O futuro circular das instalações para semicondutores

A fabricação de semicondutores evoluiu em um ritmo extraordinário. Os wafers aumentaram de tamanho, as estruturas dos chips tornaram-se cada vez menores, os requisitos de limpeza ficaram mais rigorosos e o controle de contaminação deixou de se concentrar apenas na sala limpa para migrar para miniambientes altamente controlados. As edificações e a infraestrutura que sustentam essa inovação precisam evoluir na mesma velocidade, e adaptá-las está longe de ser uma tarefa simples.

Na Deerns, enxergamos esse cenário como um importante desafio de circularidade. Mesmo complexos de cleanrooms altamente sofisticados possuem uma vida útil econômica limitada. À medida que tecnologias, modelos de negócio ou necessidades de capacidade mudam, essas instalações podem se tornar obsoletas, embora ainda contenham materiais valiosos, sistemas técnicos e infraestrutura altamente especializada.

A questão, portanto, não é apenas como descomissionar uma cleanroom de forma responsável. O verdadeiro desafio é projetar, operar e adaptar instalações para semicondutores de maneira que seu valor seja preservado ao longo de múltiplos ciclos de utilização.

Um ativo de alta tecnologia com vida útil limitada

Instalações para semicondutores reúnem cleanrooms e uma infraestrutura crítica composta por sistemas de água ultrapura, gases de processo, fornecimento e abatimento de produtos químicos, centrais de aquecimento e resfriamento, sistemas de energia de emergência, redundâncias incorporadas e redes de distribuição de utilidades. Esses sistemas garantem a continuidade da produção e minimizam o risco de interrupções.

Essa complexidade torna o reaproveitamento das instalações um grande desafio. Um edifício desativado pode permanecer conectado às redes de utilidades que continuam abastecendo outras áreas do complexo industrial. Antes do desmonte, é necessário isolar esses sistemas sem comprometer a produção, a segurança ou a conformidade regulatória. Somente então os componentes e materiais podem ser removidos, separados e preparados para reutilização ou reciclagem.

Os três princípios podem contribuir para melhores resultados no futuro incluem:

• Projetar instalações em camadas modulares, que possam ser adaptadas de forma independente;
• Registrar materiais, localização e tratamentos por meio de passaportes digitais de materiais (digital material passports);
• Evitar conexões permanentes sempre que soluções desmontáveis atenderem aos requisitos técnicos.

Projetando para a desmontagem

A seleção de materiais é orientada por critérios extremamente rigorosos. Os produtos precisam atender aos requisitos de higiene, segurança contra incêndio e controle de contaminação, além de evitar emissões indesejadas. Essas exigências frequentemente levam ao uso de produtos compostos ou montagens permanentes que dificultam a separação dos materiais ao final da vida útil.

Pisos elevados podem combinar alumínio e PVC, enquanto cabos reúnem cobre revestido por polímeros. Da mesma forma, paredes de salas limpas coladas ou permanentemente seladas tendem a se transformar em resíduos mistos durante a demolição. Por outro lado, sistemas desmontáveis permitem que painéis, estruturas metálicas e materiais de alto valor sejam recuperados e destinados à reutilização ou à reciclagem com maior aproveitamento.

As instalações para semicondutores concentram grandes quantidades de aço inoxidável, cobre e alumínio. Até mesmo unidades de ventilação com filtros (Filter Fan Units – FFUs), compostas por metais, plásticos, materiais isolantes e papel filtrante, podem ser desmontadas de forma economicamente viável quando existem milhares de unidades idênticas instaladas.

Por isso, um projeto orientado pela circularidade deve considerar três fatores essenciais:

• Acessibilidade para manutenção, substituição e remoção dos componentes;
• Utilização de componentes padronizados que possam ser reformados (refurbished) ou reaproveitados em novas aplicações;
• Separação clara dos materiais para evitar processos de reciclagem de baixo valor agregado.

Olhando além da estrutura da edificação

Além da recuperação de materiais, algumas das maiores oportunidades para promover a circularidade em instalações de semicondutores estão nos equipamentos, nos sistemas de utilidades de processo e nos fluxos de recursos. Chillers (resfriadores de água), sistemas de aquecimento e unidades de produção de água desmineralizada, por exemplo, são construídos com componentes de alta durabilidade. A atualização de sistemas de controle, fluidos refrigerantes ou componentes específicos pode prolongar sua vida útil e reduzir tanto a necessidade de novos investimentos quanto o consumo de matérias-primas.

Até mesmo wafers rejeitados durante a produção podem ganhar uma nova finalidade, sendo reutilizados como monitor wafers ou dummy wafers e, posteriormente, empregados em outras aplicações. As embalagens também representam uma oportunidade importante: materiais destinados às cleanrooms frequentemente chegam com dupla embalagem para evitar contaminação, o que gera grandes volumes de resíduos. Sistemas reutilizáveis ou recicláveis podem reduzir significativamente esse impacto.

As maiores oportunidades de circularidade concentram-se, muitas vezes, em três fluxos de recursos:

• Recuperação de hélio, criptônio, neônio e, futuramente, hidrogênio;
• Tratamento de água de enxágue levemente contaminada para reutilização segura nos processos;
• Separação de ácidos, solventes e efluentes contendo fluoretos para recuperação e reaproveitamento.

Sistemas de água ultrapura já conseguem atingir elevados índices de reutilização quando há espaço suficiente e infraestrutura adequada para tratamento. No futuro, avanços tecnológicos também poderão permitir a recuperação de recursos em correntes mais complexas, como os resíduos provenientes dos processos de polimento químico-mecânico (Chemical Mechanical Planarization – CMP).

A energia continua sendo a equação mais desafiadora

A demanda por energia representa uma exceção entre muitas das tendências de circularidade. Embora os semicondutores mais avançados sejam cada vez mais eficientes em termos de consumo energético, processos de fabricação mais complexos e o crescimento acelerado dos data centers impulsionados por inteligência artificial continuam elevando significativamente a demanda total por eletricidade em toda a cadeia de valor.

Fechar os ciclos de materiais e de água é essencial, mas isso, por si só, não compensa o crescimento contínuo do consumo de energia. Por isso, as estratégias para instalações industriais precisam combinar princípios de circularidade com fontes renováveis de energia, sistemas de processo mais eficientes, resfriamento e umidificação adiabáticos e recuperação de calor residual sempre que tecnicamente viável.

Do desafio do fim da vida útil à estratégia de projeto

A circularidade começa muito antes do descomissionamento de uma instalação. Ela nasce na concepção do projeto, por meio de layouts adaptáveis, sistemas desmontáveis, informações estruturadas sobre os materiais, utilidades passíveis de recuperação e da colaboração entre todos os participantes da cadeia de valor. Projetistas, fabricantes, operadores, empresas especializadas e formuladores de políticas públicas desempenham papéis fundamentais na criação de caminhos viáveis para a reutilização de materiais e sistemas.

Ao combinar conhecimento profundo dos processos industriais com engenharia voltada para a circularidade, ajudamos nossos clientes a preservar o desempenho operacional de hoje, ao mesmo tempo em que garantimos recursos, flexibilidade e geração de valor para o futuro.