Como se monta uma fábrica blindada?

A Unitec Semicondutores é a única fábrica do gênero de todo o Hemisfério Sul. O produto que sair dela deverá ser usado em conexões de sistemas urbanos, cartões e etiquetas inteligentes, diagnósticos médicos, integração de sistemas hospitalares etc. Semicondutores são conhecidos como “o motor da era digital”. A nova unidade da Unitec vai ter capacidade para produzir 130 mil waffles (as “bolachas” onde os microcircuitos são montados) por ano, numa associação entre Corporación America, BNDES, IBM, BDMG, Matec e WS/IN/TECS. São poucos os países que os produzem, entre eles os que estão na vanguarda tecnológica – Japão, Coreia do Sul, EUA e China. A fabricação de semicondutores exige condições excepcionais de produção.

As minúsculas peças, basicamente produzidas por robôs, não podem ser maculadas por nenhum elemento alheio ao processo de produção. O ar e a água utilizados precisam encontrar níveis ideais de pureza. A temperatura não pode variar. Trepidações e meras vibrações precisam ser neutralizadas. A energia elétrica não pode ser interrompida nem por uma mera fração de segundo.

A construção de uma fábrica de semicondutores é um esforço que exige, ao mesmo tempo, criatividade na concepção e extrema rigidez técnica. Foi essa a tarefa que coube à Matec Engenharia. “Foi um projeto bastante desafiador e gratificante”, disse o diretor de engenharia da empresa, Marcelo Pulcinelli. “A engenharia se adequa a tudo. Para planejar a fábrica, a gente teve de aprender a fazer um semicondutor. Visitamos fábricas na Europa. A IBM é um dos players no projeto, então passamos um período em sua fábrica em Burlington (no estado de Vermont, EUA). Esse processo todo é muito novo.”

A implantação
O terreno escolhido foi um sítio no município de Ribeirão das Neves, em Minas Gerais. A propriedade pertencia ao Banco de Desenvolvimento de Minas Gerais (BDMG), um dos associados do projeto. Uma alça de acesso ligou o local do empreendimento ao quilômetro 509 da BR 040, a rodovia federal que vai de Belo Horizonte a Brasília.

O terreno foi preservado ao máximo. E essa é uma das vantagens de uma indústria da alta tecnologia: ela não apenas preserva o meio ambiente, como também precisa dessa preservação para funcionar. A área tem 160 mil m², sendo 56 mil dedicados à preservação. Tudo foi reaproveitado no processo de terraplenagem – nem um metro cúbico de terra foi retirado ou trazido de fora do terreno.

Vista aérea da gleba: alça de acesso construída a partir da BR 040
A sala limpa está enclausurada entre o plenum (acima) e o subfab (abaixo)

Uma concepção diferente
O grau de inovação na construção dessa fábrica pode ser medido na quebra de alguns tradicionais princípios da engenharia. “Geralmente, fábrica se monta no térreo”, lembra Marcelo Pulcinelli. “No momento em que essa fábrica de semicondutores entra em operação, não pode parar. Então, como dar a manutenção a essa fábrica sem que ela pare? Concebemos toda a fábrica no primeiro andar, e todas as conexões das instalações acontecem por baixo e por cima. A troca de um filtro é feita pelo piso inferior, sem influenciar o processo de produção”, conta Pulcinelli.

“Pensando que a fábrica não pode parar, você precisa manter toda a parte viva da fábrica com redundância”, continua o diretor. “Nunca, em hipótese alguma, pode faltar energia. E não pode nem mesmo oscilar. Normalmente, quando acaba a energia e entra o gerador, acontecem aqueles dois ou três segundos de pausa. Numa fábrica de semicondutores isso não pode acontecer. Por isso a alimentação da fábrica acontece por duas linhas linhas de transmissão diferentes, vindas de dois lugares diferentes. Passa então pela UPS Dinâmica, um gerador que não deixa a energia cair nunca.”

A Unitec Semicondutores tem um anel redundante de energia e três subestações espalhadas pela fábrica. “Se acontecer o rompimento de um cabo de um lado, a energia roda e alimenta pelo outro. Tudo é pensado em dobro. Todos os equipamentos internos possuem um backup. A fábrica precisaria de 5 unidades de MAHU (Make-Up Air Handling Unit – HVAC). Colocamos 6. As bombas de incêndio têm backup. Reserva de água, se precisa para uma semana, a gente coloca para duas semanas”, explica Pulcinelli.

“Não tem nada parecido no Brasil”, completa Ricardo Panhan, superintendente de Negócios da Matec. “É construção civil, sim, mas a tecnologia embarcada é algo que nunca foi feito no país antes. Estamos mostrando que a engenharia brasileira tem condições de fazer um projeto de alta tecnologia. Não são só americanos, japoneses e alemães que podem fazer isso”, diz Panhan.

A sala limpa
Equipada para ser cem vezes mais estéril do que um centro cirúrgico, a chamada clean room, ou sala limpa, é o ponto focal do projeto. A produção de semicondutores exige essa clean room de 4.200 m², isolada, em condições invariáveis, que jamais interrompam seu funcionamento. A presença humana é a menor possível, e totalmente isolada. “Só de climatização para a sala limpa estamos falando em 3 mil TRs (toneladas de refrigeração)”, exemplifica Marcelo Pulcinelli. O ar-condicionado que colocamos em casa costuma ter 1 TR. Agora multiplique isso por 3 mil. Temos unidade de filtragem do ar, as IFF, na parte de cima da sala limpa. Com a pressão positiva, o ar entra por cima e força o ar já usado a sair pelos vãos do piso elevado. Daí o ar é conduzido aos shafts laterais, é misturado com o ar frio que vem das MAHUS e é novamente introduzido no Plenum, criando um ciclo continuo de recirculação.

Além disso, existe a exigência de se neutralizar a vibração. “Uma única pessoa circulando na clean room já atrapalha”, nota Marcelo Pulcinelli. “Você não pode ter duas pessoas circulando uma próxima da outra. A gente teve a assessoria de Colin Gordon, um consultor americano de São Francisco especialista em abalos sísmicos. Junto com ele, fizemos todas as medições do local. Num raio de 10 quilômetros ao redor da fábrica existem algumas minas, onde se fazem implosões. Fizemos o monitoramento durante um mês. Concluímos que o índice de vibração dessas minas que chegava até a fábrica era pequeno. Porém, o trânsito da Rodovia BR 040, a um quilômetro da fábrica, causava uma interferência significativa. As espessuras do piso e o tamanho das lajes, tudo isso foi Colin Gordon quem definiu. Nós gastamos neste prédio três vezes e meia mais concreto do que a gente usaria num prédio tradicional. Fizemos grandes sharewalls de concreto. A laje do primeiro andar, onde fica a sala limpa, tem 1,40 m de altura.”

Implantação: divisão do complexo em blocos funcionais

O planejamento teve de pensar no futuro também. O contrato com a prefeitura e o governo do estado prevê que não serão instaladas num raio de 10 quilômetros plantas industriais que produzam vibrações significativas – como fábricas de lata. A água é outra preocupação. O processo visa trabalhar com a PW (pure water) – água ultrapura. O resultado é uma água purificada, destilada, isenta de todos os nutrientes, sem nenhum elemento que possa alterar o processo de produção. É mais pura que a água potável, que contém alguns sais e nutrientes.

Vista interna da sala limpa: cem vezes mais estéril que um centro cirúrgico
A tubulação que alimenta a sala limpa pode ser reparada sem que se acesse o espaço lacrado
O plenum, que fica acima da sala limpa

A construção
A Matec Engenharia coordenou um esforço internacional de projetistas e consultores brasileiros, americanos e alemães: M+W Group, Gensler, WSP Flack + Kurtz, Colin Gordon, Rolf Jansen & Associates, AGI Abbie Greg, Walter P. Moore.

A área total construída é de 18.900 m². Além da FAB (a área principal de produção), existe um setor de administração e escritórios com 4.236 m², independente dos rigores ambientais da sala limpa. A fábrica propriamente dita foi dividida em três pavimentos. No térreo ficaram os equipamentos de apoio, salas químicas e o pipe racks de suporte das tubulações e exaustões. No segundo, a clean room propriamente dita. E, no terceiro, um plenum de insuflamento de ar.

As fundações foram reforçadas além do que seria o “normal”, para que absorvam trepidações internas e externas. Os encaixes das estruturas foram ainda suportados de neoprene de alta resistência. Os estacionamentos de visitantes e de funcionários são construídos com piso de concreto. O projeto previu dois níveis de vibração: um muito controlado na clean room e outro “normal”, para áreas como o escritório, assim descritos tecnicamente:

– VCD (vibrational circular dichroism) + (200μin/s) – Área com waffle slab e no entre-eixos A/D/3/7.

– VCA (2.000μin/s) – as demais áreas com lajes maciças na clean room.

– ISO office (16.000μin/s) – Escritórios.

– NIST-A (1 μin @ 1-20 Hz e 125 μin/s @ 20-100 Hz) – Laboratório de análise de falhas.

“As fundações foram definidas com base na implantação do terreno, definindo sapatas para a área de corte e fundações profundas para a área de aterro”, explica o engenheiro Marcelo Pulcinelli. “Com foco em não ter bota-fora nem importação de terra, o estudo de definição dos platôs de implantação foi decisivo para esse objetivo.”

O empreendimento foi construído em estrutura pré-moldada. O piso de concreto do subfab – e também do escritório – ganhou acabamento de pintura epóxi. O piso de concreto usado para conter as vibrações tem 60 cm de espessura. Nesse andar, foi conseguida uma atenuação acústica de 50 decibéis. A preocupação maior nesse subfab foi garantir a flexibilidade para as instalações de processo durante o hook up da área de produção.

clean room em si tem uma área total de 4.855 m² e classificação ISO 7. Fora dela, em formato de “L”, foi instalada uma área periférica de utilidades. “Nessa área de utilidades estão todos os processos para alimentar a fábrica”, explica Pulcinelli. “Sala de químicos, sala de gases, estação de tratamento de água, todos os acessórios para alimentar a produção. Enquanto a sobrecarga do setor administrativo é de 500 km/m², na clean room a carga é de 2.500 kg/m². Existe uma variação nesse andar dos níveis de vibração, o VCD+ e o VCA, dependendo do nível de precisão maior ou menor de cada equipamento.”

Cargas e esforços: primeiro pavimento

A estrutura
As paredes de concreto (sharewall) tiveram como função enrijecer ainda mais esse miolo. Todos os elementos, tanto os do setor de utilidades quanto os do restante da fábrica, são prémoldados. O setor administrativo é mais simples, mais convencional e também é de pré-moldado. A estrutura desse setor tem uma descontinuidade, então a vibração que se produz ali vai para o solo, mas não consegue se espalhar para o resto do prédio.

Perspectiva cavaleira com o desmembramento das fundações
Sharewalls de concreto tiveram como função aumentar a resistência do centro da construção

“Usamos lajes pré-moldadas inclusive para a clean room“, lembra o diretor de engenharia da Matec. “As peças, lajes waffle, tinham dimensões aproximadas de 1,80 m x 7,50 m x 1,40 m, com aberturas em sua geometria, resultando em um peso de aproximadamente 14 toneladas cada uma. Montamos essas lajes como um Lego.” A cobertura metálica foi pensada com o princípio de que da sala limpa para cima deveria haver um grande vão livre sem qualquer pilar. A solução para a sustentação desse vão foi o uso de estruturas metálicas.

Nessa superestrutura foram erguidas lajes waffle vazadas, visando à intervenção de um andar para o outro, se for necessário, e prevendo uma malha de tubulações. O que guiou os engenheiros foi a necessidade de flexibilidade, de forma a garantir mudanças sem nenhuma interferência no processo industrial. A estrutura metálica na cobertura criou o plenum com um forro autoportante e as instalações de ar-condicionado e exaustão. No subfab, montaram as vigas de perfil “I”, suportadas por pilares de concreto para apoio das instalações de ferramentas da clean room. Passarelas metálicas (catwalks) foram instaladas para a manutenção dos equipamentos do plenum. A construção previu o enclausuramento da futura área de fabricação dos semicondutores para que todas as variáveis – temperatura, umidade, pressão etc. – fossem submetidas ao maior controle possível.

Lajes waffle com dimensões aproximadas de 1,80 m x 7,5 m x 1,40 m. Cada peça pesa 14 toneladas

Isolamento da sala limpa: a implementação

A clean room foi “ensanduichada” entre duas camadas. Acima fica o plenum, abaixo o subfab. O plenum filtra o ar que vai para a sala limpa, e o ar desce até o subfab, onde é resfriado e enviado de volta para o plenum. Daí é novamente purificado antes de voltar à sala. Como um organismo vivo, a fábrica “respira” através desse sistema de circulação. Quatro etapas foram estabelecidas para que a sala limpa chegue ao nível ideal de limpeza e pureza do ar:

Fase 1 (verde)
Nesta fase, o ambiente não está pressurizado e o ar não está classificado. Ainda se parece com uma área de construção “normal”. Os funcionários não precisam usar vestimentas especiais. A sala tem fundações, montagem de prémoldados, estruturas metálicas, fachadas e pisos. Nesta fase, as montagens são concluídas, o prédio é selado e seco. Há uma limpeza geral constante e um tratamento de vedação com epóxi.

Fase 2 (amarela) 
O ar ainda não está classificado, mas os operários já usam vestimentas e cobrem mãos, pé e cabeça. Eles limpam tudo o que pode ser visto a olho nu. Todos os equipamentos internos que possam gerar entulho e pó são concluídos, assim como a pintura. As portas pré-determinadas para a restrição de acesso e controle da limpeza são fechadas. Resíduos são removidos diariamente. O MAHU e o CAG são instalados, assim como os boilers e as mecânicas seca e molhada. As montagens são concluídas, a limpeza é constante. Em seguida é dado o start up no MAHU e no CAG. O prédio é pressurizado e o acesso, controlado.

Fase 3 (azul)
Os vãos de entrada do prédio são fechados com portas estanques. Poeira e resíduos são eliminados numa limpeza final. Alimentos são proibidos de entrar na clean room. O ar é classificado, a temperatura é controlada. Os técnicos agora só podem entrar na sala com macacão, luvas, proteção dos pés, touca, máscara e botas. É uma fase de instalações: piso elevado, divisória, forro, sprinklers, FFUs e luminárias. É dado o start up das FFUs. É o momento do ato final.

Fase 4 (vermelha)
Para entrar na área controlada começa a ser necessário a troca de sapatos. O crachá de controle é obrigatório. Cuidados especiais serão tomados com resíduos de embalagens. Água deionizada é passada em todas as superfícies. O pó é aspirado diariamente com duas etapas de filtragem. A clean room é finalmente certificada e tem início a instalação das ferramentas de processo. O hook up é finalizado. A fábrica começa a produzir.

Qualidade do ar
A permanente qualidade do ar vai ser garantida por um sistema de 5 MAHU (mais um de backup) instalados na clean room e no subfab. Outros 2+1 MAHU (com capacidade de purificar 55.000 m³ por hora) serão colocados na área de apoio. Cada um deles tem a capacidade de purificar 85 mil m³ de ar por hora. O sistema será complementado por 4+1 torres de refrigeração e chillers de 750 TR cada.

“A água gelada resfria o ar externo, o ar entra, passa por vários purificadores”, explica Pulcinelli. “O ar gelado é jogado em dois shafts, que têm uma conexão com o plenum. Passa pelo dry coil unity, onde é novamente filtrado. O ar então passa pelos últimos FFUs (Fan Filter Units). Não são dutos. Estamos falando de um grande ambiente pressurizado. Daí, o ar desce, entra na sala limpa e passa pelo seu piso elevado, que é todo furado. Sendo uma laje waffle, toda vazada, o ar desce para o subfab. Esse ar retorna para o shaft com uma temperatura maior e encontra o ar gelado que está entrando. Mistura, volta para o plenum, desce, e assim por diante. A grande inteligência de uma sala limpa é essa: sempre trabalhar com pressão positiva, ou seja, de cima para baixo, submetida a constantes limpezas, e o ambiente fica todo climatizado.”

Foram feitas simulações do desempenho do ar frio na sala limpa por meio de softwares específicos dentro da própria sala. Esses softwares inteligentes projetaram a distribuição de cada equipamento dentro da clean room. O simulador mapeou a distribuição do calor em todo o espaço enclausurado numa faixa entre 18 (azul-escuro) e 25 graus (vermelho). Isso torna possíveis e bem precisas as necessidades de intervenções. Filtros são colocados sobre esses hotspots para direcionar a eles o ar refrigerado. Assim, antes de mover qualquer equipamento para a sala, já era possível saber onde o equipamento de climatização precisava ser instalado.

Outros aspectos relevantes
“Essa fábrica gera muitos produtos químicos, ácidos e precisamos de um sistema de exaustão muito eficiente”, lembra o engenheiro Pulcinelli. “Tudo o que geramos lá dentro precisa ser tirado.” Sistemas de exaustão específicos foram instalados em cada um dos ambientes: sistemas gerais (na coberturas de facilities), exaustão solvente, exaustão ácida e exaustão cáustica. Vamos direto sobre o equipamento, e para cada um usamos uma tipologia diferente de exaustão em dutos.”

Modelo renderizado com vista lateral do complexo da Unitec Semicondutores

Todo o sistema de aterramento foi instalado com resistência menor que 1Ω (o normal é de 4 a 5). A malha de distribuição de 14 m x 14 m é feita por cabos de cobre nu, com seção de 95 mm. (A área de produção tem uma variação de 7,2 m x 14 m). Barras de equipotencialização foram instalada em todos os andares para a conexão dos equipamentos.

A proteção contra incêndios é garantida por sprinklers conectados a um reservatório de 2.600 m³ destinados tanto a incêndios (2.000 m²) quanto ao consumo e produção (600 m²). Dois sistemas de combate a incêndio foram instalados: um com gás inerte (para salas elétricas e salas de TI) e outro com sprinklers (para as outras áreas). Todos os ambientes contam com detectores de fumaça. As conexões da rede de sprinkles são do tipo Grooved. Em vez de colocar o sprinkler no teto, ele é equipado com um flexível para poder chegar precisamente ao centro do forro.

Os equipamentos começaram a ser montados somente depois da certificação da sala limpa. Após isso, poderão ser conectados aos sistemas da clean room, do ar-condicionado e da rede elétrica. “Toda a parte de instalações de processos foi importada da Alemanha”, lembra Pulcinelli. “Tudo foi fabricado lá e transportado por navio para cá prémontado. Nossos consultores garantiram, antes do embarque, que o equipamento atendia plenamente às nossas necessidades.” Quando esse equipamento chegou, não podia ter qualquer interferência. Para o transporte, foram criados skids metálicos, isoladamente. Bastou colocar um ao lado do outro e conectar todos eles. A configuração final da Unitec Semicondutores teve um intenso trabalho de space management. Esse conceito de hook up (do verbo conectar, em inglês) – uma fábrica lacrada, sob total controle ambiental, trabalhando sem qualquer possibilidade de variação ou intervalo – exige um planejamento extremo e tolerância zero a qualquer possibilidade de “jeitinho” brasileiro. É um laboratório para uma produção industrial de Primeiro Mundo.

No início do segundo semestre deste ano finalmente as luzes estarão verdes para o start. E quando a produção começar – todos estão muito conscientes disso – não poderá mais parar.

FICHA TÉCNICA

Unitec Semicondutores
Localidade: Ribeirão das Neves, Minas Gerais
Características da obra: fábrica de semicondutores
Área do terreno: 160.000 m²
Área construída: 18.900 m²
Construção: Matec Engenharia

Por Dagomir Marquezi

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