Por qué la sostenibilidad del agua es vital para la industria de los semiconductores

En la fabricación de semiconductores, el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores de silicio suele constar de seis pasos universales: oxidación, litografía, grabado, dopaje, deposición química en fase vapor y metalización. Estas etapas son cruciales para dar forma a las obleas de silicio y crear los intrincados circuitos que constituyen la base de los dispositivos semiconductores. 

La mitad de estos procesos de fabricación requieren el uso de agua ultrapura para mantener la integridad y la calidad de los dispositivos semiconductores. Durante la etapa de oxidación, se utiliza agua ultrapura para limpiar y enjuagar, con el fin de garantizar la pureza de la capa de óxido que se forma en la superficie de las obleas de silicio. En la fase de litografía, el agua ultrapura desempeña un papel fundamental en la limpieza y el enjuague de las obleas después de cada exposición para eliminar cualquier residuo de fotorresina o contaminantes, preservando así la exactitud y precisión de los patrones transferidos. Por último, en el proceso de deposición química en fase vapor, el agua ultrapura sirve como disolvente y agente de enjuague para preparar soluciones precursoras y limpiar la cámara de deposición, lo que facilita la deposición de películas delgadas sobre obleas de silicio con la máxima pureza y fiabilidad.

Las cifras relacionadas con el consumo de agua en la fabricación de semiconductores son asombrosas:

• En las fábricas de semiconductores, aproximadamente tres cuartas partes del agua total utilizada está directamente relacionada con el proceso de fabricación.  
• Generar 4546 litros de UPW consume aproximadamente entre 5300 y 6057 litros de agua municipal.

• Una gran planta de fabricación de semiconductores (Fab) que procesa alrededor de 40 000 obleas al mes puede consumir hasta 18 169 977 litros de agua al día.. Esto equivale al consumo anual de agua de una ciudad habitada por 60 000 personas. 

Retos y riesgos de los semiconductores 

La rápida expansión de la industria de los semiconductores plantea un importante problema en términos de gestión sostenible del agua. Los riesgos asociados al uso insostenible del agua en la fabricación de semiconductores son múltiples y pueden tener importantes repercusiones tanto para la industria como para el medio ambiente. 

Algunos de estos riesgos son:

Impacto medioambiental y sostenibilidad: El uso insostenible del agua puede provocar el agotamiento de las fuentes de agua locales y los ecosistemas, lo que afectaría a los hábitats acuáticos, la biodiversidad y la calidad del agua. El vertido de aguas residuales sin tratar o tratadas de forma inadecuada en las masas de agua también puede contribuir a la contaminación, dañando la vida acuática y los ecosistemas.

Cumplimiento normativo: Los organismos reguladores imponen normas y reglamentos estrictos sobre el uso del agua y el vertido de aguas residuales (tanto en términos de calidad como de cantidad) para proteger los recursos hídricos y la salud pública. El incumplimiento de estas normativas puede acarrear consecuencias legales, multas y daños a la reputación de las empresas de semiconductores, lo que afectaría a sus operaciones y a sus resultados.  

En los últimos años, los organismos reguladores se han centrado cada vez más en la cuestión de la contaminación por PFAS (sustancias perfluoroalquílicas y polifluoroalquílicas). Estos productos químicos sintéticos, utilizados en diversas industrias, plantean riesgos significativos para la salud y el medio ambiente. Aunque la normativa se ha centrado principalmente en el agua potable, existe una creciente preocupación por la presencia de PFAS en las aguas residuales. En el sector de la fabricación de semiconductores, los productos químicos y materiales que contienen PFAS pueden provocar contaminación al entrar en los flujos de aguas residuales. A medida que aumenta la concienciación sobre este problema, se espera que los organismos reguladores desarrollen directrices y normas más estrictas dirigidas específicamente a los PFAS en los vertidos de aguas residuales.

Escasez de agua: En regiones que sufren escasez de agua o condiciones de sequía, la competencia por los recursos hídricos puede intensificarse, lo que da lugar a conflictos con las comunidades locales, la agricultura y otras industrias.  Un análisis reciente de las calificaciones de S&P Global afirma que «consideramos que la escasez de agua es un riesgo para la próxima década en el sector del hardware tecnológico, especialmente en el subsector de los semiconductores, que consume mucha agua». Una gestión inadecuada de este riesgo podría afectar a las operaciones y la solvencia de un fabricante de chips».

Limitaciones de la infraestructura de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales públicas (POTW, por sus siglas en inglés):Estas limitaciones restringen tanto la expansión de las tuberías de agua sin tratar en las instalaciones de fabricación como el transporte de los efluentes fuera de las instalaciones tras la fabricación. La imposibilidad de ampliar las tuberías de agua bruta puede afectar a la capacidad y la eficiencia de la producción, mientras que las limitaciones en el transporte de efluentes dificultan la gestión adecuada de las aguas residuales y el cumplimiento de la normativa medioambiental, lo que puede dar lugar a la acumulación de aguas residuales sin tratar en las instalaciones y plantear riesgos medioambientales y problemas de cumplimiento normativo.

Interrupción de la producción: La escasez de agua o las interrupciones en el suministro de agua pueden interrumpir las operaciones de fabricación de semiconductores, lo que provoca retrasos en la producción, aumento de los costes y reducción de la productividad. 

Costes financieros: Las prácticas de uso insostenible del agua pueden suponer importantes costes financieros para las empresas de semiconductores, incluidos los gastos relacionados con la obtención, el tratamiento y la eliminación del agua. 

Reputación y relaciones con las partes interesadas: La publicidad negativa en torno a cuestiones relacionadas con el agua, como incidentes de contaminación o preocupaciones por la escasez de agua, puede dañar la reputación de una empresa de semiconductores y erosionar la confianza de las partes interesadas. 

El camino hacia la resiliencia:  Gestión sostenible del agua

Para hacer frente a los riesgos mencionados, las empresas de semiconductores deben adoptar prácticas sostenibles de gestión del agua, principalmente recuperando la mayor cantidad posible de agua en sus procesos. Aquí es donde entra en juego el tratamiento industrial del agua. 

El enfoque convencional para el tratamiento del agua en la industria de los semiconductores sigue el tratamiento con biorreactor de membrana (MBR), que utiliza el proceso pH RO (ósmosis inversa de alta eficiencia), extremadamente eficaz para el agua que contiene sílice. Este proceso, aunque capaz de abordar algunos de los problemas más difíciles relacionados con el agua de alimentación y las aguas residuales industriales y de alcanzar altas tasas de recuperación, exige un esfuerzo considerable y un uso intensivo de productos químicos. Además, el proceso es muy sensible; los errores más mínimos pueden dañar los equipos, complicando el proceso de desalación y reduciendo la eficiencia.

Soluciones innovadoras para el tratamiento de agua en semiconductores

IDE ha sido pionera en una tecnología revolucionaria para el tratamiento de agua industrial que aborda muchos de los retos inherentes a los métodos tradicionales. Esta innovadora solución combina dos tecnologías sinérgicas: La ósmosis inversa por flujo pulsado (PFRO) y el  desaladorMAX H2O. En conjunto, estas tecnologías facilitan altas tasas de recuperación de agua, evitando las complejidades y los intensos requisitos químicos típicos de los métodos convencionales, como el proceso pH RO. Cabe destacar que la PFRO y el desalador MAX H2O también reducen significativamente los costes de capital, el espacio físico necesario y los gastos operativos.  

PFRO funciona de manera única como un proceso de una sola etapa, descargando salmuera a alta velocidad, en pulsos periódicos que duran unos segundos, seguidos de períodos prolongados de recuperación del 100 % sin descarga de salmuera. Estos ciclos cortos de concentración y lavado intensivo, más cortos que el tiempo de inducción, permiten que la PFRO alcance una supersaturación extremadamente alta de minerales disueltos, lo que evita la formación de cristales, previene la bioincrustación y la formación de incrustaciones y permite tasas de recuperación significativamente más altas en comparación con los sistemas de ósmosis inversa convencionales. 

Además, la PFRO reduce los gastos de capital y operativos al disminuir el consumo de energía y las caídas de presión mediante el bombeo discontinuo de salmuera, además de requerir menos recipientes a presión y membranas, lo que se traduce en un ahorro de costes. La eliminación del reciclaje de salmuera contribuye aún más a reducir el consumo de energía y a aumentar la eficiencia del sistema. Además, los sistemas de PFRO son modulares y escalables, se integran perfectamente en nuevas plantas o se adaptan a instalaciones existentes, y pueden funcionar como sistemas independientes o en paralelo con sistemas de ósmosis inversa convencionales.

Un proyecto reciente de IDE con un fabricante industrial de semiconductores para diseñar y construir el sistema de RO por flujo pulsado (PFRO) de IDE para la minimización de salmuera en las instalaciones del cliente, logró con éxito una tasa de recuperación del 54 %, lo que aumentó la recuperación total de la instalación al 88 %.

El caso empresarial para la sostenibilidad del agua

La adopción de prácticas de gestión sostenible del agua ofrece importantes ahorros de costes y mejoras de eficiencia a las empresas de semiconductores, conocidas por su elevado consumo de agua. Mediante la implementación de sistemas de reciclaje de agua más eficientes, estas empresas pueden reducir drásticamente el volumen de agua dulce necesario y disminuir sus costes de adquisición de agua. Las tecnologías de tratamiento avanzadas permiten reutilizar las aguas residuales, lo que reduce los costes de eliminación y cumplimiento normativo. La gestión eficiente del agua y el uso del agua en la fabricación de semiconductores también se correlacionan con una reducción del consumo energético, ya que se necesita menos energía para calentar, enfriar y transportar el agua, lo que reduce directamente los costes operativos. 

Al centrarse en la gestión sostenible del agua, las empresas de semiconductores no solo abordan los aspectos éticos de la conservación de los recursos, sino que también mejoran significativamente su eficiencia operativa y su rentabilidad. Este enfoque estratégico contribuye en última instancia a un modelo de negocio más resistente y financieramente estable.