Soluções de formação na produção de semicondutores

Tudo começa com lingotes de silício de alta pureza, normalmente produzidos numa fábrica especializada por meio de um processo chamado método Czochralski e vendidos a fundições e fábricas de semicondutores.

Durante a produção de wafers, os lingotes de silício são cortados em wafers finos e circulares. Estes wafers são então polidos para criar superfícies lisas. As máquinas chamadas máquinas de corte de wafers são utilizadas para fatiar os lingotes, enquanto as máquinas de lixamento e polimento são utilizadas para alisar os wafers.

Uma fina camada de dióxido de silício é formada na superfície dos wafers de silício. Esta camada atua como isolamento e ajuda nas etapas posteriores do processo de produção. Isto é realizado com fornos especiais chamados fornos de oxidação.

Esta etapa define a disposição do circuito no wafer. Um material sensível à luz chamado fotorresiste é aplicado no wafer, sendo depois projetado um padrão sobre ele com uma máquina especial chamada stepper de fotolitografia. Esta máquina funciona como um projetor, mas com um controlo muito preciso. Sistemas de alinhamento de máscaras são utilizados para garantir precisão e consistência.

Ao decapar seletivamente, o material é removido da superfície do wafer com base no fotorresiste padronizado. Esta etapa define as características do dispositivo semicondutor. Existem diferentes tipos de máquinas de decapagem: decapadoras húmidas que utilizam soluções químicas ou decapadoras secas que utilizam gases ou plasma.

Os processos de fotolitografia e decapagem são repetidos em cada uma das camadas do wafer.

A Deposition adiciona camadas finas de materiais à superfície do wafer para construir os circuitos e estabelecer as características desejadas. Os sistemas de Chemical Vapor Deposition (CVD) introduzem gases precursores numa câmara de reação, onde reagem para criar uma película fina. Os sistemas de Physical Vapor Deposition (PVD) utilizam métodos físicos (como a evaporação ou a pulverização catódica) para depositar material na superfície do wafer.

Na etapa de dopagem, são introduzidas impurezas no material semicondutor para modificar as suas propriedades elétricas. A implantação iónica é um método de dopagem comum. Os implantadores iónicos aceleram os iões contra a superfície do wafer para implantar dopantes a profundidades específicas. Os fornos de difusão aquecem o wafer na presença de gases dopantes para difundir os dopantes no material semicondutor.

Também chamada metalização, esta etapa envolve a adição de camadas de metal ao wafer para conectar os diferentes componentes do circuito e criar um percurso para a corrente fluir. Isto é realizado com sistemas de Deposition, semelhantes aos que são utilizados na Deposition. Assim que o metal é depositado, este é padronizado por meio de fotolitografia para criar os fios.

Componentes eletrónicos como condensadores, transístores, resistências e díodos podem ser integrados em dispositivos semicondutores durante o processo de produção ao longo de várias etapas, em função do tipo de dispositivo semicondutor a ser produzido.

Os dispositivos de semicondutores são separados, encapsulados e testados para garantir a respetiva funcionalidade e fiabilidade. Os die bonders fixam chips individuais aos substratos de encapsulamento, os wire bonders ligam os chips aos terminais de encapsulamento, os equipamentos de encapsulamento selam os chips em materiais de proteção, e os sistemas de teste executam os testes elétricos para verificar o desempenho dos dispositivos. As máquinas de Electric Die Sorting (EDS) são utilizadas para testar as propriedades elétricas de cada chip e classificá-los com base no desempenho.

Um programa de integração para novos colaboradores na indústria da produção de semicondutores deve abranger temas essenciais, proporcionando uma compreensão abrangente dos princípios básicos e dos processos de produção dos semicondutores.

Uma introdução à física dos semicondutores, incluindo conceitos como a teoria de bandas, a dopagem e a mobilidade dos transportadores, como também uma visão geral da cadeia de valor da indústria dos semicondutores, estabelece a base. Em seguida, uma visão geral dos materiais semicondutores, estruturas do dispositivo e propriedades do dispositivo ajuda os novos colaboradores a compreender os princípios básicos.

Na continuação, uma exploração dos processos de produção de semicondutores, incluindo fotolitografia, decapagem, deposition e encapsulamento, proporciona uma visão das complexidades da produção. Introdução ao funcionamento e à manutenção do equipamento de produção, bem como de ferramentas de metrologia, para se familiarizar com as ferramentas essenciais da área.

O protocolo de sala limpa e as normas de segurança são fundamentais para assegurar o controlo da contaminação e a segurança do posto de trabalho. Os princípios de controlo de qualidade e as técnicas de análise de dados completam o programa, destacando a importância da qualidade dos produtos e da otimização dos processos.

Ao centrar-se nestes temas principais, os novos colaboradores adquirem conhecimentos sólidos sobre a produção de semicondutores e preparam-se para ter sucesso na indústria.

A produção de semicondutores caracteriza-se pela digitalização, visto ser a base das tecnologias da Indústria 4.0, como a Internet Industrial das Coisas (IIoT), os sistemas ciberfísicos, a produção de aditivos, a realidade aumentada (AR), a realidade virtual (VR), a inteligência artificial (IA), a análise de Big Data, e outras inovações avançadas. Neste contexto, a digitalização das tecnologias de automação industrial otimiza os processos de produção e aumenta a eficiência operacional

A mecatrónica, um domínio multidisciplinar que combina engenharia mecânica, elétrica e informática, é fundamental para a compreensão e a manutenção de máquinas complexas e de sistemas robóticos utilizados na produção de semicondutores. Além disso, uma vez que as instalações de produção avançam rumo a linhas de produção interligadas, os operadores precisam de competências em tecnologias de rede para assegurar uma comunicação e coordenação perfeitas entre o equipamento e os sistemas. As plataformas MES desempenham um papel crucial na otimização dos processos de produção, na programação e na alocação de recursos, exigindo que os operadores sejam especialistas na sua operação e utilização.

Por outro lado, com um foco cada vez maior na  eficiência energética, os empregados devem ter conhecimento dos princípios de gestão energética, especialmente em domínios como os sistemas elétricos e a utilização de ar comprimido, para minimizar o consumo energético e reduzir o impacto ambiental das instalações de produção de semicondutores.

Os robôs, tanto industriais como móveis, tornaram-se componentes essenciais no ambiente industrial moderno.

Os robôs industriais manuseiam os wafers de silício ao longo do processo de produção. São utilizados em operações de montagem e encapsulamento de semicondutores para escolher e colocar componentes com alta precisão. Os robôs industriais ajudam nos processos de decapagem e deposition ao posicionar com precisão os substratos e as máscaras nas câmaras de processamento. Podem ser encontrados na metrologia e na inspeção, e até mesmo na manutenção de salas limpas. Dependendo da tarefa, são utilizados vários robôs, como os articulados, cartesianos, colaborativos (cobots), entre outros.

Os  robôs móveis autónomos ou semiautónomos são também utilizados para o manuseamento de materiais (transporte de materiais, componentes ou produtos acabados entre diferentes áreas da unidade de produção), gestão de inventários (acompanhamento e localização de wafers de semicondutores, componentes ou ferramentas) e tarefas de inspeção.

Os PLCs são amplamente utilizados em sistemas de produção de semicondutores para controlar e coordenar vários processos. A proficiência em PLC é essencial para profissionais da automação industrial, da produção e do controlo de processos, possibilitando-lhes programar, operar e efetuar a manutenção de maneira eficiente dos PLCs, para otimizar os processos de produção e assegurar o funcionamento sem problemas das máquinas industriais.

A compreensão dos componentes do hardware de um PLC é fundamental para a seleção, instalação, configuração e resolução de problemas de sistemas PLC. A proficiência em linguagens de programação de PLC é crucial para o desenvolvimento, os testes e a depuração de programas PLC com software de programação profissional. Além disso, é essencial a integração de funcionalidades de segurança nos programas PLC, como circuitos de paragens de emergência, travas e relés de segurança.

Uma vez que os PLCs são frequentemente integrados numa rede industrial, os técnicos também devem saber como os PLCs se interligam com diversos equipamentos e sistemas de produção nas fábricas de semicondutores. Isto inclui a compreensão das tecnologias de sensores, tipos de atuadores, protocolos de comunicação e mecanismos de intercâmbio de dados utilizados para integrar PLCs com equipamentos como robôs, câmaras de vácuo, sistemas de distribuição de químicos e ferramentas de metrologia. A configuração de interfaces de comunicação PLC, a configuração de ligações de rede e a resolução de problemas de comunicação requerem uma profunda compreensão dos protocolos de comunicação industrial.

Além disso, os funcionários devem poder recolher, processar e analisar dados gerados pelos PLCs para monitorizar o desempenho do processo, identificar desvios e otimizar os processos de produção.

Os sistemas elétricos desempenham um papel crucial no fornecimento de energia, no controlo e na monitorização do equipamento de produção de semicondutores e processos correspondentes.

Todos os técnicos precisam de ter uma compreensão sólida dos princípios básicos da engenharia elétrica e eletrónica, como princípios elétricos, incluindo a tensão, a corrente, a resistência, a potência e os circuitos. É fundamental a formação em práticas de segurança elétrica, incluindo procedimentos de lockout/tagout, o uso adequado de equipamento de proteção pessoal (PPE) e cuidados no trabalho com equipamento de alta tensão.

Os motores elétricos são amplamente utilizados em máquinas e sistemas na produção de semicondutores, visto serem eficientes, precisos e seguros. A sua capacidade de apresentar um desempenho consistente, aliada a requisitos de baixa manutenção, torna os motores elétricos a escolha de preferência para alimentar dispositivos críticos, como braços robóticos, sistemas de transporte, bombas de vácuo e sistemas de manuseamento de wafers em unidades de produção de semicondutores.

Os controladores de motores elétricos oferecem eficiência, precisão, confiança e segurança aos processos de produção. A sua velocidade, binário, direção e posição podem ser regulados por meio de tecnologias básicas, como relés, motores de passo e reguladores de servo acionamento, atuadores de frequência variável, PLCs., etc.

As competências em eletrónica são indispensáveis para a equipa de produção de semicondutores, visto permitirem compreender os princípios subjacentes à tecnologia de semicondutores, otimizar os processos de produção, operar equipamentos sofisticados e resolver problemas e efetuar reparações, mesmo em placas de circuitos. A competência em teoria de circuitos, eletrónica de potência, eletrónica analógica e eletrónica digital é particularmente relevante na produção de semicondutores, onde são utilizados componentes e sistemas eletrónicos complexos no equipamento de produção.

Os componentes pneumáticos e eletropneumáticos são normalmente utilizados no equipamento de produção de semicondutores para vários fins, entre eles o acionamento, o controlo e o manuseamento. A tecnologia de vácuo assegura o alinhamento e a estabilidade dos wafers durante a fotolitografia e a decapagem. As bombas e válvulas pneumáticas asseguram o fornecimento de gases e químicos de forma precisa e consistente.

Dada a necessidade de alta precisão, automação complexa e otimização baseada em dados na produção de semicondutores, a pneumática digital - componentes pneumáticos equipados com tecnologia de controlo digital - oferece funcionalidades melhoradas, controlo preciso e capacidades de comunicação.

Estas tecnologias permitem soluções económicas de alto desempenho com tempos de resposta rápidos, facilidade na instalação e na manutenção, limpeza e adaptabilidade. Além disso, os sistemas pneumáticos não produzem faíscas e são intrinsecamente seguros, tornando-os adequados para a aplicação em ambientes perigosos normalmente encontrados em unidades de produção de semicondutores.

Os sensores desempenham um papel crítico na monitorização, controlo e otimização de vários processos, equipamentos e ambientes para garantir a produção de semicondutores de alta qualidade. Os sensores monitorizam a temperatura, a pressão, o fluxo, o nível, as propriedades óticas, a vibração, a posição, entre outros, proporcionando feedback em tempo real sobre as condições do processo. Isto permite que os operadores mantenham os parâmetros ideais e detetem prontamente os desvios que possam afetar a qualidade do produto.

Nos últimos anos, os sensores inteligentes e respetiva integração perfeita nos sistemas de comando industrial elevaram a automação a novos níveis, oferecendo maior eficiência, maior precisão e confiança.

Embora as fábricas de semicondutores sejam ambientes de alta tecnologia altamente automatizados, são necessárias competências básicas para operar máquinas e sistemas:

As bombas e os sistemas de tubagem são componentes integrais das unidades de produção de semicondutores. Eles facilitam vários processos e operações, como o fornecimento de químicos e gases, refrigeração, geração de vácuo e gestão de resíduos.

Os sistemas de transmissão mecânica dependem de componentes (por ex. correias, cadeias, engrenagens) que transmitem potência e movimento dos motores para as peças móveis dentro das máquinas de processamento de semicondutores.

A fiação elétrica industrial desempenha um papel fundamental no fornecimento de energia e conectividade a várias máquinas e sistemas para que possam operar de forma fiável e eficiente.

A metrologia dimensional básica e a utilização correta de ferramentas manuais comuns são essenciais para tarefas de manutenção e reparação em equipamentos e máquinas de produção.

Na produção de semicondutores, o aquecimento, a ventilação, o ar condicionado (AVAC) e os sistemas de refrigeração são essenciais para manter as condições ambientais precisas necessárias para uma produção de alta qualidade. Estes sistemas controlam a temperatura, a humidade e a qualidade do ar, essenciais para o processo de produção.

Os técnicos devem ser especialistas na utilização de ferramentas de monitorização para acompanhar estas métricas ambientais. A sua aptidão técnica deve incluir a compreensão dos sistemas de comando AVAC e como estes sistemas se integram com outros sistemas e processos de instalações. Também devem compreender conceitos de refrigeração básicos, tais como os princípios básicos da termodinâmica e o ciclo de refrigeração.

A produção de semicondutores exige uma diversidade de instrumentos de processo e de controlo para garantir a precisão do controlo, monitorização e otimização das variáveis do processo, como fluxo, nível, pressão, temperatura, pH e condutividade. Exemplos comuns incluem medidores de fluxo, sensores de pH e controladores de pressão. Os transmissores, válvulas e outros dispositivos de campo também são componentes fundamentais nestes circuitos de processo.

Os sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) e DCS (Distributed Control Systems) são exemplos de sistemas de comando automatizados que ajustam parâmetros de processo com base em feedback dos sensores para manter as condições pretendidas e assegurar a qualidade consistente dos semicondutores. Estes sistemas regulam os caudais dos gases, as dosagens dos químicos e as configurações dos equipamentos com alta precisão e repetibilidade. Os sistemas SCADA normalmente monitorizam e visualizam os dados do processo em tempo real, enquanto os sistemas DCS oferecem controlo centralizado e a coordenação do equipamento e operações do processo.

A produção de semicondutores depende fortemente de água ultrapura com um nível de contaminantes mínimo. Os sistemas de água ultrapura (UPW) utilizam métodos de purificação avançados, como a osmose inversa, a desionização e a filtragem, para cumprir normas de qualidade rigorosas. Esta água purificada é crucial para vários processos de produção, incluindo a limpeza de wafers, a preparação de misturas químicas e o enxaguamento. A manutenção da qualidade e da quantidade da água de processo é fundamental para procedimentos de produção consistentes e fiáveis.

Além disso, a água também é um refrigerante essencial, protegendo o equipamento contra o sobreaquecimento e assegurando a otimização do desempenho. Dado que a produção de semicondutores gera águas residuais contendo diversos químicos e contaminantes, é essencial efetuar processos de tratamento eficazes antes de a água ser descarregada, reciclada ou reutilizada. Isto minimiza o consumo de água e o impacto ambiental, e garante que as práticas de produção são sustentáveis.

A excelência operacional e a qualidade do produto são pilares críticos da produção de semicondutores, necessitando de uma compreensão profunda de vários princípios para garantir a eficiência, a segurança e a excelência do produto.

Ao compreenderem os conceitos de Lean Production, incluindo a redução de resíduos, a melhoria contínua e o mapeamento de fluxos de valor, os empregados conseguem otimizar os processos e eliminar as ineficiências ao longo de toda a produção de semicondutores.

A proficiência em técnicas de Statistical Process Control (SPC, em português, controlo estatístico de processo) ajuda os operadores a monitorizar e gerir os processos de produção, mantendo a consistência e identificando rapidamente desvios que comprometam a qualidade do produto.

O conhecimento dos princípios da Total Productive Maintenance (TPM, em português, manutenção produtiva total) é indispensável para garantir a fiabilidade do equipamento, minimizar o tempo de inatividade e maximizar a eficácia global do equipamento (OEE) nas unidades de produção de semicondutores.

Além disso, a experiência noutros temas, como Poka Yoke, 5S organização de estações de trabalho, análise de fluxo de valor e mapeamento e métodos Six Sigma, enriquece ainda mais as competências dos empregados e melhora as operações de produção.

A disponibilização de equipamentos que reproduzem o ambiente encontrado nas fábricas de semicondutores assegura que os alunos podem familiarizar-se com as máquinas e a tecnologia standard da indústria.

A oferta de exercícios práticos, experiências e projetos que simulam cenários de produção reais possibilita que os alunos ganhem uma valiosa experiência prática.

A utilização de cursos multimédia, ferramentas de simulação, laboratórios virtuais e aplicações de realidade aumentada melhora a experiência de aprendizagem, atende a diferentes estilos de aprendizagem e facilita a compreensão de conceitos complexos.

A adaptação da formação aos alunos de diferentes backgrounds e com diferentes aspirações profissionais garante que cada profissional recebe formação personalizada adequada às suas necessidades e objetivos.

O acompanhamento do progresso dos alunos, a identificação de áreas de melhoria e o fornecimento de orientação e suporte ao longo de todo o programa de formação garantem que os alunos desenvolvam continuamente as suas competências.

A concentração no desenvolvimento de Soft Skills, como a comunicação, o trabalho em equipa e a adaptabilidade, é essencial para o sucesso no ambiente colaborativo e acelerado da produção de semicondutores.