Что такое электронные смолы? Полимеры внутри чипов, подложек и печатных плат

«Электронная смола» — не одно вещество. Это рабочее обозначение семейства полимерных материалов электронного класса, которые изолируют, поддерживают, герметизируют и формируют рисунок проводящих частей электронных устройств. Одна и та же базовая химия — чаще всего эпоксид — встречается в очень разных формах: порошковая таблетка, расплавляемая вокруг кристалла; лист, армированный стеклотканью, который становится печатной платой; тонкая плёнка, ламинируемая для наращивания подложки корпуса; или светочувствительное покрытие, задающее элементы схемы.

Их объединяет не фиксированная рецептура, а набор целевых свойств. Электронную смолу оценивают по тому, как она ведёт себя электрически (насколько мало она запасает и рассеивает сигнал), термически (до какой температуры она может нагреться до размягчения и насколько хорошо проводит тепло или расширяется) и размерно (насколько она смещается относительно окружающих кремния и меди). Химию выбирают так, чтобы достичь этих показателей.

Базовая химия: термореактивные эпоксиды

Большинство электронных смол — термореактивные. Термореактив начинается как жидкость или плавкое твёрдое тело и отверждается в жёсткую сшитую сетку, которая при повторном нагреве не плавится снова. Доминирующая химия — эпоксидная смола, очень часто на основе диглицидилового эфира бисфенола А (DGEBA), бифункционального эпоксида.

Отверждение превращает эту небольшую молекулу в плотную полимерную сетку. Полифункциональный отвердитель — обычно полиамины, амидоамины или фенольные соединения — раскрывает напряжённое эпоксидное кольцо. С аминными отвердителями азот совершает нуклеофильную атаку на эпоксид, образуя новую связь углерод–азот и гидроксильную группу (связь β-гидроксиэфира); фенольные отвердители реагируют аналогично. Повторяясь во множестве участков, это даёт сильно сшитый термореактив, ценимый за механическую прочность, адгезию и химическую стойкость.

Поскольку сетка после отверждения зафиксирована, термореактив, например отверждённый эпоксид, может проходить высокотемпературные этапы — например, профиль оплавления припоя с пиком около 260 °C — не плавясь и не растекаясь снова. Эта теплостойкость — одна из причин, почему эпоксидные системы стали основой электронной корпусировки.

Герметизация: эпоксидные пресс-материалы (EMC)

Когда готовый полупроводниковый кристалл запечатывают внутри чёрного пластикового корпуса, материал, выполняющий герметизацию, обычно представляет собой эпоксидный пресс-материал. EMC — это композиция из твёрдой термореактивной эпоксидной смолы, отвердителя фенольного типа, большой доли тонкого неорганического наполнителя (как правило, плавленого диоксида кремния, SiO₂) и добавок: антипиренов, аппретов, разделительных агентов и модификаторов напряжений.

На практике EMC поставляется в виде спрессованных твёрдых таблеток. При трансферном литье под низким давлением таблетки нагревают до текучего состояния и продавливают через литники вокруг кристалла и его разварочных проволок или шариковых выводов, а затем отверждают на месте. Микронный диоксид кремния придаёт расплаву достаточную текучесть для заполнения узких зазоров, занимая при этом большую часть итогового объёма, что снижает тепловое расширение и усадку. По данным отрасли, более 80% полупроводниковых приборов герметизируются эпоксидными пресс-материалами.

Целевые свойства EMC включают низкое влагопоглощение, низкое ионное загрязнение, тепловое расширение, близкое к кремнию, и всё более — высокую теплопроводность и низкое коробление; последние два важны для силовых модулей и крупных корпусов, которые должны отводить тепло и оставаться плоскими при сборке.

Печатная плата: смолы фольгированных ламинатов

Жёсткая печатная плата начинается как фольгированный медью ламинат (CCL): медная фольга, соединённая с изолирующим диэлектриком, где диэлектрик — это смола, армированная основой, например тканой стеклотканью. Выбор смолы задаёт большую часть электрического и теплового поведения платы. Среди задокументированных классов диэлектрических смол — фенольные, эпоксидные, полиимидные, политетрафторэтиленовые (PTFE) и бисмалеимид-триазиновые (BT).

• Эпоксидные системы — самые распространённые. Известная марка «FR-4» — это эпоксид, армированный стеклом; огнестойкость традиционно обеспечивалась бромированными эпоксидными смолами, используются и безгалогенные альтернативы.
• BT-смола (бисмалеимид-триазин, часто в смеси с эпоксидом) обладает более высокой теплостойкостью и широко применяется в подложках корпусов ИС.
• Полиимидные смолы, армированные стеклом, применяют там, где нужны высокая температурная стабильность и механическая вязкость.
• PTFE, полифениленовый эфир (PPE/PPO), цианатный эфир и углеводородные смолы применяют там, где на высокой частоте нужно минимизировать потери сигнала (см. ниже).

Ключевые электрические характеристики — это диэлектрическая проницаемость (Dk), отражающая, насколько материал замедляет и запасает электромагнитный сигнал, и тангенс угла потерь (Df), отражающий, какая доля энергии сигнала теряется в виде тепла. Меньшие Dk и Df обычно означают более быстрые соединения с меньшими потерями.

Смолы для высоких частот и высоких скоростей

С ростом скоростей передачи данных и несущих частот — в режиме 5G и высокоскоростной цифры — потери в диэлектрике становятся ограничивающим фактором. Здесь семейства смол расходятся по поляризуемости. Обычный эпоксид, модифицированный эпоксид, цианатный эфир и полиимид обладают полезными тепловыми и механическими свойствами, но, как правило, не достигают сверхнизких потерь (Df ниже ~0,003) на высокой частоте. PTFE, PPE и некоторые углеводородные смолы способны на это благодаря низкой молекулярной поляризуемости.

У PTFE низкая диэлектрическая проницаемость (Dk порядка 2,1) и очень низкие потери, поэтому он служит эталонным материалом для ВЧ-, СВЧ- и миллиметровых плат; платой за это является более требовательная обработка. Полифениленовый эфир (PPE/PPO) часто описывают как уступающий по диэлектрическим характеристикам только PTFE, но более лёгкий в обработке, что породило ряд модифицированных рецептур PPE для высокоскоростных ламинатов «очень низких» и «сверхнизких» потерь. Для всех этих материалов повторяющиеся цели — низкие Dk, низкие Df, низкий коэффициент теплового расширения (КТР) и достаточная теплопроводность.

Подложка корпуса: диэлектрические плёнки build-up

Между кремниевым кристаллом и печатной платой находится подложка корпуса, и в высокопроизводительных процессорах её изолирующие слои часто представляют собой диэлектрическую плёнку build-up. Самая известная — Ajinomoto Build-up Film (ABF), наполненная смоляная плёнка. Её получают, нанося смолу толщиной примерно 10–100 мкм на несущую плёнку из ПЭТ, защищённую полипропиленовым покровным листом, и ламинируют слой за слоем для построения подложек высокоплотной коммутации.

ABF впервые применили для корпусировки ИС в 1999 году, и с тех пор она остаётся предпочтительным диэлектриком для подложек высокопроизводительных CPU, GPU, FPGA и ASIC, где значимыми свойствами являются термостабильность, низкие диэлектрические потери и надёжность изоляции при повторяющихся термоциклах. Группа Ajinomoto сообщала, что удерживает большую часть этого конкретного рынка.

Материал для формирования рисунка: фоторезисты

Фоторезисты — электронные смолы иного назначения: вместо того чтобы оставаться в устройстве, это временные светочувствительные покрытия, которые переносят рисунок схемы, а затем удаляются. Их поведение определяется тем, как меняется их растворимость при экспонировании светом.

Классические позитивные резисты сочетают новолак (фенольную смолу) с фотоактивным соединением диазонафтохинон (DNQ). DNQ делает новолак стойким к растворению в водной щёлочи; ультрафиолетовое экспонирование преобразует DNQ так, что экспонированные участки становятся растворимыми и вымываются при проявлении. Для меньших элементов литографии глубокого УФ и экстремального УФ (EUV) применяют химически усиленные резисты (CAR): экспонирование генерирует кислоту, которая катализирует множество реакций снятия защиты на каждый поглощённый фотон, резко повышая чувствительность и позволяя получать элементы менее 10 нм. Базовые полимеры и химию защитных групп настраивают под каждую длину волны экспонирования.

Показатели, определяющие электронную смолу

Во всех этих формах согласованный набор параметров описывает, подходит ли смола для электронного применения:

• Диэлектрическая проницаемость (Dk) и тангенс угла потерь (Df) — скорость/запасание сигнала и потери сигнала; меньшие значения обычно предпочтительны для высокоскоростных и высокочастотных применений.
• Температура стеклования (Tg) — температура, при которой отверждённая смола размягчается из стеклообразного в эластичное состояние, ограничивая тепловой диапазон стабильности размеров и жёсткости.
• Коэффициент теплового расширения (КТР) — насколько смола расширяется с температурой; рассогласование с кремнием и медью порождает механические напряжения и коробление.
• Теплопроводность — насколько хорошо материал отводит тепло от кристалла; всё более важна для силовых и высокопроизводительных приборов.
• Огнестойкость — например, система UL-94 и марки вроде FR-4, достигаемые бромированной или безгалогенной химией.
• Влагопоглощение и ионная чистота — поглощённая вода и подвижные ионы влияют на изоляцию, надёжность и коррозию, поэтому электронные марки составляют с низкими значениями.

Эти цели объясняют, почему одно слово охватывает столь много материалов. Эпоксидный пресс-материал, ламинат FR-4, слой ABF и EUV-фоторезист мало схожи по конечной форме или роли, но каждый — это система органического полимера, спроектированная под заданную электрическую, тепловую и размерную спецификацию, что и обозначает термин «электронная смола».

Источники

• 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