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Cuando se trata de producir productos electrónicos críticos, es fundamental considerar los costos más allá de la inversión monetaria. La seguridad de los trabajadores es fundamental en la fabricación. Desafortunadamente, muchos procesos de fabricación de microelectrónica involucran elementos químicos tóxicos que pueden representar riesgos para la salud.

Procesos de fabricación de semiconductores con los correspondientes productos químicos tóxicos. Imagen utilizada por cortesía de EPA

¿Qué riesgos existen y cómo trabaja el personal para mitigarlos?

Comprensión de los peligros potenciales

Las instalaciones de semiconductores utilizan varios líquidos y disolventes (ácidos, alcalinos o de otro tipo) que pueden ser tan duros para la fisiología humana como para los materiales que tratan.
Además de ser cáusticos, muchos productos químicos de uso común son carcinógenos humanos conocidos. Algunos ejemplos que pueden conllevar un alto riesgo son el tolueno, la acetona, el cloruro de metileno, el xileno, el cloroformo y el alcohol isopropílico. Otros, como los éteres de glicol, pueden incluso causar daños reproductivos.
A menudo, los trabajadores pueden absorber accidentalmente estas sustancias a través del contacto directo con la piel; sin embargo, el contacto directo no es la única forma de verse afectado. La inhalación de subproductos gaseosos nocivos como el ozono, el monóxido de carbono y el fosgeno también puede causar numerosos problemas de salud, que incluyen irritación de la piel, daño ocular, dolores de cabeza y problemas de digestión, entre muchos otros.
Los fabricantes establecen procedimientos de seguridad para minimizar los riesgos, de acuerdo con las pautas de OSHA, CDC, ANSI y SESHA. Estos estándares de seguridad a menudo incluyen equipo de protección personal (EPP).

Riesgos materiales

Sin lugar a dudas, los metales son cruciales en la producción de semiconductores. El cadmio, el telurio, el galio, el mercurio y el arsénico son elementos fundamentales dentro de chips específicos. Estos elementos están presentes principalmente en compuestos químicos como telururo de mercurio cadmio o arseniuro de galio. Estos compuestos son favorables dentro de los semiconductores gracias a sus propiedades eléctricas.

Empleados de fabricación de semiconductores con equipo de protección personal. Imagen utilizada por cortesía de Semiconductor Industry Association

Sin embargo, cada uno representa un peligro fundamental para la salud humana durante la exposición aguda o repetida.
La exposición al arsénico puede causar hinchazón, irritación de la piel, anemia, leucocitopenia y múltiples formas de cáncer (durante períodos prolongados). La ingestión aguda puede causar ardor, dolor de estómago, náuseas, vómitos, convulsiones, coma e incluso la muerte.
La exposición al mercurio está asociada con problemas del sistema nervioso, trastornos inmunológicos, daño renal, irritación de la piel e irritación de los ojos. La OMS lo considera uno de los diez principales productos químicos de preocupación para la salud pública.
El galio es corrosivo y dañino cuando se inhala, desde un punto de vista respiratorio, nervioso y renal.
El telurio puede causar problemas en los ojos, la piel y los pulmones. La inhalación sostenida puede provocar edema pulmonar, daño hepático y renal, daño del sistema nervioso y fatiga general o enfermedad.
La exposición repetida al cadmio se atribuye al crecimiento del cáncer. También afecta los sistemas cardiovascular, nervioso, respiratorio, renal y gastrointestinal.
Es importante señalar que estos metales pueden existir en diferentes formas, ya sean sólidos, polvos o líquidos. OSHA y otras agencias definen los límites de exposición en el lugar de trabajo a estos elementos, mientras que los trabajadores y los ingenieros de pisos usan PPE para ayudar a restringir la exposición.

¿Son peligrosos los chips de silicio después de la fabricación?

Incluso las pequeñas partículas metálicas que se utilizan durante la producción de semiconductores no desaparecen sin más. Estos compuestos pueden permanecer en productos semiconductores terminados, como paneles solares. Existe la preocupación de que estas nanopartículas dañinas puedan liberarse o filtrarse en otros materiales durante la manipulación, por lo que entran en contacto con la piel o ingresan inadvertidamente al cuerpo.

Diagrama que muestra el desplazamiento de nanopartículas dentro del cuerpo y los posibles efectos. Imagen utilizada por cortesía de Chao Zeng.

Una forma de ayudar a eludir los peligros potenciales es alejarse por completo de los materiales tóxicos.

Explorando alternativas más seguras

Dado que existen tantos riesgos potenciales, existe un impulso para alejarse de los metales pesados ​​periódicos hacia los compuestos orgánicos. Los investigadores de ingeniería están proponiendo materiales semiconductores menos tóxicos (o no tóxicos), que funcionan de manera similar a los materiales utilizados actualmente. Sin embargo, la viabilidad dependerá de la aplicación en cuestión.
Un compuesto semiconductor prometedor es Ca3SiO, compuesto de calcio, silicio y oxígeno. Los compuestos como estos se consideran oxisilicidas, que anteriormente no podían emitir radiación infrarroja. Esta limitación ayudó a destacar nuestros semiconductores tóxicos existentes. Afortunadamente, una nueva investigación del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón y el Instituto de Tecnología de Tokio ha dado lugar a un gran avance en el diseño de semiconductores de transición directa.
Estos chips emergentes pueden ayudar a alimentar las comunicaciones de fibra óptica, los dispositivos de visión nocturna y los paneles solares. La pequeña banda prohibida característica de estos chips proporcionará importantes ventajas de rendimiento en el futuro. Esta característica es fundamental para absorber, emitir y detectar longitudes de onda IR más largas. Otro beneficio se encuentra en las aplicaciones de película delgada, incluidas las que involucran LED.

Los beneficios ecológicos de los materiales semiconductores no tóxicos
Estos compuestos son mucho menos tóxicos durante la fabricación y afortunadamente presentan riesgos mínimos durante la manipulación, como se puede experimentar durante el montaje o la reparación. También hay un beneficio ecológico adicional.
Por cada persona de los 7.800 millones de personas en la Tierra, cada una produce 16 libras de desechos electrónicos al año. No olvidemos la electrónica comercial y cantidades notablemente masivas de paneles solares fuera de servicio. En lugar de depositar grandes cantidades de metales pesados ​​que podrían filtrarse al agua subterránea o al suelo, podemos descartar compuestos orgánicos más ecológicos.

Estadísticas de desechos electrónicos de 2019. Imagen utilizada por cortesía de Forti et al. y monitor global de residuos electrónicos

Estas alternativas no tóxicas no serán comercialmente viables durante algún tiempo. Los compuestos tóxicos todavía se utilizan debido a sus excepcionales propiedades conductoras, que pueden ser difíciles de superar sin una investigación exhaustiva.