¿Qué son las resinas electrónicas? Los polímeros dentro de chips, sustratos y placas de circuito

«Resina electrónica» no es una sustancia única. Es una etiqueta práctica para la familia de materiales poliméricos de grado electrónico que aíslan, soportan, encapsulan y dan forma a las partes conductoras de los dispositivos electrónicos. La misma química base —casi siempre un epoxi— aparece en formas muy distintas: un gránulo en polvo que se funde alrededor de un chip, una lámina reforzada con tejido de vidrio que se convierte en una placa de circuito, una película fina laminada para construir un sustrato de encapsulado, o un recubrimiento sensible a la luz que define las características del circuito.

Lo que las une no es una fórmula fija, sino un conjunto de objetivos de propiedades. Una resina electrónica se juzga por cómo se comporta eléctricamente (cuán poco almacena y disipa una señal), térmicamente (a qué temperatura puede llegar antes de reblandecerse, y cómo conduce o se dilata con el calor) y dimensionalmente (cuánto se mueve respecto al silicio y el cobre que la rodean). La química se elige para alcanzar esos valores.

La química base: epoxis termoestables

La mayoría de las resinas electrónicas son termoestables. Un termoestable comienza como líquido o sólido fusible y se cura en una red rígida y reticulada que no vuelve a fundirse al recalentarse. La química dominante es la resina epoxi, muy a menudo basada en el diglicidil éter de bisfenol A (DGEBA), un epóxido bifuncional.

El curado convierte esa molécula pequeña en una densa red polimérica. Un agente de curado multifuncional (endurecedor) —comúnmente poliaminas, amidoaminas o compuestos fenólicos— abre el anillo epóxido tensionado. Con endurecedores amínicos, el nitrógeno realiza un ataque nucleofílico sobre el epóxido, formando un nuevo enlace carbono-nitrógeno y un grupo hidroxilo (un enlace β-hidroxiéter); los endurecedores fenólicos reaccionan de forma análoga. Repetido en muchos sitios, esto produce un termoestable muy reticulado, valorado por su resistencia mecánica, adhesión y resistencia química.

Como la red queda fijada una vez curada, un termoestable como un epoxi curado puede pasar por etapas de alta temperatura —por ejemplo, un perfil de reflujo de soldadura de hasta unos 260 °C— sin volver a fundirse y fluir. Esa resistencia al calor es una razón por la que los sistemas epoxi se convirtieron en la columna vertebral del encapsulado electrónico.

Encapsulado: compuestos de moldeo epoxi (EMC)

Cuando un chip semiconductor terminado se sella dentro de su cuerpo de plástico negro, el material que lo sella suele ser un compuesto de moldeo epoxi. El EMC es una formulación de una resina epoxi termoestable sólida, un agente de curado de tipo fenólico, una gran proporción de carga inorgánica fina (típicamente sílice fundida, SiO₂) y aditivos como retardantes de llama, agentes de acoplamiento, agentes desmoldeantes y modificadores de tensión.

En la práctica, el EMC se suministra como gránulos sólidos comprimidos. En el moldeo por transferencia a baja presión, los gránulos se calientan hasta un estado fluido y se fuerzan a través de compuertas alrededor del chip y de sus hilos de conexión o bumps, y luego se curan in situ. La sílice de tamaño micrométrico da a la masa fundida suficiente fluidez para llenar huecos estrechos, ocupando a la vez la mayor parte del volumen final, lo que reduce la dilatación térmica y la contracción. Según fuentes del sector, más del 80 % de los dispositivos semiconductores se encapsulan con compuestos de moldeo epoxi.

Los objetivos de propiedades del EMC incluyen baja absorción de humedad, baja contaminación iónica, una dilatación térmica cercana a la del silicio y, cada vez más, alta conductividad térmica y bajo alabeo —estos dos últimos importan para módulos de potencia y encapsulados grandes que deben evacuar calor y mantenerse planos durante el ensamblaje.

La placa de circuito: resinas de laminado revestido de cobre

Una placa de circuito impreso rígida comienza como un laminado revestido de cobre (CCL): lámina de cobre unida a un dieléctrico aislante, donde el dieléctrico es una resina reforzada por un sustrato como tejido de vidrio. La elección de la resina determina la mayor parte del comportamiento eléctrico y térmico de la placa. Las clases de resina dieléctrica documentadas incluyen fenólica, epoxi, poliimida, politetrafluoroetileno (PTFE) y bismaleimida-triazina (BT).

• Los sistemas epoxi son los más comunes. El conocido grado «FR-4» es un epoxi reforzado con vidrio; la retardancia a la llama se ha logrado tradicionalmente con resinas epoxi bromadas, y también se usan alternativas sin halógenos.
• La resina BT (bismaleimida-triazina, a menudo mezclada con epoxi) ofrece mayor resistencia al calor y se ha usado ampliamente en sustratos de encapsulado de circuitos integrados.
• Las resinas de poliimida, reforzadas con vidrio, se usan donde se necesitan alta estabilidad a temperatura y tenacidad mecánica.
• El PTFE, el poliéter de polifenileno (PPE/PPO), el éster de cianato y las resinas de hidrocarburos se usan donde la pérdida de señal debe minimizarse a alta frecuencia (véase más abajo).

Los descriptores eléctricos clave son la constante dieléctrica (Dk), que escala cuánto un material ralentiza y almacena una señal electromagnética, y el factor de disipación (Df, o tangente de pérdidas), que escala cuánta energía de señal se pierde como calor. Una Dk y una Df más bajas suelen significar interconexiones más rápidas y de menor pérdida.

Resinas de alta frecuencia y alta velocidad

A medida que aumentan las tasas de datos y las frecuencias portadoras —el régimen de 5G y de digital de alta velocidad—, la pérdida en el dieléctrico se convierte en un factor limitante. Aquí las familias de resinas divergen por su polarizabilidad. El epoxi convencional, el epoxi modificado, el éster de cianato y la poliimida tienen propiedades térmicas y mecánicas útiles, pero en general no alcanzan una pérdida ultrabaja (Df por debajo de ~0,003) a alta frecuencia. El PTFE, el PPE y algunas resinas de hidrocarburos sí pueden, debido a su baja polarizabilidad molecular.

El PTFE tiene una constante dieléctrica baja (Dk del orden de 2,1) y una pérdida muy baja, por lo que es un material de referencia para placas de RF, microondas y ondas milimétricas; su contrapartida es un procesamiento más exigente. El poliéter de polifenileno (PPE/PPO) suele describirse como solo superado por el PTFE en rendimiento dieléctrico, a la vez que es más fácil de procesar, lo que ha impulsado una variedad de formulaciones de PPE modificado para laminados de alta velocidad «de muy baja pérdida» y «de pérdida ultrabaja». En estos materiales, los objetivos recurrentes son baja Dk, baja Df, un bajo coeficiente de dilatación térmica (CTE) y una conductividad térmica adecuada.

El sustrato del encapsulado: películas dieléctricas build-up

Entre el chip de silicio y la placa de circuito está el sustrato del encapsulado, y en los procesadores de alto rendimiento sus capas aislantes son a menudo una película dieléctrica build-up. La más conocida es la Ajinomoto Build-up Film (ABF), una película de resina con carga. Se produce recubriendo la resina en espesores de aproximadamente 10–100 µm sobre una película portadora de PET, protegida por una lámina de polipropileno, y se lamina capa por capa para construir sustratos de interconexión de alta densidad.

La ABF se usó por primera vez para encapsular un circuito integrado en 1999 y desde entonces ha sido el dieléctrico preferido para los sustratos de CPU, GPU, FPGA y ASIC de alto rendimiento, donde sus propiedades relevantes son la estabilidad térmica, la baja pérdida dieléctrica y la fiabilidad del aislamiento a través de ciclos térmicos repetidos. El Grupo Ajinomoto ha informado que posee la gran mayoría de este mercado específico.

El material de formación de patrones: fotorresistencias

Las fotorresistencias son resinas electrónicas con un propósito distinto: en lugar de quedarse en el dispositivo, son recubrimientos temporales sensibles a la luz que transfieren un patrón de circuito y luego se eliminan. Su comportamiento se define por cómo cambia su solubilidad al exponerse a la luz.

Las fotorresistencias positivas clásicas combinan un novolaca (una resina fenólica) con un compuesto fotoactivo de diazonaftoquinona (DNQ). La DNQ hace que la novolaca resista la disolución en base acuosa; la exposición ultravioleta convierte la DNQ de modo que las regiones expuestas se vuelven solubles y se revelan. Para las características más pequeñas de la litografía de ultravioleta profundo y de ultravioleta extremo (EUV) se usan fotorresistencias químicamente amplificadas (CAR): la exposición genera un ácido que cataliza muchas reacciones de desprotección por cada fotón absorbido, aumentando drásticamente la sensibilidad y permitiendo características inferiores a 10 nm. Los polímeros base y la química de los grupos protectores se ajustan a cada longitud de onda de exposición.

Los valores que definen una resina electrónica

A través de todas estas formas, un conjunto consistente de parámetros describe si una resina se ajusta a una aplicación electrónica:

• Constante dieléctrica (Dk) y factor de disipación (Df): velocidad/almacenamiento de señal y pérdida de señal; valores más bajos suelen preferirse para uso de alta velocidad y alta frecuencia.
• Temperatura de transición vítrea (Tg): la temperatura a la que la resina curada se reblandece de un estado vítreo a uno gomoso, acotando el rango térmico en el que las dimensiones y la rigidez son estables.
• Coeficiente de dilatación térmica (CTE): cuánto crece la resina con la temperatura; el desajuste frente al silicio y el cobre genera tensión mecánica y alabeo.
• Conductividad térmica: cuán bien el material evacúa el calor del chip, cada vez más importante para dispositivos de potencia y de alto rendimiento.
• Retardancia a la llama: por ejemplo, el marco UL-94 y grados como FR-4, logrados con química bromada o sin halógenos.
• Absorción de humedad y pureza iónica: el agua absorbida y los iones móviles afectan al aislamiento, la fiabilidad y la corrosión, por lo que los grados electrónicos se formulan con valores bajos.

Estos objetivos explican por qué una sola palabra abarca tantos materiales. Un compuesto de moldeo epoxi, un laminado FR-4, una capa ABF y una fotorresistencia EUV comparten poco en forma final o función, pero cada uno es un sistema de polímero orgánico diseñado según una especificación eléctrica, térmica y dimensional definida —que es lo que realmente nombra «resina electrónica».

Referencias

• 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