Chapitre 83 - L'industrie de la microélectronique et des semi-conducteurs

Figure 83.1 Evolution dans le temps du nombre de transistors par circuit intégré
(de 1970 à 2000)

Figure 83.2 Prévisions des ventes mondiales de semi-conducteurs de 1993 à 1998

Les secteurs des circuits intégrés à semi-conducteurs et de l’assemblage d’ordinateurs et de matériel électronique se distinguent de la plupart des autres branches d’activité par la composition relative de leur main-d’œuvre. Celui de la fabrication des semi-conducteurs compte un fort pourcentage d’opérateurs féminins aux commandes des machines de production. Les tâches confiées à cette catégorie de personnel n’impliquent généralement ni le maniement de lourdes charges, ni la nécessité d’un effort physique particulier. Par contre, bon nombre de ces tâches demandent des qualités motrices fines et une attention minutieuse. En ce qui concerne les travailleurs masculins, ils prédominent dans les travaux de maintenance, les fonctions techniques et la gestion. On rencontre une répartition similaire dans le secteur de l’assemblage du matériel informatique/électronique. Un autre trait inhabituel de cette partie de l’industrie est la concentration de la fabrication dans la zone géographique Asie-Pacifique. C’est notamment le cas des opérations d’assemblage final de la production des semi-conducteurs. Ces opérations consistent à positionner et à poser la puce du circuit intégré (techniquement appelée dé) sur un boîtier et un cadre de branchement. Cette étape exige un positionnement précis de la puce, généralement observé à travers un microscope et, partant, une très grande habileté manuelle. Là encore, la main-d’œuvre féminine prédomine. La plupart de la production mondiale se concentre dans les pays de la bordure du Pacifique, avec de fortes densités à Taiwan (Chine), en Malaisie, en Thaïlande, en Indonésie et aux Philippines, et une montée en puissance en Chine et au Viet Nam.

Figure 83.3 Opérateurs au travail dans une salle blanche moderne de fabrication
de semi-conducteurs

Tableau 83.1 Modes d’exposition et types d’agents photosensibles

BP = base polymère; S = solvant; R = révélateur; ND = données non disponibles.

Figure 83.4 Matériel lithographique d'une salle jaune moderne

Les agents photosensibles UV négatifs et positifs sont les plus employés dans l’industrie. Cependant, la part de marché des agents pour faisceau d’électrons et rayons X est en augmentation en raison de leur résolution supérieure. Les risques pour la santé que présente la photolithographie proviennent principalement de dangers potentiels pour la fonction de reproduction associés à certains types d’agents positifs (par exemple, avec l’acétate d’éthylèneglycol monoéthyléther comme base) qui sont actuellement en cours d’abandon dans l’industrie. Des odeurs occasionnellement émises par des agents négatifs (xylène, par exemple) sont également une cause de plaintes de la part du personnel. Compte tenu de ces préoccupations, les hygiénistes du travail du secteur des semi-conducteurs consacrent beaucoup de temps aux prélèvements effectués aux différents stades des opérations de photoexposition. Bien que ces travaux apportent des informations utiles sur ces opérations, il convient de noter que les expositions régulières lors de la centrifugation et du développement restent en général inférieures à 5% de la norme d’exposition professionnelle aux solvants en suspension dans l’air pour les types de solvants concernés (Scarpace et coll., 1989).

Une exposition d’une heure à l’acétate d’éthylèneglycol monoéthyléther à 6,3 ppm a été relevée au cours de l’utilisation d’une centrifugeuse. Cette exposition était principalement due à de mauvaises pratiques de travail lors des interventions de maintenance (Baldwin, Rubin et Horowitz, 1993).

Le séchage et le pré-étuvage

Après application de la résine photosensible, les plaquettes sont transférées, sur bande transporteuse ou manuellement, de la centrifugeuse à une étuve à température contrôlée sous atmosphère d’azote. Un chauffage à température modérée (70 à 90 °C) provoque le durcissement de la résine (étuvage doux) et l’évaporation des solvants résiduels.

Pour assurer une bonne adhérence de la couche de résine sur la plaquette, un apprêt, l’hexaméthyldisilizane (HMDS), est appliqué sur cette dernière. Cet apprêt fixe l’eau moléculaire à la surface de la plaquette. Le HMDS est appliqué soit directement par trempé ou centrifugation, soit en phase vapeur, procédé qui présente sur les autres méthodes des avantages en matière de traitement et de coût.

L’alignement du masque et l’exposition

Le masque et la plaquette sont rapprochés l’un de l’autre grâce à un matériel optique et mécanique de précision, et l’image portée par le masque est alignée par rapport aux impressions pouvant déjà se trouver sur la plaquette sous la couche de résine. Pour le premier masque, aucun alignement n’est nécessaire. Dans les technologies anciennes, l’alignement des couches successives est effectué à l’aide d’un microscope binoculaire et de commandes de précision pour le positionnement de la plaquette par rapport au masque. Dans les techniques les plus récentes, l’alignement se fait automatiquement grâce à des points de référence portés par les plaquettes.

L’alignement effectué, on projette à travers le masque une lumière ultraviolette de forte intensité, fournie par une lampe à vapeur de mercure ou à arc, et à laquelle sont exposées les zones de la couche photosensible non protégées par les régions opaques du masque.

Les différentes méthodes d’alignement et d’exposition sont l’exposition en lumière UV directe (au contact ou à proximité), l’exposition UV à travers un objectif de projection pour obtenir une réduction (projection), l’exposition avec photoréduction (projection), l’exposition directe aux rayons X (proximité) et le balayage par faisceau d’électrons (écriture directe). Le procédé le plus employé est l’exposition aux UV émis par des lampes à vapeur de mercure ou à arc, à travers des aligneurs de proximité ou à projection. Les résines photosensibles UV sont conçues pour réagir soit à un large spectre de longueurs d’onde UV, soit de façon préférentielle à une ou plusieurs des lignes principales du spectre émis par la lampe (par exemple, ligne g à 435 nm, ligne h à 405 nm et ligne i à 365 nm).

Les longueurs d’onde UV les plus utilisées actuellement pour le photomasquage sont de 365 nm et plus, mais les spectres des lampes UV contiennent également une énergie non négligeable dans la région de longueur d’onde dangereuse pour la santé, à savoir la région actinique située au-dessous de 315 nm. Normalement, les fuites de rayonnement UV provenant du matériel sont inférieures à la fois à la teneur actinique de la lumière solaire et aux normes définies pour l’exposition professionnelle aux UV.

Il est occasionnellement nécessaire, lors des travaux de maintenance, d’allumer la lampe UV en dehors du boîtier du matériel ou en l’absence des filtres protecteurs normaux. Dans ce genre d’opération, le niveau d’exposition peut dépasser les valeurs limites d’exposition existantes, mais les équipements de protection individuelle habituellement portés en salle blanche, c’est-à-dire blouses, gants vinyle, masques faciaux et lunettes de sécurité en polycarbonate à filtrage UV, suffisent généralement à ramener le rayonnement UV à des valeurs inférieures à celles en vigueur (Baldwin et Stewart, 1989).

Bien que les longueurs d’onde prédominantes dans la lumière des lampes aux rayons ultraviolets utilisées en photolithographie soient actuellement égales ou supérieures à 365 nm, la recherche de la miniaturisation dans les circuits intégrés évolués conduit à l’emploi de sources d’exposition de longueur d’onde inférieure, comme l’UV lointain et les rayons X. Une des nouvelles technologies employées à cet usage est celle des lasers excimères à fluorure de krypton utilisés dans les photorépéteurs. Ces répéteurs font appel à une longueur d’onde de 248 nm, émise à une puissance élevée. Ces systèmes sont toutefois dotés d’enceintes de confinement du rayonnement pendant l’utilisation normale.

Comme pour les autres matériels contenant des lasers de forte puissance utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs, l’aspect le plus préoccupant concerne la nécessité de neutraliser les sécurités pour l’alignement du faisceau. Les lasers de forte puissance présentent en outre l’un des dangers les plus importants du point de vue électrique dans l’industrie des semi-conducteurs. Même après mise hors tension, il subsiste un risque élevé de choc électrique dans ces appareils. Escher, Weathers et Labonville (1993) traitent des contrôles et principes de sécurité applicables à la conception de ces systèmes.

La lithographie par rayons X est une source d’exposition liée aux technologies les plus modernes. Les niveaux d’émission de ces sources peuvent conduire à des débits de dose avoisinant 50 millisieverts (5 rems) par an au centre de l’équipement. Une restriction de l’accès aux zones situées à l’intérieur du blindage est recommandée pour réduire au minimum l’exposition (Rooney et Leavey, 1989).

Le développement

Tableau 83.2 Décapants de résines photosensibles

La gravure chimique

La gravure chimique élimine les couches de dioxyde de silicium (SiO₂), les métaux et le polysilicium, ainsi que les restes de résine photosensible selon les dessins souhaités. Les deux grandes catégories de méthodes sont les voies chimiques humide et sèche. La plus utilisée, la méthode humide, fait appel à des solutions d’agents d’attaque (habituellement un mélange d’acides), dans les concentrations voulues, qui réagissent avec le matériau à enlever. Le procédé à sec met en œuvre, dans une chambre sous vide et sous tension élevée, des gaz réactifs qui éliminent, eux aussi, les couches non protégées par la résine.

La gravure chimique humide

Tableau 83.3 Agents de gravure humide

Les hottes d’arrivée d’air verticales, lorsqu’elles fonctionnent conjointement avec des écrans antiéclaboussures et un système d’aspiration, peuvent donner naissance à des zones de turbulence aéraulique dans le poste de gravure chimique. Ces effets peuvent réduire la capacité qu’a le système de ventilation à aspiration localisée de recueillir et d’évacuer les contaminants fugitivement émis par les bains en cours d’utilisation.

Le principal danger présenté par l’attaque par voie humide est le risque d’un contact cutané avec les acides concentrés. Quoique tous les acides utilisés pour l’attaque soient susceptibles de provoquer des brûlures, le plus dangereux d’entre eux est l’acide fluorhydrique. Le délai qui s’écoule entre le moment du contact cutané et la perception de la douleur (jusqu’à 24 heures pour les concentrations inférieures à 20%, et de 1 à 8 heures pour les concentrations comprises entre 20 et 50%) peut être la cause d’un traitement tardif et de lésions plus graves qu’elles n’auraient dû l’être (Hathaway et coll., 1991).

Historiquement, les brûlures par acide représentent un problème particulièrement aigu dans cette industrie. Le nombre de cas a pourtant baissé ces dernières années. Cette diminution est en partie due à des améliorations apportées aux méthodes d’attaque, par exemple par l’adoption du procédé de gravure à sec, une robotisation plus poussée et l’installation de systèmes de distribution mécanique des produits chimiques. On peut également attribuer cette réduction à une amélioration des méthodes de manipulation, à une généralisation du port des équipements de protection individuelle, à l’amélioration de la conception des enceintes de gravure et à une meilleure formation, aspects auxquels il faudra continuer de porter attention si l’on veut voir diminuer encore le nombre d’accidents (Baldwin et Williams, 1996).

La gravure chimique à sec

La gravure chimique à sec fait l’objet d’un intérêt croissant et d’une utilisation de plus en plus large en raison des possibilités qu’elle offre de mieux maîtriser le processus et de réduire les niveaux de contamination. Ce procédé enlève efficacement les couches visées par l’action de gaz réactifs ou par un bombardement physique.

Des systèmes de gravure efficaces par plasma chimiquement réactif ont été mis au point pour le silicium, le dioxyde de silicium, le nitrure de silicium, l’aluminium, le tantale et ses composés, le tungstène, l’or et le verre. Deux systèmes de réacteurs à plasma sont utilisés, le système cylindrique et le système à plaques parallèles. Tous deux fonctionnent selon le même principe et ne diffèrent en réalité que par la configuration.

Tableau 83.4 Gaz de gravaure au plasma en fonction du matériau à graver

Une autre méthode est celle du bain à micro-ondes, dans lequel une décharge de micro-ondes à haute intensité produit des atomes métastables à longue durée de vie qui attaquent les matériaux presque à la manière d’un acide.

Les procédés physiques sont comparables à un sablage: ils consistent à bombarder physiquement la couche à éliminer avec des atomes d’argon. Un système de pompe à vide évacue le matériau détaché. La gravure aux ions réactifs est une combinaison de procédés d’attaque chimiques et physiques.

La pulvérisation cathodique agit par impact ionique et transfert d’énergie. Dans un système à pulvérisation, la plaquette est reliée à l’électrode négative, appelée cible, d’un circuit à décharge luminescente. Le matériau est chassé de la plaquette par l’impact d’ions positifs, généralement d’argon, qui provoquent la dislocation des atomes de surface. L’énergie est fournie par une source d’ondes RF, d’une fréquence de 450 kHz. Un système de pompe à vide maintient le système en dépression et extrait les réactifs.

La gravure et l’usinage par faisceau ionique sont des procédés d’attaque doux employant un faisceau d’ions à faible énergie. Le système comprend une source qui produit le faisceau, une chambre de travail dans laquelle l’attaque ou l’usinage se déroulent, un montage à plaque cible pour maintenir la plaquette dans le faisceau d’ions, un système de pompe à vide ainsi que l’électronique et les instruments de contrôle associés. Le faisceau d’ions est extrait d’un gaz ionisé (argon ou argon/oxygène), ou plasma, créé par une décharge électrique. Cette décharge est obtenue par application d’une tension entre une cathode à filament chaud émettrice d’électrons et un cylindre anode situé sur le diamètre extérieur de la zone de décharge.

L’usinage par faisceau d’ions s’effectue dans la plage de faible énergie du bombardement ionique, dans laquelle seules des interactions de surface se produisent. Les ions, qui se situent généralement dans la plage de 500 à 1 000 électronvolts (eV), viennent frapper une cible dont ils chassent les atomes de surface en brisant les forces qui les lient à leurs voisins. La gravure par faisceau d’ions s’effectue dans une plage d’énergie légèrement supérieure, avec une dislocation plus vigoureuse des atomes de surface.

La gravure par ions réactifs est une combinaison de la pulvérisation physique et de l’attaque par agents chimiques à faible pression. Cette technique met en œuvre à la fois un bombardement ionique pour obtenir une attaque directionnelle et un gaz chimiquement réactif, le tétrafluorure de carbone (CF₄) ou le tétrachlorure de carbone (CCl₄), pour maintenir une bonne sélectivité des couches éliminées. On place une plaquette dans une chambre dont l’atmosphère est un gaz réactif à une pression faible d’environ 0,1 torr (1,3 × 10^–4 atmosphères). Une décharge électrique crée un plasma de «radicaux libres» réactifs (ions) dotés d’une énergie de quelques centaines d’électronvolts. Les ions frappent perpendiculairement la surface de la plaquette, où ils réagissent en formant des produits volatils qui sont évacués par un système d’aspiration basse pression.

Les graveuses à sec comportent parfois un cycle de nettoyage pour évacuer les dépôts accumulés à l’intérieur des chambres de réaction. Parmi les composés utilisés pour produire le plasma du cycle de nettoyage figurent le trifluorure d’azote (NF₃), l’hexafluoroéthane (C₂F₆) et l’octafluoropropane (C₃F₈).

Ces trois gaz employés dans l’opération de nettoyage, ainsi que beaucoup d’autres utilisés dans le procédé d’attaque, sont la cause d’un problème environnemental que doit résoudre l’industrie des semi-conducteurs, jeune industrie apparue au milieu des années quatre-vingt-dix. Ces gaz à forte teneur en fluor, appelés composés perfluorés (CPF), sont soupçonnés de favoriser le réchauffement de la planète par effet de serre. Compte tenu de la durée de vie dans l’atmosphère, des CPF comme les NF₃, C₂F₆, C₃F₈, CF₄, le trifluorométhane (CHF₃) et l’hexafluorure de soufre (SF₆), de leur contribution à l’effet de serre ainsi que de l’augmentation rapide de leur consommation, l’industrie des semi-conducteurs a dû étudier les possibilités de réduire leurs émissions.

Il est apparu que les émissions atmosphériques de CPF provenant de l’industrie des semi-conducteurs résultaient d’un mauvais rendement des appareils (dont certains ne consommaient effectivement que de 10 à 40% du gaz utilisé) et de l’insuffisance des systèmes de limitation des rejets dans l’air. Les épurateurs par voie humide, en effet, n’éliminent pas efficacement les CPF, et les essais effectués sur de nombreuses unités d’incinération ont révélé une faible efficacité d’élimination pour certains gaz, notamment le CF₄. Dans beaucoup de cas, ces installations d’incinération décomposaient en fait le C₂F₆ et le C₃F₈ en CF₄. En outre, le coût d’investissement élevé de ces équipements, leur forte consommation énergétique, le fait qu’ils laissent passer aussi d’autres gaz à effet de serre et qu’ils émettent de dangereux polluants comme sous-produits de combustion ont conduit à conclure que l’incinération n’est pas une méthode satisfaisante de réduction des émissions de CPF.

C’est pourquoi l’augmentation du rendement des équipements de production, la recherche et la mise au point de solutions de remplacement plus écologiques à ces gaz d’attaque à sec ainsi que la récupération et le recyclage des gaz usagés sont devenus les grands axes de travail dans la stratégie de lutte contre la pollution dans le domaine des gaz d’attaque à sec.

En matière de santé au travail, le principal problème que soulèvent les agents d’attaque à sec est le risque d’exposition pour le personnel de maintenance intervenant sur les chambres de réaction, les pompes et les autres équipements pouvant contenir des résidus de produits de réaction. La complexité des machines à graver les métaux par plasma et la difficulté à décrire les odeurs rencontrées lors de leur maintenance ont obligé à effectuer de nombreuses études visant à améliorer la sécurité du personnel.

Les produits de réaction formés dans ces appareils sont un mélange complexe de composés chlorés et fluorés. La maintenance des appareils implique souvent des opérations de courte durée au cours desquelles on perçoit de fortes odeurs. On a constaté que l’hexachloroéthane était la cause majeure des émanations dans un certain type de machines à graver l’aluminium (Helb et coll., 1983). Dans un autre, le chlorure de cyanogène était le problème principal: les niveaux d’exposition atteignaient onze fois la limite d’exposition professionnelle de 0,3 ppm (Baldwin, 1985). Dans d’autres types encore, c’est le chlorure d’hydrogène qui est associé aux émanations. L’exposition maximale mesurée lors d’une étude (Baldwin, Rubin et Horowitz, 1993) était de 68 ppm. On trouvera des informations complémentaires sur ce sujet dans Mueller et Kunesh (1989).

Compte tenu de la complexité des composés chimiques présents à la sortie des machines à graver les métaux, les chercheurs se sont efforcés de mettre au point des méthodes expérimentales destinées à déterminer la toxicité de ces mélanges (Bauer et coll., 1992b). Les résultats d’études effectuées sur des rongeurs semblent indiquer que ces mélanges chimiques pourraient être des agents mutagènes (Bauer et coll., 1992a) et des toxiques pour la reproduction (Schmidt et coll., 1995).

Etant donné que les machines à graver fonctionnent en systèmes fermés, les opérateurs ne sont généralement pas susceptibles d’être exposés aux produits chimiques en cours d’utilisation. Une rare exception à ce principe est le cas des anciens modèles, dont le cycle de purge n’est pas assez long pour permettre d’évacuer intégralement les gaz d’attaque. Ainsi, on a relevé au moment de l’ouverture des portes des expositions brèves, mais irritantes, à des composés fluorés présents à des concentrations inférieures à la limite de détection permise par les procédures normales des contrôles d’ambiance dans ce secteur. Il suffit en principe pour corriger ce phénomène d’augmenter la durée du cycle de purge qui précède l’ouverture de l’appareil.

La principale préoccupation en matière d’exposition des opérateurs à l’énergie des ondes RF concerne la gravure et la calcination au plasma (Cohen, 1986; Jones, 1988). En général, les fuites d’énergie RF peuvent avoir pour origine les points ci-après:

• des défauts d’alignement des portes;
• des fentes et des trous dans les parois des armoires;
• des tables métalliques et des câbles électriques agissant comme antennes en raison d’une mauvaise mise à la terre de la machine à graver;
• une absence d’écran d’atténuation sur le hublot d’observation de la graveuse (Jones, 1988; Horowitz, 1992).

Une exposition aux RF peut également se produire à l’occasion de la maintenance des appareils, en particulier lorsque l’enceinte est déposée. On a mesuré une valeur de 12,9 mW/cm² au sommet d’un ancien modèle d’appareil au plasma dont le capot avait été déposé pour maintenance (Horowitz, 1992). Par contre, le niveau réel des fuites relevé à l’endroit où se tient l’opérateur était en général inférieur à 4,9 mW/cm².

Le dopage

Tableau 83.5 Dopants pour création de jonctions par diffusion et implantation
ionique

Les expositions régulières aux produits chimiques subies aussi bien par les opérateurs des fours que par ceux des équipements d’implantation ionique sont faibles, en général inférieures aux limites des normes de prélèvement des procédures normales de contrôle d’hygiène. Les préoccupations en matière de santé concernent surtout les risques d’émissions de gaz toxiques.

Dès les années soixante-dix, les fabricants de semi-conducteurs soucieux de progrès ont commencé à installer les premiers systèmes de contrôle continu des gaz inflammables et toxiques. Le principal but de cette surveillance était de détecter les émissions accidentelles des gaz dopants les plus toxiques (arsine et diborane, par exemple) à des seuils olfactifs dépassant les limites d’exposition professionnelle.

La plupart des dispositifs de surveillance de l’air sont destinés, dans l’industrie des semi-conducteurs, à détecter les fuites de gaz inflammables et toxiques. Toutefois, on trouve dans certaines usines des appareils servant à:

• analyser les émissions des gaines ou cheminées d’évacuation;
• quantifier les concentrations de produits volatils dans l’air ambiant;
• identifier et quantifier les émanations dans les zones de fabrication.

Les technologies les plus employées dans l’industrie des semi-conducteurs pour ce type de surveillance sont la détection colorimétrique des gaz (par exemple, détecteur de gaz permanent MDA), les capteurs électrochimiques (par exemple, détecteurs sensidyne) et les systèmes infrarouges par transformée de Fourier (par exemple, Telos ACM) (Baldwin et Williams, 1996).

La diffusion

Le terme diffusion désigne le déplacement des dopants depuis les régions de forte concentration situées du côté source du four de diffusion vers celles de faible concentration qui se trouvent dans la plaquette de silicium. La diffusion est la méthode la plus répandue de formation des jonctions.

Tableau 83.6 Principales catégories d'épataxie en phase vapeur du silicium

Le dépôt chimique non épitaxial en phase vapeur

Alors que la formation épitaxiale est une forme très particulière de CVD dans laquelle la couche déposée a la même structure cristalline que le substrat, le CVD non épitaxial est la formation d’un composé stable sur un substrat chauffé par la réaction ou la décomposition thermiques de produits gazeux.

Le dépôt chimique en phase vapeur peut servir à traiter de nombreux matériaux; dans le traitement des semi-conducteurs au silicium, ceux que l’on rencontre sont, outre le silicium épitaxial:

• le silicium polycrystallin (polySi);
• le dioxyde de silicium (SiO₂ — dopé ou non, verre dopé p);
• le nitrure de silicium (Si₃N₄).

Chacun de ces matériaux peut être déposé de différentes façons et a de nombreuses applications.

Tableau 83.7 Principales catégories de dépôt chimique en phase vapeur du
silicium (CVD)

* Les réactions ne sont pas stœchiométriquement équilibrées. ** Nom générique, commercial ou déposé des systèmes de réactifs de CVD.

Presque tous les types d’équipements de dépôt chimique en phase vapeur comportent les éléments ci-après:

• une chambre de réaction;
• une partie contrôle des gaz;
• un contrôle de durée et de séquence:
• une source thermique pour les substrats;
• un traitement des effluents.

L’opération de dépôt chimique en phase vapeur consiste fondamentalement à introduire dans la chambre de réaction des quantités contrôlées de gaz source de silicium ou de nitrure, associé à un gaz porteur comme l’azote ou l’hydrogène et, le cas échéant, un gaz dopant, pour obtenir la réaction. De la chaleur est fournie pour apporter l’énergie nécessaire à la réaction chimique, ainsi que pour maintenir les températures de surface du réacteur et des plaquettes au niveau voulu. La réaction terminée, le gaz source non consommé et le gaz porteur sont évacués par le système de traitement des effluents et rejetés dans l’atmosphère.

La passivation est un type fonctionnel de CVD. Elle consiste à former une couche protectrice d’oxyde à la surface de la plaquette de silicium. C’est généralement la dernière étape de la fabrication proprement dite, qui précède les opérations ultérieures. La couche déposée assure la stabilité électrique de la plaquette en isolant sa surface des conditions électriques et chimiques extérieures.

La métallisation

Une fois les circuits formés sur le substrat de silicium, ils doivent être reliés les uns aux autres pour assurer les fonctions désirées. On appelle cette opération la métallisation. Elle établit l’interconnexion électrique des couches supérieures des circuits intégrés sous la forme d’impressions complexes de pistes en matériaux conducteurs qui acheminent l’électricité au sein des circuits.

Selon la dimension et l’épaisseur des couches de métaux et d’autres matériaux déposées, le processus de métallisation au sens général se divise en trois catégories:

• une couche mince — épaisseur de couche inférieure ou égale à un micron environ;
• une couche épaisse — épaisseur de couche égale ou supérieure à 10 microns environ;
• un placage — épaisseurs variables, mais généralement couches épaisses.

Les métaux les plus couramment utilisés pour la métallisation des semi-conducteurs au silicium sont l’aluminium, le nickel, le chrome ou un alliage appelé nichrome, l’or, le germanium, le cuivre, l’argent, le titane, le tungstène, le platine et le tantale.

Les couches, minces ou épaisses, peuvent également être réalisées par évaporation ou dépôt sur différents substrats de céramique ou de verre. Parmi ces substrats, citons l’oxyde d’aluminium (96% Al₂0₃), l’oxyde de béryllium (99% BeO), le verre au borosilicate, le pyrocéram et le quartz (SiO₂).

La couche mince

La métallisation en couche mince est souvent appliquée par une technique de déposition ou d’évaporation sous vide poussé ou partiel. Les principaux procédés d’évaporation sous vide poussé sont l’évaporation par faisceau d’électrons, l’évaporation éclair et l’évaporation résistive, tandis que la déposition sous vide partiel est surtout effectuée par pulvérisation cathodique.

Quel que soit le type de métallisation sous vide en couche mince, le système comprend généralement les éléments de base ci-après:

• une chambre de dépôt dans laquelle on crée le vide par pompage;
• une ou plusieurs pompes à vide pour évacuer les gaz ambiants de la chambre;
• des instruments de contrôle du niveau de vide et d’autres paramètres;
• une méthode d’application par dépôt ou évaporation des couches du matériau de métallisation.

L’évaporation par faisceau d’électrons emploie un faisceau d’électrons concentré pour chauffer le matériau de métallisation. Un faisceau d’électrons de forte intensité est produit d’une manière analogue à celle d’un tube cathodique de téléviseur. On accélère un flux d’électrons dans un champ électrique, généralement de 5 à 10 kV, et on le concentre sur le matériau à évaporer. Le faisceau d’électrons concentré fait fondre le matériau contenu dans un bloc refroidi par eau comportant un grand évidement appelé creuset. Ce matériau fondu se vaporise ensuite dans la chambre à vide et se condense sur les plaquettes froides, ainsi que sur toute la surface de la chambre. On effectue ensuite les opérations habituelles de dépôt de résine photosensible, d’exposition, de développement et d’attaque humide ou à sec pour former les circuits métallisés complexes.

L’évaporation éclair est une autre technique de dépôt de couches métallisées minces. Elle est surtout employée lorsqu’il faut faire évaporer simultanément deux matériaux en mélange (alliages). Le nickel-chrome (nichrome), le chrome-monoxyde de silicium et l’aluminium-silicium sont des exemples de matériaux de dépôt à deux composants.

Dans l’évaporation éclair, on chauffe par résistance un barreau de céramique et on met en contact avec le filament chaud ou le barreau un fil se déroulant en continu d’une bobine, un flux de granulés ou une poudre déplacée par vibrations. Les métaux vaporisés viennent alors revêtir les surfaces intérieures de la chambre et les plaquettes.

L’évaporation résistive (également appelée évaporation par filament) est la technique de dépôt la plus simple et la moins coûteuse. Elle est obtenue par une augmentation progressive du courant circulant dans un filament. La chaleur fait fondre d’abord le matériau à vaporiser, qui vient mouiller le filament; on augmente ensuite le courant qui y circule jusqu’à ce que la vaporisation se produise. Le principal avantage de cette méthode est qu’elle permet de vaporiser une grande diversité de matériaux.

Des travaux de maintenance sont parfois effectués sur la surface intérieure des chambres de dépôt des évaporateurs à faisceau d’électrons, appelées cloches. Les techniciens risquent de fortes expositions lorsqu’ils doivent introduire la tête dans les cloches, en particulier pour éliminer les résidus métalliques qui s’y sont déposés. On a par exemple relevé des expositions nettement supérieures aux valeurs limites pour l’argent en suspension dans l’air lors de l’élimination des résidus d’un évaporateur utilisant ce métal (Baldwin et Stewart, 1989).

Le nettoyage des résidus des cloches avec des solvants organiques présente également un risque élevé d’exposition à ces produits. Des expositions au méthanol de plus de 250 ppm ont été constatées lors de ce type de nettoyage. Ce risque disparaît si l’on utilise de l’eau à la place du méthanol (Baldwin et Stewart, 1989).

Le procédé de pulvérisation cathodique , qui se déroule dans une atmosphère gazeuse à basse pression ou sous vide partiel, emploie soit un courant électrique continu (pulvérisation CC), soit un courant alternatif RF comme source de haute énergie. Dans ce procédé, des ions d’un gaz inerte, l’argon, sont introduits dans une chambre à vide après qu’un niveau de vide suffisant a été réalisé par une pompe de prévidage. Un champ électrique est créé par application d’une tension élevée, en général 5 000 V, entre deux plaques de charge opposée. Cette décharge à haute énergie ionise les atomes d’argon, qui se déplacent à haute vitesse vers l’une des plaques appelée cible. En frappant la cible, faite du matériau à déposer, ils en délogent et dispersent les atomes ou les molécules. Les atomes de matériau de métallisation ainsi délogés se déposent ensuite en un film mince sur les substrats de silicium placés en face de la cible.

On a constaté que les fuites RF par les côtés et l’arrière de nombreux appareils de pulvérisation dépassaient les limites d’exposition professionnelle (Baldwin et Stewart, 1989). La plupart de ces fuites étaient imputables à des fentes dans les armoires provoquées par la dépose répétée des panneaux de maintenance. Sur les nouveaux modèles du même fabricant, des panneaux garnis de grillage aux raccordements ramènent les fuites à un niveau négligeable. Il est possible d’ajouter ce grillage sur les anciens appareils, ou bien d’en recouvrir les raccordements avec une bande de cuivre pour réduire les fuites.

La couche épaisse

De par leur structure et leurs dimensions, les couches épaisses, en général, ne sont pas compatibles avec la métallisation des circuits intégrés, surtout en raison de contraintes dimensionnelles. Cette technique est surtout utilisée pour fabriquer les structures électroniques hybrides, comme les affichages à cristaux liquides.

La sérigraphie est la méthode dominante d’application des couches épaisses. Les matériaux généralement employés pour réaliser celles-ci sont le palladium, l’argent, le dioxyde de titane et le verre, l’or-platine et le verre, l’or-verre et l’argent-verre.

Les couches épaisses résistives sont en principe déposées et formées sur un substrat céramique par les techniques sérigraphiques. Le cermet est une forme de couche de ce type, constituée d’une suspension de particules métalliques conductrices dans une matrice céramique chargée d’une résine organique. Les structures cermet typiques sont composées de chrome, d’argent ou d’oxyde de plomb dans une matrice de monoxyde ou de dioxyde de silicium.

Le placage

Les techniques de placage employées pour former des couches métalliques sur des substrats de semi-conducteurs se rangent dans deux types principaux: le dépôt électrolytique et le dépôt chimique (non électrolytique).

Dans le dépôt électrolytique , le substrat à plaquer est placé à la cathode, c’est-à-dire à la borne à charge négative du bac de placage et il est plongé dans une solution électrolytique. Une électrode composée du métal de placage sert d’anode (borne à charge positive). Lorsqu’on fait circuler un courant continu dans cette solution, les ions métalliques chargés positivement, qui se dissolvent dans le bain à partir de l’anode, migrent vers la cathode (substrat) où ils se déposent. Cette méthode est employée pour former des couches conductrices d’or et de cuivre.

Dans le dépôt chimique , on utilise une réduction et une oxydation simultanées du métal de placage pour obtenir un atome ou une molécule métalliques libres. Etant donné que cette méthode ne nécessite pas de conduction électrique en cours de placage, elle peut être employée avec les substrats de type isolant. Les métaux les plus couramment déposés selon cette technique sont le nickel, le cuivre et l’or.

Les opérations d’alliage et de recuit

Après dépôt et gravure des interconnexions métallisées, on peut effectuer une opération finale d’alliage et de recuit. L’alliage consiste à placer les substrats métallisés, habituellement avec de l’aluminium, dans un four de diffusion à basse température, pour assurer un contact à faible résistance entre l’aluminium et le substrat en silicium. Enfin, pendant l’opération d’alliage ou immédiatement après, les plaquettes sont souvent exposées à un mélange gazeux comprenant de l’hydrogène dans un four de diffusion à une température de 400 à 500 °C. L’étape de recuit sert à optimiser et à stabiliser les caractéristiques du semi-conducteur en combinant l’hydrogène avec les atomes non liés se trouvant à l’interface silicium-dioxyde de silicium ou à proximité.

Le polissage et la métallisation de la face arrière

Il existe également une étape facultative du traitement de métallisation appelée le polissage de la face arrière. Elle consiste à polir ou à amincir la face arrière de la plaquette par pulvérisation d’une solution abrasive. On peut également revêtir cette même face d’un métal, l’or par exemple, pour faciliter la fixation de la puce au boîtier lors de l’assemblage final.

L’assemblage et les essais

Les opérations hors fabrication, qui concernent la pose du boîtier, les fixations, l’encapsulage, l’assemblage et les essais, se déroulent généralement hors des lieux de production, et sont souvent effectuées dans les pays d’Asie du Sud-Est, où ces tâches, qui demandent beaucoup de main-d’œuvre, sont moins coûteuses. En outre, les exigences en matière de qualité de l’air et de teneur en particules sont généralement différentes (il n’est pas nécessaire de disposer d’une salle blanche) dans les zones autres que celles de production. Ces étapes finales de la fabrication comprennent des opérations de brasage, de dégraissage, d’essais avec sources de produits chimiques et de rayonnements, et de décoration et marquage au laser.

Dans l’industrie des semi-conducteurs, le brasage tendre n’est généralement pas à l’origine de fortes expositions au plomb. Pour éviter que la chaleur n’endommage le circuit intégré, la température de la soudure est maintenue à une valeur nettement inférieure à celle à laquelle le plomb fondu dégage d’importantes fumées (430 °C). En revanche, le nettoyage du matériel de brasage tendre, par raclage ou brossage des résidus plombifères, peut conduire à des expositions supérieures à 50 µg/m³ (Baldwin et Stewart, 1989). En outre, des expositions au plomb de 200 µg/m³ ont été constatées suite à des techniques défectueuses d’élimination des crasses lors d’opérations de soudage à la vague (Baldwin et Williams, 1996).

Un aspect de plus en plus étudié des opérations de brasage tendre est celui des irritations des voies respiratoires et des cas d’asthme dus à l’exposition aux produits de pyrolyse des flux employés, notamment lors du brasage manuel ou des opérations de retouche, dans lesquelles, traditionnellement, l’extraction locale des fumées est peu utilisée (contrairement au soudage à la vague, qui, depuis une vingtaine d’années, est effectué en enceinte fermée avec extraction) (Goh et Ng, 1987). On se référera à l’article «Le montage des cartes à circuit imprimé et l’assemblage des ordinateurs» pour de plus amples informations.

Etant donné que la colophane des flux de brasage est un agent sensibilisateur, toute exposition à celle-ci doit être abaissée à un niveau aussi faible que possible, quels que soient les résultats des prélèvements. Les nouvelles installations de brasage tendre, en particulier, doivent comporter une ventilation avec aspiration localisée des fumées lorsque l’opération doit se prolonger sur de longues durées (par exemple, plus de 2 heures).

Les fumées dégagées par le brasage manuel montent verticalement sous l’effet des courants thermiques et entrent dans l’espace respiratoire du travailleur lorsque celui-ci se penche sur la partie à braser. On limite habituellement ces émissions par un système d’aspiration local à vitesse élevée et à faible débit, monté à la pointe du fer à souder.

Les systèmes renvoyant l’air filtré dans l’espace de travail peuvent, faute d’une filtration adéquate, provoquer une pollution secondaire susceptible de toucher dans l’atelier d’autres personnes que les soudeurs eux-mêmes. L’air filtré ne doit pas être renvoyé dans l’atelier, sauf si les opérations de brasage sont limitées en volume et que la salle a une aération générale suffisante pour permettre une dilution des produits.

Le tri et les essais des plaquettes

Lorsque la fabrication des plaquettes est achevée, chacune d’elles fait l’objet d’un tri au cours duquel le circuit intégré de chaque dé ou puce est testé électriquement par des sondes sous contrôle d’un ordinateur. Une même plaquette peut contenir une à plusieurs centaines de dés ou puces, qui doivent tous être testés. Les essais terminés, les dés reçoivent un marquage physique d’une résine monocomposant apposé automatiquement. Les marques de couleur bleue et rouge identifient les puces non conformes aux spécifications électriques voulues.

La séparation des dés

Une fois les puces ou circuits de la plaquette testés, marqués et triés, les dés doivent être physiquement séparés. Plusieurs méthodes ont été mises au point à cet effet: découpe au diamant, au laser et à la roue diamantée.

La découpe au diamant, la plus ancienne de ces méthodes, consiste à rayer la surface, à l’aide d’une pointe diamantée de forme précise, en suivant la ligne de découpe séparant les dés individuels à la surface de la plaquette. Le long de cette ligne de rupture, on peut ensuite briser la plaquette par flexion.

La découpe par laser est une technique de séparation relativement récente. Le rayon, fourni par un laser pulsé au néodymium-yttrium de forte puissance, creuse le long des lignes de découpe une rainure qui sert de ligne de rupture.

Une autre méthode très employée pour la séparation des dés est le sciage humide des substrats le long des lignes de découpe, pratiqué au moyen d’une scie circulaire diamantée tournant à grande vitesse. Il peut s’agir d’un sciage partiel (entaille) ou complet (découpe) du substrat en silicium. Ce procédé produit des boues contenant le matériau enlevé.

La fixation et le collage des puces

La puce individuelle doit être fixée sur un boîtier et un cadre de branchement. Les boîtiers sont généralement en matériau isolant (matière céramique ou plastique). La céramique est souvent de l’oxyde d’aluminium (Al₂O₃), mais il peut aussi s’agir d’oxyde de béryllium (BeO) ou de stéatite (MgO-SiO₂). Les matériaux plastiques employés pour les boîtiers sont soit des thermoplastiques, soit des résines thermodurcissables.

La puce est généralement fixée par l’un des trois systèmes suivants: soudage eutectique, collage sur préformé et collage par époxy. Le soudage eutectique utilise un alliage de brasage eutectique, par exemple l’or-silicium. Il consiste à prédéposer une couche d’or métallique sur la face arrière de la puce, à chauffer le boîtier à une température supérieure au point d’eutexie (370 °C pour l’or-silicium) puis à y poser la puce; il y a alors soudage entre la puce et le boîtier.

Le collage sur préformé utilise une petite cale d’un matériau de composition spéciale, adhérant à la fois à la puce et au boîtier. On place ce préformé à l’endroit du boîtier où doit prendre place la puce, et on le fait fondre. On pose alors la puce avec un effet combiné pression-frottement sur le préformé jusqu’à ce qu’elle adhère, puis on laisse refroidir le boîtier.

Le collage par époxy met en œuvre une colle époxy pour fixer la puce au boîtier. Le boîtier reçoit une goutte d’adhésif époxy, sur laquelle on pose la puce. Il peut être nécessaire d’étuver le boîtier à haute température pour obtenir un bon durcissement de l’adhésif.

Une fois la puce physiquement solidaire du boîtier, il faut réaliser les connexions électriques entre le circuit intégré et les fils du boîtier. Les techniques employées à cet effet sont la thermocompression et le soudage ultrasonore ou thermosonore, grâce auxquels on relie par des fils d’or ou d’aluminium les zones de contact de la puce en silicium et les fils du boîtier.

Le soudage par thermocompression, souvent utilisé avec des fils en or, consiste à chauffer le boîtier à environ 300 °C et à effectuer la liaison entre le fil et la pastille de connexion par application simultanée de chaleur et de pression. Les deux grands procédés de soudage par thermocompression utilisés actuellement sont le soudage à la goutte et le soudage en coin. Dans le premier, qui n’est employé que pour les fils en or, le fil passe par un tube capillaire, puis est comprimé et simultanément fondu par une flamme d’hydrogène. On obtient de la sorte une nouvelle goutte pour le cycle de soudage suivant. Le deuxième, le soudage en coin, emploie un outil en forme de coin et un microscope qui permet de positionner avec précision la puce par rapport à la pastille de connexion. L’opération s’effectue sous atmosphère inerte.

Le soudage par ultrasons utilise une énergie ultrasonore à haute fréquence pour produire un effet de pression avec frottement, lequel établit la liaison entre le fil et la pastille de connexion. Cette technique, principalement employée avec les fils d’aluminium, est souvent préférée à la thermocompression, car elle ne nécessite pas de chauffer la puce.

Le soudage thermo-ultrasonore est une évolution technologique récente pour la fixation des fils en or. Utilisant une combinaison des énergies ultrasonore et thermique, elle demande moins de chaleur que la thermocompression.

L’encapsulage

Le but premier de l’encapsulage est de placer le circuit intégré dans une enveloppe dotée des caractéristiques électriques, thermiques, chimiques et physiques correspondant à l’application prévue.

Les boîtiers les plus utilisés sont les types à fils radiaux, les boîtiers plats et le boîtier à double rangée de connexions (Dual-in-Line (DIL)). Les boîtiers à fils radiaux sont le plus souvent faits de Kovar, un alliage de fer, de nickel et de cobalt, avec joints en verre dur et fils en Kovar. Les boîtiers plats comportent des cadres de branchement en fil métallique, généralement faits d’alliage d’aluminium, combinés à des éléments en céramique, en verre et en métal. Les boîtiers DIL, qui sont les plus répandus, emploient souvent des matériaux céramiques ou des plastiques moulés.

Les boîtiers de semi-conducteurs en plastique moulé sont surtout produits selon deux procédés distincts: le moulage par transfert et le moulage par injection. Le moulage par transfert est la technique d’encapsulage plastique prédominante. Il consiste à monter les puces sur des cadres de branchement non finis, puis à les charger par lots dans des moules. Un plastique thermodurcissable sous forme pulvérulente ou granuleuse, fondu dans un creuset, est ensuite introduit (par transfert) sous pression dans les moules. Les produits de moulage peuvent être composés de résines époxy, de silicone, ou de silicone/époxy. Ils comprennent généralement un mélange des produits suivants:

• des résines thermodurcissables — époxy, silicone ou silicone/époxy;
• des durcisseurs — novolacs époxy et anhydrides époxy;
• des charges — dioxyde de silicium (SiO₂) à fondant silice ou cristallin et oxyde d’aluminium (Al₂O₃ ), généralement à raison de 50 à 70% en poids;
• un agent ignifuge — trioxyde d’antimoine (Sb₂O₃ ), en principe à raison de 1 à 5% en poids.

Le moulage par injection utilise soit un thermoplastique, soit un plastique thermodurcissable, que l’on chauffe jusqu’à son point de fusion dans un cylindre à température réglée, et que l’on force sous pression dans le moule à travers un injecteur. La résine se solidifie rapidement, on ouvre le moule, et le boîtier est éjecté. Une grande diversité de composés plastiques sont employés dans le moulage par injection, les résines époxy et au sulfure de polyphénylène (PPS) étant les plus récemment apparues dans l’encapsulage des semi-conducteurs.

Le boîtier final du semi-conducteur est classé en fonction de sa résistance aux fuites ou de sa capacité d’isoler le circuit intégré de son environnement. Les boîtiers se divisent en catégories hermétique (étanche à l’air) et non hermétique.

Les essais d’étanchéité et le rodage

L’essai d’étanchéité est une procédure destinée à tester l’étanchéité réelle du boîtier du semi-conducteur. Ces essais revêtent deux formes: la détection à l’hélium et la détection au traceur radioactif.

Dans la détection à l’hélium, les boîtiers finis sont placés dans une atmosphère pressurisée d’hélium pendant une certaine durée. L’hélium est capable de traverser les défectuosités du boîtier. Une fois retiré de la chambre à hélium, le boîtier est transféré dans la chambre d’un spectromètre de masse, où l’hélium ressortant par les défectuosités est détecté.

Dans la deuxième méthode, un gaz traceur radioactif, généralement le krypton 85 (⁸⁵Kr), remplace l’hélium et ce sont les fuites de ce gaz ressortant du boîtier qui sont détectées. En situation normale, l’exposition du personnel lors de ce processus est inférieure à 5 millisieverts (500 millirems) par an (Baldwin et Stewart, 1989). Les mesures de protection qui accompagnent ces systèmes comprennent généralement:

• une isolation dans des salles dont l’accès est limité au seul personnel qui doit y être présent;
• des panneaux avertissant de la présence d’une source radioactive, apposés sur les portes des salles contenant du ⁸⁵Kr;
• une surveillance permanente par détecteurs de rayonnement, avec alarmes et dispositifs automatiques d’arrêt/isolation;
• un système d’évacuation spécial des gaz et une salle maintenue en dépression;
• un contrôle d’exposition par dosimétrie individuelle (par exemple, par film dosimètre);
• une maintenance régulière des alarmes et des sécurités;
• des vérifications périodiques de détection des fuites de substances radioactives;
• une formation à la sécurité des opérateurs et techniciens;
• une politique de maintien de l’exposition au niveau le plus faible qu’il soit raisonnablement possible d’atteindre (As Low as Reasonably Achievable (ALARA)).

En outre, les matériels entrant en contact avec le ⁸⁵Kr (circuits intégrés exposés, huile des pompes usée, valves, vannes et joints toriques) sont vérifiés afin de s’assurer qu’ils n’émettent pas de niveaux excessifs de rayonnement en raison de la présence de gaz résiduel à l’intérieur lorsqu’ils doivent sortir de la zone de sécurité. Leach-Marshall (1991) donne des informations détaillées sur les expositions et les contrôles liés aux systèmes de détection des faibles fuites au ⁸⁵Kr.

Le rodage consiste à soumettre le semi-conducteur fini et sous boîtier à des contraintes thermiques et électriques. Les composants séjournent pendant une période prolongée dans une étuve à température contrôlée, sous atmosphère inerte d’azote. Les températures appliquées vont de 125 °C à 200 °C (150 °C étant une valeur moyenne), et les durées de quelques heures à 1 000 heures (48 heures en moyenne).

L’essai final

Pour vérifier une dernière fois les performances du composant semi-conducteur sous boîtier, on effectue un essai électrique final. Compte tenu du grand nombre et de la complexité des essais nécessaires, ce travail est confié à un ordinateur qui évalue les nombreux paramètres importants pour le fonctionnement du composant.

Le marquage et l’emballage

L’identification physique du composant terminé se fait par différents systèmes de marquage. Les deux grandes catégories de marquage sont l’impression par contact et sans contact. L’impression par contact emploie généralement une technique offset rotative, avec des encres à base de solvants. L’impression sans contact, qui transfère les marquages sans contact physique avec le support, emploie soit une tête à jet d’encre ou de toner, avec des encres à base de solvants, soit un marquage par laser.

Les solvants utilisés comme supports des encres de marquage et comme agents de nettoyage préalable sont généralement composés d’un mélange d’alcools (éthanol) et d’esters (acétate d’éthyle). A l’exception du procédé au laser, la plupart des systèmes de marquage des composants emploient des encres, ce qui nécessite une étape supplémentaire de séchage ou de cuisson. Les méthodes employées sont le séchage à l’air, la cuisson thermique ou par infrarouges et le séchage aux ultraviolets. Les encres séchant aux ultraviolets ne contiennent pas de solvants.

Les systèmes de marquage au laser font appel à un laser de forte puissance au dioxyde de carbone (CO₂) ou au néodymium-yttrium. Ces lasers sont le plus souvent intégrés à l’appareil et enfermés dans des armoires dotées de sécurités, contenant le faisceau et le point de contact entre ce dernier et la cible. Le danger du faisceau laser est ainsi écarté en conditions normales, mais il existe un risque en cas de neutralisation des sécurités. L’opération la plus courante nécessitant de déposer les enceintes des lasers et de neutraliser les sécurités est l’alignement du faisceau laser.

Lors de ces interventions de maintenance, il serait souhaitable que la salle hébergeant le laser soit évacuée, à l’exception des techniciens indispensables, que ses portes soient fermées à clef et que des panneaux appropriés de mise en garde contre le rayonnement y soient apposés. Malheureusement, les lasers de forte puissance utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs sont souvent installés dans de grands locaux ouverts de production, ce qui rend impossible l’évacuation des personnels non concernés par la maintenance. Dans ces situations, on établit généralement une zone de sécurité temporaire entourée de rideaux antilaser ou d’écrans de soudage capables de supporter un contact direct avec le rayon. L’accès à cette zone passe habituellement par une chicane, avec panneau d’avertissement affiché chaque fois que les sécurités sont neutralisées. Les autres mesures de sécurité applicables aux opérations d’alignement du faisceau sont les mêmes que celles imposées pour l’utilisation d’un laser de forte puissance à rayon nu, c’est-à-dire formation du personnel, protection oculaire, consignes écrites, etc.

Les lasers de forte puissance représentent l’un des plus graves dangers électriques existant dans l’industrie des semi-conducteurs. Même après coupure de l’alimentation, il subsiste dans l’appareil un potentiel électrique dangereux qu’il est nécessaire de dissiper avant d’intervenir à l’intérieur de l’armoire.

Outre le danger d’électrocution et celui d’irradiation, on doit également prendre des précautions, lors de la maintenance des systèmes de marquage au laser, contre les risques de contamination chimique due à la présence de produits ignifuges comme le trioxyde d’antimoine et le béryllium (les emballages en céramique contenant ces produits doivent être étiquetés). Le marquage aux lasers de forte puissance peut, en outre, émettre des fumées et produire des résidus à la surface des appareils et des filtres d’extraction des gaz.

On utilisait par le passé des agents dégraissants pour nettoyer les semi-conducteurs avant de les marquer avec leurs codes d’identification. Une exposition aux solvants supérieure à la limite professionnelle applicable aux taux en suspension dans l’air peut facilement se produire si l’opérateur place la tête au-dessous des serpentins de refroidissement servant à condenser les vapeurs, ce qui peut arriver lorsqu’il cherche à récupérer une pièce tombée, ou lorsqu’un technicien procède au nettoyage des résidus au fond de l’appareil (Baldwin et Stewart, 1989). L’utilisation de dégraissants a été considérablement réduite dans l’industrie des semi-conducteurs depuis l’entrée en vigueur des limitations imposées aux substances nuisibles à la couche d’ozone comme les hydrocarbures chlorofluorés et les solvants chlorés.

L’analyse des défaillances et l’assurance qualité

Les laboratoires d’analyse des défaillances et d’assurance qualité soumettent les composants à différentes opérations afin d’en vérifier la fiabilité. Ces opérations sont les suivantes:

• les essais sur le marquage, effectués avec différents solvants et mélanges corrosifs dans des éprouvettes placées sur des plaques chauffantes. Une ventilation avec aspiration localisée, sous la forme d’une hotte métallique à vitesse d’écoulement suffisante, à hauteur du visage, est nécessaire pour limiter les émissions fugaces. Dans le cas des solutions de monoéthanolamine, il peut se produire des expositions supérieures à la valeur limite pour ce solvant en suspension dans l’air (Baldwin et Williams, 1996).
• l’essai à la bulle et l’essai d’étanchéité à l’aide de fluorocarbures à fort poids moléculaire (nom commercial: Fluorinerts);
• les appareils d’essai des boîtiers aux rayons X.

On utilise le cobalt 60 (jusqu’à 26 000 curies) dans des irradiateurs destinés à éprouver la résistance des circuits intégrés aux rayonnements gamma dans les applications militaires et spatiales. En conditions normales, l’exposition du personnel au cours de ces opérations est inférieure à 5 millisieverts (500 millirems) par an (Baldwin et Stewart, 1989). Les moyens de prévention applicables à cette opération un peu particulière sont semblables à ceux mis en œuvre sur les systèmes d’essai de détection des faibles fuites au ⁸⁵Kr (c’est-à-dire salle isolée, détecteurs permanents de rayonnement, surveillance de l’exposition du personnel, etc.).

De petites sources alpha (au niveau des micro- et millicuries) d’américium 241 sont utilisées «sous autorisation particulière» dans le processus d’analyse des défaillances. Ces sources sont recouvertes d’un mince revêtement protecteur dans lequel est ménagée une fenêtre permettant d’émettre en direction du circuit des particules afin de tester sa capacité de fonctionner sous un tel bombardement. Ces sources sont en général contrôlées périodiquement (par exemple, tous les six mois) afin de vérifier l’absence de fuites de substances radioactives, possibles en cas de dommages subis par la fenêtre. Toute fuite détectable provoque habituellement le retrait de la source et son renvoi au fabricant.

Des systèmes à rayons X sous enceinte close servent à vérifier l’épaisseur des revêtements métalliques et à déceler les défauts (par exemple, bulles d’air dans les boîtiers moulés en plastique composite). Bien qu’ils ne représentent pas une source de fuites importante, ces appareils sont en général contrôlés périodiquement (par exemple, chaque année, à l’aide d’un détecteur portatif de rayons X et par inspection visuelle, afin de vérifier le bon fonctionnement des sécurités de portes.

L’expédition

L’expédition est le point final du cycle de production pour ce qui concerne le fabricant de semi-conducteurs. Les fabricants commerciaux vendent leurs produits à des producteurs d’autres matériels, tandis que les fabricants internes les utilisent pour les matériels produits par l’entreprise elle-même.

L’étude des effets sur la santé

Chaque étape du processus de fabrication emploie un ensemble particulier de produits chimiques, assorti de ses propres risques pour la sécurité et la santé. Outre les travaux portant sur les risques associés à certaines étapes spécifiques de la fabrication des composants à semi-conducteurs, une étude épidémiologique a été conduite sur l’état sanitaire des employés de ce secteur en général (Schenker et coll., 1992). Voir également l’exposé de l’article «Les effets sur la santé et les types de maladies».

La principale conclusion de l’étude était que le travail de fabrication des semi-conducteurs s’accompagne d’une augmentation du taux d’avortements spontanés. Dans la partie historique de l’étude, le nombre des grossesses étudiées chez les employées du secteur fabrication et des autres secteurs était à peu près égal (447 et 444 respectivement), mais les avortements spontanés étaient plus nombreux dans le premier (67) que dans les autres (46). Après ajustement pour un certain nombre de facteurs pouvant fausser les résultats (âge, race, tabagisme, stress, statut socio-économique et antécédents obstétricaux), le risque relatif entre secteurs fabrication et non fabrication s’élevait à 1,43 (intervalle de confiance à 95% = 0,95-2,09).

Les chercheurs ont relié le taux d’avortements spontanés à l’exposition à certains éthers de glycol à base d’éthylène servant à la fabrication des semi-conducteurs. Les produits considérés dans l’étude et soupçonnés d’avoir des effets nocifs sur la fonction de reproduction sont les suivants:

• le 2-méthoxyéthanol (CAS 109-86-4);
• l’acétate de 2-méthoxyéthyle (CAS 110-49-6);
• l’acétate de 2-éthoxyéthyle (CAS 111-15-9).

Quoique n’étant pas pris en compte dans l’étude, deux autres éthers de glycol utilisés dans ce secteur, le 2-éthoxyéthanol (CAS 110-80-5) et le diéthylèneglycol diméthyléther (CAS 111-96-6), ont des effets toxiques similaires et ont été abandonnés par certains fabricants de semi-conducteurs.

Outre l’augmentation du taux d’avortements spontanés associé à l’exposition à certains éthers de glycol, l’étude tirait les conclusions ci-après:

• il existait une association irrégulière entre l’exposition aux fluorures (utilisés pour la gravure des circuits) et l’avortement spontané;
• le stress auquel étaient soumises, selon leur déclaration, les femmes travaillant dans le secteur de la fabrication était un fort facteur indépendant de risque d’avortement spontané;
• le délai avant grossesse était plus long pour les femmes travaillant dans le secteur de la fabrication;
• une plus grande fréquence des symptômes respiratoires (irritation des yeux, du nez et de la gorge et respiration sifflante) se manifestait davantage chez les travailleurs du secteur de la fabrication que chez les autres;
• des symptômes musculo-squelettiques affectant les extrémités des membres supérieurs, main, poignet, coude et avant-bras, étaient associés au travail en salle de fabrication;
• des dermites et chutes de cheveux (alopécie) survenaient plus fréquemment chez les travailleurs du secteur de la fabrication que chez les autres.

L’étude préinstallation du matériel

Compte tenu de la complexité des équipements de fabrication des semi-conducteurs et de l’évolution permanente des procédés, il est particulièrement important d’effectuer une étude préalable à l’installation du matériel de production pour réduire le plus possible les risques pour la sécurité et la santé. Deux procédures d’étude des équipements permettent de s’assurer qu’un nouveau matériel de production répond aux caractéristiques requises dans ce domaine: les normes d’estampillage CE et les normes internationales Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) applicables aux équipements et matériaux destinés aux semi-conducteurs.

Le marquage CE est une déclaration du fabricant selon laquelle l’équipement est conforme aux prescriptions de toutes les directives applicables de l’Union européenne (UE).

En ce qui concerne le matériel de fabrication des semi-conducteurs, les directives considérées comme les plus pertinentes sont la directive sur les machines (Machinery Directive (MD)), la directive sur la compatibilité électromagnétique (Electromagnetic Compatibility Directive (EMC)) et la directive sur les basses tensions (Low Voltage Directive (LVD)).

Dans le cas de la directive EMC, les services d’un organisme compétent (officiellement agréé par un Etat membre de l’UE) doivent être sollicités afin de définir les conditions d’essai et d’approuver les constats des inspections. Les conformités aux directives MD et LVD peuvent être évaluées soit par le fabricant, soit par un organisme accrédité (officiellement agréé par un Etat membre de l’UE).

Quelle que soit la voie choisie, autoévaluation ou évaluation par un tiers, il incombe à l’importateur d’enregistrer l’identité du responsable du marquage CE du produit importé. L’importateur peut se fonder sur les informations provenant du tiers ou de l’autoévaluation pour parvenir à la conclusion que l’équipement répond aux prescriptions des directives applicables, mais c’est à lui qu’il incombe en définitive d’établir la déclaration de confor-mité et d’apposer la marque CE.

L’organisme professionnel international susmentionné (SEMI) représente les fournisseurs de semi-conducteurs et d’affichages. Une de ses activités est l’établissement de normes techniques volontaires, qui constituent des accords entre fournisseurs et clients visant à améliorer la qualité et la fiabilité des produits, à un prix raisonnable et avec un approvisionnement régulier.

Deux normes SEMI sont plus spécifiquement applicables aux risques des équipements nouveaux pour la sécurité et la santé. Il s’agit des normes SEMI S2 et SEMI S8. La norme SEMI S2-93, Safety Guidelines for Semiconductor Manufacturing Equipment, établit un ensemble de règles fonctionnelles minimales en matière de sécurité et de santé pour les équipements utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. La norme SEMI S8-95, Safety Guidelines for Ergonomics/Human Factors Engineering of Semiconductor Manufacturing Equipment , développe la partie ergonomique de SEMI S2.

De nombreux fabricants de semi-conducteurs exigent que les nouveaux équipements soient certifiés par un organisme indépendant comme étant conformes aux prescriptions de la norme SEMI S2. Des instructions sur l’interprétation des textes SEMI S2-93 et SEMI S8-95 sont données dans une publication du groupement professionnel SEMATECH (SEMATECH, 1996). Des informations complémentaires sur le SEMI sont disponibles sur Internet (http://www.semi.org).

La manipulation des produits chimiques

La distribution de liquides

Avec la généralisation des systèmes automatiques de distribution des produits chimiques, qui deviennent la règle plutôt que l’exception, la fréquence des brûlures chimiques chez les travailleurs a diminué. Il est toutefois nécessaire de munir ces systèmes de protections appropriées, telles que:

• la détection des fuites et la coupure automatique à la source d’alimentation en vrac et aux boîtiers de raccordement;
• le double confinement des conduites si le produit est considéré comme dangereux;
• des capteurs de trop-plein aux points d’arrivée (bains ou cuves des appareils);
• la temporisation d’arrêt des pompes (ne permet de pomper qu’une quantité déterminée avant coupure automatique).

La distribution de gaz

La sécurité des systèmes de distribution de gaz s’est nettement améliorée au fil des ans, avec l’apparition de nouveaux types de valves de bouteilles et d’ajutages de limitation de débit intégrés à la bouteille, de tableaux de purge automatique, de dispositifs de détection des débits excessifs avec coupure automatique et d’équipements de détection de fuites plus perfectionnés. En raison de ses propriétés pyrophoriques et de son emploi très répandu, le silane représente le plus grand danger d’explosion de l’industrie. Malgré tout, les incidents impliquant le silane sont devenus plus prévisibles grâce aux travaux de Factory Mutual et de SEMATECH. Avec l’adoption d’ajutages de limitation de débit, de pressions d’alimentation adaptées et de débits de ventilation adéquats, la plupart des incidents explosifs ont été éliminés (SEMATECH, 1995).

Plusieurs incidents de sécurité survenus ces dernières années étaient dus à un mélange non contrôlé de gaz incompatibles. Suite à ces incidents, les fabricants de semi-conducteurs révisent souvent leurs installations de gaz et les enceintes des appareils de façon à empêcher les mélanges indésirables ou une inversion de circulation des gaz.

Les problèmes de nature chimique sont généralement ceux qui suscitent le plus de préoccupations de la part du personnel dans la fabrication des semi-conducteurs. Toutefois, la plupart des lésions et des décès proviennent d’autres causes.

La sécurité électrique

Les équipements utilisés dans ce secteur sont à l’origine de nombreux risques électriques. Les sécurités jouent un rôle important dans la protection, mais elles sont souvent neutralisées par les techniciens de maintenance. Une part importante des travaux de maintenance s’effectue sur des appareils encore sous tension, ou seulement partiellement hors tension. Les plus grands risques électriques sont associés aux alimentations des appareils d’implantation d’ions et des lasers. Comme on l’a déjà dit plus haut, même après coupure de l’alimentation, ces appareils conservent un potentiel d’électrocution non négligeable et cette énergie doit être dissipée avant toute intervention à l’intérieur de l’appareil. La révision de la norme SEMI S2 aux Etats-Unis et le marquage CE en Europe ont permis d’améliorer la sécurité électrique des équipements neufs, mais les opérations de maintenance ne reçoivent pas toujours l’attention qu’elles méritent. Une étude soigneuse de ces opérations et des risques électriques qu’elles présentent est nécessaire pour tous les équipements nouvellement installés.

Les équipements émettant de l’énergie sous forme d’ondes radiofréquence (RF) viennent en seconde position en ce qui concerne les risques électriques existant au cours des opérations de gravure, de pulvérisation et de nettoyage des chambres d’appareils. Un blindage et une mise à la terre adaptés sont nécessaires pour réduire le plus possible le risque de brûlures par courant RF.

Ces risques électriques, et le grand nombre d’appareils restant alimentés au cours de la maintenance, imposent l’adoption par les techniciens d’autres moyens de protection, comme les procédures de verrouillage/étiquetage. Les systèmes électriques ne sont pas les seuls auxquels ces procédures peuvent s’appliquer. Parmi les autres sources d’énergie figurent les lignes sous pression, dont beaucoup véhiculent des gaz ou des liquides dangereux, et les commandes pneumatiques. Les points de coupure permettant de commander ces sources d’énergie doivent être installés dans un endroit accessible, au sein de la zone de fabrication ou de passage dans laquelle l’employé est appelé à travailler, plutôt que dans des lieux moins accessibles comme les bâtiments annexes.

L’ergonomie

L’interface entre le travailleur et les appareils est toujours à l’origine d’accidents. L’hypersollicitation musculaire et articulaire est assez répandue dans l’industrie des semi-conducteurs, notamment chez les techniciens de maintenance. L’accès aux pompes, capots des chambres, etc. est souvent négligé lors de la construction de l’appareil et lors de son installation dans l’atelier. Les pompes devraient être montées sur roues, ou placées sur des tiroirs ou des plateaux coulissants. Un équipement de levage intégré devrait être prévu pour beaucoup d’opérations.

La simple manipulation des plaquettes est à l’origine de risques ergonomiques, notamment dans les usines anciennes. Les usines plus récentes travaillent avec des plaquettes plus grandes, ce qui nécessite des systèmes de manipulation plus automatisés. Bon nombre de ces systèmes sont à considérer comme des machines robotisées, et les aspects de sécurité correspondants doivent être pris en compte lors de leur conception et de leur installation (American National Standards Institute (ANSI), 1986).

La sécurité incendie

Outre le silane, déjà évoqué, l’hydrogène présente un sérieux risque d’incendie. Ce danger est toutefois mieux compris et l’industrie n’a pas connu de problèmes graves associés à l’hydrogène.

Le plus grave risque d’incendie actuellement provient des bains de gravure chimique. Les matériaux plastiques classiquement employés dans leur construction ((poly)chlorure de vinyle, polypropylène et polypropylène ignifuge) ont tous été impliqués dans des incendies d’atelier.

La source d’inflammation peut être un réchauffeur de bain de gravure ou de placage, une commande électrique montée directement sur le matériau plastique, ou un appareil voisin. En cas d’incendie impliquant l’un de ces éléments en plastique, une pollution comprenant des particules et des produits de combustion corrosifs se répand dans tout l’atelier. La perte économique est lourde en raison du long temps d’arrêt nécessaire pour remettre en état la zone et l’équipement, et les ramener aux normes des salles blanches. Il est parfois impossible de décontaminer suffisamment certains équipements coûteux, ce qui impose l’achat de matériel neuf. Tout cela donne à la prévention et à la lutte contre l’incendie une importance critique.

La prévention des incendies peut être assumée grâce à l’emploi de matériaux de construction incombustibles. L’acier inoxydable est le matériau préféré pour la construction de ces bains de gravure, mais le procédé employé interdit parfois l’utilisation d’équipements métalliques. Il existe des matériaux plastiques moins inflammables et dégageant moins de fumées, mais ils n’ont pas encore subi tous les essais nécessaires pour vérifier leur compatibilité avec les techniques de fabrication des semi-conducteurs.

Pour la sécurité incendie, ces appareils doivent être protégés par des systèmes de sprinklers ayant un champ bien dégagé. L’installation de filtres à particules au-dessus des bains fait souvent obstacle à l’action des têtes d’extincteur. Il convient, dans ces cas, d’installer des têtes supplémentaires sous les filtres. Un grand nombre d’entreprises exigent en outre qu’un système de détection et d’extinction d’incendie soit installé à l’intérieur des chambres de traitement, lieu de départ de beaucoup d’incendies.

Figure 83.5 Molécules des polymères de base des cristaux liquides

Dans la fabrication des écrans plats, deux substrats de verre produits séparément sont ensuite assemblés. Le substrat avant reçoit une impression qui forme un filtre de couleur. La plaque de verre arrière reçoit une impression qui forme une couche de transistors en film mince et les pistes métalliques de connexion électrique. Ces deux plaques sont superposées lors de l’opération d’assemblage et, le cas échéant, sciées et fractionnées en affichages individuels. Le matériau des cristaux liquides est injecté dans l’interstice qui subsiste entre les plaques. Les affichages sont inspectés et essayés et un film polarisant est appliqué sur chaque plaque.

De nombreuses opérations individuelles sont nécessaires pour fabriquer les affichages à écran plat. Elles requièrent des matériels, des produits et des procédés spéciaux. Certaines opérations essentielles sont décrites ci-après.

La préparation du substrat de verre

Le substrat de verre est un composant essentiel et coûteux de l’écran. Un contrôle très étroit des propriétés optiques et mécaniques du matériau est nécessaire à chaque étape du processus, notamment quand il s’agit de le chauffer.

La fabrication du verre

Deux procédés sont employés pour fabriquer un verre très mince, avec des dimensions extrêmement précises et des propriétés mécaniques reproductibles. Dans le procédé de fusion, mis au point par Corning, une barre de verre introduite dans un creuset en forme de coin y est fondue. Le verre fondu déborde des deux côtés du creuset et coule le long de ses parois pour ne former qu’une seule feuille à la base du creuset, d’où on peut l’étirer vers le bas sous forme d’une feuille uniforme. L’épaisseur de cette feuille est réglée par la vitesse à laquelle on étire le verre. Ce procédé permet d’obtenir des largeurs de presque 1 m.

D’autres fabricants de feuilles de verre destinées aux substrats de LCD emploient la technique du flottage, qui consiste à faire couler le verre fondu sur un bain d’étain en fusion. L’étain métallique ne dissout pas le verre et ne réagit pas avec lui, et le verre flotte sur le bain. Par gravité, la surface du verre se lisse et les deux faces deviennent parallèles (voir chapitre n^o 84, «Le verre, les céramiques et les matériaux connexes»).

Les substrats sont produits en différentes dimensions, pouvant atteindre 450 × 550 mm et plus. L’épaisseur du verre pour écrans plats est en général de 1,1 mm. Certains affichages de petite taille (récepteurs de radio, messagerie, téléphones, jeux, etc.) emploient du verre plus mince.

La découpe, le biseautage et le polissage

Après la fusion ou le flottage, les substrats de verre sont découpés à dimension, en général en morceaux de 1 m de côté environ. Différentes opérations mécaniques suivent l’étape de formage, selon l’application finale du matériau.

Etant donné que le verre est fragile, et qu’il s’écaille ou se fend facilement aux bords, les plaques sont généralement biseautées, chanfreinées ou traitées d’une autre façon afin de limiter l’écaillage en cours de manutention. Les contraintes thermiques qui s’accumulent dans les fissures des bords lors du traitement peuvent conduire à la rupture de la plaque. Le bris de verre est un problème important en cours de production. Outre le risque de coupures et de lacérations pour le personnel et la perte de production qu’il représente, des fragments de verre peuvent subsister dans les équipements et provoquer une contamination par particules ou rayer d’autres substrats.

Les substrats de grande dimension soulèvent des difficultés supplémentaires pour le polissage du verre. On les place sur des supports garnis de cire ou d’un autre produit adhésif et on les polit avec une boue abrasive. L’opération de polissage doit être suivie d’un nettoyage chimique soigné pour éliminer tout résidu de cire ou toute autre substance organique, ainsi que les contaminants métalliques contenus dans les produits abrasifs ou de polissage.

Le nettoyage

Des opérations de nettoyage sont appliquées aux substrats de verre nus et à ceux enduits de films organiques, comme les filtres de couleur, les couches d’orientation en polyimide, etc. Les substrats à couches semi-conductrices, isolantes et métallisées, doivent aussi être nettoyés à certains points du processus de production. Le nettoyage est nécessaire au moins avant chaque étape du masquage des filtres de couleur ou de la production des couches de transistors en film mince.

Tableau 83.8 Nettoyage des affichages à écran plat

* Parmi les solvants organiques couramment utilisés pour le nettoyage chimique figurent l’acétone, le méthanol, l’éthanol, le n-propanol, les isomères xylène, le trichloroéthylène, le tétrachloroéthylène.

La formation du filtre de couleur

La formation du filtre de couleur sur le substrat de verre avant comprend certaines étapes de finition et de préparation du verre qui sont communes aux deux plaques, dont le biseautage et le polissage. Les opérations d’impression, d’enduction et de séchage sont effectuées à plusieurs reprises sur le substrat. Ce traitement présente de nombreuses similitudes avec celui des plaquettes de silicium. Les substrats de verre sont généralement manutentionnés sur des systèmes de convoyeurs pour le nettoyage et l’enduction.

L’impression du filtre de couleur

Différents matériaux et différentes techniques d’application sont utilisés pour créer les filtres de couleur des divers types d’affichages à écran plat. On peut employer un colorant ou un pigment, l’un et l’autre pouvant être déposés et imprimés de façons variables. Une des méthodes consiste à déposer et à colorier de la gélatine par opérations photolithographiques successives, avec un matériel de lithographie sans contact et des résines photosensibles classiques. Une autre utilise des pigments dispersés dans la résine photosensible. Parmi les autres méthodes figurent le dépôt électrolytique, la gravure et l’impression.

Le dépôt d’oxyde indium-étain

Une fois formé le filtre de couleur, l’étape finale est le dépôt par pulvérisation cathodique d’un matériau électrode transparent. Ce matériau est l’oxyde indium-étain, qui est en fait un mélange des oxydes In₂O₃ et SnO₂. Ce matériau est le seul qui convienne pour l’application d’un conducteur transparent sur les LCD. Un mince film d’oxyde doit être déposé sur les deux faces de l’affichage. Les couches d’oxyde sont généralement réalisées par évaporation sous vide et par pulvérisation cathodique.

Les couches minces d’oxyde indium-étain sont faciles à graver avec les agents chimiques en phase humide comme l’acide chlorhydrique, mais à mesure que l’espacement entre les électrodes diminue et que les produits se miniaturisent, la gravure à sec devient de plus en plus nécessaire pour éviter un affouillement entre les pistes dû à une attaque trop forte.

La formation de la couche de transistors en film mince

La formation de la couche de transistors en film mince est très semblable à la fabrication d’un circuit intégré.

La déposition de la couche mince

L’opération commence par l’application d’une couche mince sur les substrats. Ces couches sont formées par dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapour Deposition (CVD)) ou par dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapour Deposition (PVD)). Le CVD renforcé par plasma, également appelé à décharge luminescente, est employé pour le silicium amorphe, le nitrure de silicium et le dioxyde de silicium.

L’impression des semi-conducteurs

Une fois la couche déposée, on applique une couche photosensible et on l’impressionne pour permettre l’attaque de la couche mince selon le dessin voulu. Comme dans la fabrication des circuits intégrés, on dépose et on attaque successivement plusieurs couches minces.

L’application et le frottage de la couche d’orientation

On dépose à la fois sur les substrats inférieur et supérieur une mince couche de polymère qui permettra d’orienter les molécules des cristaux liquides à la surface du verre. Cette couche d’orientation, de quelque 0,1 µm d’épaisseur, peut être un polyimide ou un autre matériau polymère dur. Après dépôt et cuisson, on le frotte avec un tissu dans un sens déterminé, opération qui laisse à sa surface des stries à peine décelables. Le frottement peut être effectué par un passage unique sous une bande de tissu portée par une courroie, dévidée par un rouleau d’un côté, passant sous un rouleau en contact avec le substrat, et repartant sur un rouleau du côté opposé. Le substrat se déplace sous le tissu et dans le même sens. D’autres méthodes emploient une brosse mobile qui parcourt la surface du substrat. La qualité des fibres du matériau de frottage est importante. Les stries permettent d’aligner les molécules des cristaux liquides à la surface du substrat et de leur faire prendre la bonne inclinaison.

La couche d’orientation peut être déposée par enduction centrifuge ou par impression. L’impression est la méthode qui exploite le mieux le matériau: 70 à 80% du polyimide sont transférés du rouleau d’impression à la surface du substrat.

L’assemblage

Une fois le frottage terminé, le substrat passe par une ligne d’assemblage automatisée où s’effectue la séquence d’opérations ci-après:

• l’application d’adhésif (nécessaire pour réaliser l’étanchéité des écrans);
• la pose d’une entretoise;
• le positionnement et l’alignement optique des plaques l’une par rapport à l’autre;
• l’exposition à la chaleur ou aux ultraviolets (UV) pour assurer le durcissement de l’adhésif et la liaison entre les deux plaques de verre.

Le transport des plaques inférieure et supérieure sur la ligne est automatisé. Une plaque reçoit l’adhésif et l’autre est ajoutée au poste de pose de l’entretoise.

L’injection des cristaux liquides

Si plusieurs affichages ont été fabriqués sur le substrat, il faut alors les séparer par sciage. On peut à ce stade introduire le matériau des cristaux liquides dans l’interstice entre les substrats, par le trou laissé dans le produit d’étanchéité. Ce trou est ensuite bouché, et on prépare l’affichage à l’inspection finale. Les matériaux des cristaux liquides sont souvent livrés sous forme de systèmes bi- ou tricomposants, qui sont mélangés à l’injection. Les systèmes d’injection assurent le mélange et la purge de la cellule afin d’éviter que des bulles ne soient emprisonnées pendant le remplissage.

L’inspection et les essais

L’inspection et les essais fonctionnels sont effectués après assemblage et injection des cristaux liquides. La plupart des défauts (y compris de point et de ligne) sont liés à la présence de particules et à des problèmes de dimension de l’interstice de la cellule.

La pose du polarisateur

L’étape finale de la fabrication de l’affichage à cristaux liquides à proprement parler est l’application du polarisateur sur la face extérieure de chaque plaque de verre. Les films polarisateurs sont des couches composites qui comprennent la couche d’autoadhésif servant à fixer l’agent polarisant sur le verre. Ils sont appliqués par des machines automatisées qui distribuent le matériau à partir de bobines de feuilles prédécoupées. Ces machines sont dérivées des appareils d’étiquetage mis au point pour d’autres secteurs industriels. Le film polarisant est appliqué sur les deux faces de l’affichage.

Dans certains cas, une couche de compensation est appliquée avant le polarisateur. Il s’agit de films polymères (par exemple, polycarbonate et méthacrylate de polyméthyle), qui sont étirés dans un sens. Cet étirement modifie les propriétés optiques du film.

Un affichage terminé est ordinairement équipé de ses circuits intégrés de commande, montés sur l’un des substrats de verre ou à proximité, habituellement du côté couche de transistors.

Les risques

Le bris de verre est un risque non négligeable de la fabrication des LCD. Des cas de coupures et de lacérations peuvent se produire. Un autre sujet de préoccupation est celui de l’exposition aux produits chimiques utilisés pour le nettoyage.

Tableau 83.9 Fabrication des circuits imprimés: problèmes d'environnement,
de sécurité et de santé

AEMPG = acétate d’éther monométhylique de propylèneglycol; Cl₂ = chlore gazeux; CO = monoxyde de carbone; CuSO₄ = sulfate de cuivre; H₂O₂ = peroxyde d’hydrogène; H₂SO₄ = acide sulfurique; H₃PO₄ = acide phosphorique; HBr = acide bromhydrique; HCl = acide chlorhydrique; HNO₃ = acide nitrique; K₂CO₃ = carbonate de potassium; KMNO₄ = permanganate de potassium; Na₃PO₄ = phosphate de sodium; NH₄Cl = chlorure d’ammonium; NH₄OH = hydroxyde d’ammonium; NH₄HF₂ = bifluorure d’ammonium; NaOH = hydroxyde de sodium; NiSO₄ = sulfate de nickel; Pb = plomb; Sn = étain; SnCl₂ = chlorure stanneux; UV = ultraviolet; COV = composés organiques volatils.

Le montage des cartes à circuit imprimé

Cette étape comprend la fixation physique des composants électroniques sur la carte au moyen d’une soudure au plomb/étain (appliquée dans une machine de soudage à la vague, ou déposée sous forme de pâte puis refondue dans un four à basse température) ou de résines époxy (avec prise dans un four à basse température). La carte-support (simple face, double face, multicouches ou flexible) détermine la densité des composants qu’il est possible d’y fixer. C’est en fonction des nombreux problèmes de fabrication et de fiabilité à résoudre que l’on choisit la technique de montage. Les principaux procédés sont les suivants: technologie du montage en surface intégral, technologie mixte (comprenant à la fois le montage en surface et la technique des trous métallisés avec fixation par en dessous). En général, dans les usines modernes d’assemblage de composants électroniques et d’ordinateurs, on utilise la technologie mixte, où certains composants sont montés en surface, et d’autres connecteurs et composants sont soudés par la technologie du trou métallisé ou par refusion. On décrit plus loin un exemple typique de procédé mixte, avec montage en surface par fixation adhésive, soudage à la vague et soudage par refusion. Avec la technologie mixte, il est parfois possible de fixer par refusion des composants montés en surface sur la face supérieure d’une carte à simple face et de souder à la vague ceux de l’autre face. Ce genre de procédé est particulièrement utile lorsqu’il est nécessaire de combiner, sur une même carte, les technologies du montage en surface et des trous métallisés, ce qui est la norme dans la fabrication électronique actuelle. La première étape consiste à monter par refusion les composants montés en surface sur la face supérieure de la carte. On insère ensuite les composants fixés aux trous métallisés, puis on retourne la carte et on monte à l’adhésif les composants montés en surface de la face inférieure. La dernière étape est le soudage à la vague à la fois des composants fixés aux trous métallisés et des composants montés en surface de la face inférieure.

Les principaux stades du montage par technologie mixte sont les suivants:

• le pré- et le postnettoyage;
• l’application de soudure en pâte et d’adhésif (sérigraphie et implantation des composants);
• l’insertion des composants;
• le durcissement de l’adhésif et la refusion de la soudure;
• l’apport de flux (trou métallisé);
• la soudure à la vague (trou métallisé);
• l’inspection et les retouches;
• les essais;
• les reprises et les réparations;
• les opérations connexes — le nettoyage des pochoirs.

On trouvera ci-après un bref exposé des implications importantes pour l’environnement, la sécurité et la santé, de chaque stade du processus.

Le pré- et le postnettoyage

Les circuits imprimés du commerce, qui sont généralement achetés auprès d’un fournisseur spécialisé, ont été préalablement nettoyés avec une solution d’eau désionisée pour éliminer toute trace de pollution de surface. Avant que l’on ne se préoccupe des problèmes d’appauvrissement de la couche d’ozone, le nettoyage final fabricant, voire le prénettoyage fait par le monteur de cartes, était effectué à l’aide d’une substance du type chlorofluorocarbure (CFC). A la fin du processus de montage des cartes à circuit imprimé, l’application d’un solvant de ce type (dégraissage en phase vapeur) pour éliminer les résidus des opérations d’apport de flux et de soudure à la vague était également courante. Là encore, les préoccupations en matière de protection de l’atmosphère et des mesures réglementaires plus strictes limitant la production de CFC ont obligé à modifier les procédés soit en supprimant ce nettoyage, soit en utilisant seulement de l’eau désionisée.

L’application de soudure en pâte et d’adhésif (impression et mise en place du pochoir) et implantation des composants

L’application de soudure en pâte à la surface du circuit, qui permet d’y fixer les composants montés en surface, est une étape essentielle du processus de fabrication par ce système. La soudure fait office de liaison pour la conduction électrique et thermique, et de revêtement de protection de la surface, tout en en améliorant la soudabilité. Cette pâte est composée, pour 70 à 90% environ, de matières non volatiles (rapport de poids à poids ou de poids à volume):

• soudure plomb/étain;
• mélange de résines modifiées (acides de colophane ou colophane légèrement activée);
• activateurs (dans le cas de produits «sans nettoyage», mélanges d’hydrohalogénures d’amines et acides aminés, ou acides carboxyliques seuls).

Des solvants (substances volatiles) composent le reste du produit (généralement un mélange d’alcool et d’éther de glycol selon un dosage propre au fabricant).

La soudure en pâte est déposée par impression au pochoir, d’après un dessin reproduisant exactement le motif à appliquer à la surface de la carte. La pâte est poussée à travers les ouvertures sur les emplacements des liaisons de la carte par une raclette qui parcourt lentement la surface du pochoir. On soulève ensuite ce dernier, laissant les dépôts de pâte aux endroits appropriés; les composants sont ensuite implantés sur la carte. Les principaux risques pour la sécurité et la santé dépendent de la propreté et de l’hygiène individuelle des opérateurs chargés d’appliquer la pâte à la surface du pochoir et de nettoyer celui-ci et la raclette. La concentration de plomb dans la soudure et la tendance de la pâte à adhérer après séchage à la peau et aux surfaces de travail du matériel et de l’installation impose le port de gants de protection, un nettoyage efficace des surfaces de travail, des précautions (y compris d’ordre écologique) pour l’élimination et la manipulation des produits de nettoyage contaminés, et le respect d’une stricte hygiène individuelle de la part des opérateurs (par exemple, lavage des mains au savon avant de manger, de boire ou d’appliquer des cosmétiques). Les niveaux d’exposition aux substances en suspension dans l’air sont généralement inférieurs à la limite de détection pour le plomb et, si les règles de propreté et d’hygiène individuelle sont bien respectées, les concentrations de plomb dans le sang ne dépassent pas le niveau de fond.

L’application d’adhésif consiste à déposer automatiquement de petites quantités d’une résine époxy (généralement un mélange bisphénol A-épichlorhydrine) à la surface de la carte. Les risques pour la sécurité et la santé sont avant tout de nature mécanique et proviennent des machines de saisie et d’implantation automatique des composants, des navettes portant les composants à l’arrière de ces machines, et des risques de lésions graves par ces équipements faute de protections appropriées par barrières lumineuses et sécurités mécaniques.

Le durcissement de l’adhésif et la refusion de la soudure

Les cartes portant les composants fixés par application de pâte de soudage ou d’adhésif sont ensuite transférées par un convoyeur circulant à hauteur constante vers un four de refusion en ligne qui «active» la soudure en faisant fondre la pâte à environ 200 à 400 °C. Les composants fixés par adhésif époxy passent également par une étuve située en aval de la refusion et généralement chauffée entre 130 et 160 °C. Les éléments de solvant de la pâte de soudure et de la résine époxy sont chassés par ce traitement en étuve, mais les composants plomb/étain ne sont pas volatilisés. Un résidu en forme de toile d’araignée se forme dans la gaine d’évacuation du four de refusion. Un filtre à mailles métalliques permet d’empêcher ce phénomène. Il arrive aussi que des cartes se coincent sur le convoyeur et soient surchauffées dans le four, ce qui est à l’origine d’odeurs désagréables.

L’apport de flux

Pour qu’il se forme une bonne liaison par soudure entre la surface du circuit et le fil du composant, ces deux parties doivent être exemptes d’oxydation et le rester, même à la température élevée du soudage. En outre, la soudure fondue doit mouiller les surfaces des métaux à joindre, ce qui signifie que le flux doit réagir avec les oxydes métalliques présents et les éliminer des surfaces à assembler, et empêcher la réoxydation des surfaces nettoyées. Il importe également que les résidus soient non corrosifs et faciles à éliminer. Les flux employés pour le soudage des équipements électroniques se rangent en trois grandes catégories, communément appelées flux à la colophane, flux organiques ou solubles dans l’eau, et flux synthétiques nettoyables aux solvants. Les flux à faible teneur en matières solides «sans postnettoyage» ne contenant pas de composés organiques volatils (COV), plus récemment apparus, se rangent dans la deuxième catégorie.

Les flux à la colophane

Figure 83.6 Acides abiétiques et pimarique

La composante active est l’acide abiétique, qui est chimiquement actif à la température du brasage, et qui attaque l’oxyde de cuivre à la surface de la carte en formant de l’abiétate de cuivre. Les flux à base de colophane comportent trois composantes: le solvant, la colophane et l’activateur. Le solvant n’est que le véhicule du flux. Pour être efficace, la colophane doit être appliquée à l’état liquide sur le circuit imprimé. Pour ce faire, on dissout la colophane et l’activateur dans un système de solvants, généralement l’alcool isopropylique ou des mélanges d’alcools (alcool isopropylique, méthanol ou éthanol). On projette ensuite ce flux à la surface de la carte sous forme d’une mousse, par ajout d’air ou d’azote, ou par pulvérisation d’un mélange à faible teneur en matières solides, c’est-à-dire contenant plus de solvants. Les éléments solvants ayant des vitesses d’évaporation différentes, il est nécessaire d’ajouter au flux un diluant pour lui conserver une composition constante. Les principales catégories de flux à base de colophane sont la colophane faiblement activée, la plus couramment employée, et la colophane activée, à laquelle on a ajouté un activateur plus agressif.

Les principaux risques pour la santé présentés par les flux à base de colophane sont liés à leur base de solvants alcooliques. Les risques pour la sécurité concernent leur inflammabilité au stockage et à l’emploi, leur classement et leur manipulation en tant que déchets dangereux, les émissions aériennes et les systèmes de traitement nécessaires à l’élimination des COV, ainsi que les problèmes d’hygiène du travail consécutifs à l’inhalation et à l’exposition cutanée. Chacun de ces points nécessite des mesures de sécurité différentes, une instruction et une formation particulières des travailleurs, et des permis et certificats de conformité spécifiques (Association of the Electronics, Telecommunications and Business Equipment Industries, 1991).

Au cours de l’opération de soudure à la vague, le flux est chauffé entre 183 et 399 °C. Les produits en suspension dans l’air comprennent des aldéhydes aliphatiques, comme le formaldéhyde. De nombreux flux contiennent également un activateur organique au chlorhydrate d’amine, qui sert à nettoyer la zone à souder et qui dégage de l’acide chlorhydrique lorsqu’il est chauffé. Parmi les autres composants gazeux figurent le benzène, le toluène, le styrène, le phénol, le chlorophénol et l’alcool isopropylique. Outre ses éléments gazeux, le flux émet d’importantes quantités de particules de 0,01 à 1 micron, que l’on appelle fumées de colophane. Ces particules se sont révélées être des irritants respiratoires et des sensibilisateurs respiratoires chez certains individus prédisposés (Hausen, Krohn et Budianto, 1990). Au Royaume-Uni, les normes d’exposition aux substances en suspension dans l’air imposent de maintenir les fumées de colophane au plus bas niveau possible (Health and Safety Commission, 1992). De plus, la Conférence américaine des hygiénistes gouvernementaux du travail (American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH)) a défini une valeur limite d’exposition distincte pour les produits de pyrolyse des soudures à base de colophane, fixée à 0,1 mg/m³, sur la base des mesures de formaldéhyde (ACGIH, 1994). L’Association des industries du plomb (Lead Industries Association, Inc.) énumère l’acétone, l’alcool méthylique, les aldéhydes aliphatiques (mesurés par le formaldéhyde), le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone, le méthane, l’éthane, l’acide abiétique et les acides diterpéniques apparentés comme produits de décomposition typiques des soudures à âme colophane (Lead Industries Association, Inc.,1990).

Les flux organiques

Les flux organiques, parfois appelés flux intermédiaires ou solubles dans l’eau, sont des composés à la fois plus actifs que les flux à base colophane et moins corrosifs que les flux acides utilisés dans les industries métallurgiques. Les composés actifs de cette catégorie se rangent en trois groupes:

• les acides (stéarique, glutamique, lactique, citrique, par exemple);
• les halogènes (chlorhydrates, bromures, hydrazine, par exemple);
• les amides et amines (urée, triéthanolamine, par exemple).

Ces substances et d’autres parties de la préparation, comme les surfactants destinés à diminuer la tension de surface de la soudure, sont dissoutes dans du polyéthylèneglycol, des solvants organiques, de l’eau ou dans un mélange de plusieurs de ces éléments. Les flux organiques doivent être considérés comme des produits corrosifs, mais ils s’éliminent facilement avec de l’eau chaude.

Les flux synthétiques activés

Alors que les flux à base de colophane sont des substances solides que l’on dilue dans un solvant, les flux synthétiques activés sont généralement des préparations entièrement liquides (solvent + flux). Le solvant porteur s’évapore au cours de la phase de préchauffe de l’opération de soudure à la vague, laissant à la surface de la carte un résidu humide et huileux qu’il faut nettoyer dès la fin du soudage. La principale caractéristique des flux synthétiques activés est leur facilité de nettoyage avec un solvant approprié, généralement à base de fluorocarbures. Les mesures prises à l’encontre des substances contribuant à l’appauvrissement de la couche d’ozone (Fréon TF, Fréon TMS, etc.) ont sévèrement limité l’emploi de cette catégorie de flux.

Les flux à faible teneur en matières solides sans postnettoyage ou sans COV

Pour supprimer l’opération de nettoyage après soudage des résidus corrosifs ou poisseux avec des solvants aux fluorocarbures, il a été mis au point une nouvelle catégorie de flux qui s’est généralisée. Ces flux, dont l’activité est similaire à celle des flux à colophane faiblement activée, ont une teneur en matières solides d’environ 15%. Cette teneur, qui est une mesure de la viscosité, est le rapport entre flux et solvant. Plus elle est faible, plus la proportion de solvant est élevée. Plus elle est élevée, plus le flux est actif et plus un nettoyage après soudage risque d’être nécessaire. C’est pourquoi les flux à faible teneur en matières solides, qui ne nécessitent en principe pas de nettoyage postérieur, sont maintenant d’un emploi courant dans l’industrie électronique. Du point de vue des émissions aériennes et de l’environnement, ces types de flux ont supprimé la nécessité du dégraissage aux vapeurs de fluorocarbures des cartes soudées à la vague, mais leur plus forte teneur en solvant, par contre, a fait augmenter le volume des évaporations de solvants à base alcoolique, avec pour résultat des niveaux de COV plus élevés. Or, les niveaux d’émissions de ceux-ci dans l’air sont étroitement contrôlés aux Etats-Unis et dans de nombreux autres pays. On a remédié à cette situation par l’introduction de flux sans postnettoyage à base d’eau (et non plus de solvants), mais contenant des activateurs et des colophanes semblables aux autres. Les principaux ingrédients actifs sont à base d’acide dicarboxylique (2 à 3%), en général des acides glutarique, succinique et adipique. Ils contiennent également des surfactants et des inhibiteurs de corrosion (environ 1%), ce qui leur confère un pH acide de 3 à 3,5. Ces flux éliminent pratiquement les émissions aériennes de COV et les autres risques en matière de sécurité et de santé associés à l’utilisation de flux à base de solvants. Les produits de décomposition identifiés dans les flux à base de colophane restent les mêmes, et le pH en gros neutre ne nécessite pas que le matériel de manipulation des flux ait une résistance particulière aux acides. Dans certains cas, on a fait état de problèmes potentiels d’exposition cutanée ou respiratoire aux résidus secs moyennement acides des acides dicarboxyliques et d’inhibiteurs de corrosion qui peuvent se déposer sur les porte-cartes, les chariots de transport et les surfaces internes des machines de soudure à la vague des systèmes employant ces composés. En outre, il peut arriver que les composants aqueux de ces flux ne soient pas suffisamment évaporés avant de parvenir au bac de soudure en fusion, ce qui peut provoquer des projections de soudure chaude.

La soudure à la vague

Figure 83.7 Schéma d'une soudeuse à vague

La préchauffe

Les liquides porteurs de flux doivent être évaporés avant le soudage. Cette opération est effectuée par des préchauffeurs qui éliminent les composants liquides. Les préchauffeurs utilisés sont principalement de deux types: radiants (à barre chaude) et volumétriques (à air chaud). Les préchauffeurs radiants, très répandus aux Etats-Unis, présentent un risque d’inflammation du flux ou du solvant excédentaires, ou d’une décomposition du matériau de la carte si celle-ci vient à s’immobiliser sous l’élément chauffant. Une ventilation avec aspiration localisée est assurée du côté distributeur de flux/préchauffeur de la machine de soudure à la vague afin de recueillir et d’évacuer les vapeurs de solvants et de flux émises pendant ces opérations.

Le soudage

L’alliage de soudage (le plus souvent à 63% d’étain et 37% de plomb), contenu dans un grand réservoir, appelé bac à soudure, est chauffé électriquement de façon à maintenir la soudure à l’état fondu. L’équipement comprend un puissant élément de chauffe pour la fusion initiale de la masse, et une source de chaleur plus petite et régulée de contrôle thermostatique de la température.

Pour obtenir un soudage satisfaisant, le bac et les systèmes de recirculation doivent permettre de produire une vague homogène de soudure fraîche. Au cours du processus, la soudure pure se pollue de produits d’oxydation du plomb/étain, d’impuretés métalliques et de produits de décomposition du flux. Ces éléments forment des «crasses» à la surface du bain. Plus ces crasses s’accumulent, plus leur formation s’accélère. Les crasses compromettent l’opération de soudage et la vague de soudure elle-même. Si on les laisse s’accumuler dans le bac, elles risquent d’être aspirées par la pompe de recirculation et de provoquer une abrasion de la turbine. Les opérateurs de la machine doivent donc régulièrement décrasser la vague. L’opération consiste à écumer la soudure en fusion pour enlever les crasses solidifiées, et à recueillir ces résidus pour qu’ils soient régénérés et recyclés. Pour ce faire, l’opérateur doit ouvrir la trappe d’accès arrière (généralement une porte de type papillon) proche du bac, et écumer manuellement les crasses chaudes. Au cours de ce travail se dégagent du bac des émissions visibles, lesquelles ont des effets très irritants pour les yeux, le nez et la gorge des opérateurs. Ces derniers doivent porter des gants de protection thermique, un tablier, des lunettes, un masque de sécurité et un appareil de protection respiratoire contre les particules de plomb et d’étain et contre les gaz corrosifs (HCl et formaldéhyde). Dans des conditions normales, la ventilation avec aspiration localisée évacue les gaz directement dans la machine, mais pour le décrassage, le bac doit être extrait par des moyens mécaniques de l’enceinte principale pour que l’opérateur puisse accéder à ses deux côtés; une fois le bac sorti, les substances libérées ne sont plus aspirées. Les principaux risques en matière de sécurité et de santé sont les suivants: brûlures thermiques par la soudure chaude, exposition respiratoire aux substances précédemment indiquées, lésions dorsales dues à la manipulation des lourds lingots de soudure et des fûts de crasses, et exposition aux résidus et fines particules de plomb et d’étain au cours des travaux de maintenance.

Figure 83.8 Chariot de décrassage avec couvercle aspirant

L’inspection, les retouches et les essais

Les opérations d’inspection et de retouche, qui sont effectuées après le soudage à la vague, consistent en un examen détaillé, à l’aide de loupes et de systèmes d’éclairage spéciaux, avec rectification des imperfections décelées. Les travaux de retouche peuvent impliquer l’utilisation de fers à souder manuels, avec baguettes de soudure à âme de flux de colophane, ou avec application d’une petite quantité de flux liquide et de soudure de fil de plomb et d’étain. Les fumées visibles dégagées par le soudage à la baguette des produits témoignent de la décomposition du flux employé. Les gouttelettes de soudure n’ayant pas adhéré au joint soudé peuvent présenter un problème qui doit être résolu par des mesures de propreté des locaux et d’hygiène du personnel. Il convient de prévoir soit un ventilateur placé à proximité du poste de travail, qui assurera une ventilation par dilution dans l’air ambiant en soufflant les produits loin de la zone respiratoire de l’opérateur, soit un système plus élaboré d’aspiration, recueillant les fumées à la pointe du fer à souder ou au-dessus de la pièce en cours de retouche. Les fumées sont ensuite dirigées vers un épurateur d’air avec filtre à particules à haut rendement et adsorption des gaz par charbon actif, afin d’éliminer les gaz d’aldéhyde aliphatique et d’acide chlorhydrique. L’efficacité de ces systèmes d’extraction au poste de soudage dépend pour une grande part de la vitesse d’aspiration, de la proximité du système du point d’émission des fumées et de l’absence de courants d’air parasites près de la surface de travail. Les essais électriques que subit ensuite la carte terminée nécessitent un matériel et des logiciels spécialisés.

Les reprises et les réparations

Selon les résultats des essais effectués, on soumet les cartes défectueuses à une évaluation pour déterminer les composants en cause, lesquels doivent alors être remplacés. Cette reprise des cartes peut nécessiter un soudage à la baguette. S’il s’avère nécessaire de remplacer des composants importants, tels qu’un microprocesseur, on recourt à un bac à soudure de reprise, dans lequel on plonge la partie de la carte comportant la liaison ou le composant défectueux, pour pouvoir déposer l’élément concerné et le remplacer. Si le composant est plus petit ou plus facile à enlever, on emploie un système de chauffe par air chaud avec pompe à soudure pour aspirer la soudure. Le bac de reprise est placé dans une enceinte équipée d’un système de ventilation avec aspiration localisée suffisamment puissant pour capter les produits de décomposition du flux qui se forment lors de l’application au pinceau de la soudure liquide sur la carte jusqu’à la solidification. Dans ce bac, il se forme également des crasses, ce qui impose là encore des équipements et des procédures de décrassage, quoique à une échelle nettement moindre. Dans le cas du système par air chaud avec pompe à soudure, il n’est pas nécessaire de prévoir une enceinte close, mais il faut, par contre, manipuler, régénérer et recycler les résidus de soudure plomb/étain récupérés en tant que déchets dangereux.

Les opérations connexes — le nettoyage des pochoirs

Comme il a été dit, la première étape du montage des cartes de circuits imprimés consiste à poser un pochoir destiné à former le dessin selon lequel la pâte de soudure plomb/étain doit être appliquée à la raclette. De façon générale, les ouvertures du pochoir commencent à s’obstruer après une journée de travail, et il faut alors éliminer les résidus de plomb et d’étain qui s’y sont accumulés. On procède généralement à un prénettoyage sur l’imprimante sérigraphique pour enlever le plus gros des résidus par un essuyage de la surface avec des tampons jetables, imbibés d’un mélange d’alcools dilués. Pour éliminer complètement les résidus restants, une opération de nettoyage par voie humide est nécessaire. On utilise alors un appareil ressemblant à un grand lave-vaisselle, dans lequel on effectue un lessivage à l’eau chaude (57 °C) avec une solution d’amines aliphatiques diluées (mono-éthanolamine) pour éliminer chimiquement la pâte de soudure sur le pochoir. Ce lessivage entraîne d’importantes quantités de soudure plomb/étain qui se déposent dans la chambre de lavage ou partent en solution dans l’effluent aqueux. Cet effluent doit donc subir une filtration ou une opération d’élimination chimique du plomb, ainsi qu’un ajustement du pH (à l’acide chlorhydrique) en ce qui concerne les amines aliphatiques. Les systèmes les plus récents de nettoyage des pochoirs en circuit fermé utilisent la même solution de lavage jusqu’à ce qu’elle soit épuisée. Cette solution est envoyée à une installation de distillation, où les éléments volatils sont distillés jusqu’à ce qu’il subsiste un résidu semi-liquide, qui est ensuite traité comme déchet dangereux contenant du plomb et de l’étain.

L’assemblage des ordinateurs

Une fois terminée, la carte passe par des circuits de montage où elle est incorporée au produit informatique final. Cette phase implique généralement beaucoup de main-d’œuvre, avec acheminement des composants à assembler à chacun des postes de travail par des chariots de desserte parcourant la chaîne de montage. Les principaux risques pour la sécurité et la santé ont trait au déplacement et à la manutention (chariot élévateur, levage manuel), aux effets ergonomiques des opérations de montage (amplitude du mouvement, force d’insertion nécessaire à l’implantation des composants, pose de vis et de connecteurs) et à l’emballage final, y compris sous film thermorétractable et à l’expédition. De façon générale, l’assemblage d’un ordinateur comprend les étapes suivantes:

• la préparation du châssis/boîtier;
• l’insertion des cartes (cartes mères et cartes filles);
• la pose des principaux composants (lecteur de disquette, disque dur, alimentation, lecteur de CD-ROM);
• la pose de l’écran (pour les portables uniquement);
• le montage de la souris et du clavier (pour les portables uniquement);
• l’installation du câblage, des connecteurs et des haut-parleurs;
• le montage du capot supérieur;
• le chargement de logiciels;
• les essais;
• les reprises;
• la charge et l’emballage des batteries (pour les portables uniquement);
• la pose de film thermorétractable et l’expédition.

Les seuls produits chimiques utilisés dans les opérations d’assemblage sont ceux servant au nettoyage final du boîtier de l’ordinateur ou de l’écran, à savoir en général une solution d’alcool isopropylique dans l’eau ou un mélange d’agents nettoyants du commerce, comparable au Simple Green — une solution aqueuse de butyl-cellosolve — vendu aux Etats-Unis.

Figure 83.9 Distribution des taux d'incidence des accidents du travail et des
maladies professionnelles par région du monde, 1993 et 1994

Figure 83.10 Distribution des taux d'incidence des accidents du travail et des
maladies professionnelles avec arrêt de travail par région du monde, 1993 et 1994

Figure 83.11 Incidence comparée des cas de journées de travail perdues¹ par
type d'incident ou d'exposition

Figure 83.12 Incidence comparée de cas de journés de travail perdues¹ pour cause
d'accident ou de maladie, 1993

Figure 83.13 Incidence comparée des cas de journées de travail perdues¹ par
nature de l'accident ou de la maladie, 1993

Figure 83.14 Incidence comparée des cas de journées de travail perdues¹ selon
le siège de la lésion, 1993

Tableau 83.10 Production de déchets lors de la fabrication

1 Le recours aux mesures d’atténuation dépend des limites imposées aux rejets à l’endroit en question.² Sont considérés comme déchets solides tous les matériaux mis en décharge, quel que soit leur état.

Tableau 83.11 Production de déchets lors de la fabrication de cartes à circuit
imprimé et mesures de protection de l'environnement

Tableau 83.12 Production de déchets lors de la fabrication de semi-conducteurs
et mesures de protection de l'environnement

Les moyens suivants sont généralement admis pour réduire les émissions polluantes des usines de fabrication des circuits imprimés, des cartes à circuit imprimé et des semi-conducteurs. Les solutions choisies varient selon les possibilités techniques, les obligations réglementaires, la nature particulière et la concentration des éléments rejetés.

L’épuration des eaux usées

La précipitation chimique

La précipitation chimique est généralement utilisée pour éliminer des effluents liquides les métaux solubles ou en particules. Etant donné que ces métaux ne se dégradent pas naturellement et qu’ils sont toxiques à de faibles concentrations, leur élimination des eaux usées industrielles est un enjeu capital. N’étant pas très solubles dans l’eau, ils peuvent être éliminés par voie chimique. Leur solubilité dépend du pH, de la concentration et du type de métal et de la présence d’autres ions. Il faut en principe ajuster le pH des effluents pour obtenir la précipitation du métal. L’ajout de produits chimiques aux effluents est nécessaire pour modifier l’état physique des solides dissous et en suspension. On utilise communément de la chaux et des agents de précipitation caustiques et à base de sulfures. Ces agents favorisent la coagulation ou la sédimentation des métaux en suspension, ou provoquent leur agglomération à un précipité.

Le résultat de la précipitation chimique est la production de boues. C’est pourquoi des procédés d’extraction de l’eau, au moyen de centrifugeuses, de presses filtrantes, de filtres ou de bacs de déshydratation ont été mis au point pour réduire le poids de ces boues. Les boues concentrées ainsi produites sont ensuite incinérées ou mises en décharge.

La neutralisation du pH

Le pH (concentration en ions hydrogène ou acidité) est un important paramètre de qualité des eaux usées industrielles. Les valeurs extrêmes de pH ayant des effets nuisibles sur les eaux naturelles et sur les opérations de traitement des effluents, il est nécessaire d’ajuster le pH des eaux usées industrielles avant qu’elles quittent l’usine. Ce traitement s’effectue dans une série de cuves où la concentration en ions hydrogène est contrôlée. En général, on utilise l’acide chlorhydrique ou l’acide sulfurique pour neutraliser les effluents caustiques et l’hydroxyde de sodium pour les effluents acides. L’apport d’agent neutralisateur est dosé de façon à amener le pH des effluents en sortie à la valeur voulue.

Il est souvent nécessaire de procéder à cette opération avant d’appliquer d’autres procédés de traitement, tels que la précipitation chimique, l’oxydation/réduction, l’adsorption par charbon actif, l’épuration ou l’échange ionique.

La gestion des déchets solides

On considère comme déchets solides les matériaux qui sont éliminés par mise en décharge, incinération ou stockage, ou que l’on traite avant ou au lieu de les mettre en décharge (US Code of Federal Regulation 40, Section 261.2). Les déchets qualifiés de dangereux possèdent en général une ou plusieurs des caractéristiques ci-après: inflammabilité, corrosivité, réactivité, toxicité. Selon les cas, différents moyens sont mis en œuvre. L’incinération est couramment employée pour traiter les déchets de solvants et de métaux produits au cours de la fabrication des circuits imprimés, des cartes à circuit imprimé et des semi-conducteurs.

L’incinération

Le recours à l’incinération (ou destruction thermique par postcombustion) est aujourd’hui très répandu pour les déchets toxiques et inflammables. Dans de nombreux cas, les déchets inflammables (solvants) servent de combustible (en mélange avec d’autres) dans les incinérateurs thermiques et catalytiques. Une bonne incinération des solvants et des déchets toxiques assure une oxydation complète et convertit les substances combustibles en dioxyde de carbone, en eau et en cendres, éliminant ainsi tous les risques associés aux déchets dangereux. Le choix de la méthode d’incinération dépend de la température de combustion, des caractéristiques du combustible et du temps de séjour. Les incinérateurs thermiques, qui fonctionnent à température élevée, sont d’un usage très répandu pour les composés halogénés. Les différents systèmes d’incinérateurs thermiques sont le four rotatif, l’injection liquide, le foyer fixe, le lit fluidisé, ainsi que d’autres systèmes de conception évoluée.

Les incinérateurs catalytiques oxydent les substances combus-tibles (les composés organiques volatils (COV), par exemple) par injection d’un courant de gaz chaud à travers un lit catalyseur. Ce lit augmente la surface active, et l’injection d’un courant de gaz chaud permet à la combustion de se dérouler à une température inférieure à celle de l’incinération thermique.

Les émissions aériennes

L’incinération permet également de contrôler les émissions aériennes. On recourt aussi à l’absorption et à l’adsorption.

L’absorption

L’absorption de l’air est généralement utilisée pour épurer les émissions corrosives. Elle consiste à faire passer le produit contaminant à travers un liquide non volatil (de l’eau, par exemple) dans lequel il se dissout. Les effluents de ce processus sont envoyés en principe à un circuit de traitement des eaux usées, où ils subissent un ajustement de pH.

L’adsorption

L’adsorption consiste à faire adhérer (par des forces physiques ou chimiques) une molécule de gaz à une autre substance, appelée adsorbante. Elle est généralement employée pour extraire les solvants d’émissions atmosphériques. Le charbon actif, l’alumine activée ou le gel de silice sont des adsorbants d’usage courant.

Le recyclage

Les matériaux recyclables sont utilisés, réutilisés ou récupérés comme ingrédients d’un produit industriel. Le recyclage est un moyen écologique et économique de traitement de certains types de matériaux et de déchets particuliers, comme les métaux et les solvants. Le recyclage peut être assuré dans l’entreprise, ou sur des marchés secondaires qui acceptent les matériaux recyclables. La solution du recyclage est choisie en tenant compte des contraintes financières, réglementaires et technologiques.

Les orientations futures

A une époque où la société exige de plus en plus instamment que des mesures de prévention de la pollution soient mises en place, et où l’industrie recherche des moyens économiques pour réduire la consommation de produits chimiques et le volume des déchets produits, le secteur de l’électronique devra évaluer les nouvelles techniques et technologies permettant d’améliorer la gestion des substances dangereuses et des déchets. L’approche de la dépollution en aval a fait place aux techniques de prise en compte de l’environnement dès la conception, dans lesquelles on considère les problèmes d’environnement sur tout le cycle de vie du produit, ce qui inclut l’économie de matériaux, l’efficacité des opérations de fabrication, l’emploi de matériaux moins agressifs pour l’environnement, le recyclage, la régénération et la récupération des déchets, et bien d’autres techniques qui permettront de réduire l’impact sur l’environnement de l’industrie électronique. Parmi les problèmes à résoudre, il faut citer celui de la très grande quantité d’eau consommée, notamment au cours des étapes de rinçage de la fabrication de composants microélectroniques. Dans les zones pauvres en eau, les industriels doivent trouver des solutions. Ils doivent néanmoins s’assurer que les produits de remplacement (solvants, par exemple) ne créent pas à leur tour d’autres problèmes d’environnement.

Tableau 83.13 Tableau des besoins prioritaires

Source: Microelectronics and Computer Technology Corporation (MCC), 1994.