Introduzione

Si assiste oggi ad una inversione fondamentale nel rapporto tra l’ uomo ed i mate-riali. In passato l’ uomo adattò alle esigenze dell’ economia materiali naturali come pietra, legno, argilla, fibre vegetali e tessuti animali. La fusione dei metalli e la produ-zione del vetro rappresentarono un perfezionamento di questo rapporto. Tuttavia è solo in tempi recenti che i progressi dell’ interpretazione teorica della struttura della materia fisica e biologica, delle tecniche sperimentali, e della tecnologia delle lavorazioni hanno consentito di partire da una esigenza per poi sviluppare, atomo per atomo, un materiale capace di soddisfarla.

Le tecnologie della fabbricazione sono alla base dell’industria e migliorano l’abilità di produrre sostanze di uso comune come PE e PVC, nuove leghe o compositi, introducono un nuovo materiale consentendone una produzione economica, migliorano le capacità di progetto di un prodotto e di gestione del processo complessivo.

Oggi , appare di importanza primaria rendere le scelte, riguardanti i materiali, più favorevoli all’ambiente, sostenibili senza compromettere l’efficacia dei materiali, la loro integrità strutturale, la durata, il costo e la produttività industriale. Nella scelta dei materiali si studiano gli esiti riscontrabili per l’impatto conoscendo l’ ambiente più ampio nel quale saranno utilizzati. Al di là dei requisiti di resistenza e durata è importante chiedersi quali saranno gli impatti ambientali dovuti alla loro introduzione sul mercato e al conseguente utilizzo. Le decisioni basate sui vantaggi di scegliere un materiale anziché un altro possono avere profonde implicazioni attraverso tutto il ciclo di vita di un prodotto. Una parte dell’impatto ambientale di un prodotto si può verificare centinaia o migliaia di miglia dal punto di produzione originario. Inoltre le conseguenze di queste decisioni possono coprire un periodo di tempo di alcune generazioni. Si può dire che la ‘produzione in ambiente benigno’ non compromette l’ ambiente o le oppor-tunità di sviluppo per le prossime generazioni. In altri termini, esso si concentra sulla integrazione della produzione industriale in una società sostenibile. Le impostazioni metodologiche ai problemi relativi alle industrie di materiali sono tre: l’analisi multi-attributo di utilità, che consente di stimare il valore delle caratteristiche di un materiale in un’applicazione specifica, il modello dei costi di lavorazione, che valuta il costo di produzione di certi componenti usando materiali e tecnologie di lavorazione diversi, il modello di impatto ESH, che valuta l’ impatto sulla salute umana, sull’ambiente e la conformità ai regolamenti.

Negli ultimi 30 anni, la guida per i miglioramenti ambientali è giunta da agenzie come l’EPA e dalle organizzazioni  per la protezione dell’ ambiente. L’ attenzione si è focalizzata principalmente su aria ed acqua più pulita, protezione di specie in pericolo ed altre aree. Il senso della urgenza dei miglioramenti è stato recepito da un aumento esponenziale di leggi ambientali e regolamenti il cui risultato è un certo miglioramento della protezione dell’ambiente ma spesso ad un costo sostanziale. Infatti, sforzi e risorse significative sono dirette verso la conformità ad una miriade di regolamenti comunitari, nazionali e locali. I regolamenti federali (OSHA ed EPA) sono diventati più restrittivi e vincolano i progressi tecnologici poiché l’ industria tende a ridurre scarti, controllare l’inquinamento, stabilire standard tollerabili e a smaltire le sostanze pericolose. Il costo dell’ adeguamento a variazioni di regolamenti può essere in alcuni casi intollerabile per alcune tecnologie, specialmente nelle fasi iniziali dello sviluppo.

Le attività richieste per l’adeguamento a leggi includono modifiche estensive degli impianti, ricerca per nuove attrezzature, valutazione chimica e riformulazione per solventi, catalizzatori e ausili di processo in genere, revisione di procedure di manuten-zione e modifiche per la sicurezza.

I nuovi materiali e processi devono essere sviluppati in modo da non creare nuovi problemi per la salute umana o la sicurezza ambientale. Gli effetti dei nuovi materiali sono regolati da leggi come la TSCA. La legge richiede in genere rapporti su livelli di produzione, categorie d’ uso e dati sull’ esposizione, dai fabbricanti di queste sostanze. Una completa valutazione può richiedere anche fino a 5 anni ed è piuttosto costosa. Una preoccupazione per gli effetti sulla salute di una sostanza può sorgere se ci sono indica-zioni di effetti cancerogeni, effetti tossici acuti o cronici seri, o effetti ambientali avversi o se preoccupano gli effetti di una o più impurità o sottoprodotti della sostanza. Tutte le                problematiche di salute e sicurezza devono essere considerate in relazione alla poten-ziale esposizione degli individui. Ad esempio un nuovo materiale può essere tossico e ancora accettabile se l’ esposizione può essere minimizzata prendendo le appropriate azioni durante la fabbricazione e l’ uso. Ultimamente si pone maggior enfasi su approc-ci che considerano i problemi di salute e sicurezza nei processi di selezione dei materiali per dare un prodotto finale più sicuro sia per l’ ambiente che per gli individui esposti.

Nella gestione dei prodotti e del loro impatto ambientale un problema importante è la potenziale tossicità a tal fine si stabiliscono liste di sostanze controllate o che non possono essere usate nei prodotti o processi. Tali iniziative sono ben accolte dagli ambientalisti che continuano a sollevare problemi per la protezione dell’ecosistema.

La natura altamente competitiva dell’industria, e in particolar modo di quella elettronica, porta ad una costante riduzione del prezzo del prodotto ed al conseguente bisogno di migliorare continuamente l’efficienza e di riconoscere i benefici economici derivanti dalla riduzione dei rifiuti, del consumo di energia ed altre questioni ambien-tali. L’impegno nel raggiungimento di tali vantaggi ha reso alcuni membri del settore dell’elettronica leader mondiali nella gestione ambientale, infatti, per ogni compagnia,  il vantaggio competitivo è maggiore quanto prima vengono adottati programmi am-bientali. L’avvento dello standard ISO 14001 rende l’impegno per l’ambiente essenziale per fare affari e per un processo di sviluppo continuo.

Uno sviluppo continuo significa progettare la protezione ambientale attraverso tutto il processo cioè, progettare i prodotti e stabilire tecnologie di produzione che riducono o

eliminano le emissioni come, ad esempio, tecnologie di abbattimento e sistemi di distruzione termica per rimuovere i contaminanti dai flussi di scarico del processo.

Assegnare ad un prodotto la certificazione ambientale significa che le attività di svi-luppo comprendono la scelta appropriata dei materiali, l’ esame della fase d’ uso del prodotto, il progetto per l’efficienza energetica, la minimizzazione dei residui industriali durante la produzione, il progetto per il fine-vita, il miglioramento dell’imballaggio e la riduzione dell’uso di sostanze ambientalmente rilevanti. Sono oggetto di ricerca i flussi o cicli del materiale e le tecniche per definirne l’uso e la allocazione temporale.

Valutazione

1.1 Premessa. Ai fini della valutazione è necessario considerare che la riduzione delle emissioni da un qualsiasi processo manifatturiero implica due tipi di soluzione:

- controllo ingegneristico del processo tale da ridurne l’ emissione,

- cattura e controllo delle emissioni stesse.

Con la soluzione ingegneristica si ha un controllo della sorgente delle emissioni realizzato mediante sostituzione di materiali, cambiando il processo o le attrezzature o altri mezzi, oppure otteniamo un controllo della trasmissione o dispersione del contami-nante isolando o racchiudendo la sorgente di rischio, umidificando le polveri tossiche per impedirne la dispersione, installando sistemi di ventilazione per catturare e trasferire le sostanze tossiche o riducendone la concentrazione tossica mediante un sistema gene-rale di ventilazione o diluizione.

Nel secondo caso abbiamo semplicemente una cattura di quanto viene emesso dalla operazione manifatturiera, l’ emissione viene quindi diretta verso un dispositivo che ne realizza la conversione in una sostanza non inquinante.

Il controllo del posto di lavoro comprende l’ uso di dispositivi di protezione individuale, procedure di lavoro, controllo amministrativo, ed addestramento.

Un fondamento per il controllo efficace del rischio è che il sistema deve essere progettato in modo tale che i controlli siano automatizzati o insiti nel funzionamento del sistema. Quindi, il controllo deve essere in funzione anche senza l’intervento del lavoratore. Ad esempio, isolare un processo per prevenire l’emissione di sostanze tossiche nell’ambiente di lavoro è il mezzo più affidabile ed anche meno costoso rispetto all’ uso di maschere, caso in cui è più difficile valutare l’ efficacia della misura ed è difficile realizzare un sistema di protezione.

Gli standard prescritti dall’OSHA (Occupational Safety & Health Administration) esigono l’ uso di controlli e pratiche di lavoro ingegneristiche salvo che per il periodo necessario all’installazione di tali controlli, o quando tali misure sono inattive ( per riparazione o manutenzione ), sono insufficienti e nelle emergenze.

La ingegnerizzazione del processo in modo da ridurre le emissioni viene chiamata prevenzione dell’ inquinamento, la prevenzione implica che il processo sia modificato perché generi meno emissioni. Le tecnologie di prevenzione possono presentare molti vantaggi: ridurre le emissioni dal processo è spesso meno costoso che catturarle e con-trollarle successivamente; la prevenzione può ridurre le esposizioni degli occupati oltre che ridurre rilasci verso l’ ambiente, inoltre, può evitare molti degli impatti ambientali secondari legati a certe tecnologie di cattura e controllo.

Comunque, le tecnologie di prevenzione possono avere una importante limitazio-ne. Dato che richiedono la variazione del processo, la fattibilità di queste dipenderà dal-la eventualità che il processo modificato faccia ancora dei buoni prodotti. Queste tecno-logie, in genere, cambiano le proprietà del prodotto finale, se tali variazioni possono essere tollerate dipenderà dalla natura dei prodotti e dal loro uso ultimo.

 Dall’ altro lato le tecnologie di cattura e controllo non interferiscono col proces-so, in questo caso si ha essenzialmente una trasformazione dell’ inquinante, comunque queste tecnologie possono essere molto costose da installare e da utilizzare, possono consumare grossi quantitativi di gas naturale, e possono aver impatti secondari signi-ficativi come la generazione di nuovi inquinanti ( come CO₂ e azoto ).

Come verrà evidenziato nell’ esempio successivo, relativo al VCM, l’installazione di tecnologie di controllo dei rischi per il lavoratore può favorire una maggiore produtti-vità. L’ anticipazione dei problemi della salute dei lavoratori può inoltre favorire la riduzione dei costi del controllo. Le informazioni relative al controllo dell’esposizione devono costituire parte integrante di ogni addestramento ingegneristico e deve essere prontamente disponibile come materiale di riferimento nella pratica ingegneristica.

Il progetto di nuovi impianti deve essere comprensivo dei sistemi di controllo, infatti è sicuramente più redditizio installare i controlli nella fase di progetto, piuttosto che modificarli successivamente, è ugualmente importante avere sin dall’ inizio un impianto adeguato all’ ambiente piuttosto che uno che richiede modifiche successive.   Il riadattamento dei controlli può essere difficile da realizzare sia a causa di fattori fisici, che per il tempo necessario ad effettuare i cambiamenti se l’ impianto è in funzione.

In questo approccio innovativo, il progetto si basa su una selezione dei dispositivi di controllo adatti al processo. La soluzione è nel determinare i tassi delle emissioni del contaminante, per ogni tipo di dispositivo. Questi dati poi possono essere usati per costruire un modello di dispersione sul campo per calcolare le concentrazioni totali alle quali i lavoratori possano essere esposti.

1.2 Settore manifatturiero ( Semiconduttori ). Il settore dei semiconduttori è stato il primo a dotarsi di una certificazione ambientale, condizione questa necessaria per poter sviluppare una Dichiarazione Ambientale di Prodotto (DAP). Tale scelta è

stata favorita dall’ elevato livello tecnologico dell’ industria caratterizzata da un alto livello di automazione e da notevoli investimenti nella R&S.

Un approccio per affrontare il problema dell’ impatto ambientale dei materiali e dei processi e lo sviluppo delle lavorazioni benigne può essere quello della DAP.

Un  primo esempio è dato dalla verifica della forma della molecola del materiale in fase di sviluppo, indispensabile nella redazione del documento. Questo tipo di analisi consente di verificare se la molecola presenta una struttura chimica simile a quella di altre sostanze chimiche presenti in liste negative, e quindi se abbia o possa avere pro-prietà comparabili a queste. Altri metodi sono stati recentemente sviluppati per ricavare una relazione tra la struttura e le proprietà quantitative.

 Nel caso del QSPR, ad esempio si usano una serie di variabili ( descrittori ), caratteristiche della molecola, che rendono conto della struttura chimica. Il valore di un descrittore può essere ottenuto mediante misure sperimentali oppure calcolato in base alla struttura molecolare, l’ uso di descrittori calcolati facilita la predizione delle proprietà per le molecole incognite. Tra i descrittori utilizzati possiamo considerare: orbitali molecolari occupati più alti (HOMO), orbitali molecolari non occupati più bassi (LUMO), carica positiva maggiore (HPC), carica negativa maggiore (HNC), legame debole (WB), potenziale medio (Vmid), e descrittore di carica-forza del legame (x).

L’ introduzione di nuovi composti nella fabbricazione di dispositivi a semicon-duttore richiede ovviamente delle indagini per valutare la potenziale tossicità, la persi-stenza nell’ ambiente e bio-concentrazione. L’ uso di nuove sostanze, come ad esempio i composti dell’ indio, nell’ industria dei semiconduttori può crescere, ed i limiti di esposizione esistenti possono non essere adeguati a proteggere i lavoratori esposti ad un accresciuto rischio cancerogeno.

Da alcuni studi condotti sull’ inalazione del composto InP è risultata evidente una attività cancerogena a carico di vari organi. I limiti di esposizione REL, TLV, PEL, per le industrie sono di 0.1 mg/m³ che può non essere adeguato, inoltre, studi sperimentali suggeriscono che l’arsenuro di indio può indurre effetti comparabili a quelli del fosfuro.

Si ritiene che queste sostanze saranno utilizzate in modo crescente nella produzione di semiconduttori, laser ad iniezione, celle solari, fotodiodi e led.

 L’esposizione dei lavoratori si può verificare durante la fabbricazione e il maneggia-mento di questi materiali per cui sono necessarie informazioni sull’ uso di questi e stime del numero di lavoratori e le concentrazioni alle quali possono essere esposti per ogni utilizzo, produzione e lavorazione.

Un  altro settore nel quale si stanno introducendo nuovi materiali è quello delle celle fotovoltaiche. I moduli fotovoltaici sono dispositivi allo stato solido che converto-no la luce solare in elettricità. Tra i nuovi composti usati in questa industria e che posso-no sostituire il silicio per migliorare le prestazioni dei dispositivi abbiamo il CGS, il CIS e CdTe ( diseleniuro di gallio e rame, diseleniuro di indio e rame, tellururo di cadmio ).

Prima che questi materiali vengano utilizzati è importante conoscerne la tossicità complessiva soprattutto perché esistono problemi per altri composti simili. Quando c’è poca informazione su un composto, come il CdTe, vengono considerati per una prima valutazione gli elementi che lo compongono e si deduce la tossicità da questi dati. In questo caso il cadmio è considerato più tossico del tellurio. Esso è considerato cancerogeno per i polmoni e a lungo termine è causa di malattie alle ossa e ai reni. Indipendentemente dalle modalità di assorbimento, da metà a un terzo del contenuto di cadmio si ritrova nei reni, con la più alta concentrazione nella corteccia renale.

Il CdTe è un eccellente candidato per una futura analisi a lungo termine per le seguenti ragioni: è un materiale molto promettente per la generazione di energia foto-voltaica su larga scala che può ridurre l’ inquinamento e la dipendenza dal petrolio,      l’ uso del CdTe nell’ ambito fotovoltaico è una via percorribile per ridurre l’inquina-mento di rifiuti contenenti cadmio ed emissioni durante la raffinazione dello zinco e del piombo. Ci sono limitati dati tossicologici e tale informazione è necessaria dato il po-tenziale commerciale. Dal 1997 al 2002 la produzione di celle fotovoltaiche è cresciuta del 35% annuo passando da 126 a 540 MWatt. La produzione del cadmio usa emissioni e scarichi delle produzioni di zinco, piombo, ferro e acciaio. Prima che cominciasse la produzione del cadmio, l’ 85% del contenuto di cadmio veniva scaricato nell’ ambiente ed anche oggi quando il mercato non assorbe il prodotto delle fonderie i residui sono o immagazzinati per un uso futuro oppure cementati e sepolti o messi in discariche con-trollate. Per cui il Cd può essere impiegato utilmente oppure rilasciato nell’ ambiente.

  Nell’ industria dei semiconduttori, l’aumento delle dimensioni del wafer, rende necessari sistemi di lavorazione che possono incrementare il rischio per il lavoratore durante le operazioni e la manutenzione. L’ azionamento di sistemi automatici, i sistemi di trasporto del wafer guidati dall’ operatore e le loro interfacce con le attrezzature per la fabbricazione sono potenzialmente pericolosi per i lavoratori che le utilizzano.

Nell’ ambito dei processi di fabbricazione dei wafer sono di interesse critico la litografia; la fabbricazione di maschere mediante prodotti chimici ( fotoresist, diluenti, soluzioni di sviluppo, risciacquo ); gli equipaggiamenti di processo (centrifughe, sistemi di deposizione in fase vapore, forni); i dispositivi di esposizione ( DUV, fascio elettroni-co, raggi X, fascio ionico ); i dispositivi di pulitura.

Nella fotolitografia e nella fabbricazione di maschere un bisogno primario è quello di informazioni sulle proprietà e disponibilità di nuove sostanze chimiche. Tali informazioni riguardano la tossicità chimica, dati di valutazione del rischio, la capacità di monitorare le esposizioni potenziali, le emissioni di HAP e VOC nel processo. La seconda necessità critica consiste in una migliore gestione dei materiali, comprendente  l’ integrazione di nuovi materiali nella esecuzione, il mantenimento delle prestazioni e dei costi  promovendo il riciclaggio ed il minimo consumo.

Il nuovo materiale viene sottoposto ad un analisi ESH partendo dalla verifica del documento MSDS ( Material Safety Data Sheet ), considerandone componenti chimici e  proprietà come la tossicità, l’ infiammabilità, la reattività, ne vengono identificati i prodotti di reazione ed eventuali incompatibilità fra materiali. Per condurre una analisi di rischio devono essere valutati anche il macchinario ed il processo nel quale il mate-riale verrà utilizzato verificandone la compatibilità, ed il monitoraggio di gas tossici o pericolosi (TGM). Il monitoraggio può essere basato su un prodotto di decomposizione del precursore o di un materiale aggiuntivo, infatti, il materiale può essere reattivo con l’aria e se viene rilasciato può decomporsi rapidamente a seguito di esposizione con l’a- ria umidificata della fabbrica. Le potenziali soluzioni a questi bisogni critici richiedono la preparazione di una lista di prodotti chimici accettabili per il processo basati sulla valutazione della conformità al TSCA, sviluppo di protocolli analitici che permettono il monitoraggio di nuovi prodotti chimici, forti criteri di selezione chimica, valutazione del rischio, uso dei principi di prevenzione dell’ inquinamento. Ulteriori soluzioni com-prendono l’ analisi del ciclo di vita dei nuovi materiali e dei prodotti chimici, l’ uso di tecnologie additive e di materiali benigni. La LCA sui materiali si effettua attualmente usando una raccolta manuale dei dati e aggiungendone di nuovi, quindi è necessario un sistema automatico di raccolta dati.

L’ esposizione alla sostanza chimica da parte dei lavoratori, addetti alle operazioni e alla manutenzione, deve essere ridotta per motivi di sicurezza e salute, le emissioni devono essere controllate per minimizzarne l’ impatto ambientale. È necessario identifi-care la sorgente che genera il materiale di impatto ambientale ( incluso il controllo del materiale di scarto ) al fine di trovare materiali alternativi o di sviluppare tecnologie di recupero/trattamento. Il funzionamento delle apparecchiature richiede un progetto ergo-nomico delle attrezzature, il controllo delle emissioni per l’ uso di PFC, la riduzione dei rifiuti ottenuti dai processi di centrifugazione e bagno, l’ ottimizzazione degli strumenti usati, lo sviluppo di processi ad impatto zero.

Le apparecchiature ed i materiali vengono maneggiati con una strategia PPE ( per-sonal protective equipment ) conservativa. Il processo è sotto controllo ingegneristico in modo tale che un operatore qualificato supervisioni tutta l’ attività inclusa la manuten-zione della camera.

Le emissioni del processo sono monitorate per determinare i sotto-prodotti di reazione, oltre a rilevare la presenza, nella camera bianca, di precursore non reagito o di un residuo di gas precursore, o suo sottoprodotto, prima della manutenzione (tab.1.1 ). Finché il processo non è completamente caratterizzato e ogni possibile rischio identifi-cato, viene impiegata una procedura conservativa di manutenzione della camera. L’ area intorno alla camera viene depurata prima della sua apertura, il personale indossa il respiratore e un completo equipaggiamento PPE. Un sensore viene posizionato nella camera, si effettua il monitoraggio dell’ area della camera controllando le emissioni durante la depurazione per assicurare che non ci siano tracce del residuo precursore o sottoprodotto.

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