Воздействие на окружающую среду и переработка компонентов Тиристора

Тиристоры являются полупроводниковыми устройствами, широко используемыми в силовой электронике для управления высоким напряжением и током. По мере их использования в таких отраслях, как возобновляемые источники энергии, электромобили и промышленные двигатели, понимание их воздействия на окружающую среду и возможностей для переработки становится решающим для устойчивого развития. В этой статье исследуется полный жизненный цикл тиристоров - от добычи сырья до производства, использования и утилизации в конце срока службы - и рассматриваются методы утилизации, проблемы и будущие направления.

Понимание тиристоров и их применения

Тиристоры представляют собой четырехслойные трехконтактные полупроводниковые устройства, которые действуют как бистабильные переключатели, оставаясь в состоянии, когда ток срабатывает, пока не упадет ниже порога удержания. Они необходимы в мощных приложениях, таких как преобразователи переменного тока / постоянного тока, преобразователи мощности, схемы фазового управления и мягкие стартеры. Общие типы включают кремниевые управляемые выпрямители (SCR), триаки и тиристоры выключения затвора (GTO). Широкое внедрение этих компонентов в интеллектуальных сетях, железнодорожной тяге и ветряных турбинах усилило их воздействие на окружающую среду, что делает управление истечением срока службы приоритетом.

Воздействие на окружающую среду тиристоров

Добыча и рафинирование сырья

Тиристоры в основном построены на кремниевых пластинах, но они также содержат небольшое количество других элементов, критически важных для их электрических свойств.

Силикон — получен из кварцевого песка за счет энергоемкого карботермического снижения при температурах выше 1900 °C, выделяя значительный CO2.
Допанты — фосфор, бор и мышьяк, используемые для создания р-n соединений; мышьяк — токсичный тяжелый металл, требующий тщательной обработки.
Слои металлизации — часто алюминий, медь, а иногда золото или серебро для проводных связей.
Старые тиристоры могут содержать свинец в пайке или в качестве добавки в керамических упаковках. Хотя они ограничены RoHS (ограничение опасных веществ) с 2006 года, устаревшее оборудование по-прежнему содержит свинец.

Добыча и очистка этих материалов потребляют большое количество энергии и воды, генерируют отходы горной промышленности и способствуют деградации экосистем.На производство кремния приходится примерно 1-2 кг СО2 на кг кремния металлургического класса, а дальнейшая очистка до полупроводникового класса удваивает или утрояет эту цифру.

Фаза производства

Изготовление тиристора включает фотолитографию, диффузию, окисление и осаждение металлов, все из которых требуют чистых помещений и высокотемпературных печей. Производственный процесс производит несколько потоков отходов:

Химические отходы от травления ванн, растворителей и фоторезистентных разработчиков.
Используемые кремниевые пластины часто выбрасываются после дефектного разделения матрицы.
Потребление энергии — одно производство пластин может потреблять десятки мегаватт электроэнергии, что приводит к косвенным выбросам.

Кроме того, процессы упаковки (инкапсуляция в пластике или керамике) вводят полимеры и стеклянные волокна, которые усложняют переработку в конце жизни.

Использование фазовых и эксплуатационных выбросов

Во время работы тиристоры сами не выделяют загрязняющие вещества, но они обеспечивают преобразование энергии, которое может улучшить или ухудшить экологические характеристики. Например, замена механического реле коммутатором на основе SCR может уменьшить электромагнитные помехи и повысить эффективность. Однако тиристоры генерируют тепло, которое должно рассеиваться алюминиевыми теплоотводами и часто охлаждающими вентиляторами, добавляя материальные затраты и потребление энергии в течение срока службы устройства. Выбросы фазы использования являются косвенными - электричество, потребляемое устройством и его системой охлаждения. Усовершенствованные конструкции, такие как тиристоры с выключателем затвора (GTO), имеют более высокие потери переключения, чем современные IGBT, что означает, что старые тиристорные системы могут быть менее энергоэффективными.

Риски удаления и загрязнения в конце жизни

Когда тиристоры выбрасываются, они становятся частью глобального потока электронных отходов (электронных отходов) — самой быстрорастущей категории твердых отходов. По данным Глобального партнерства по статистике электронных отходов, только около 20% электронных отходов официально перерабатывается. Остальная часть отходов засыпается на свалки или неформально обрабатывается, часто в развивающихся странах, где токсичные материалы могут выщелачиваться в грунтовые воды или выделять пары во время открытого горения.

Ключевые загрязнители из неправильно расположенных тиристоров включают:

Свинец — повреждает нервную систему и почки, особенно у детей.
Мышьяк — известный канцероген, способный загрязнять водоснабжение.
Огнезащитные средства в пластиковых упаковках — биоаккумулятивные и токсичные.
Силиконовая пыль (FLT:0) — не биологически токсична, но может вызвать раздражение дыхательных путей при вдыхании во время ручного демонтажа.

Сложность современных устройств, с несколькими слоями материала, слитыми вместе, делает разделение сложным и дорогим.

Регуляторный ландшафт, влияющий на удаление Тиристора

Несколько международных и национальных правил регулируют утилизацию и переработку тиристоров:

Директива RoHS (EU 2011/65/EU) — ограничивает свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, ПБД и ПБДЭ в новом электронном оборудовании. Тиристоры, изготовленные после 2006 года для рынков ЕС, в основном не содержат свинца.
Директива WEEE (2012/19/EU) — требует отдельного сбора и обработки отходов электрического и электронного оборудования, включая силовые полупроводниковые устройства.
Базельская конвенция (FLT:0) — ограничивает трансграничное перемещение опасных электронных отходов, предотвращая демпинг в развивающихся странах.
Правила США — Закон о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA) регулирует опасные отходы, но большинство электронных отходов из тиристоров автоматически не классифицируются как опасные, если они не содержат значительного свинца или мышьяка.

Соответствие сильно варьируется, и многие тиристоры с истекшим сроком службы из промышленного оборудования все еще отправляются в смешанные металлоломные потоки, где они измельчаются с помощью больших приборов, теряя материальную ценность.

Переработка компонентов Thyristor: процессы и возможности

Переработка предлагает двойное преимущество восстановления ценных материалов и снижения потребности в экстракции. Типичный тиристор содержит около 95% кремния (по весу полупроводникового штампа), 3-4% металла и 1% упаковочных материалов. Однако инкапсуляция и небольшие размеры делают восстановление сложным.

Шаги перед переработкой: сбор и сортировка

Эффективная переработка начинается с надлежащей сегрегации. Тиристоры часто устанавливаются на печатных платах (ПХД) или сборках радиаторов. На специальном объекте по переработке электронных отходов доски сортируются по типу. Целые устройства можно обезвоживать с помощью ванн с горячей водой или инфракрасного отопления. Этот шаг должен быть выполнен, чтобы избежать улетучивания свинца или других опасных веществ.

Механическое раздавливание и разделение

Большие объемы тиристоров можно подавать в промышленные измельчители, которые разбивают компоненты на мелкие частицы (менее 10 мм). Серия механических процессов затем разделяет материалы по физическим свойствам:

Магнитное разделение — удаляет черные металлы (железо, никель) из отводов и рам.
Эдди разделение тока — извлекает цветные металлы, такие как медь и алюминий.
Классификация или разделение плотности воздуха (FLT: 1) — отделяет более легкие пластиковые/полимерные фракции от более тяжелых частиц кремния и металла.

Полученная смешанная фракция (кремний, некоторые металлы и остаточный пластик) называется «остатком шреддера».

Химический прорыв для восстановления металлов

Гидрометаллургические методы растворяют металлы из измельченного материала с использованием кислот или цианидных растворов. Для тиристоров основными интересующими металлами являются медь, алюминий и следовое золото. Типичный процесс включает в себя:

Кислотное выщелачивание серной кислотой и перекисью водорода для растворения меди и алюминия.
Экстракция растворителя или цементация для извлечения меди из выщелачивающего ликера.
Адсорбция активированного углерода для извлечения золота (хотя содержание золота в современных тиристорах чрезвычайно низкое — обычно менее 5 ppm).

Химические остатки должны быть нейтрализованы и обработаны, что увеличивает стоимость. В новых процессах используются нецианидные ликвивианты, такие как тиосульфат, для снижения экологических рисков.

Термические процессы для восстановления кремния

Кремний, извлеченный из тиристоров, обычно нечист и смешивается с керамической упаковкой. Для получения кремния высокой чистоты, подходящего для новых солнечных элементов или полупроводников, может использоваться пирометаллургический подход:

Тепловое расслоение — нагревание измельченного материала до 400-600°С в атмосфере без кислорода для испарения органической упаковки.
Кислотное выщелачивание золы для удаления металлов.
Направление затвердевания или зонное рафинирование — хотя этот шаг энергоемкий и экономичный только для крупносерийных партий.

В настоящее время большинство переработанного тиристорного кремния в конечном итоге является низкосортным сырьем для ферросиликоновой промышленности или в качестве добавки в бетоне, а не повторно используется в электронике. Исследования продолжаются для повышения уровня чистоты до «солнечного» (99,99999%) с использованием комбинированных влажных химических и термических процедур.

Восстановление редких элементов Земли

Некоторые специализированные мощные тиристоры, особенно те, которые используются в тяге или плавке, содержат небольшое количество редкоземельных элементов, таких как иттрий или скандий в структуре ворот. Они очень ценны, но присутствуют в мельчайших количествах. В настоящее время восстановление от тиристоров экономически нецелесообразно в масштабе - концентрация слишком низкая - но по мере роста спроса на редкоземельные элементы добыча может стать жизнеспособной с помощью улучшенных технологий сортировки на основе датчиков.

Инновации в технологии переработки Thyristor

Научно-исследовательские учреждения и компании по переработке разрабатывают новые методы повышения коэффициентов восстановления:

Электростатическое разделение — использует высоковольтные поля для отделения полупроводниковых частиц от пластмасс на основе проводимости. Это может увеличить чистоту кремния с 50% до более 90%.
Сверхкритическая экстракция жидкости — использует CO2 при высоком давлении и температуре для растворения органических упаковочных материалов без сильных кислот, уменьшая химические отходы.
Биоотщепление — использование бактерий, таких как Acidithiobacillus ferrooxidans, для растворения металлов из измельченного тиристорного порошка.
Автоматизированный выбор и место с визуальным распознаванием ИИ — для идентификации и удаления тиристоров из смешанных потоков ПХБ перед измельчением, что позволяет повторно использовать целые компоненты, а не перерабатывать материал. Единый функционирующий тиристор может быть протестирован и продан в качестве запасной части, продлевая его срок службы.

Эти технологии все еще находятся в экспериментальном масштабе или на ранней стадии коммерциализации, но они обещают сделать переработку тиристора более круговой.

Проблемы для широкой переработки

Несмотря на технический прогресс, сохраняются несколько барьеров:

Экономическая жизнеспособность

Стоимость материалов в одном тиристоре ничтожна — часто менее одного цента. Только при агрегировании в тоннах восстановление становится стоящим. Стоимость сбора, транспортировки и переработки часто превышает стоимость восстановленных материалов, что делает переработку зависимой от государственных субсидий или схем обязательной ответственности производителей. Это особенно верно для кремния, рыночная цена которого (около $1-2/кг для металлургического сорта) намного ниже, чем стоимость переработки.

Сложность смешанных потоков отходов

Тиристоры редко выбрасываются в одиночку; они встраиваются в более крупные сборки, такие как приводы двигателей или источники питания. Их извлечение безопасно увеличивает затраты на рабочую силу или автоматизацию. Многие переработчики предпочитают измельчать целые печатные платы, а затем извлекать медь и золото, игнорируя содержание полупроводников. Эта «убывающая» езда расточительна, но в настоящее время является самым дешевым маршрутом.

Регуляторные пробелы

Во многих странах тиристоры не классифицируются как опасные отходы, если испытания не показывают высокую концентрацию свинца или мышьяка. Следовательно, они могут быть смешаны с твердыми бытовыми отходами и отправлены на мусоросжигательные заводы, где токсичные металлы концентрируются в летучей золе. Согласование глобальных правил, требующих переработки всех полупроводниковых устройств, может стимулировать инвестиции в лучшие процессы.

Дизайн для рециркуляции

Большинство тиристоров не разработаны с учетом разборки в конце срока службы. Инкапсуляция эпоксидной смолой создает неразрывную связь между штампом и упаковкой. Производители могут использовать штамповочные корпуса или использовать склеивающие агенты, которые разрушаются в определенных условиях, но это добавит стоимость и потенциально снизит надежность. До сих пор отрасль не проявляла особого интереса к редизайну тиристоров исключительно для вторичной переработки.

Будущие направления: снижение воздействия на окружающую среду

Замена материалов

Исследователи изучают альтернативы традиционным тиристорным материалам, которые менее токсичны или более распространены.

Силиконовые карбиды (SiC) тиристоры — устройства SiC работают при более высоких температурах и напряжениях, повышая эффективность и уменьшая потребности в охлаждении. Они также содержат меньше токсичных допантов. Производство SiC энергоемко, но выбросы в течение жизненного цикла могут быть ниже в целом из-за экономии энергии во время использования.
Нитрид галлия (GaN) — хотя устройства GaN пока не широко используются в мощных тиристорных приложениях, они предлагают сверхнизкие потери переключения. Галлий реже кремния, но менее вреден, чем мышьяк.
Органические полупроводники (FLT:0) — далеки от промышленной силовой электроники, но исследования проводящих полимеров могут однажды дать одноразовые биоразлагаемые тиристоры для очень маломощных применений.

Улучшенная экономика рециркуляции

По мере роста цен на первичный кремний и введения более строгих налогов на углерод, усилится бизнес-кейс для переработки. Пилотные проекты в Европе изучают "городскую добычу", где города координируют сбор всех электронных компонентов, а не только целых устройств. Если можно гарантировать устойчивый поток тиристоров (и других полупроводников), автоматизированные линии сортировки становятся более жизнеспособными.

Циркулярная экономическая политика

"Инициатива ЕС по кольцевой электронике" и предложения по "праву на ремонт" законодательства настаивают на более длительный срок службы продукции и более простой разборки. Расширение этих правил для охвата промышленной силовой электроники заставит производителей предоставлять запасные тиристорные модули, а не заменять целые платы. Это уменьшает образование отходов у источника.

Практические рекомендации для производителей и пользователей

Дизайн для рециркуляции — используйте разделяемые соединители вместо паяных соединений, где это возможно, и избегайте соединений твердого горшка.
Материалы марки — четко обозначают тип полупроводника и любое опасное содержимое (например, «Содержит мышьяк»), чтобы помочь переработчикам.
Партнер с сертифицированными тиристорами для переработки электронных отходов — убедитесь, что тиристоры с истекшим сроком службы обрабатываются на объектах, которые соответствуют OSHA и экологическим стандартам, таким как сертифицированные по e-Stewards или R2.
Рассматривается реконструкция — могут быть протестированы промышленные тиристоры высокой стоимости (например, 5 кВ, 1500 А модулей), переоборудованы новыми приводами и перепроданы, экономя 70-80% энергии, используемой для изготовления новых.
Образовать цепочку поставок — включать данные о воздействии на окружающую среду в технические таблицы данных, помогая инженерам-конструкторам выбирать компоненты с более низкими следами жизненного цикла.

Заключение

Тиристоры незаменимы в современной силовой электронике, но их воздействие на окружающую среду охватывает добычу сырья, энергоемкое производство и токсичные проблемы с окончанием срока службы. В то время как существуют технологии переработки - механическое разделение, химическое выщелачивание и термическое восстановление - они сталкиваются с экономическими и практическими препятствиями, которые ограничивают широкое распространение. Двигаясь вперед, отрасль должна принять принципы проектирования для переработки, заменить опасные материалы и выступать за более строгие правила, которые делают утилизацию тиристоров столь же продуманно управляемым, как и их производительность. Только путем решения полного жизненного цикла мы можем гарантировать, что преимущества контроля мощности тиристоров не приносят неприемлемых экологических затрат.