Revisión del equipo (II)

La asociación internacional de equipo y materiales de semi- conductores (SEMI) es una entidad que representa a los provee- dores de equipo y materiales de semiconductores e indicadores planos. Entre sus actividades se cuenta el desarrollo de normas técnicas voluntarias por acuerdo mutuo entre proveedores y clientes, encaminadas a mejorar la calidad y la fiabilidad perma- nente de los productos a precio razonable.
Hay dos normas SEMI que se aplican en concreto a las preo- cupaciones relativas a la SSA de equipo nuevo, que son la SEMI S2 y la SEMI S8. La SEMI S2-93, Directrices de seguridad para equipo de fabricación de semiconductores, establece unas considera- ciones mínimas de SSA basadas en el rendimiento para el equipo utilizado en la fabricación de semiconductores. La SEMI S8-95, Supplier Ergonomic Success Criteria User’s Guide (Guía del usuario sobre criterios de éxito ergonómico de proveedores), amplía la sección de la SEMI S2 dedicada a ergonomía.
Muchos fabricantes de semiconductores exigen la certifica- ción por terceros de que un equipo nuevo cumple los requisitos de la SEMI S2. Las directrices para interpretar la SEMI S2-93 y la SEMI S8-95 están contenidas en una publicación del consorcio del sector SEMATECH (SEMATECH 1996). Puede obtenerse más información sobre SEMI en la red mundia (http://www.semi.org).

Revisión del equipo (I)

La complejidad del equipo de fabricación de semiconductores, junto con los continuos avances en los procesos de fabricación, convierte a la revisión previa a la instalación de nuevos equipos de proceso en una medida importante para reducir al mínimo los riesgos para la SSA. Hay dos procesos de revisión de equipos que ayudan a garantizar que un equipo nuevo de producción de semiconductores posea los controles de SSA adecuados: la marca CE y las normas internaciones relativas a equipo y materiales de semiconductores (SEMI).
La marca CE es una declaración del fabricante de que el equipo que la lleva cumple los requisitos de todas las directivas aplicables de la Unión Europea (UE). Las directivas que se consideran más aplicables al equipo de fabricación de semicon- ductores son la Directiva de maquinaria (DM), la Directiva de compatibilidad electromagnética (CEM) y la Directiva de baja tensión (DBT).
En el caso de la Directiva de CEM, es preciso contar con los servicios de una entidad competente (organización con autorización oficial de un Estado miembro de la UE) que defina los requisitos de ensayo y apruebe los resultados de la inspección. La DM y la DBT pueden ser evaluadas por el fabricante o por un organismo encargado (organización con autorización oficial de un Estado miembro de la UE). Con independencia del camino elegido (evaluación propia o por terceros), el importador de la partida será el responsable de que el producto importado tenga la marca CE. Puede utilizar la información de la entidad tercera o de la autoevaluación como base de su convencimiento de que el equipo cumple los requisitos de las directivas aplica- bles, pero en último término preparará la declaración de confor- midad y agregará la marca CE por sí mismo.

Expedición - Estudio de la salud (III)

Además del aumento de la tasa de AE asociada a la exposi- ción a determinados éteres de glicol, el estudio llegó también a las conclusiones siguientes:
• Existía una correlación inconstante entre la exposición a fluo- ruros (en grabado) y el AE.
• El estrés declarado por las mujeres que trabajaban en procesos de fabricación era un potente factor de riesgo independiente de AE.
• Las mujeres que trabajaban en procesos de fabricación tardaban más tiempo en quedarse embarazadas que las ocupadas en procesos ajenos a la fabricación.
• Los trabajadores de fabricación mostraban un aumento de los síntomas respiratorios (irritación de ojos, nariz y garganta y sibilancia) en comparación con los de procesos ajenos a la fabricación.
• Aparecían síntomas musculosqueléticos en la extremidad supe- rior distal, como dolores en mano, muñeca, codo y antebrazo, asociados al trabajo en naves de fabricación.
• Se comunicaron con más frecuencia la dermatitis y caída del cabello (alopecia) en los trabajadores de fabricación que en los demás.

Expedición - Estudio de la salud (II)

Los investigadores asociaron la mayor tasa de AE con la expo- sición a determinados éteres de glicol a base de etileno (EGE) empleados en la fabricación de semiconductores. Los éteres de glicol específicos que figuraban en el estudio y que se sospecha que causan efectos adversos en la reproducción son:

• 2-metoxietanol (CAS 109-86-4);
• acetato de 2-metoxietilo (CAS 110-49-6);
• acetato de 2-etoxietilo (CAS 111-15-9).

Aunque no formaban parte del estudio, otros dos éteres de glicol utilizados en el sector, el 2-etoxietanol (CAS 110-80-5) y el éter dimetil glicol dietileno (CAS 111-96-6), ejercen efectos tóxicos similares y han sido prohibidos por algunos fabricantes de semiconductores.

Expedición - Estudio de la salud (I)

En cada paso del proceso se utiliza un conjunto determinado de sustancias químicas y aparatos que originan preocupaciones espe- cíficas en materia de salud y seguridad ambiental (SSA). Además de preocupaciones asociadas a pasos concretos del procesamiento de dispositivos semiconductores de silicio, un estudio epidemioló- gico investigó los efectos sobre la salud en los trabajadores del sector de semiconductores (Schenker y cols. 1992). Véase también la exposición del artículo “Efectos sobre la salud y patrones de enfermedad”.
La conclusión principal del estudio fue que el trabajo en insta- laciones de fabricación de semiconductores se asocia a un aumento de la tasa de abortos espontáneos (AE). En el compo- nente histórico del estudio, el número de embarazos estudiados en trabajadoras de fabricación y ajenas a la fabricación fue casi igual (447 y 444, respectivamente), pero hubo más abortos espontáneos en fabricación (n=67) que en los procesos ajenos a la fabricación (n=46). Una vez realizado el ajuste por diversos factores que podrían ser causa de sesgo (edad, raza, tabaquismo, estrés, situación socioeconómica e historia de embarazos), el riesgo relativo (RR) de la fabricación frente a la no fabricación fue de 1,43 (intervalo de confianza al 95 %=0,95-2,09).

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Expedición

La expedición es la última operación en la que intervienen los fabricantes de casi todos dispositivos semiconductores de silicio. Los fabricantes que a su vez son proveedores venden sus productos a otros fabricantes de productos finales, mientras que los fabricantes que producen para sí mismos utilizan los disposi- tivos en sus propios productos finales.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Análisis de fallos y garantía de calidad (III)

Se utilizan sistemas de rayos X en armario para comprobar el espesor de recubrimientos metálicos y para detectar defectos (p. ej., burbujas de aire en monturas de compuestos de moldeo). Aunque estas unidades no son una fuente de fuga importante, se suelen someter a comprobación periódica (p. ej., anual) con un medidor de mano para reconocimiento de fugas de rayos X, y se inspeccionan para garantizar que los cortacircuitos de puerta funcionan correctamente.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Análisis de fallos y garantía de calidad (I)

Los laboratorios de análisis de fallos y de la calidad están especializados en realizar diversas operaciones para garantizar la fiabi- lidad de los dispositivos. Algunas de las operaciones efectuadas en estos laboratorios presentan posibilidades de exposición del trabajador. Entre ellas se cuentan:

• pruebas de marcado que utilizan diversas mezclas disolventes y corrosivas en vasos calentados en preciso contar con ventilación aspirante local (LEV) en forma de chimenea metálica con las velocidades nominales adecuadas para controlar emisiones transitorias. Las soluciones de monoetanolamina pueden dar lugar a exposiciones que superen su límite de exposición en el aire (Baldwin y Williams

1996).

• prueba de burbujas/fugas con utilización de hidrocarburos fluorados de alto peso molecular (nombre registrado, Fluorinerts).

• unidades de montura por rayos X.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Marcado y empaquetado (III)

Los láseres de gran potencia son también uno de los peligros eléctricos más importantes en el sector de semiconductores. Incluso después de cortada la alimentación, existe un potencial importante de descarga en el instrumento, que ha de ser disi- pado antes de trabajar dentro del armario.
Junto con los peligros del haz y eléctricos, también se debe poner gran atención en las operaciones de mantenimiento de los sistemas de marcado con láser a causa del potencial de contaminación química por el pirorretardante trióxido de antimonio y el berilio (las monturas cerámicas que contienen este compuesto estarán rotuladas). Durante el marcado con láseres de gran potencia pueden generarse humos, con lo que se depositarán residuos sobre las superficies del equipo y en los filtros de extrac- ción de humos.
En el pasado se han empleado desengrasantes para limpiar semiconductores antes de marcarlos con códigos de identifica- ción. Es fácil que se originen exposiciones a disolventes por encima del límite de exposición profesional aerotransportada aplicable si un operador coloca la cabeza debajo de las bobinas de refrigeración que provocan la recondensación de vapores, como puede suceder cuando el operador intenta recuperar piezas caídas o cuando un técnico limpia residuos del fondo de la unidad (Baldwin y Stewart 1989). El empleo de desengra- santes ha experimentado una gran reducción en el sector de semiconductores por las restricciones en la utilización de sustan- cias destructoras del ozono, como los hidrocarburos clorofluo- rados y los disolventes clorados.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Marcado y empaquetado (II)

Durante estas operaciones de mantenimiento, en teoría deben abandonar la sala donde se encuentre el láser todas las personas, salvo los técnicos de mantenimiento necesarios. Se deberán cerrar con llave las puertas de acceso a la sala y se pondrán en ellas avisos con los signos de seguridad láser. No obstante, los láseres de gran potencia utilizados en la fabricación de semicon- ductores están situados a menudo en naves de fabricación grandes abiertas, lo que hace inviable el traslado del personal ajeno al mantenimiento mientras éste se realiza. En estos casos se suele establecer una zona de control provisional. Lo normal es que estas zonas de control estén rodeadas de cortinas especiales para láser o pantallas de soldeo capaces de resistir el contacto directo con el haz de láser. La entrada a la zona de control provisional se suele efectuar atravesando un laberinto en el que se pone un signo de aviso siempre que se anulen los cortacir- cuitos del láser. Otras precauciones de seguridad durante la alineación del haz son similares a las exigidas para la operación de un láser de gran potencia y haz abierto (p. ej., formación, protección de los ojos, procedimientos escritos, etc.).

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Análisis de fallos y garantía de calidad (II)

El cobalto 60 (hasta 26.000 curios) se utiliza en irradiadores con objeto de comprobar la capacidad de los CI para resistir la exposición a la radiación gamma en aplicaciones militares y espaciales. En condiciones normales, las exposiciones perso- nales debidas a esta operación son inferiores a 5 milisievert (500 milirem) por año (Baldwin y Stewart 1989). Los controles de esta operación un tanto especializada son similares a los utili- zados en los sistemas de precisión para medir fugas de Kr 85 (p. ej., sala aislada, monitores permanentes de la radiación, vigi- lancia de la exposición personal, etc.).

En el proceso de análisis de fallos se utilizan pequeñas fuentes alfa “con licencia específica” (p. ej., micro y milicurios de americio 241). Estas fuentes se cubren con un capa protectora delgada, denominada ventana, que permite la emisión de partículas alfa desde la fuente para comprobar la capacidad de funcionamiento del circuito integrado cuando es bombardeado por partículas alfa. Lo normal es que las fuentes se sometan a una inspección periódica (p. ej., semestral) en busca de fugas de material radiactivo, que pueden producirse si la ventana protectora sufre daños. Cualquier fuga detectable suele desenca- denar el desmontaje inmediato de la fuente y su devolución al fabricante.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Marcado y empaquetado (I)

La identificación física del dispositivo final encapsulado se consigue con uno de los muchos sistemas de marcado. Las dos categorías principales de marcado de componentes son la impre- sión con contacto y sin contacto. La impresión con contacto recurre por lo común a una técnica de offset giratoria con ayuda de tintas basadas en disolventes. La impresión sin contacto, que transfiere marcas sin establecer contacto físico, comprende la impresión con chorro de tinta o tóner, en la que se utilizan tintas basadas en disolventes o marcado con láser.
Los disolventes empleados como portadores de las tintas de impresión y como predepuradores se componen casi siempre de una mezcla de alcoholes (etanol) y ésteres (acetato de etilo). La mayoría de los sistemas de marcado de componentes diferentes del marcado con láser emplean tintas que exigen un paso adicional de fijado o curado. Estos métodos de curado son: curado al aire, curado por calor (calentamiento directo o rayos infrarrojos) y curado a los rayos ultravioletas. Las tintas para curado con rayos ultravioleta no contienen disolventes.

Los sistemas de marcado con láser utilizan un láser de dióxido de carbono (CO2) de gran potencia o un láser de gran potencia de neodimio-itrio. Estos láseres suelen estar incorporados al equipo y tienen armarios de seguridad que rodean el camino del haz y el punto en que el haz entra en contacto con el blanco. Esta disposición elimina los peligros del haz de láser durante las operaciones normales, pero la preocupación aparece cuando se anulan los bloqueos de seguridad. La operación más corriente en que es necesario quitar las protecciones que encierran el haz y anular los bloqueos es la alineación del haz de láser.

MICROELECTRONICA Y SEMICONDUCTORES - Prueba final

Para la calificación final del rendimiento del dispositivo semicon- ductor de silicio una vez encapsulado, se realiza una prueba eléc- trica final. Como el número y la complejidad de las pruebas necesarias es muy grande, un ordenador se encarga de ejecutar y evaluar la prueba de numerosos parámetros importantes para el funcionamiento del dispositivo.

Prueba de fugas y envejecimiento (II)

Los controles de estos sistemas suelen ser:

• aislamiento en habitaciones con el acceso restringido al personal necesario únicamente;
• carteles de aviso de radiación en las puertas de entrada a las habitaciones donde haya Kr 85;
• monitores para la vigilancia permanente de la radiación con alarmas y parada/aislamiento automáticos;
• sistema de ventilación de salida propio y habitación con presión negativa;
• vigilancia de exposiciones con dosimetría personal (p. ej., pelí- cula dosimétrica de radiación);
• mantenimiento periódico de alarmas y cierres;
• inspecciones periódicas en busca de fugas de material radiactivo;
• formación en seguridad de los operadores y técnicos;
• garantizar que las exposiciones a la radiación se mantengan tan bajas como sea razonablemente posible (ALARA).

También se inspeccionan los materiales que entran en contacto con el Kr 85 (p. ej., los CI expuestos, aceite usado de bombas, válvulas y juntas tóricas) para cerciorarse de que no emiten radiación a niveles excesivos debido al gas residual que pueda quedar en ellos antes de sacarlos de la zona controlada. Leach-Marshal (1991) suministra información detallada sobre exposiciones y controles de los sistemas detectores de fugas mínimas de Kr 85.
El envejecimiento es una operación de esfuerzos térmicos y eléc- tricos para determinar la fiabilidad del dispositivo final encapsulado. Los dispositivos se depositan en un horno con control de temperatura durante un período de tiempo prolongado en la atmósfera ambiente o en una atmósfera inerte de nitrógeno. Las temperaturas oscilan entre 125 °C y 200 °C (150 ºC es la media), y los períodos de tiempo entre unas pocas horas y 1.000 horas (48 horas en promedio).

Prueba de fugas y envejecimiento (I)

La prueba de fugas es un procedimiento desarrollado para comprobar la capacidad real de sellado o hermeticidad del dispo- sitivo encapsulado. Hay dos formas corrientes de realizarla: la detección de fugas con helio y la detección de fugas con trazador radiactivo.
En la detección de fugas con helio, las monturas terminadas se colocan en una atmósfera de helio a presión durante cierto tiempo. El helio puede penetrar a la montura por las imperfec- ciones del encapsulado. Una vez sacada de la cámara de presurización con helio, la montura es transferida a la cámara de un espectrómetro de masas y se comprueba si hay fugas de helio por las imperfecciones de la montura.
En el segundo método, el helio es sustituido por un gas trazador radiactivo, que suele ser el criptón 85 (Kr 85), y se miden las fugas del gas radiactivo de la montura. En condiciones normales, la exposición del personal debida a este proceso es inferior a 5 milisievert (500 milirem) al año (Baldwin y Stewart
1989).

Encapsulado (II)

• resinas termoendurecibles—epoxia, silicona o silicona/epoxia;
• endurecedores—novolacas epoxídicas y anhídridos epoxídicos;
• sustancias de relleno— dióxido de silicio (SiO2) amalgamado en sílice o cristalino y alúmina (Al2O3), por lo general en la proporción de 50-70 % en peso;
• pirorretardante—trióxido de antimonio (Sb2O3) por lo general en la proporción de 1-5 % en peso.

El moldeo por inyección emplea un compuesto termoplástico o termoendurecible para moldeo que se calienta hasta su punto de fusión en una botella a temperatura controlada y se hace pasar a presión por una boquilla hasta el molde. La resina se solidifica en seguida, se abre el molde y la montura encapsulada sale expulsada. En el moldeo por inyección se utiliza una extensa variedad de compuestos de plástico. Las resinas epoxídicas y a base de sulfuro de polifenileno (PPS) son las últimas sustancias que se han incorporado al encapsulado de semiconductores.
Los encapsulados finales de dispositivos semiconductores de silicio se clasifican en función de su resistencia a las fugas o capa- cidad de aislar el circuito integrado de su medio ambiente. Se distingue entre el sellado hermético (estanco al aire) y el no hermético.

Encapsulado (I)

El objetivo esencial del encapsulado es acomodar un circuito inte- grado en una montura que cumpla los requisitos eléctricos, térmicos, químicos y físicos asociados a la aplicación del circuito integrado.
Las monturas más extendidas son la de conductores radiales, la montura plana y la doble en línea (DIP). Las monturas de conductores radiales se fabrican casi todas de Kovar, que es una aleación de hierro, níquel y cobalto, con sellos de vidrio duro y conductores de Kovar. Las monturas planas tienen un marco de conductores metálicos, por lo general de una aleación de aluminio combinada con componentes cerámicos, de vidrio y metálicos. Las monturas dobles en línea son las más corrientes
y a menudo utilizan cerámica o plásticos moldeados.
Las monturas de plástico moldeado para semiconductores se producen sobre todo por dos procesos diferentes—moldeo por transferencia y moldeo por inyección. El moldeo por transferencia es el método de encapsulado en plástico predominante. En él, las pastillas se montan sobre marcos de conductores sin cortar y después se cargan en moldes por lotes. Porciones en polvo o bolas de compuestos de plástico termoendurecible para moldeo se funden en una olla caliente y después son impulsados (transfe- ridos) a presión hasta los moldes cargados. Los sistemas de formar porciones en polvo o bolas con compuestos de plástico para moldeo pueden utilizarse con epoxia, silicona o sili- cona/resinas epoxídicas. El sistema suele consistir en una mezcla de:

Sujetar y conectar pastillas (II)

Una vez lograda la sujeción física de la pastilla a la montura, es preciso establecer las conexiones eléctricas entre el circuito integrado y los conductores de la montura. Esta operación se ejecuta por técnicas de termocompresión, ultrasónicas o termosónicas, que conectan hilos de oro o aluminio entre las áreas de contacto de la pastilla de silicio y de los conductores de la montura.
La unión por termocompresión se emplea a menudo con hilo de oro y consiste en calentar la montura hasta unos 300 ºC y formar la unión entre el hilo y las patillas de conexión mediante la aplicación de calor y presión. Se utilizan dos tipos principales de unión por termocompresión—unión con bola y unión con cuña. En la unión con bola, que sólo se utiliza con hilo de oro, éste es suministrado desde un tubo capilar, después es comprimido, y después fundido por una llama de hidrógeno. La llama forma además una nueva bola en el extremo del hilo, bola que será aprovechada en el ciclo de conexión siguiente. La unión con cuña exige utilizar una herramienta de unión en forma de cuña
y un microscopio, que ayuda a colocar en su posición exacta la pastilla de silicio y la montura sobre la patilla de conexión. El proceso se ejecuta en una atmósfera inerte.
La unión ultrasónica emplea un impulso energético de alta frecuencia ultrasónico para inducir un efecto de frotamiento que forma una unión entre el hilo y la patilla de conexión. La unión ultrasónica se realiza sobre todo con hilo de aluminio, y muchos la prefieren a la de termocompresión porque no exige el calenta- miento de la pastilla de circuitos durante la operación de conexión.
La unión termosónica es un cambio tecnológico reciente en la conexión con hilo de oro. En ella se utiliza una combinación de energías ultrasónica y térmica, y exige menos calor que la unión por termocompresión.

Sujetar y conectar pastillas (I)

La pastilla o dado individual tiene que quedar sujeta a una montura y a un marco de conductores metálicos. Las monturas suelen estar hechas de material aislante cerámico o plástico. Los materiales de las monturas cerámicas son por lo general de alúmina (Al2O3), pero también pueden ser de berilia (BeO) o esteatita (MgO-SiO2). Los materiales de las monturas de plástico son de resina termoplástica o termoendurecible.
En general, la sujeción de la pastilla se efectúa por uno de tres tipos distintos de fijación: eutéctica, preforma y epoxídica. La fijación eutéctica de pastillas consiste en utilizar una aleación de soldadura fuerte eutéctica, como la de oro-silicio. En este método, se efectúa el depósito previo de una capa de oro metá- lico en la parte posterior de la pastilla. Mediante el calenta- miento de la montura por encima de la temperatura eutéctica (370 ºC para oro-silicio) y la colocación de la pastilla sobre la montura, se forma un enlace entre ésta y la pastilla.
La unión con preforma consiste en emplear una pequeña pieza de composición especial (preforma) que se adhiera a pastilla y montura. Se coloca una preforma sobre el área de la montura donde se quiere sujetar la pastilla y se deja que se funda. Entonces se frota la pastilla por esa zona hasta que queda sujeta, y a continuación se enfría la montura.
La unión epoxídica consiste en aplicar un pegamento epoxí- dico para fijar la pastilla a la montura. Se vierte una gota de epoxia en la montura y encima se coloca la pastilla. Puede ser preciso cocer después la montura a una temperatura elevada para que la epoxia adquiera la dureza adecuada.

Separación de pastillas

Una vez probados, marcados y clasificados los dispositivos o circuitos integrados en la oblea, es preciso proceder a la separa- ción física individual de las pastillas que se encuentran agrupadas en la oblea. Se han ideado numerosos métodos para separar e individualizar las pastillas—trazado con diamante, trazado con láser y aserrado con rueda de diamante.
El trazado con diamante, el método más antiguo utilizado, consiste en pasar una punta con diamantes incrustados, de forma muy precisa, por la línea del trazado o “calle” de la oblea que separa las pastillas individuales en la superficie de la oblea. La imperfección en la estructura cristalina provocada por el trazado permite doblar y fracturar la oblea a lo largo de esa línea.
El trazado con láser es una técnica de separación de pastillas relativamente reciente. Un láser pulsado muy potente de neodi- mio-itrio genera un haz que practica en la oblea de silicio una ranura que sigue la línea del trazado. La ranura se convierte en la línea de rotura de la oblea.
Un método de separación de pastillas muy extendido es el aserrado en húmedo—cortar sustratos a lo largo de la calle con una sierra circular de diamante de gran velocidad. El aserrado del sustrato de silicio puede ser de corte parcial (trazado) o completo (dados). El aserrado genera una lechada húmeda con el material arrancado de la calle.