// ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ 2026
⚗️

ХИМИЯ В КОМПЬЮТЕРНЫХ
СИСТЕМАХ

ГБПОУ КГТТ ИМ. КОЖЕВИНА В.Г.

АВТОР
Калитрурин К.В.
группа КСК-25-9
РУКОВОДИТЕЛЬ
Галкина К.Ю.
преподаватель
// ВВЕДЕНИЕ

Зачем химия
компьютерному технику?

0
электронных отходов в год
0
рост объёма е-отходов
0
химических элементов в ПК
💡 Без химии нет процессора — каждый транзистор это результат 10+ химических процессов
🔋 Аккумуляторы, дисплеи, охлаждение — химия определяет технические характеристики каждого узла
♻️ Утилизация е-отходов — знание химсостава необходимо для безопасной переработки
// ГЛАВА 1.1

Si — Основа микроэлектроники

КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Ширина запрещённой зоны 1,12 эВ
Температура плавления 1414 °C
Теплопроводность ~150 Вт/(м·К)
Диэлектр. проницаемость 11,7
Плотность 2,33 г/см³
2-й по распространённости элемент земной коры после кислорода — источник: кварцевый песок
11N
чистота «электронного кремния»
99,999999999%
ПОЧЕМУ КРЕМНИЙ?
  • ⚡ Стабильный оксид SiO₂ — изолятор МОП
  • 💰 Добывается из дешёвого песка
  • 🌡️ Раб. температура до 150–170 °C
  • 🔬 Отработанные технологии очистки
// ГЛАВА 1.1

Путь от песка к процессору

1
Карботермическое восстановление
SiO₂ + 2C → Si + 2CO (1800–2100 °C, чистота 96–99%)
2
Синтез и очистка хлорсиланов
Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂ (300–350 °C, ректификация)
3
Водородное восстановление (Сименс-процесс)
SiHCl₃ + H₂ → Si + HCl (900–1100 °C, чистота 11N)
4
Метод Чохральского → вейферы
Монокристалл ∅ до 300 мм, толщина 0,3–0,8 мм; нарезка алмазными пилами
// ГЛАВА 1.2

Химия производства микросхем

📸 ФОТОЛИТОГРАФИЯ
Нанесение фоторезиста → экспонирование UV/EUV → проявление → травление → удаление резиста. Повторяется десятки раз для каждого слоя чипа.
365 нм → I-line 13,5 нм → EUV
🔬 ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ (CVD)
Газообразные прекурсоры реагируют на поверхности нагретой пластины, образуя тонкие плёнки. SiH₄, SiH₂Cl₂ — диэлектрики; B₂H₆, PH₃ — легирование.
⚡ ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Бомбардировка поверхности ионами B, P, As высоких энергий. Точный контроль концентрации и глубины залегания примесей.
🌡️ ТЕРМИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Выращивание SiO₂ при 800–1200 °C. Основа подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов. Травление плат: CuCl₂ или аммиачный травитель.
// ТЕХНОЛОГИЯ EUV

Фотолитография: от 365 нм до 13,5 нм

1970-е
~1000 нм
1990-е
365 нм (I-line)
2000-е
193 нм (DUV)
2020-е
13,5 нм (EUV)
КАК РАБОТАЕТ EUV
Лазер стреляет в капли расплавленного олова (десятки тысяч раз/сек) → плазма 500 000 °C → EUV-излучение 13,5 нм. Позволяет создавать транзисторы размером менее 5 нм.
// ГЛАВА 1.3

Таблица Менделеева внутри компьютера

🔲
Si — Кремний
Подложки процессоров, транзисторы, диоды, микросхемы
🔶
Cu — Медь
Дорожки плат, радиаторы, обмотки. 59,6·10⁶ См/м
✨
Au — Золото
Контакты разъёмов, до 11,4 г на 1 кг Pentium PRO
🔋
Li — Литий
Аккумуляторы ноутбуков, LiCoO₂, LiFePO₄
🧲
Nd — Неодим
Магниты HDD Nd₂Fe₁₄B, лазеры, фосфоры дисплеев
🛡️
Hf — Гафний
HfO₂ — подзатворный диэлектрик транзисторов <45 нм
Sn — припой Al — радиаторы Ag — термопасты Pd — конденсаторы In — ITO-дисплеи Ga — GaN-LED
// ГЛАВА 1.4

Химия теплоотвода: термоинтерфейсы

Теплопроводность воздуха: 0,026 Вт/(м·К) — поэтому без термопасты температура процессора критическая
Кремнийорганическая паста
1–4 Вт/(м·К)
Паста на основе Ag
5–12 Вт/(м·К)
Углеродные нанопасты
3–8 Вт/(м·К)
Жидкий металл (Ga-In-Sn)
40–73 Вт/(м·К)
⚠️ Галлий реагирует с алюминием → жидкий металл только с медными или никелированными радиаторами
// ГЛАВА 1.5

Химия ЖК-дисплеев

КЛЮЧЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
  • Цианофенилы — жидкие кристаллы
  • ITO (In₂O₃:SnO₂) — прозрачные электроды
  • InGaN — LED подсветка
  • Органич. красители — RGB-фильтры
ITO прозрачность: >80% в видимом диапазоне + высокая проводимость — уникальное сочетание свойств
КАК РАБОТАЕТ ПИКСЕЛЬ
0V→ молекулы в спирали → поворот плоскости поляризации на 90° → пиксель светится
U≠0→ молекулы вдоль поля → поляризация не вращается → пиксель тёмный
Структура: поляризатор → стекло → ITO → ЖК → ITO → стекло → цветофильтр → LED
// ГЛАВА 1.6

Li-Ion: химия энергоснабжения

СОСТАВ АККУМУЛЯТОРА
Анод (–) Графит на Cu-фольге (интеркаляция Li)
Катод (+) LiCoO₂/NMC/LFP на Al-фольге
Электролит LiPF₆ в органич. растворителях
Сепаратор Полипропилен/полиэтилен, ~25 мкм
ТИПЫ КАТОДОВ
LiCoO₂ (LCO) Смартфоны, ноутбуки Высокая ёмкость
LiNiMnCoO₂ (NMC) Электромобили Баланс
LiFePO₄ (LFP) Транспорт, хранение Безопасность
// ГЛАВА 2.2 — РЕЗУЛЬТАТЫ

Химический состав компонентов ПК

🖥️ Процессор Si, Cu, Hf, B, P, As, SiO₂, HfO₂
🔌 Материнская плата Cu, Au, Sn-Ag-Cu, стекловолокно, FR-4
💾 HDD/SSD Al, Co, Cr, Nd₂Fe₁₄B (HDD) / Si NAND 3D (SSD)
🖥️ Монитор (LCD) Цианофенилы, In₂O₃:SnO₂, InGaN, органич. красители
🔋 Аккумулятор Li, Co, Ni, Mn, Fe, P, графит, LiPF₆
❄️ Охлаждение Cu, Al, ZnO, Ag-частицы, Ga-In-Sn, этиленгликоль
// ГЛАВА 2.3

Электронные отходы: масштаб угрозы

0
тонн е-отходов/год глобально
0
на 1 европейца ежегодно
0
е-отходов в России/год
ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Pb, Cd, Hg — тяжёлые металлы; бромированные антипирены, хлорированные фенилы → опасность для почвы и грунтовых вод
ЦЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание Au, Ag, Pd в печатных платах превышает содержание в добываемой руде → переработка экономически выгодна
// ГЛАВА 2.3

Методы рециклинга электроники

🔥
Пирометаллургия
Нагрев измельчённой массы → разделение по t° плавления → газы и углеводороды как топливо → сплав металлов
⚗️
Гидрометаллургия
Кислоты + щёлочи → растворение → электролиз → извлечение Cu, Au и других металлов. Требует мер безопасности
🦠
Биометаллургия
Специальные микроорганизмы используют металлы в жизнедеятельности → экологически безопасно, пока менее производительно
💨
Газификация
Нагрев до 1600 °C с подачей O₂ → синтез-газ (H₂) → метанол и электроэнергия
🏁

Заключение

✅ Кремний — центральный элемент, очистка до 11N — высшее достижение химии
✅ Фотолитография + CVD + ионная имплантация → транзисторы <5 нм
✅ В ПК присутствуют элементы практически всех групп таблицы Менделеева
✅ 50 млн тонн е-отходов/год требуют химических методов переработки
ГБПОУ КГТТ им. Кожевина В.Г.  |  Кемерово, 2026
Калитрурин К.В., гр. КСК-25-9  |  рук. Галкина К.Ю.
1 / 14