограниченным доступом, обучение операторов, ограждение луча настолько, насколько это практически возможно, и т. д.) ( Болдуин и Уильямс, 1996).
Обрезка слитков, измельчение и нарезка
Концы или хвосты монокристаллического слитка удаляются с помощью однолезвийной алмазной пилы с водяной смазкой с добавлением в воду различных охлаждающих жидкостей. Затем монокристаллический слиток помещают на токарный станок, который формирует из него цилиндрический слиток одинакового диаметра. Это процесс измельчения, который также является мокрым процессом.
После обрезки и шлифовки слитки GaAs крепятся эпоксидной смолой или воском к графитовой балке и распиливаются на отдельные пластины с помощью автоматически управляемых пил с алмазными дисками внутреннего диаметра (ID). Эта влажная операция выполняется с использованием смазочных материалов и создает суспензию GaAs, которую собирают, центрифугируют и обрабатывают фторидом кальция для осаждения мышьяка. Надосадочную жидкость проверяют, чтобы убедиться, что она не содержит избыточного мышьяка, а осадок прессуют в осадок и утилизируют как опасные отходы. Некоторые производители отправляют собранный шлам после процессов обрезки, измельчения и нарезки слитков на регенерацию галлия.
Арсин и фосфин могут образовываться при реакции GaAs и фосфида индия с влагой воздуха, другими арсенидами и фосфидами или при смешении с кислотами при переработке арсенида галлия и фосфида индия; 92 ppb арсина и 176 ppb фосфина были измерены на расстоянии 2 дюймов от режущих лезвий, используемых для резки слитков GaAs и фосфида индия (Mosovsky et al. 1992, Rainer et al. 1993).
Мойка вафель
После демонтажа пластин GaAs с графитовой балки их очищают путем последовательного погружения во влажные химические ванны, содержащие растворы серной кислоты/перекиси водорода или уксусной кислоты и спирты.
Профилирование краев
Профилирование краев также представляет собой влажный процесс, выполняемый на нарезанных пластинах для формирования края вокруг пластины, что делает ее менее склонной к поломке. Поскольку на поверхности пластины делается только тонкий надрез, образуется лишь небольшое количество суспензии.
Притирка и полировка
Пластины наносятся воском на притирочную или шлифовальную плиту с помощью нагревательной плиты и притираются на машине с заданной скоростью вращения и давлением. На притирочную поверхность подается притирочный раствор (суспензия оксида алюминия, глицерина и воды). После короткого периода притирки, когда достигается желаемая толщина, пластины промываются и устанавливаются на механическую полировальную машину. Полировка выполняется с использованием бикарбоната натрия, 5% хлора, воды (или гипохлорита натрия) и суспензии коллоидного кремнезема. Затем пластины демонтируются на плите, воск удаляется с помощью растворителей и пластины очищаются.
эпитаксии
Монокристаллические пластины GaAs используются в качестве подложек для выращивания очень тонких слоев того же или других соединений AIIIBV с заданными электронными или оптическими свойствами. Это необходимо сделать так, чтобы в выращенном слое сохранилась кристаллическая структура подложки. Такой рост кристаллов, при котором подложка определяет кристалличность и ориентацию выращенного слоя, называется эпитаксией, и в производстве дисплеев и устройств III-V используются различные методы эпитаксиального роста. Наиболее распространенными методами являются:
Жидкофазная эпитаксия
В ЖФЭ слой легированного материала AIIIBV выращивается непосредственно на поверхности подложки GaAs с помощью графитового держателя, содержащего отдельные камеры для материала, наносимого на пластины. В верхнюю камеру держателя добавляют навеску материалов для осаждения, а в нижнюю камеру помещают пластины. Сборка помещается в кварцевую реакционную трубку в атмосфере водорода. Трубку нагревают, чтобы расплавить осаждаемые материалы, и, когда расплав уравновешивается, верхнюю часть держателя сдвигают так, чтобы расплав располагался над пластиной. Затем температуру печи снижают для формирования эпитаксиального слоя.
LPE в основном используется в микроволновой эпитаксии ИС и для производства светодиодов определенных длин волн. Основной проблемой этого процесса LPE является использование легковоспламеняющегося газообразного водорода в системе, что смягчается хорошими техническими средствами контроля и системами раннего предупреждения.
Молекулярно-лучевая эпитаксия
Вакуумная эпитаксия в форме МЛЭ стала особенно универсальной техникой. МЛЭ GaAs состоит из сверхвысоковакуумной системы, содержащей источники атомарных или молекулярных пучков Ga и As и нагретой пластины-подложки. Источники молекулярного пучка обычно представляют собой контейнеры для жидкого Ga или твердого As. Источники имеют отверстие, обращенное к подложке. Когда эффузионная печь (или контейнер) нагревается, атомы Ga или молекулы As вытекают из отверстия. Для GaAs рост обычно происходит при температуре подложки выше 450◦C.
Высокие уровни воздействия арсина могут возникать при обслуживании систем МЛЭ с твердыми источниками. Концентрация в воздухе помещения 0.08 частей на миллион была обнаружена в одном исследовании, когда камера установки MBE была открыта для технического обслуживания. Авторы предположили, что временное образование арсина может быть вызвано реакцией очень мелких частиц мышьяка с водяным паром, при этом алюминий выступает в качестве катализатора (Asom et al. 1991).
Эпитаксия в паровой фазе
Обезжиренные и полированные пластины перед эпитаксией подвергаются травлению и очистке. Это включает в себя последовательную операцию мокрого химического погружения с использованием серной кислоты, перекиси водорода и воды в соотношении 5:1:1; ополаскивание деионизированной водой; и изопропиловый спирт чистый/сухой. Также проводится визуальный осмотр.
Используются два основных метода VPE, основанные на двух разных химических процессах:
Термохимия этих методов очень различна. Галогенные реакции обычно ведут от «горячих» к «холодным», в которых III-галоген образуется в горячей зоне в результате реакции элемента III с HCl, а затем диффундирует в холодную зону, где он реагирует с соединениями V. с образованием материала III-V. Металлоорганическая химия представляет собой процесс «горячей стенки», в котором металлорганическое соединение III «расщепляет» или пиролизует органическую группу, а оставшийся III и гидрид V реагируют с образованием III-V.
В ВФЭ подложка GaAs помещается в нагретую камеру в атмосфере водорода. Камера нагревается либо ВЧ, либо резистивным нагревом. HCl барботируют через лодочку Ga, образуя хлорид галлия, который затем реагирует с AsH.3 и РН3 вблизи поверхности пластин с образованием GaAsP, который осаждается в виде эпитаксиального слоя на подложку. Можно добавить ряд добавок (в зависимости от продукта и рецепта). К ним относятся низкие концентрации теллуридов, селенидов и сульфидов.
Распространенным методом, используемым для VPE при обработке светодиодов, является система III-галоген и V-водород (гидрид). Он включает в себя двухцикловый процесс — сначала выращивание эпитаксиального слоя GaAsP на подложке GaAs и, наконец, цикл травления для очистки камеры графитового/кварцевого реактора от примесей. Во время цикла эпитаксиального роста предварительно очищенные пластины GaAs загружаются на карусель, расположенный внутри камеры кварцевого реактора, содержащей резервуар с элементарным жидким галлием, через который дозируется безводный газ HCl, образуя GaCl.3. Смеси гидрид/водород (например, 7% AsH3/H2 и 10% РН3/H2) также дозируются в камеру реактора с добавлением металлоорганических добавок теллура и селена в концентрациях ppm. Химические частицы в горячей зоне, в верхней части реакционной камеры, реагируют, а в холодной зоне, в нижней части камеры, формируют желаемый слой GaAsP на подложке пластины, а также на внутренней части реакционной камеры. камера реактора.
Выходящие из реактора потоки направляются в систему водородной горелки (камера сгорания или камера сгорания) для пиролиза и поступают в систему мокрого скруббера. В качестве альтернативы потоки, выходящие из реактора, можно барботировать через жидкую среду для улавливания большей части твердых частиц. Проблема безопасности заключается в том, чтобы полагаться на сами реакторы для «расщепления» газов. КПД этих реакторов составляет примерно от 98 до 99.5%; поэтому некоторые непрореагировавшие газы могут выходить из барботера, когда их выводят операторы. Из этих барботеров происходит выделение различных соединений, содержащих мышьяк и фосфор, что требует их быстрой транспортировки в вентилируемую раковину для обслуживания, где они очищаются и очищаются, чтобы снизить воздействие на персонал. Задачей этого процесса с точки зрения гигиены труда является определение профиля выхлопных газов, поскольку большинство соединений, выделившихся из различных частей реактора, особенно из барботера, нестабильны на воздухе, а доступные обычные собирающие среды и аналитические методы не являются дискриминационными по отношению к разные виды.
Еще одной проблемой являются предварительные скрубберы для реакторов VPE. Они могут содержать высокие концентрации арсина и фосфина. Воздействие, превышающее пределы профессионального воздействия, может иметь место, если эти фильтры предварительной очистки открываются без разбора (Baldwin and Stewart 1989).
Цикл травления выполняется в конце цикла роста и на новых деталях реактора для очистки внутренней поверхности от примесей. Неразбавленный газообразный HCl подается в камеру в течение примерно 30 минут, и реактор нагревается до температуры более 1,200°C. Сточные воды направляются в систему мокрого скруббера для нейтрализации.
В конце обоих циклов роста и травления расширенный N2 продувка используется для промывки камеры реактора от токсичных/горючих и агрессивных газов.
Очистка реактора
После каждого цикла выращивания реакторы VPE необходимо открывать, пластины извлекать и физически очищать как верхнюю, так и нижнюю часть реактора. Процесс очистки выполняется оператором.
Кварцевый предварительный скруббер из реакторов физически выносится из реактора и помещается в отработанный слив, где он продувается азотом.2, промывают водой, а затем погружают в царская водка. Затем следует еще одна промывка водой перед сушкой детали. Намерение Н.2 продувка заключается в простом вытеснении кислорода из-за присутствия нестабильного пирофорного фосфора. Некоторые остатки, содержащие различные мышьяк и фосфорсодержащие побочные продукты, остаются на этих деталях даже после продувки и промывки водой. Реакция между этими остатками и смесью сильного окислителя/кислоты потенциально может привести к образованию значительных количеств AsH.3 и немного РН3. Существует также потенциал воздействия при других процедурах технического обслуживания в этом районе.
Нижняя часть кварцевой реакционной камеры и нижняя плита (основная плита) очищаются металлическим инструментом, а твердые частицы (смесь GaAs, GaAsP, оксидов мышьяка, оксидов фосфора и захваченных гидридных газов) собираются в металлическом контейнер, расположенный под вертикальным реактором. Для окончательной очистки используется высокоэффективный вакуум.
Еще одна операция, которая может привести к химическому воздействию, — очистка ловушки реактора. Очистка ловушки производится путем соскребания графитовых частиц с верхней камеры, которые имеют корку от всех ранее упомянутых побочных продуктов, а также хлорида мышьяка. Процедура соскабливания создает пыль и выполняется в вентилируемой раковине, чтобы свести к минимуму воздействие на операторов. Линия технологического выхлопа, в которой находятся все побочные продукты, а также влага, образующая жидкие отходы, открывается и сливается в металлический контейнер. Вакуум HEPA используется для очистки любых частиц пыли, которые могли вылететь во время переноса графитовых деталей, а также при подъеме и опускании колпака, который сбивает любые незакрепленные частицы.
Металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы
MOCVD широко используется при изготовлении устройств III-V. В дополнение к газообразным гидридам, используемым в качестве исходных материалов в других системах CVD (например, арсин и фосфин), менее токсичные жидкие альтернативы (например, трет-бутиларсин и трет-бутилфосфин) также используются в системах MOCVD вместе с другими токсичными веществами, такими как алкилы кадмия и ртуть (Content 1989; Rhoades, Sands and Mattera 1989; Roychowdhury 1991).
В то время как VPE относится к процессу осаждения составного материала, MOCVD относится к исходным химическим источникам, используемым в системе. Используются два химических вещества: галогениды и металлоорганические соединения. Описанный выше процесс VPE представляет собой галоидный процесс. Галогенид III группы (галлий) образуется в горячей зоне, а соединение III-V осаждается в холодной зоне. В металлоорганическом процессе для GaAs триметилгаллий дозируется в реакционную камеру вместе с арсином или менее токсичным жидким альтернативным продуктом, таким как трет-бутиларсин, для образования арсенида галлия. Пример типичной реакции MOCVD:
(СН3)3Га + Аш3 → GaAs + 3CH4
Существуют и другие химические вещества, используемые при MOCVD-обработке светодиодов. Металлоорганические соединения, используемые в качестве элементов группы III, включают триметилгаллий (TMGa), триэтилгаллий (TEGa), индий TM, индий TE и алюминий TM. В процессе также используются гидридные газы: 100% AsH3 и 100% РН3. Легирующие примеси, используемые в процессе: диметилцинк (DMZ), бис-циклопентадиенилмагний и селенид водорода (H2Сэ). Эти материалы реагируют в реакционной камере под низким давлением H2 атмосфера. В результате реакции образуются эпитаксиальные слои AlGaAs, AlInGaP, InAsP и GaInP. Этот метод традиционно использовался при производстве полупроводниковых лазеров и устройств оптической связи, таких как передатчики и приемники для волоконной оптики. Процесс AlInGaP используется для производства очень ярких светодиодов.
Подобно процессу VPE, очистка реактора и деталей MOCVD представляет собой проблему как для самого процесса, так и для специалиста по гигиене труда, особенно при наличии большого количества концентрированного PH.3 используется в процессе. Эффективность «крекинга» этих реакторов не так велика, как у реакторов ВФЭ. Образуется значительное количество фосфора, что является пожароопасным. Процедура очистки включает использование разбавленной перекиси водорода/гидроксида аммония на различных частях этих реакторов, что представляет опасность взрыва, если из-за ошибки оператора используется концентрированный раствор в присутствии металлического катализатора.
Изготовление устройств
Пластина GaAs с эпитаксиально выращенным слоем GaAsP на верхней поверхности переходит к этапу обработки изготовления устройства.
Нитридное осаждение
Высокотемпературный CVD нитрида кремния ( Si3N4) выполняется с использованием стандартной диффузионной печи. Источниками газа являются силан (SiH4) и аммиак (NH3) с газом-носителем азотом.
Фотолитографический процесс
Стандартный процесс фоторезиста, выравнивания/экспозиции, проявления и зачистки используется так же, как и при обработке кремниевых устройств (см. раздел о литографии в статье «Производство кремниевых полупроводников»).
Мокрое травление
Различные смеси кислотных растворов влажных химикатов используются в пластиковых ваннах на станциях травления с локальным отводом воздуха, некоторые из которых снабжены вертикально установленными системами подачи с ламинарными фильтрами HEPA. Основные используемые кислоты - серная ( H2SO4), фтористоводородной (HF), соляной (HCl) и фосфорной (H3PO4). Как и при обработке кремния, перекись водорода ( H2O2) используется с серной кислотой и гидроксидом аммония (NH4OH) обеспечивает каустическое травление. Раствор цианида (натрия или калия) также используется для травления алюминия. Однако травление цианидом постепенно прекращается, поскольку для этого процесса разрабатываются другие травители. В качестве альтернативы жидкому травлению используется процесс плазменного травления и озоления. Конфигурации реактора и газы-реагенты очень похожи на те, которые используются при обработке кремниевых устройств.
Вещание
Диффузия твердого источника диарсенида цинка в закрытой ампуле проводится в вакуумной диффузионной печи при 720°C с использованием N2 газ-носитель. В качестве присадок используются мышьяк и арсенид цинка. Их взвешивают в перчаточном боксе так же, как и насыпной субстрат.
Металлизация
Первоначальное испарение алюминия осуществляется с использованием электронно-лучевого испарителя. После обратной притирки выполняется последний этап испарения золота с использованием испарителя с нитью.
Легирование
Заключительную стадию сплавления проводят в низкотемпературной диффузионной печи с использованием инертной атмосферы азота.
бэклейпинг
Наплавка выполняется для удаления осажденных материалов (GaAsP, Si3N4 и так далее) с обратной стороны пластины. Пластины намазываются воском на пластину для притирки и притираются суспензией коллоидного кремнезема во влажном состоянии. Затем воск удаляют мокрой зачисткой пластин в органической зачистке на станции влажного химического травления с локальной вытяжкой. Другой альтернативой мокрой притирке является сухая притирка, в которой используется «песок» из оксида алюминия.
Существует ряд используемых резистов и растворителей резистов, обычно содержащих сульфокислоту (додецилбензолсульфокислоту), молочную кислоту, ароматические углеводороды, нафталин и катехол. Некоторые растворители резиста содержат бутилэтаноат, уксусную кислоту и бутиловый эфир. В зависимости от продукта используются как негативные, так и позитивные резисты, а также съемники резистов.
Финальный тест
Как и при обработке кремниевых устройств, готовые схемы светодиодов тестируются на компьютере и маркируются (см. «Производство кремниевых полупроводников»). Выполняется окончательная проверка, а затем пластины подвергаются электрическим испытаниям для маркировки дефектных кристаллов. Затем мокрая пила используется для разделения отдельных штампов, которые затем отправляются на сборку.
Печатные монтажные платы
Печатные платы (PWB) представляют собой взаимосвязанную электрическую структуру и физическую структуру, которые скрепляют различные электронные компоненты печатной платы. Основные категории печатных плат: односторонние, двусторонние, многослойные и гибкие. Требования к сложности и размещению все более плотных и меньших плат требуют, чтобы обе стороны платы были покрыты нижележащими схемами. Односторонние платы удовлетворяли требованиям первых калькуляторов и простых бытовых электронных устройств, но портативным ноутбукам, персональным цифровым помощникам и персональным музыкальным системам требовались двусторонние и многослойные печатные платы. Обработка рисунка печатных плат — это, по сути, фотолитографический процесс, который включает выборочное нанесение и удаление слоев материалов на диэлектрическую подложку, которая действует как электрическая «проводка», которая вытравливается или наносится на печатную плату.
Многослойные платы содержат два или более куска диэлектрического материала со схемой, которые уложены друг на друга и соединены вместе. Электрические соединения устанавливаются от одной стороны к другой и к схеме внутреннего слоя с помощью просверленных отверстий, которые впоследствии покрыты медью. Чаще всего в качестве диэлектрической подложки используются листы из стекловолокна (ламинат из эпоксидной смолы/стекловолокна). Другими материалами являются стекло (с полиимидными, тефлоновыми или триазиновыми смолами) и бумага, покрытая фенольной смолой. В Соединенных Штатах ламинированные плиты классифицируются на основе их огнетушащих свойств; свойства сверления, штамповки и механической обработки; свойства влагопоглощения; химическая и термостойкость; и механическая прочность (Sober 1995). FR-4 (подложка из эпоксидной смолы и стеклоткани) широко используется в высокотехнологичных приложениях.
Фактический процесс PWB включает в себя множество стадий и широкий спектр химических агентов. Таблица 1 иллюстрирует типичный многоуровневый процесс и проблемы EHS, связанные с этим процессом. Основное различие между односторонней и двусторонней платой заключается в том, что односторонняя плата начинается с сырья, покрытого медью только с одной стороны, и пропускает этап химического меднения. Стандартная двусторонняя плата имеет паяльную маску поверх голой меди и покрыта металлом через отверстия; на плате есть позолоченные контакты и легенда компонентов. Большинство печатных плат представляют собой многослойные двухсторонние платы с внутренними слоями, которые были изготовлены и зажаты внутри пакета ламината, а затем обработаны почти так же, как двухслойная плата.
Таблица 1. Процесс PWB: вопросы охраны окружающей среды, здоровья и безопасности
Основные этапы процесса |
Вопросы здоровья и безопасности |
Экологические проблемы |
Подготовка материала |
||
Купите специальный ламинат, входной материал и опорную плиту в предварительно нарезанном размере. |
Компьютерное проектирование — дисплеи и эргономические опасности |
Ничто |
Стек и булавка |
||
Омедненные панели укладываются вместе с входным материалом и опорной плитой; просверлены отверстия и |
Шум во время бурения; буровые частицы, содержащие медь, свинец, золото и эпоксидную смолу/стекловолокно |
Твердые частицы отходов (медь, свинец, золото и |
Бурение |
||
Сверлильные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) |
Шум во время бурения; буровые частицы, содержащие медь, свинец, золото и эпоксидную смолу/стекловолокно |
Твердые частицы отходов (медь, свинец, золото и |
заусенцы |
||
Просверленные панели проходят через щетки или абразивный круг |
Шум во время снятия заусенцев; твердые частицы, содержащие медь, свинец, золото и эпоксидную смолу/стекловолокно |
Твердые частицы отходов (медь, свинец, золото и |
Химическое меднение |
||
Добавление тонкого слоя меди в сквозные отверстия |
Вдыхание и воздействие на кожу чистящих средств, кондиционеров, травителей, катализаторов — H2SO4, H2O2, гликолевые эфиры, KMnO4, Нью-Хэмпшир4HF2, палладий, SnCl2, CuSO4, формальдегид, NaOH |
Сточные воды – кислоты, медь, каустики, |
Изображениями |
||
Сухой пленочный резист — фотополимер, чувствительный к ультрафиолетовому излучению. |
Ингаляционное и кожное воздействие резистов; Разработчики; и |
Выбросы в атмосферу – растворители (ЛОС), кислые газы, |
Покрытие узором |
||
Уборка |
Вдыхание и опасность для кожи при очистке; меднение или олово/олово и свинцовое покрытие и зачистка стоек — H3PO4, H2SO4; ЧАС2SO4 и CuSO4; борно-фтористая кислота и Sn/Pb; концентрированная HNO3 |
Выбросы в атмосферу – кислые газы; вода |
Полоса, травление, полоса |
||
полоса сопротивления |
Ингаляционная и кожная опасность от резистивной полоски; щелочное травление или полоска меди — моноэтаноламин (МЭА); Северная Каролина4ОЙ; Северная Каролина4Cl/NH4ОН или NH4HF2 |
Выбросы в атмосферу – МЭА, аммиак, фториды; |
Паяльная маска |
||
Эпоксидные краски — трафаретная печать |
Вдыхание и кожные опасности от предварительной очистки; эпоксидные краски и сольвентные носители; разработчики — Х2SO4; эпихлоргидрин + бисфенол А, гликолевые эфиры (на основе ПГМЭА); гамма-бутиролактон. УФ-свет от процесса отверждения |
Выбросы в атмосферу – кислые газы, гликолевые эфиры |
Покрытие припоем |
||
Выравнивание припоя |
Опасность при вдыхании и попадании на кожу флюса, продуктов разложения и остатков свинцово-оловянного припоя — разбавленные гликолевые эфиры + <1% HCl и <1% HBr; альдегиды, HCl, CO; свинец и олово |
Выбросы в атмосферу – эфиры гликоля (ЛОС), кислые газы, альдегиды, СО; отходы — свинцово-оловянный припой, флюс |
Золотое и никелирование |
||
Вдыхание и кожные опасности от кислот, металлов и |
Выбросы в атмосферу – кислые газы, цианиды; вода |
|
Легенда компонента |
||
Скриншот экрана |
Вдыхание и опасность для кожи от красок на основе эпоксидной смолы и растворителей-растворителей на основе гликолевого эфира, эпихлоргидрина + бисфенола А |
Выбросы в атмосферу — эфиры гликоля (ЛОС) отходы — чернила и растворители (небольшие количества) |
Cl2 = газообразный хлор; CO = монооксид углерода; CuSO4 = сульфат меди; ЧАС2O2 = перекись водорода; H2SO4 = серная кислота; ЧАС3PO4 = фосфорная кислота; HBR = бромистоводородная кислота; HCl = соляная кислота; HNO3 = азотная кислота; К2CO3 = карбонат калия; КМНО4 = перманганат калия; нет данных3PO4 = фосфат натрия; Северная Каролина4Cl = хлорид аммония; Северная Каролина4ОН = гидроксид аммония; NiSO4 = сульфат никеля; Pb = свинец; Sn = олово; SnCl2 = хлорид двухвалентного олова; УФ = ультрафиолет; ЛОС = летучие органические соединения.
Сборка печатных плат
Сборка печатной платы (ПП) включает жесткое крепление электронных компонентов к печатной плате с помощью свинцово-оловянного припоя (в машине для пайки волной припоя или наносится в виде пасты, а затем оплавляется в низкотемпературной печи) или эпоксидных смол ( отверждение в низкотемпературной печи). Базовая печатная плата (односторонняя, двусторонняя, многослойная или гибкая) будет определять плотность компонентов, которые можно прикрепить. Многочисленные проблемы процесса и надежности составляют основу для выбора процессов сборки печатных плат, которые будут использоваться. Основными технологическими процессами являются: технология тотального поверхностного монтажа (SMT), смешанная технология (включает как SMT, так и металлизированное сквозное отверстие (PTH)) и нижнее крепление.
Как правило, на современных предприятиях по сборке электроники / компьютеров используется смешанная технология, при которой некоторые компоненты монтируются на поверхности, а другие разъемы / компоненты припаиваются с использованием технологии сквозного отверстия или пайки оплавлением. Ниже обсуждается «типичный» смешанный технологический процесс, в котором используется процесс поверхностного монтажа, включающий приклеивание, пайку волной припоя и пайку оплавлением. При использовании смешанной технологии иногда можно оплавить компоненты поверхностного монтажа (SMC) на верхней стороне двусторонней платы и припаять SMC волной припоя на нижней стороне. Такой процесс особенно полезен, когда технологии поверхностного монтажа и сквозного монтажа должны сочетаться на одной плате, что является нормой в современном производстве электроники. Первым шагом является монтаж SMC на верхней стороне платы с использованием процесса пайки оплавлением. Далее вставляются сквозные компоненты. Затем плата переворачивается, и нижняя сторона SMC приклеивается к плате. Завершающим этапом является пайка волной припоя как сквозных компонентов, так и нижних SMC.
Основные технологические этапы смешанной технологии включают в себя:
Ниже приводится краткое обсуждение важных последствий для окружающей среды, здоровья и безопасности каждого этапа процесса.
Предварительная и последующая очистка
Коммерческие ПП обычно приобретаются у поставщика ПП и предварительно очищаются раствором деионизированной (ДИ) воды для удаления всех поверхностных загрязнений. До возникновения опасений по поводу истощения стратосферного озонового слоя производители электронных устройств использовали разрушающие озоновый слой вещества, такие как хлорфторуглерод (ХФУ), в качестве окончательной очистки или даже предварительной очистки. В конце процесса сборки печатной платы типичным было использование операции «обезжиривания паром» хлорфторуглерода для удаления остатков операции пайки флюсом/волной припоя. Опять же, из-за опасений по поводу разрушения озонового слоя и жесткого нормативного контроля за производством фреонов, были внесены изменения в процесс, которые позволили полным сборкам печатных плат не очищать очистку или использовать только очистку деионизированной водой.
Нанесение паяльной пасты и клея (трафаретная печать и размещение) и вставка компонентов
Нанесение свинцово-оловянной припойной пасты на поверхность печатной платы позволяет прикрепить компонент для поверхностного монтажа к печатной плате и является ключевым моментом в процессе поверхностного монтажа. Материал припоя действует как механическое соединение для электрической и тепловой проводимости, а также как покрытие для защиты поверхности и повышения способности к пайке. Паяльная паста примерно на 70–90 % состоит из нелетучих веществ (в пересчете на массу или массу на объем):
Растворители (летучие вещества) составляют оставшуюся часть продукта (обычно это смесь спирта и гликолевого эфира, представляющая собой запатентованную смесь).
Паяльная паста печатается через трафарет, который представляет собой точный образец рисунка поверхности, который должен быть нанесен на поверхность печатной платы. Паяльная паста проталкивается через отверстия в трафарете на контактные площадки на печатной плате с помощью ракеля, который медленно перемещается по трафарету. Затем трафарет снимается, оставляя остатки пасты на соответствующих площадках на плате. Затем компоненты вставляются в печатную плату. Основные опасности EHS связаны с ведением домашнего хозяйства и личной гигиеной операторов, которые наносят паяльную пасту на поверхность трафарета, очищают ракель и очищают трафареты. Концентрация свинца в припое и склонность высохшей паяльной пасты прилипать к коже и рабочим поверхностям оборудования/помещений требуют использования защитных перчаток, тщательной очистки рабочих поверхностей, безопасного удаления загрязненных чистящих материалов ( обращение с окружающей средой) и строгое соблюдение личной гигиены операторами (например, мытье рук с мылом перед едой, питьем или нанесением косметических средств). Уровни воздействия в воздухе, как правило, ниже предела обнаружения свинца, и при надлежащем ведении домашнего хозяйства/личной гигиене показатели содержания свинца в крови находятся на фоновом уровне.
Нанесение клея включает в себя автоматическое нанесение небольших количеств эпоксидной смолы (обычно это смесь бисфенола А и эпихлоргидрина) на поверхность печатной платы, а затем «подбор и размещение» компонента и вставку его через эпоксидную смолу в печатную плату. Опасности EHS, в первую очередь, связаны с механическими опасностями, связанными с безопасностью устройств, работающих по принципу «подбери и помести», из-за их автоматизированных механических узлов, перемещения компонентов в задней части устройств и возможности серьезной травмы, если не используются соответствующие ограждения, световые завесы и аппаратные блокировки. настоящее время.
Адгезионное отверждение и оплавление припоем
Компоненты, которые были прикреплены с помощью трафаретной печати или нанесения клея, затем транспортируются по механическому конвейеру с фиксированной высотой в встроенную печь оплавления, которая «поджигает» припой путем оплавления паяльной пасты при температуре приблизительно от 200 до 400°C. Компоненты, которые были прикреплены эпоксидным клеем, также проходят через печь, расположенную ниже линии оплавления припоя и обычно работающую при температуре от 130 до 160°С.oC. Компоненты-растворители паяльной пасты и эпоксидной смолы удаляются во время процесса в печи, но компонент свинец/олово не испаряется. В вытяжном канале печи оплавления будет накапливаться осадок в виде паутины, и для предотвращения этого можно использовать металлический сетчатый фильтр. PWB могут иногда застревать в конвейерной системе и перегреваться в печи, вызывая неприятные запахи.
Флюс
Для образования надежного паяного соединения на поверхности печатной платы и на выводах компонента они должны быть свободны от окисления и должны оставаться таковыми даже при повышенных температурах, используемых при пайке. Кроме того, расплавленный припой должен смачивать поверхности соединяемых металлов. Это означает, что флюс для припоя должен вступать в реакцию с оксидами металлов и удалять их с соединяемых поверхностей, а также предотвращать повторное окисление очищенных поверхностей. Также требуется, чтобы остатки не вызывали коррозии или легко удалялись. Флюсы для пайки электронного оборудования делятся на три широкие категории, широко известные как флюсы на основе канифоли, органические или водорастворимые флюсы и синтетические флюсы, удаляемые растворителем. Более новые флюсы с низким содержанием твердых частиц «без очистки» или флюсы с нелетучими органическими соединениями (NVOC) относятся к средней категории.
Флюсы на основе канифоли
Флюсы на основе канифоли являются наиболее часто используемыми флюсами в электронной промышленности. аэрозольный флюс or пенный флюс. Флюс может находиться либо внутри оборудования для пайки волной припоя, либо в виде отдельного блока, расположенного на входе в блок. В качестве основы флюсов на основе канифоли используется натуральная канифоль, или канифоль, полупрозрачная канифоль янтарного цвета, получаемая после перегонки скипидара из живицы и канальной смолы сосен. Смола собирается, нагревается и перегоняется, при этом удаляются любые твердые частицы, в результате чего получается очищенная форма натурального продукта. Это однородный материал с одной температурой плавления.
Колофония представляет собой смесь примерно 90% смоляной кислоты, которая в основном представляет собой абиетиновую кислоту (нерастворимую в воде органическую кислоту), с 10% нейтральных материалов, таких как производные стильбена и различные углеводороды. На рис. 1 представлена химическая структура абиетиновой и пимаровой кислот.
Рисунок 1. Абиетиновая и пимаровая кислоты
Активным компонентом является абиетиновая кислота, которая при температуре пайки химически активна и атакует оксид меди на поверхности ПП, образуя абиетин меди. Флюсы на основе канифоли состоят из трех компонентов: растворителя или носителя, канифоли и активатора. Растворитель просто действует как транспортное средство для флюса. Чтобы быть эффективной, канифоль должна быть нанесена на доску в жидком состоянии. Это достигается путем растворения канифоли и активатора в системе растворителей, обычно изопропиловом спирте (IPA) или многокомпонентных смесях спиртов (IPA, метаноле или этаноле). Затем флюс либо вспенивается на нижнюю поверхность печатной платы путем добавления воздуха или азота, либо распыляется в смеси с низким содержанием твердых частиц, которая имеет более высокое содержание растворителя. Эти компоненты растворителя имеют разную скорость испарения, и в смесь флюса необходимо добавлять разбавитель, чтобы сохранить состав флюса. Основными категориями флюсов на основе канифоли являются: слабоактивные канифоли (RMA), которые являются типичными используемыми флюсами, к которым добавляется мягкий активатор; и канифоль активная (РА), к которому добавлен более агрессивный активатор.
Основной опасностью EHS всех флюсов на основе канифоли является спиртовая основа растворителя. Угрозы безопасности связаны с воспламеняемостью при хранении и использовании, классификацией и обращением с опасными отходами, выбросами в атмосферу и системами очистки, необходимыми для удаления ЛОС, и проблемами промышленной гигиены, связанными с вдыханием и воздействием на кожу (кожу). Каждый из этих пунктов требует отдельной стратегии контроля, обучения и подготовки сотрудников, а также разрешений/соблюдения нормативных требований (Ассоциация производителей электроники, телекоммуникаций и бизнес-оборудования, 1991 г.).
В процессе пайки волной припоя флюс нагревается до 183–399°C; продукты, образующиеся в воздухе, включают алифатические альдегиды, такие как формальдегид. Многие флюсы также содержат активатор гидрохлорида органического амина, который помогает очистить область пайки и выделяет соляную кислоту при нагревании. Другие газообразные компоненты включают бензол, толуол, стирол, фенол, хлорфенол и изопропиловый спирт. В дополнение к газообразным компонентам нагретого флюса образуется значительное количество частиц размером от 0.01 микрона до 1.0 микрона, известных как канифольные пары. Было обнаружено, что эти твердые частицы являются раздражителями дыхательных путей, а также респираторными сенсибилизаторами у чувствительных людей (Hausen, Krohn and Budianto 1990). В Соединенном Королевстве стандарты воздействия в воздухе требуют, чтобы уровни паров канифоли контролировались до минимально достижимых уровней (Health and Safety Commission 1992). Кроме того, Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) установила отдельное пороговое предельное значение для продуктов пиролиза припоя на основе канифоли в размере 0.1 мг/мXNUMX.3, измеряемый как формальдегид (ACGIH 1994). Lead Industries Association, Inc. определяет ацетон, метиловый спирт, алифатические альдегиды (измеряемые как формальдегид), двуокись углерода, моноксид углерода, метан, этан, абиетиновую кислоту и родственные дитерпеновые кислоты как типичные продукты разложения при пайке канифольного сердечника (Lead Industries Association 1990). ).
Органические флюсы
Органические флюсы, иногда называемые промежуточными флюсами или водорастворимыми флюсами, представляют собой композиты, которые более активны, чем флюсы на основе канифоли, и менее агрессивны, чем кислотные флюсы, используемые в металлообрабатывающей промышленности. Общие активные соединения этого класса флюсов делятся на три группы:
Эти материалы и другие части состава, такие как поверхностно-активные вещества, способствующие снижению поверхностного натяжения припоя, растворяют в полиэтиленгликоле, органических растворителях, воде или, как правило, в смеси нескольких из них. Органические флюсы следует считать коррозионно-активными, но их можно легко смыть горячей водой.
Синтетические активированные (АС) флюсы
В то время как флюсы на основе канифоли представляют собой твердые материалы, растворенные в растворителе, флюсы AS обычно представляют собой полностью жидкие составы (растворитель + флюс). Растворитель-носитель удаляется во время фазы предварительного нагрева при пайке волной припоя, оставляя влажный и маслянистый остаток на поверхности платы, который необходимо удалить сразу после пайки. Основным свойством флюсов AS является их способность удаляться с помощью подходящего растворителя, обычно на основе фторуглерода. С ограничениями на использование озоноразрушающих веществ, таких как фторуглероды (фреон TF, фреон TMS и т. д.), необходимость использования этих чистящих материалов резко ограничила использование этого класса флюсов.
Флюсы с низким содержанием твердых частиц «без очистки» или флюсы без летучих органических соединений
Необходимость отказа от очистки после пайки от агрессивных или липких остатков флюса фторуглеродными растворителями привела к широкому использованию нового класса флюсов. Эти флюсы аналогичны по активности флюсам RMA и имеют содержание твердых частиц примерно 15%. Содержание твердых частиц является мерой вязкости и равняется отношению флюса к растворителю. Чем ниже содержание твердых веществ, тем выше процент растворителя. Чем выше содержание твердых частиц, тем активнее флюс и тем больше вероятность того, что потребуется этап очистки после пайки. Флюс с низким содержанием твердых частиц (LSF) обычно используется в электронной промышленности и обычно не требует этапа последующей очистки. С точки зрения выбросов в окружающую среду, LSF устраняет необходимость в обезжиривании парами фторуглерода плат для пайки волной припоя, но благодаря более высокому содержанию растворителя они увеличивают количество испаряемых растворителей на спиртовой основе, что приводит к более высоким уровням летучих органических соединений. Уровни выбросов ЛОС в атмосферу строго контролируются в Соединенных Штатах и во многих местах по всему миру. Эта ситуация была решена путем введения «нечистых» флюсов, которые основаны на воде (а не на основе растворителя), но содержат аналогичные активаторы и флюсовые канифоли. Основными активными ингредиентами являются дикарбоновые кислоты (от 2 до 3%). обычно глутаровая, янтарная и адипиновая кислоты. Поверхностно и ингибиторы коррозии (примерно 1%), в результате чего pH (кислотность) составляет от 3.0 до 3.5. Эти флюсы практически исключают выбросы летучих органических соединений в атмосферу и другие опасности для окружающей среды и окружающей среды, связанные с использованием флюсов на основе растворителей. Продукты разложения, обнаруженные во флюсах на основе канифоли, по-прежнему применимы, а низкий уровень pH требует, чтобы оборудование для работы с флюсами было кислотоустойчивым. Некоторые неподтвержденные данные указывают на потенциальные проблемы с кожей или дыхательными путями из-за высушенных слабокислых дикарбоновых кислот и ингибиторов коррозии, которые могут оседать на держателях плат, тележках и внутренних поверхностях оборудования для пайки волной припоя, использующего эти соединения. Кроме того, водная составляющая этих флюсов может не испариться должным образом до попадания в ванну с расплавленным припоем, что может привести к разбрызгиванию горячего припоя.
Волновая пайка
Добавление флюса к нижней поверхности печатной платы может быть выполнено либо с помощью флюса, расположенного внутри модуля пайки волной припоя, либо с помощью автономного устройства на входе в модуль пайки волной припоя. На рис. 2 схематично представлен стандартный модуль для пайки волной припоя с расположенным внутри флюсом. Любая конфигурация используется для вспенивания или распыления флюса на печатную плату.
Рис. 2. Схема устройства для пайки волной припоя
Прогревание
Перед пайкой флюсоносители должны быть выпарены. Это достигается за счет использования высокотемпературных подогревателей для отгонки жидких компонентов. Применяются два основных типа подогревателей: лучистые (горячий стержень) и объемные (горячий воздух). Лучистые нагреватели широко распространены в Соединенных Штатах и представляют собой потенциальную возможность воспламенения избыточного флюса или растворителя или разложения печатной платы, если она окажется иммобилизованной под подогревателем. Местная вытяжная вентиляция предусмотрена на стороне флюса/подогревателя установки для пайки волной припоя для улавливания и отвода растворителя/флюса, испаряющегося во время этих операций.
паять
Припой (обычно 63 % олова и 37 % свинца) содержится в большом резервуаре, называемом паяльный горшок, и нагревается электрически, чтобы поддерживать припой в расплавленном состоянии. Нагреватели включают в себя мощный объемный нагреватель для начального плавления и меньший регулируемый источник тепла для термостатического контроля температуры.
Успешная пайка на уровне платы требует, чтобы конструкция припойного тигля и системы рециркуляционного насоса постоянно обеспечивали постоянную «волну» свежего припоя. При пайке чистый припой загрязняется окисленными соединениями свинца и олова, металлическими примесями и продуктами разложения флюса. Этот окалина образуется на поверхности расплавленного припоя, и чем больше образуется окалины, тем больше склонность к дополнительному образованию. Окалина вредна для процесса пайки и волны припоя. Если в баке образуется достаточное количество жидкости, она может попасть в рециркуляционный насос и вызвать истирание крыльчатки. Операторы пайки волной припоя должны удалять окалину волна в обычном режиме. В этом процессе оператор процеживает затвердевший шлак из расплавленного припоя и собирает остатки для утилизации/переработки. Процесс удаления окалины включает в себя то, что оператор физически открывает заднюю дверцу доступа (обычно в конфигурации «крыло залива») рядом с ванночкой для припоя и вручную вычерпывает горячий окалина. Во время этого процесса из горшка высвобождаются видимые излучения, которые сильно раздражают глаза, нос и горло оператора. Оператор должен носить термоперчатки, фартук, защитные очки и защитную маску, а также средства защиты органов дыхания (от частиц свинца/олова, агрессивных газов (HCl) и алифатического альдегида (формальдегида)). Местная вытяжная вентиляция обеспечивается изнутри установки для пайки волной припоя, но припойная ванночка механически выдвигается из основного корпуса, чтобы обеспечить оператору прямой доступ к обеим сторонам горячей ванны. После извлечения местный вытяжной канал, установленный в шкафу, становится неэффективным для удаления высвободившихся материалов. Основными угрозами для здоровья и безопасности являются: термические ожоги от горячего припоя, попадание в дыхательные пути указанных выше материалов, травмы спины при работе с тяжелыми слитками припоя и барабанами для шлака, а также воздействие остатков свинцового/оловянного припоя/мелкодисперсных частиц во время работ по техническому обслуживанию.
Во время фактического процесса пайки дверцы доступа закрыты, а внутренняя часть установки для пайки волной припоя находится под отрицательным давлением из-за местной вытяжной вентиляции, предусмотренной на сторонах волны для флюса и припоя. Эта вентиляция и рабочая температура припойного тигля (обычно от 302 до 316°C, что чуть выше точки плавления припоя) приводят к минимальному образованию паров свинца. Основное воздействие частиц свинца/олова происходит во время операций по удалению окалины и технического обслуживания оборудования, при перемешивании окалины в ванне, переносе в емкость для регенерации и очистке от остатков припоя. Мелкие частицы свинца/олова образуются во время операции удаления окалины и могут попасть в рабочее помещение и зону дыхания оператора пайки волной припоя. Для сведения к минимуму потенциального воздействия частиц свинца были разработаны различные стратегии инженерного контроля, в том числе включение местной вытяжной вентиляции в резервуар для регенерации (см. вентиляция в горячем котле во время удаления окалины. Использование веников или щеток для подметания остатков припоя должно быть запрещено. Необходимо также соблюдать строгие правила ведения домашнего хозяйства и личной гигиены. Во время операций по техническому обслуживанию оборудования для пайки волной припоя (которые проводятся еженедельно, ежемесячно, ежеквартально и ежегодно) различные компоненты горячего тигля либо очищаются внутри оборудования, либо удаляются и очищаются в локальном вытяжном шкафу. Эти операции по очистке могут включать физическое соскабливание или механическую очистку (с использованием электродрели и проволочной щетки) насоса для припоя и отражателей. В процессе механической очистки образуются высокие уровни частиц свинца, и этот процесс должен выполняться в помещении с локальной вытяжкой.
Рис. 3. Тележка для окалины с вакуумной крышкой
Осмотр, доработка и тестирование
Функции визуального осмотра и подкраски проводятся после пайки волной припоя и включают использование увеличительных линз/проблесковых ламп для тонкой проверки и подкраски дефектов. Функция подкраски может включать использование припой ручной паяльник и припой с канифольным сердечником или нанесение щеткой небольшого количества жидкого флюса и припоя из свинцово-оловянной проволоки. В видимых испарениях от пайки стержнем присутствуют продукты распада флюса. Небольшие количества шариков свинцово-оловянного припоя, которые не прилипли к паяному соединению, могут создавать проблемы при ведении хозяйства и личной гигиене. Должен быть предусмотрен либо примыкающий к рабочему месту вентилятор для общей проветривания вдали от зоны дыхания оператора, либо более совершенная система отвода дыма, улавливающая продукты распада на жало паяльника или рядом с рабочим местом. Затем дым направляется в выхлопную систему воздушного скруббера, которая включает фильтрацию HEPA для твердых частиц и адсорбцию газа активированным углем для алифатических альдегидов и газообразных соляных кислот. Эффективность этих паяльных вытяжных систем сильно зависит от скорости улавливания, близости к месту образования дыма и отсутствия поперечной тяги на рабочей поверхности. Электрические испытания готовой печатной платы требуют специального испытательного оборудования и программного обеспечения.
Переделка и ремонт
По результатам тестирования плат дефектные платы оцениваются на наличие отказов определенных компонентов и заменяются. Эта доработка плат может включать пайку палочкой. Если первичные компоненты на печатной плате, такие как микропроцессор, нуждаются в замене, переделка припоя используется для погружения той части платы, на которой находится неисправный компонент или соединение, в небольшой припой, извлечения компонента и последующей установки нового функционального компонента обратно на плату. Если компонент меньше или легче удаляется, воздушный вакуум применяется система, использующая горячий воздух для нагрева паяного соединения и вакуум для удаления припоя. Резервуар для ремонтного припоя размещен внутри кожуха с локальной вентиляцией, обеспечивающей достаточную скорость истечения для улавливания продуктов разложения флюса, образующихся при нанесении жидкого припоя на плату и установлении контакта с припоем. Этот горшок также образует окалина и требует оборудования и процедур для удаления окалины (в гораздо меньших масштабах). Воздушно-вакуумная система не требует размещения в корпусе, но удаленный свинцово-оловянный припой следует утилизировать как опасные отходы и утилизировать/перерабатывать.
Вспомогательные операции — очистка трафаретов
Первый шаг в процессе сборки печатной платы заключался в использовании трафарета для создания рисунка мест соединения для пасты свинцово-оловянного припоя. Как правило, отверстия трафарета начинают засоряться, и остатки свинцово-оловянной припойной пасты приходится удалять каждую смену. Предварительная очистка обычно выполняется на трафаретном принтере, чтобы уловить сильное загрязнение на доске, путем протирания поверхности доски разбавленной спиртовой смесью и одноразовыми салфетками. Для полного удаления оставшихся остатков требуется процесс влажной уборки. В системе, похожей на большую посудомоечную машину, для химического удаления паяльной пасты с трафарета используется горячая вода (57°C) и химический раствор разбавленных алифатических аминов (моноэтаноламин). Значительное количество свинцово-оловянного припоя смывается с платы и либо осаждается в промывочной камере, либо растворяется в сточных водах. Эти стоки требуют фильтрации или химического удаления свинца, а также регулировки pH для коррозионно-активных алифатических аминов (с использованием соляной кислоты). В более новых очистителях трафаретов с закрытой системой используется один и тот же моющий раствор, пока он не будет израсходован. Раствор переносят в перегонную установку и отгоняют летучие вещества до образования полужидкого остатка. Затем с этим остатком обращаются как с опасными отходами, загрязненными свинцом/оловом.
Процесс сборки компьютера
После того, как окончательная печатная плата собрана, она передается на операцию сборки системы для включения в конечный компьютерный продукт. Эта операция, как правило, очень трудоемка, поскольку собираемые детали доставляются на отдельные рабочие места на направляющих тележках вдоль механизированной сборочной линии. Основные опасности для здоровья и безопасности связаны с перемещением и размещением материалов (вилочные погрузчики, ручной подъем), эргономическими последствиями процесса сборки (диапазон движения, усилие вставки, необходимое для «установки» компонентов, установка винтов и соединителей) и окончательной упаковкой. , термоусадочная упаковка и доставка. Типичный процесс сборки компьютера включает в себя:
Единственные химические вещества, которые могут использоваться в процессе сборки, связаны с окончательной очисткой корпуса компьютера или монитора. Обычно используется разбавленный раствор изопропилового спирта и воды или коммерчески доступная смесь очистителей (например, Simple Green — разбавленный бутилцеллозольв и водный раствор).
Как развивающаяся отрасль производство полупроводников часто рассматривается как воплощение высокотехнологичного рабочего места. Из-за строгих производственных требований, связанных с производством нескольких слоев электронных схем микронного размера на кремниевых пластинах, среда чистых помещений стала синонимом рабочего места в этой отрасли. Поскольку некоторые гидридные газы, используемые в производстве полупроводников (например, арсин, фосфин), уже давно были признаны высокотоксичными химическими веществами, технология контроля воздействия при вдыхании всегда была важным компонентом производства пластин. Рабочие-полупроводники дополнительно изолированы от производственного процесса за счет ношения специальной одежды, закрывающей все тело (например, халатов), шапочек для волос, бахил и, часто, лицевых масок (или даже дыхательных аппаратов с подачей воздуха). С практической точки зрения забота работодателей о чистоте продукта также привела к необходимости защиты работников от воздействия вредных веществ.
В дополнение к индивидуальной защитной одежде, в полупроводниковой промышленности используются высокотехнологичные системы вентиляции и химического/газового мониторинга воздуха для обнаружения утечек паров токсичных химических растворителей, кислот и газообразных гидридов в частях на миллион (ppm) или меньше. Хотя, с исторической точки зрения, в отрасли происходили частые эвакуации рабочих из цехов изготовления пластин из-за реальных или предполагаемых утечек газов или растворителей, такие эпизоды эвакуации стали редкими событиями из-за уроков, извлеченных при проектировании систем вентиляции, токсичных газов. /обработка химикатов и все более сложные системы контроля воздуха с непрерывным отбором проб воздуха. Однако растущая денежная стоимость отдельных кремниевых пластин (вместе с увеличением диаметра пластин), которые могут содержать множество отдельных микропроцессоров или устройств памяти, может создать психологическую нагрузку на рабочих, которые должны вручную манипулировать контейнерами этих пластин во время производственных процессов. Доказательства такого стресса были получены в ходе исследования рабочих полупроводников (Hammond et al., 1995; Hines et al., 1995; McCurdy et al., 1995).
Полупроводниковая промышленность зародилась в Соединенных Штатах, где проживает самое большое количество рабочих полупроводниковой промышленности (примерно 225,000 1994 в XNUMX г.) среди всех стран. (БСТ 1995). Однако получение достоверных международных оценок занятости для этой отрасли затруднено из-за включения рабочих полупроводников с работниками «производства электрического/электронного оборудования» в статистику большинства стран. Из-за строгого технического контроля, необходимого для производства полупроводниковых устройств, наиболее вероятно, что рабочие места (т. е. чистые помещения) для полупроводников во многих отношениях сопоставимы во всем мире. Это понимание, в сочетании с требованиями правительства США о регистрации всех значительных производственных травм и заболеваний среди американских рабочих, делает производственный травматизм и опыт болезней американских рабочих, занятых в полупроводниковой промышленности, весьма актуальным вопросом как в национальном, так и в международном масштабе. Проще говоря, в настоящее время существует несколько международных источников релевантной информации и данных, касающихся безопасности и здоровья работников полупроводниковой промышленности, кроме тех, которые взяты из Ежегодного обследования профессиональных травм и заболеваний, проводимого Бюро статистики труда США (BLS).
В Соединенных Штатах, которые собирают данные о производственных травмах и заболеваниях по всем отраслям с 1972 года, частота производственных травм и заболеваний среди работников полупроводниковой промышленности была одной из самых низких среди всех отраслей обрабатывающей промышленности. Однако были высказаны опасения, что у работников полупроводников могут быть более тонкие последствия для здоровья. (LaDou 1986), хотя такие эффекты не были задокументированы.
Было проведено несколько симпозиумов, посвященных оценке технологий управления в полупроводниковой промышленности, причем несколько докладов на симпозиумах касались вопросов охраны окружающей среды, безопасности и здоровья работников (ACGIH 1989, 1993).
Ограниченное количество данных о производственном травматизме и заболеваниях для международного сообщества производителей полупроводников было получено в результате специального обследования, проведенного в 1995 г., включающего случаи, зарегистрированные за 1993 и 1994 гг. Эти данные обобщаются ниже.
Производственные травмы и заболевания среди работников полупроводниковой промышленности
Что касается международных статистических данных о производственных травмах и заболеваниях среди работников полупроводниковой промышленности, то единственными сопоставимыми данными являются данные, полученные в результате обследования многонациональных предприятий по производству полупроводников, проведенного в 1995 году (Lassiter, 1996). Данные, собранные в этом обзоре, касались международной деятельности американских производителей полупроводников за 1993–94 годы. Некоторые данные опроса включали операции, отличные от производства полупроводников (например, производство компьютеров и дисководов), хотя все участвующие компании были связаны с электронной промышленностью. Результаты этого опроса представлены на рисунке 1 и рисунке 2, которые включают данные из Азиатско-Тихоокеанского региона, Европы, Латинской Америки и США. В каждом случае речь шла о производственной травме или заболевании, которые требовали медицинского лечения, либо о потере работы, либо о ее ограничении. Все коэффициенты заболеваемости на рисунках рассчитаны как количество случаев (или потерянных рабочих дней) на 200,000 200,000 человеко-часов в год. Если общее количество рабочих часов было недоступно, использовались среднегодовые оценки занятости. Знаменатель в 100 2,000 рабочих часов равен XNUMX эквивалентным работникам с полной занятостью в год (при условии, что на одного работника приходится XNUMX XNUMX рабочих часов в год).
Рис. 1. Распределение показателей заболеваемости производственными травмами и болезнями по отраслям мира, 1993 и 1994 гг.
Рис. 2. Распределение показателей заболеваемости травмами и болезнями с нерабочими днями по секторам мира в 1993 и 1994 гг.
На Рисунке 1 показаны уровни производственного травматизма и заболеваемости для различных регионов мира в ходе обследования 1993–94 годов. Ставки по отдельным странам не были включены для обеспечения конфиденциальности тех участвующих компаний, которые были единственными источниками данных для определенных стран. Таким образом, для некоторых стран, участвовавших в обследовании, были представлены данные только по одному объекту. В ряде случаев компании объединяли все международные данные в единую статистику. Эти последние данные перечислены на рис. 1 и рис. 2 как «объединенные».
Ежегодная частота производственных травм и заболеваний среди всех рабочих в международном обследовании составляла 3.3 случая на 100 занятых (200,000 1993 рабочих часов) в 2.7 г. и 1994 в 12,615 г. В 1993 г. было зарегистрировано 12,368 1994 случаев, а в 12,130 г. - 1993 387,000 случаев. ящики (1993 458,000 в 1994 г.) были получены от компаний США. Эти случаи касались примерно XNUMX XNUMX рабочих в XNUMX году и XNUMX XNUMX в XNUMX году.
На Рисунке 2 представлены показатели заболеваемости случаями потери рабочего дня в связи с отсутствием на работе дней. Показатели заболеваемости в 1993 и 1994 годах были основаны примерно на 4,000 случаев потери рабочего дня за каждый из двух лет международного исследования. Международный/региональный диапазон показателей заболеваемости для этой статистики был самым узким из измеренных. Частота случаев потери рабочего дня может представлять собой наиболее сопоставимую международную статистику в отношении безопасности и здоровья работников. Уровень заболеваемости потерянными рабочими днями (днями отсутствия на работе) составлял примерно 2 дня отсутствия на работе на 15.4 работающих за каждый из двух лет.
Единственными известными подробными данными, касающимися характеристик случаев травм и заболеваний работников полупроводниковой промышленности, являются данные, ежегодно собираемые в США BLS, включая случаи с потерянными рабочими днями. Обсуждаемые здесь случаи были выявлены BLS в своем ежегодном обзоре за 1993 год. Данные, полученные по этим случаям, представлены на рис. 3, рис. 4, рис. 5 и рис. все производство и производство полупроводников.
Рисунок 3. Сравнительная частота случаев потери рабочего времени1 по типу события или экспозиции, 1993 г.
Рисунок 4. Сравнительная частота случаев потери рабочего дня1 по источнику травмы или болезни, 1993 г.
Рисунок 5. Сравнительная частота случаев потери рабочего дня1 по характеру травмы или болезни, 1993 г.
Рисунок 6. Сравнительная частота случаев потери рабочего дня по пораженным частям тела, 1993 г.
На Рисунке 3 сравнивается количество потерянных рабочих дней рабочих полупроводниковой промышленности США в 1993 г. с частным сектором и всем обрабатывающим производством в зависимости от типа события или воздействия. Показатели заболеваемости для большинства категорий на этом рисунке были намного ниже для работников полупроводниковой промышленности, чем для частного сектора или всего производства. Случаи, связанные с перенапряжением среди рабочих полупроводников, были менее чем в два раза меньше, чем среди всех рабочих в производственном секторе. Категория вредного воздействия (в основном связанная с воздействием химических веществ) была одинаковой для всех трех групп.
Сравнительное распределение случаев потери рабочего дня в зависимости от источника травмы или болезни представлено на рисунке 4. Показатели частоты случаев потери рабочего дня для работников полупроводниковой промышленности были ниже, чем для частного сектора и всего производства во всех категориях источников, за исключением случаев, связанных с воздействием химических веществ. вещества.
На рис. 5 сравниваются показатели частоты случаев потери рабочего времени, связанные с характером травмы или заболевания, среди трех групп. В 1993 г. показатели для рабочих-полупроводников составляли менее половины показателей как для частного сектора, так и для всего производства. Заболеваемость химическими ожогами была несколько выше среди рабочих-полупроводников, но была очень низкой для всех трех групп сравнения. Заболеваемость туннельным синдромом запястья (CTS) среди рабочих полупроводниковой промышленности США была менее чем в два раза меньше, чем на всех производствах.
На рисунке 6 показано распределение и частота случаев, связанных с выходом на работу в течение нескольких дней, в зависимости от пораженной части тела. Хотя частота случаев, связанных с системами организма, была низкой во всех группах сравнения, показатель среди работников полупроводников был несколько выше. Все другие пораженные части тела были намного ниже у рабочих-полупроводников, чем у двух других групп сравнения.
Эпидемиологические исследования рабочих-полупроводников
Обеспокоенность возможными последствиями для репродуктивного здоровья, связанными с работой в области полупроводников, возникла в 1983 году, когда женщина, сотрудница полупроводникового предприятия Digital Equipment Corporation в Гудзоне, штат Массачусетс, заявила, что, по ее мнению, среди сотрудников в чистых помещениях предприятия произошло слишком много выкидышей. Это утверждение в сочетании с отсутствием внутренних данных в учреждении привело к эпидемиологическому исследованию, проведенному Школой общественного здравоохранения Массачусетского университета в Амхерсте (UMass). Исследование было начато в мае 1984 г. и завершено в 1985 г. (Pastides et al., 1988).
Повышенный риск выкидыша наблюдался как в зоне фотолитографии, так и в зоне диффузии по сравнению с работниками, не подвергавшимися воздействию, в других зонах предприятия. Относительный риск 1.75 считался статистически незначимым (p<0.05), хотя относительный риск 2.18, наблюдаемый среди рабочих в районах распространения, был значимым. Публикация исследования Университета Массачусетса вызвала обеспокоенность всей полупроводниковой промышленности в связи с необходимостью проведения более крупного исследования для подтверждения наблюдаемых результатов и определения их степени и возможной причинно-следственной связи.
Ассоциация полупроводниковой промышленности (SIA) Соединенных Штатов спонсировала более крупное исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Дэвисе (UC Davis), начиная с 1989 года. Исследование UC Davis было разработано для проверки гипотезы о том, что производство полупроводников связано с повышенным риском. выкидышей у женщин, работающих на производстве пластин. Популяция для исследования была выбрана из числа 14 компаний, которые представляли 42 производственных площадки в 17 штатах. Наибольшее количество сайтов (представляющих почти половину сотрудников в исследовании) было в Калифорнии.
Исследование Калифорнийского университета в Дэвисе состояло из трех различных компонентов: поперечного компонента (McCurdy et al., 1995; Pocekay et al., 1995); компонент исторической когорты (Schenker et al., 1995); и предполагаемый компонент (Eskenazi et al. 1995). Центральным элементом каждого из этих исследований была оценка воздействия (Hines et al., 1995; Hammond et al., 1995). Компонент оценки воздействия относит сотрудников к группе относительного воздействия (т. е. с высоким воздействием, низким воздействием и т. д.).
В историческом компоненте исследования было определено, что относительный риск производственных рабочих по сравнению с непроизводственными рабочими составлял 1.45 (т.е. 45% повышенный риск выкидыша). Группу наибольшего риска, выявленную в исторической составляющей исследования, составили женщины, работавшие в области фотолитографии или травления. У женщин, выполняющих операции травления, относительный риск составлял 2.15 (RR = 2.15). Кроме того, среди женщин, которые работали с любым фоторезистом или проявителем, наблюдалась зависимость доза-реакция в отношении повышенного риска выкидыша. Эти данные подтверждают связь доза-реакция для эфиров этиленгликоля (EGE), но не для эфиров пропиленгликоля (PGE).
Хотя в проспективном компоненте исследования Калифорнийского университета в Дэвисе среди работниц по производству пластин наблюдался повышенный риск выкидыша, результаты не были статистически значимыми (р менее 0.05). Небольшое количество беременностей существенно снижало мощность проспективного компонента исследования. Анализ воздействия химического агента показал повышенный риск для тех женщин, которые работали с моноэтиловым эфиром этиленгликоля, но был основан только на 3 беременностях. Одним из важных выводов была общая поддержка, а не противоречие выводам исторического компонента.
Поперечный компонент исследования отметил усиление симптомов со стороны верхних дыхательных путей, прежде всего, в группах рабочих диффузионной печи и тонкопленочной печи. Интересным открытием стал очевидный защитный эффект различных инженерных средств управления, связанных с эргономикой (например, подставки для ног и использование регулируемого кресла для уменьшения травм спины).
Измерения воздуха, проведенные на фабриках по производству вафель, показали, что в большинстве случаев воздействие растворителей составляло менее 1% от допустимых пределов воздействия (PEL), установленных правительством США.
Отдельное эпидемиологическое исследование (Correa et al. 1996) было проведено Университетом Джонса Хопкинса (JHU) с участием группы сотрудников полупроводниковой корпорации IBM в 1989 году. Общий уровень выкидышей, наблюдаемый в исследовании JHU с участием женщин, работающих в чистых помещениях, составил 16.6%. Относительный риск выкидыша среди работниц чистых помещений с самым высоким потенциальным воздействием эфиров этиленгликоля составил 2.8 (95% ДИ = 1.4-5.6).
Обсуждение репродуктивных эпидемиологических исследований с участием рабочих-полупроводников
Эпидемиологические исследования отличались размахом и сходством результатов. Все эти исследования дали аналогичные результаты. Каждое исследование зафиксировало повышенный риск самопроизвольного аборта (выкидыша) у женщин, работающих на производстве полупроводниковых пластин. Два исследования (JHU и UC Davis) могут указывать на причинно-следственную связь с воздействием эфиров гликоля на основе этилена. Исследование Университета Массачусетса показало, что фотогруппа (те, кто подвергался воздействию гликолевого эфира) подвергалась меньшему риску, чем диффузионная группа, у которой не было документально подтвержденного воздействия гликолевого эфира. Хотя эти исследования указывают на повышенный риск самопроизвольных абортов среди рабочих, производящих пластины, причина такого повышенного риска неясна. В исследовании JHU не удалось задокументировать значительную роль эфиров гликоля, а исследование Калифорнийского университета в Дэвисе лишь незначительно связало эфиры гликоля (путем моделирования воздействия и самоотчетных методов работы) с репродуктивными эффектами. Ни в одном из исследований не проводилось мониторинга для определения воздействия гликолевых эфиров. После завершения этих исследований полупроводниковая промышленность начала переходить от простых эфиров этиленгликоля к заменителям, таким как этиллактат и простые эфиры пропиленгликоля.
Заключение
Согласно наилучшим имеющимся данным о годовой частоте производственных травм и заболеваний, работники полупроводниковой промышленности подвергаются меньшему риску, чем работники других производственных секторов или всего частного сектора (включая многие непроизводственные отрасли). На международном уровне представляется, что статистические данные о производственных травмах и заболеваниях, связанные со случаями потери рабочего времени, могут быть достаточно надежным индикатором мирового опыта в области безопасности и здоровья работников полупроводниковой промышленности. Промышленность спонсировала несколько независимых эпидемиологических исследований в попытке найти ответы на вопросы о последствиях для репродуктивного здоровья, связанных с занятостью в отрасли. Хотя четкая связь между наблюдаемыми выкидышами и воздействием эфиров гликоля на основе этилена не была установлена, в промышленности начали использовать альтернативные растворители фоторезистов.
Обзор отрасли
Электронная промышленность, по сравнению с другими отраслями, считается «чистой» с точки зрения воздействия на окружающую среду. Тем не менее, химические вещества, используемые при производстве электронных деталей и компонентов, и образующиеся отходы создают серьезные экологические проблемы, которые необходимо решать в глобальном масштабе из-за размера электронной промышленности. Отходы и побочные продукты, полученные при производстве печатных плат (PWB), печатных плат (PCB) и полупроводников, представляют собой области, представляющие интерес для электронной промышленности с точки зрения предотвращения загрязнения, технологий обработки и методов переработки/восстановления. .
В значительной степени стремление контролировать воздействие электронных процессов на окружающую среду переместилось из экологического стимула в финансовую сферу. Из-за затрат и обязательств, связанных с опасными отходами и выбросами, в электронной промышленности активно внедряются и разрабатываются средства контроля окружающей среды, которые значительно снижают воздействие побочных продуктов и отходов. Кроме того, электронная промышленность предприняла активный подход к включению экологических целей, инструментов и методов в свой экологически сознательный бизнес. Примерами такого упреждающего подхода являются поэтапный отказ от фреонов и перфторированных соединений и разработка «экологически безопасных» альтернатив, а также новый подход «дизайн для окружающей среды» к разработке продуктов.
Производство печатных плат, печатных плат и полупроводников требует использования различных химикатов, специальных производственных технологий и оборудования. Из-за опасностей, связанных с этими производственными процессами, надлежащее управление химическими побочными продуктами, отходами и выбросами имеет важное значение для обеспечения безопасности работников отрасли и защиты окружающей среды в сообществах, в которых они проживают.
В Таблице 1, Таблице 2 и Таблице 3 представлены основные побочные продукты и отходы, образующиеся при производстве печатных плат, печатных плат и полупроводников. Кроме того, в таблицах представлены основные виды воздействия на окружающую среду и общепринятые средства смягчения последствий и контроля над потоком отходов. В первую очередь образующиеся отходы воздействуют на промышленные сточные воды или воздух или становятся твердыми отходами.
Таблица 1. Образование отходов ПП и контроль
Шаги процесса |
Опасный |
Экологические исследования георадаром |
Настройки1 |
Материалы |
Ничто |
Ничто |
Ничто |
Стек и булавка |
Тяжелые/драгоценные металлы |
Твердые отходы2 |
Переработка / восстановление |
Бурение |
Тяжелые/драгоценные металлы |
Твердые отходы2 |
Переработка / восстановление |
заусенцы |
Тяжелые/драгоценные металлы |
Твердые отходы2 |
Переработка / восстановление |
безэлектродный |
Драгоценные металлы |
Сточные Воды |
Химическое осаждение |
Изображениями |
Растворители |
воздуха |
Адсорбция, конденсация или |
Покрытие узором |
Едкие |
Сточные воды/воздух |
Нейтрализация pH/очистка воздуха |
Полоса, травление, полоса |
аммоний |
воздуха |
Очистка воздуха (адсорбция) |
Паяльная маска |
Едкие |
воздуха |
Очистка воздуха (адсорбция) |
Покрытие припоем |
Растворители |
воздуха |
Адсорбция, конденсация или |
Позолота |
Едкие |
воздуха |
Очистка воздуха (адсорбция) |
Компонент |
Растворители |
воздуха |
Адсорбционная конденсация или |
1. Использование мер по смягчению последствий зависит от пределов сброса в конкретном месте.
2. Твердые отходы – любые выбрасываемые материалы независимо от их состояния.
Таблица 2. Образование отходов ПХБ и контроль
Шаги процесса |
Опасный |
Экологические исследования георадаром |
Настройки |
Уборка |
Металлы (свинец) |
Сточные Воды |
Нейтрализация pH, химическая |
Паяльная паста |
Паяльная паста (свинец/олово) |
Твердые отходы |
Переработка / восстановление |
Клей |
Эпоксидные клеи |
Твердые отходы |
сжигание |
Компонент |
Пластиковые ленты, катушки и трубки |
||
Адгезивное отверждение и |
|||
Флюс |
Растворитель (флюс ИПС) |
Твердые отходы |
Переработка |
Волновая пайка |
Металл (припой) |
Твердые отходы |
Переработка / восстановление |
Осмотр и |
Металл |
Твердые отходы |
Переработка / восстановление |
Тестирование |
Списано заселено |
Твердые отходы |
Переработка / восстановление |
Переработка и |
Металл (припой) |
Твердые отходы |
Переработка / восстановление |
Поддержка |
Металл |
Твердые отходы |
Переработка/сжигание |
Таблица 3. Образование и контроль отходов производства полупроводников
Шаги процесса |
Опасный |
Экологические исследования георадаром |
Настройки |
Литография/офорт |
Растворители |
Твердые отходы |
Переработка/восстановление/сжигание |
Окисление |
Растворители |
Твердые отходы |
Переработка/восстановление/сжигание |
легирование |
Ядовитый газ (арсин, |
воздуха |
Замена жидкостью |
Химическое осаждение из паровой фазы |
Драгоценные металлы Едкие |
Твердые отходы |
сжигание |
Металлизация |
Растворители |
Твердые отходы |
сжигание |
Сборка и тестирование |
Растворители |
Твердые отходы |
Переработка/восстановление/сжигание |
Уборка |
Едкие |
Сточные Воды |
нейтрализация рН |
Ниже приведены общепринятые способы снижения выбросов в производстве печатных плат, печатных плат и полупроводников. Выбор средств контроля будет варьироваться в зависимости от технических возможностей, требований регулирующих органов и конкретных компонентов/концентраций потока отходов.
Контроль сточных вод
Химическое осаждение
Химическое осаждение обычно используется для удаления твердых частиц или растворимых металлов из сточных вод. Поскольку металлы не разлагаются естественным образом и токсичны при низких концентрациях, их удаление из промышленных сточных вод имеет важное значение. Металлы можно удалить из сточных вод химическим путем, так как они плохо растворяются в воде; их растворимость зависит от pH, концентрации металла, типа металла и присутствия других ионов. Как правило, поток отходов требует корректировки pH до надлежащего уровня для осаждения металла. Требуется добавление химикатов в сточные воды для изменения физического состояния растворенных и взвешенных твердых частиц. Обычно используются известковые, каустические и сульфидные осаждающие агенты. Осаждающие агенты облегчают удаление растворенных и взвешенных металлов путем коагуляции, осаждения или улавливания в осадке.
Результатом химического осаждения сточных вод является накопление ила. Поэтому были разработаны процессы обезвоживания для уменьшения веса осадка с помощью центрифуг, фильтр-прессов, фильтров или осушающих слоев. Полученный обезвоженный шлам может быть отправлен на сжигание или захоронение.
нейтрализация рН
pH (концентрация ионов водорода или кислотность) является важным параметром качества промышленных сточных вод. Из-за неблагоприятного воздействия экстремальных значений pH в природных водах и на операции по очистке сточных вод, pH промышленных сточных вод необходимо корректировать перед сбросом с производственных объектов. Очистка происходит в ряде резервуаров, в которых контролируется концентрация ионов водорода в сточных водах. Обычно в качестве нейтрализующих коррозионных веществ используют соляную или серную кислоту, а в качестве нейтрализующей щелочи используют гидроксид натрия. Нейтрализующий агент дозируется в сточные воды, чтобы довести рН сброса до желаемого уровня.
Регулировка pH часто требуется перед применением других процессов очистки сточных вод. Такие процессы включают химическое осаждение, окисление/восстановление, сорбцию активированным углем, десорбцию и ионный обмен.
Управление твердыми отходами
Материалы являются твердыми отходами, если они оставлены без присмотра или выброшены путем утилизации; сожжены или сожжены; или накапливались, хранились или обрабатывались до или вместо того, чтобы быть оставленными (Свод федеральных правил 40 США, раздел 261.2). Опасные отходы обычно обладают одной или несколькими из следующих характеристик: воспламеняемость, коррозионная активность, реакционная способность, токсичность. В зависимости от характеристик опасного материала/отходов используются различные средства контроля вещества. Сжигание является распространенной альтернативой переработке растворителей и металлических отходов, образующихся при производстве печатных плат, печатных плат и полупроводников.
сжигание
Сжигание (дожигание) или термическое уничтожение стало популярным вариантом обращения с горючими и токсичными отходами. Во многих случаях горючие отходы (растворители) используются в качестве источника топлива (топливная смесь) для термических и каталитических мусоросжигательных заводов. Надлежащее сжигание растворителей и токсичных отходов обеспечивает полное окисление топлива и преобразование горючих материалов в углекислый газ, воду и золу, тем самым не оставляя обязательств, связанных с остаточными опасными отходами. Наиболее распространенными типами сжигания являются термические и каталитические установки для сжигания отходов. Выбор типа метода сжигания зависит от температуры горения, характеристик топлива и времени пребывания. Термические мусоросжигатели работают при высоких температурах и широко используются с галогенсодержащими соединениями. Типы термических мусоросжигателей включают вращающиеся печи, установки с впрыском жидкости, печи с неподвижным подом, печи с псевдоожиженным слоем и другие печи передовой конструкции.
Каталитические мусоросжигатели окисляют горючие материалы (например, летучие органические соединения) путем подачи потока нагретого газа через слой катализатора. Слой катализатора максимально увеличивает площадь поверхности, а за счет подачи потока нагретого газа в слой катализатора сгорание может происходить при более низкой температуре, чем при термическом сжигании.
Выбросы в атмосферу
Сжигание также используется для контроля выбросов в атмосферу. Используются также абсорбция и адсорбция.
Поглощение
Абсорбция воздухом обычно используется при очистке коррозионно-активных выбросов в атмосферу путем пропускания загрязняющих веществ и растворения их в нелетучей жидкости (например, в воде). Сток из процесса абсорбции обычно сбрасывается в систему очистки сточных вод, где он подвергается корректировке pH.
адсорбция
Адсорбция — это прилипание (посредством физических или химических сил) молекулы газа к поверхности другого вещества, называемого адсорбентом. Как правило, адсорбция используется для извлечения растворителей из источника выбросов в атмосферу. Активированный уголь, активированный оксид алюминия или силикагель являются обычно используемыми адсорбентами.
Утилизация
Перерабатываемые материалы используются, повторно используются или восстанавливаются в качестве ингредиентов в промышленном процессе для производства продукта. Переработка материалов и отходов обеспечивает экологические и экономические средства эффективного решения определенных типов потоков отходов, таких как металлы и растворители. Материалы и отходы могут быть переработаны внутри компании, или вторичные рынки могут принимать перерабатываемые материалы. Выбор вторичной переработки в качестве альтернативы отходам должен оцениваться с учетом финансовых соображений, нормативно-правовой базы и доступных технологий для вторичной переработки материалов.
Будущее направление
Поскольку потребность в предотвращении загрязнения растет, а промышленность ищет экономически эффективные средства для решения проблемы использования химических веществ и отходов, электронная промышленность должна оценивать новые методы и технологии для улучшения методов обращения с опасными материалами и образования отходов. Подход на конце трубы был заменен методами проектирования с учетом окружающей среды, при которых экологические проблемы решаются на протяжении всего жизненного цикла продукта, включая: сохранение материалов; эффективные производственные операции; использование более экологически чистых материалов; переработка, регенерация и утилизация отходов; и множество других методов, которые обеспечат меньшее воздействие на окружающую среду для промышленности по производству электроники. Одним из примеров является большое количество воды, используемой на многих этапах промывки и других технологических процессах в микроэлектронной промышленности. В бедных водой районах это вынуждает промышленность искать альтернативы. Однако важно убедиться, что альтернатива (например, растворители) не создает дополнительных экологических проблем.
В качестве примера будущих направлений процесса производства ПП и ПХД в таблице 4 представлены различные альтернативы для создания более экологически безопасных методов и предотвращения загрязнения. Определены приоритетные потребности и подходы.
Таблица 4. Матрица приоритетных потребностей
Приоритетная потребность (снижение |
Подход |
Выбранные задачи |
Более эффективное использование, |
Продлить срок службы электролитических и |
Исследования для продления ванн. |
Сокращение образования твердых отходов |
Развивать и продвигать |
Развивать инфраструктуру для |
Установить лучшего поставщика |
Рекламировать поставщика, |
Разработать модель опасных |
Свести к минимуму влияние |
Уменьшите использование свинцового припоя, когда |
Изменить спецификации, чтобы принять |
Используйте аддитивные процессы, которые |
Разрабатывать упрощенно, |
Совместная работа над проектами для |
Устранение смазывания отверстий в PWB |
Разработайте смолы без смазывания или |
Исследуйте альтернативу |
Уменьшите потребление воды |
Развивать водопользование |
Измените спецификации, чтобы уменьшить |
Источник: МСС 1994.
ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ: МОТ не несет ответственности за контент, представленный на этом веб-портале, который представлен на каком-либо языке, кроме английского, который является языком, используемым для первоначального производства и рецензирования оригинального контента. Некоторые статистические данные не обновлялись с тех пор. выпуск 4-го издания Энциклопедии (1998 г.)».