Was sind Elektronikharze? Die Polymere in Chips, Substraten und Leiterplatten

„Elektronikharz“ ist keine einzelne Substanz. Es ist ein Sammelbegriff für die Familie elektronischer Polymerwerkstoffe, die die leitfähigen Teile elektronischer Bauelemente isolieren, tragen, einkapseln und strukturieren. Dieselbe Grundchemie – meist ein Epoxid – tritt in sehr unterschiedlichen Formen auf: als Pulverpellet, das um einen Chip herum aufgeschmolzen wird, als glasgewebeverstärkte Platte, die zur Leiterplatte wird, als dünner Film, der zu einem Gehäusesubstrat laminiert wird, oder als lichtempfindliche Beschichtung, die Schaltungsstrukturen definiert.

Was sie verbindet, ist keine feste Rezeptur, sondern ein Satz von Eigenschaftszielen. Ein Elektronikharz wird danach beurteilt, wie es sich elektrisch verhält (wie wenig es ein Signal speichert und dissipiert), thermisch (wie heiß es werden kann, bevor es erweicht, und wie gut es Wärme leitet oder sich ausdehnt) und dimensional (wie stark es sich gegenüber dem umgebenden Silizium und Kupfer bewegt). Die Chemie wird gewählt, um diese Kennwerte zu treffen.

Die Grundchemie: duroplastische Epoxide

Die meisten Elektronikharze sind Duroplaste. Ein Duroplast beginnt als Flüssigkeit oder schmelzbarer Feststoff und wird zu einem starren, vernetzten Netzwerk ausgehärtet, das beim erneuten Erhitzen nicht wieder schmilzt. Die dominierende Chemie ist das Epoxidharz, sehr oft auf Basis des Diglycidylethers von Bisphenol A (DGEBA), eines bifunktionellen Epoxids.

Die Aushärtung wandelt dieses kleine Molekül in ein dichtes Polymernetzwerk um. Ein multifunktionelles Härtungsmittel (Härter) – üblicherweise Polyamine, Amidoamine oder phenolische Verbindungen – öffnet den gespannten Epoxidring. Bei Aminhärtern führt der Stickstoff einen nukleophilen Angriff auf das Epoxid aus und bildet eine neue Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung und eine Hydroxylgruppe (eine β-Hydroxyether-Bindung); phenolische Härter reagieren analog. Über viele Stellen wiederholt, entsteht so ein stark vernetzter Duroplast, der für mechanische Festigkeit, Haftung und chemische Beständigkeit geschätzt wird.

Da das Netzwerk nach dem Aushärten fixiert ist, kann ein Duroplast wie ein ausgehärtetes Epoxid Hochtemperaturschritte durchlaufen – zum Beispiel ein Lötreflow-Profil von bis zu etwa 260 °C – ohne erneut zu schmelzen und zu fließen. Diese Wärmebeständigkeit ist einer der Gründe, warum Epoxidsysteme zum Rückgrat der Elektronikgehäusetechnik wurden.

Einkapselung: Epoxid-Formmassen (EMC)

Wenn ein fertiger Halbleiterchip in seinem schwarzen Kunststoffkörper versiegelt wird, ist das versiegelnde Material meist eine Epoxid-Formmasse. EMC ist eine Formulierung aus einem festen duroplastischen Epoxidharz, einem phenolischen Härtungsmittel, einem hohen Anteil feinen anorganischen Füllstoffs (typischerweise geschmolzenes Siliziumdioxid, SiO₂) sowie Additiven wie Flammschutzmitteln, Haftvermittlern, Entformungshilfen und Spannungsmodifikatoren.

In der Praxis wird EMC als gepresste feste Pellets geliefert. Beim Niederdruck-Transfer-Molding werden die Pellets auf einen fließfähigen Zustand erhitzt und durch Angüsse um den Chip und seine Bonddrähte oder Bumps gepresst und dann vor Ort ausgehärtet. Das mikrometergroße Siliziumdioxid verleiht der Schmelze genug Fließfähigkeit, um enge Spalte zu füllen, und nimmt zugleich den größten Teil des Endvolumens ein, was Wärmeausdehnung und Schrumpfung verringert. Nach Branchenangaben werden mehr als 80 % der Halbleiterbauelemente mit Epoxid-Formmassen eingekapselt.

Eigenschaftsziele für EMC sind geringe Feuchtigkeitsaufnahme, geringe ionische Verunreinigung, eine dem Silizium nahe Wärmeausdehnung sowie zunehmend hohe Wärmeleitfähigkeit und geringer Verzug – die letzten beiden sind wichtig für Leistungsmodule und große Gehäuse, die Wärme abführen und bei der Montage flach bleiben müssen.

Die Leiterplatte: Harze für kupferkaschierte Laminate

Eine starre Leiterplatte beginnt als kupferkaschiertes Laminat (CCL): Kupferfolie, die mit einem isolierenden Dielektrikum verbunden ist, wobei das Dielektrikum ein durch ein Substrat wie Glasgewebe verstärktes Harz ist. Die Harzwahl bestimmt das meiste des elektrischen und thermischen Verhaltens der Platte. Dokumentierte dielektrische Harzklassen sind phenolische Harze, Epoxid, Polyimid, Polytetrafluorethylen (PTFE) und Bismaleimid-Triazin (BT).

• Epoxidsysteme sind am häufigsten. Die bekannte Sorte „FR-4“ ist ein glasverstärktes Epoxid; die Flammhemmung wurde traditionell durch bromierte Epoxidharze erreicht, wobei auch halogenfreie Alternativen verwendet werden.
• BT-Harz (Bismaleimid-Triazin, oft mit Epoxid gemischt) bietet höhere Wärmebeständigkeit und wird breit in IC-Gehäusesubstraten eingesetzt.
• Polyimid-Harze, mit Glas verstärkt, werden dort verwendet, wo hohe Temperaturstabilität und mechanische Zähigkeit erforderlich sind.
• PTFE, Polyphenylenether (PPE/PPO), Cyanatester und Kohlenwasserstoffharze kommen zum Einsatz, wo der Signalverlust bei hoher Frequenz minimiert werden muss (siehe unten).

Die wichtigsten elektrischen Kennwerte sind die Dielektrizitätskonstante (Dk), die abbildet, wie stark ein Material ein elektromagnetisches Signal verlangsamt und speichert, und der Verlustfaktor (Df bzw. Verlusttangens), der abbildet, wie viel Signalenergie als Wärme verloren geht. Niedrigere Dk und Df bedeuten in der Regel schnellere, verlustärmere Verbindungen.

Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsharze

Mit steigenden Datenraten und Trägerfrequenzen – dem 5G- und Hochgeschwindigkeitsdigitalbereich – wird der Verlust im Dielektrikum zum begrenzenden Faktor. Hier unterscheiden sich die Harzfamilien nach Polarisierbarkeit. Konventionelles Epoxid, modifiziertes Epoxid, Cyanatester und Polyimid haben nützliche thermische und mechanische Eigenschaften, erreichen aber bei hoher Frequenz im Allgemeinen keinen extrem niedrigen Verlust (Df unter ~0,003). PTFE, PPE und einige Kohlenwasserstoffharze können dies aufgrund ihrer geringen molekularen Polarisierbarkeit.

PTFE hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk in der Größenordnung von 2,1) und sehr geringen Verlust, weshalb es ein Referenzmaterial für HF-, Mikrowellen- und Millimeterwellenplatten ist; der Kompromiss ist eine anspruchsvollere Verarbeitung. Polyphenylenether (PPE/PPO) wird oft als in der dielektrischen Leistung nur PTFE nachstehend, aber leichter zu verarbeiten beschrieben, was eine Reihe modifizierter PPE-Formulierungen für „Very Low Loss“- und „Ultra Low Loss“-Hochgeschwindigkeitslaminate vorangetrieben hat. Über diese Materialien hinweg sind die wiederkehrenden Ziele niedrige Dk, niedrige Df, ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) und ausreichende Wärmeleitfähigkeit.

Das Gehäusesubstrat: dielektrische Build-up-Filme

Zwischen dem Siliziumchip und der Leiterplatte liegt das Gehäusesubstrat, und in Hochleistungsprozessoren sind seine Isolierschichten oft ein dielektrischer Build-up-Film. Der bekannteste ist der Ajinomoto Build-up Film (ABF), ein gefüllter Harzfilm. Er wird hergestellt, indem das Harz in Dicken von etwa 10–100 µm auf eine PET-Trägerfolie aufgetragen, mit einer Polypropylen-Deckschicht geschützt und Schicht für Schicht zu hochdichten Verbindungssubstraten laminiert wird.

ABF wurde 1999 erstmals zur Gehäusung eines ICs verwendet und ist seitdem das bevorzugte Dielektrikum für die Substrate von Hochleistungs-CPUs, -GPUs, -FPGAs und -ASICs, wobei seine thermische Stabilität, der geringe dielektrische Verlust und die Isolationszuverlässigkeit über wiederholte Temperaturwechsel die maßgeblichen Eigenschaften sind. Die Ajinomoto-Gruppe hat berichtet, den überwiegenden Teil dieses spezifischen Marktes zu halten.

Das Strukturierungsmaterial: Fotolacke

Fotolacke sind Elektronikharze mit anderem Zweck: Statt im Bauelement zu verbleiben, sind sie temporäre, lichtempfindliche Beschichtungen, die ein Schaltungsmuster übertragen und dann entfernt werden. Ihr Verhalten wird dadurch definiert, wie sich ihre Löslichkeit bei Lichtbelichtung ändert.

Klassische Positivlacke kombinieren einen Novolak (ein phenolisches Harz) mit einer Diazonaphthochinon (DNQ)-fotoaktiven Verbindung. Das DNQ macht den Novolak gegenüber der Auflösung in wässriger Base beständig; UV-Belichtung wandelt das DNQ um, sodass die belichteten Bereiche löslich werden und herausentwickelt werden. Für die kleineren Strukturen der Deep-UV- und Extrem-UV-Lithografie (EUV) werden chemisch verstärkte Lacke (CARs) verwendet: Die Belichtung erzeugt eine Säure, die pro absorbiertem Photon viele Entschützungsreaktionen katalysiert, was die Empfindlichkeit drastisch erhöht und Strukturen unter 10 nm ermöglicht. Die Basispolymere und die Schutzgruppenchemie werden auf jede Belichtungswellenlänge abgestimmt.

Die Kennwerte, die ein Elektronikharz definieren

Über all diese Formen hinweg beschreibt ein konsistenter Satz von Kennwerten, ob ein Harz für eine elektronische Anwendung geeignet ist:

• Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Df) – Signalgeschwindigkeit/-speicherung und Signalverlust; niedriger ist für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen in der Regel vorzuziehen.
• Glasübergangstemperatur (Tg) – die Temperatur, bei der das ausgehärtete Harz vom glasartigen in den gummiartigen Zustand erweicht, was den Temperaturbereich begrenzt, in dem Abmessungen und Steifigkeit stabil sind.
• Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) – wie stark das Harz mit der Temperatur wächst; eine Fehlanpassung gegenüber Silizium und Kupfer erzeugt mechanische Spannung und Verzug.
• Wärmeleitfähigkeit – wie gut das Material Wärme vom Chip abführt, zunehmend wichtig für Leistungs- und Hochleistungsbauelemente.
• Flammhemmung – zum Beispiel das UL-94-System und Sorten wie FR-4, erreicht mit bromierter oder halogenfreier Chemie.
• Feuchtigkeitsaufnahme und ionische Reinheit – aufgenommenes Wasser und bewegliche Ionen beeinflussen Isolation, Zuverlässigkeit und Korrosion, daher werden elektronische Sorten auf niedrige Werte formuliert.

Diese Ziele erklären, warum ein Wort so viele Materialien umfasst. Eine Epoxid-Formmasse, ein FR-4-Laminat, eine ABF-Schicht und ein EUV-Fotolack haben in Endform oder Rolle wenig gemeinsam, doch jedes ist ein organisches Polymersystem, das auf eine definierte elektrische, thermische und dimensionale Spezifikation ausgelegt ist – und genau das benennt der Begriff „Elektronikharz“.

Quellen

• 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