O que são resinas eletrônicas? Os polímeros dentro de chips, substratos e placas de circuito

«Resina eletrônica» não é uma substância única. É um rótulo prático para a família de materiais poliméricos de grau eletrônico que isolam, sustentam, encapsulam e modelam as partes condutoras dos dispositivos eletrônicos. A mesma química de base — quase sempre um epóxi — aparece em formas muito diferentes: um pellet em pó que é fundido em torno de um chip, uma lâmina reforçada com tecido de vidro que se torna uma placa de circuito, um filme fino laminado para construir um substrato de encapsulamento, ou um revestimento fotossensível que define as características do circuito.

O que as une não é uma fórmula fixa, mas um conjunto de metas de propriedades. Uma resina eletrônica é avaliada pelo seu comportamento elétrico (o quão pouco armazena e dissipa um sinal), térmico (a que temperatura pode chegar antes de amolecer, e como conduz ou se dilata com o calor) e dimensional (o quanto se move em relação ao silício e ao cobre ao seu redor). A química é escolhida para atingir esses valores.

A química de base: epóxis termofixos

A maioria das resinas eletrônicas é termofixa. Um termofixo começa como líquido ou sólido fusível e é curado em uma rede rígida e reticulada que não volta a fundir ao ser reaquecida. A química dominante é a resina epóxi, muito frequentemente baseada no éter diglicidílico do bisfenol A (DGEBA), um epóxido bifuncional.

A cura converte essa molécula pequena em uma densa rede polimérica. Um agente de cura multifuncional (endurecedor) — comumente poliaminas, amidoaminas ou compostos fenólicos — abre o anel epóxido tensionado. Com endurecedores amínicos, o nitrogênio realiza um ataque nucleofílico ao epóxido, formando uma nova ligação carbono-nitrogênio e um grupo hidroxila (uma ligação β-hidroxiéter); os endurecedores fenólicos reagem de forma análoga. Repetido em muitos sítios, isso produz um termofixo fortemente reticulado, valorizado pela resistência mecânica, adesão e resistência química.

Como a rede fica fixada após a cura, um termofixo como um epóxi curado pode passar por etapas de alta temperatura — por exemplo, um perfil de refusão de solda que chega a cerca de 260 °C — sem voltar a fundir e fluir. Essa resistência ao calor é uma das razões pelas quais os sistemas epóxi se tornaram a espinha dorsal do encapsulamento eletrônico.

Encapsulamento: compostos de moldagem epóxi (EMC)

Quando um chip semicondutor acabado é selado dentro do seu corpo de plástico preto, o material que faz a vedação costuma ser um composto de moldagem epóxi. O EMC é uma formulação de uma resina epóxi termofixa sólida, um agente de cura do tipo fenólico, uma grande fração de carga inorgânica fina (tipicamente sílica fundida, SiO₂) e aditivos como retardantes de chama, agentes de acoplamento, agentes de desmoldagem e modificadores de tensão.

Na prática, o EMC é fornecido como pellets sólidos comprimidos. Na moldagem por transferência a baixa pressão, os pellets são aquecidos até um estado fluido e forçados através de canais ao redor do chip e dos seus fios de ligação ou bumps, e então curados no local. A sílica de tamanho micrométrico dá ao fundido fluidez suficiente para preencher folgas estreitas, ao mesmo tempo que ocupa a maior parte do volume final, o que reduz a dilatação térmica e a contração. Segundo fontes do setor, mais de 80% dos dispositivos semicondutores são encapsulados com compostos de moldagem epóxi.

As metas de propriedades do EMC incluem baixa absorção de umidade, baixa contaminação iônica, uma dilatação térmica próxima à do silício e, cada vez mais, alta condutividade térmica e baixo empenamento — estes dois últimos importam para módulos de potência e encapsulamentos grandes que precisam dissipar calor e permanecer planos durante a montagem.

A placa de circuito: resinas de laminado revestido de cobre

Uma placa de circuito impresso rígida começa como um laminado revestido de cobre (CCL): folha de cobre unida a um dielétrico isolante, no qual o dielétrico é uma resina reforçada por um substrato como tecido de vidro. A escolha da resina determina a maior parte do comportamento elétrico e térmico da placa. As classes de resina dielétrica documentadas incluem fenólica, epóxi, poliimida, politetrafluoretileno (PTFE) e bismaleimida-triazina (BT).

• Os sistemas epóxi são os mais comuns. O conhecido grau «FR-4» é um epóxi reforçado com vidro; a retardância de chama foi tradicionalmente obtida com resinas epóxi bromadas, havendo também alternativas isentas de halogênio.
• A resina BT (bismaleimida-triazina, muitas vezes misturada com epóxi) oferece maior resistência ao calor e tem sido amplamente usada em substratos de encapsulamento de circuitos integrados.
• As resinas de poliimida, reforçadas com vidro, são usadas onde se exige alta estabilidade térmica e tenacidade mecânica.
• O PTFE, o poliéter de polifenileno (PPE/PPO), o éster de cianato e as resinas de hidrocarbonetos são usados onde a perda de sinal precisa ser minimizada em alta frequência (ver abaixo).

Os descritores elétricos principais são a constante dielétrica (Dk), que escala o quanto um material retarda e armazena um sinal eletromagnético, e o fator de dissipação (Df, ou tangente de perdas), que escala quanta energia do sinal é perdida como calor. Dk e Df mais baixos geralmente significam interconexões mais rápidas e de menor perda.

Resinas de alta frequência e alta velocidade

À medida que as taxas de dados e as frequências de portadora aumentam — o regime do 5G e do digital de alta velocidade —, a perda no dielétrico torna-se um fator limitante. Aqui as famílias de resinas divergem pela polarizabilidade. Epóxi convencional, epóxi modificado, éster de cianato e poliimida têm propriedades térmicas e mecânicas úteis, mas em geral não alcançam perda ultrabaixa (Df abaixo de ~0,003) em alta frequência. PTFE, PPE e algumas resinas de hidrocarbonetos conseguem, devido à sua baixa polarizabilidade molecular.

O PTFE tem uma constante dielétrica baixa (Dk da ordem de 2,1) e perda muito baixa, razão pela qual é um material de referência para placas de RF, micro-ondas e ondas milimétricas; sua contrapartida é um processamento mais exigente. O poliéter de polifenileno (PPE/PPO) é frequentemente descrito como perdendo apenas para o PTFE em desempenho dielétrico, sendo ao mesmo tempo mais fácil de processar, o que impulsionou uma gama de formulações de PPE modificado para laminados de alta velocidade «de perda muito baixa» e «de perda ultrabaixa». Entre esses materiais, as metas recorrentes são Dk baixo, Df baixo, um baixo coeficiente de dilatação térmica (CTE) e condutividade térmica adequada.

O substrato de encapsulamento: filmes dielétricos build-up

Entre o chip de silício e a placa de circuito está o substrato de encapsulamento, e em processadores de alto desempenho suas camadas isolantes são frequentemente um filme dielétrico build-up. O mais conhecido é o Ajinomoto Build-up Film (ABF), um filme de resina com carga. Ele é produzido revestindo a resina em espessuras de cerca de 10–100 µm sobre um filme portador de PET, protegido por uma folha de polipropileno, e é laminado camada por camada para construir substratos de interconexão de alta densidade.

O ABF foi usado pela primeira vez para encapsular um circuito integrado em 1999 e desde então tem sido o dielétrico preferido para os substratos de CPUs, GPUs, FPGAs e ASICs de alto desempenho, onde suas propriedades relevantes são a estabilidade térmica, a baixa perda dielétrica e a confiabilidade do isolamento ao longo de ciclos térmicos repetidos. O Grupo Ajinomoto informou deter a grande maioria desse mercado específico.

O material de modelagem de padrões: fotorresistes

Os fotorresistes são resinas eletrônicas com finalidade diferente: em vez de permanecerem no dispositivo, são revestimentos temporários fotossensíveis que transferem um padrão de circuito e depois são removidos. Seu comportamento é definido por como a sua solubilidade muda ao ser exposta à luz.

Os fotorresistes positivos clássicos combinam um novolaca (uma resina fenólica) com um composto fotoativo de diazonaftoquinona (DNQ). A DNQ faz com que a novolaca resista à dissolução em base aquosa; a exposição ultravioleta converte a DNQ de modo que as regiões expostas se tornam solúveis e são reveladas. Para as características menores da litografia de ultravioleta profundo e de ultravioleta extremo (EUV), usam-se fotorresistes quimicamente amplificados (CAR): a exposição gera um ácido que catalisa muitas reações de desproteção por fóton absorvido, aumentando drasticamente a sensibilidade e possibilitando características inferiores a 10 nm. Os polímeros de base e a química dos grupos protetores são ajustados a cada comprimento de onda de exposição.

Os valores que definem uma resina eletrônica

Em todas essas formas, um conjunto consistente de parâmetros descreve se uma resina se ajusta a uma aplicação eletrônica:

• Constante dielétrica (Dk) e fator de dissipação (Df): velocidade/armazenamento de sinal e perda de sinal; valores mais baixos são geralmente preferidos para uso de alta velocidade e alta frequência.
• Temperatura de transição vítrea (Tg): a temperatura na qual a resina curada amolece de um estado vítreo para um estado borrachoso, delimitando a faixa térmica em que as dimensões e a rigidez são estáveis.
• Coeficiente de dilatação térmica (CTE): o quanto a resina se expande com a temperatura; o descompasso em relação ao silício e ao cobre gera tensão mecânica e empenamento.
• Condutividade térmica: quão bem o material dissipa o calor do chip, cada vez mais importante para dispositivos de potência e de alto desempenho.
• Retardância de chama: por exemplo, o quadro UL-94 e graus como FR-4, obtidos com química bromada ou isenta de halogênio.
• Absorção de umidade e pureza iônica: a água absorvida e os íons móveis afetam o isolamento, a confiabilidade e a corrosão, por isso os graus eletrônicos são formulados para valores baixos.

Essas metas explicam por que uma só palavra abrange tantos materiais. Um composto de moldagem epóxi, um laminado FR-4, uma camada ABF e um fotorresiste EUV têm pouco em comum quanto à forma final ou ao papel, mas cada um é um sistema de polímero orgânico projetado segundo uma especificação elétrica, térmica e dimensional definida — que é o que «resina eletrônica» realmente nomeia.

Referências

• Sumitomo Bakelite: Epoxy Resin Molding Compounds for Encapsulation of Semiconductor Devices (SUMICON EME)
• Wikipedia: Epoxy molding compounds
• Shin-Etsu Chemical: Epoxy Encapsulant Material
• Wikipedia: Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA)
• PMC: Surface Chemistry and Molecular Dynamics of Epoxy Resin During Curing
• JLCPCB: What is Copper Clad Laminate (CCL)?
• PCBCart: A Comprehensive Introduction of Copper Clad Laminate
• MDPI/PMC: MPPE/SEBS Composites with Low Dielectric Loss for High-Frequency Copper Clad Laminates
• Cadence: Why Ajinomoto Build-Up Film (ABF) is Used in IC Packaging
• Polymer Innovation Blog: Build-Up Films for Flip Chip Semiconductor Substrates
• Shin-Etsu MicroSi: I-line / G-line / NOVOLAK and Chemically Amplified Resists
• RSC Polymer Chemistry: Emerging trends in polymeric resists for EUV lithography