Que sont les résines électroniques ? Les polymères dans les puces, substrats et circuits imprimés

« Résine électronique » n'est pas une substance unique. C'est une appellation pratique pour la famille des matériaux polymères de qualité électronique qui isolent, supportent, encapsulent et structurent les parties conductrices des dispositifs électroniques. La même chimie de base — le plus souvent un époxy — apparaît sous des formes très différentes : un granulé en poudre fondu autour d'une puce, une feuille renforcée de tissu de verre qui devient un circuit imprimé, un film mince stratifié pour construire un substrat de boîtier, ou un revêtement photosensible qui définit les motifs du circuit.

Ce qui les relie n'est pas une formule fixe, mais un ensemble d'objectifs de propriétés. Une résine électronique se juge à son comportement électrique (la faible mesure dans laquelle elle stocke et dissipe un signal), thermique (la température qu'elle peut atteindre avant de se ramollir, et sa conduction ou sa dilatation avec la chaleur) et dimensionnel (l'ampleur de son mouvement par rapport au silicium et au cuivre qui l'entourent). La chimie est choisie pour atteindre ces valeurs.

La chimie de base : les époxy thermodurcissables

La plupart des résines électroniques sont thermodurcissables. Un thermodurcissable commence comme un liquide ou un solide fusible et est durci en un réseau rigide et réticulé qui ne refond pas au réchauffage. La chimie dominante est la résine époxy, très souvent basée sur l'éther diglycidylique du bisphénol A (DGEBA), un époxyde bifonctionnel.

Le durcissement transforme cette petite molécule en un réseau polymère dense. Un agent de durcissement multifonctionnel (durcisseur) — couramment des polyamines, des amidoamines ou des composés phénoliques — ouvre le cycle époxyde tendu. Avec les durcisseurs aminés, l'azote effectue une attaque nucléophile sur l'époxyde, formant une nouvelle liaison carbone-azote et un groupe hydroxyle (une liaison β-hydroxyéther) ; les durcisseurs phénoliques réagissent de manière analogue. Répété sur de nombreux sites, cela produit un thermodurcissable fortement réticulé, apprécié pour sa résistance mécanique, son adhérence et sa résistance chimique.

Comme le réseau est figé une fois durci, un thermodurcissable tel qu'un époxy durci peut traverser des étapes à haute température — par exemple un profil de refusion de soudure atteignant environ 260 °C — sans refondre et s'écouler. Cette résistance à la chaleur est l'une des raisons pour lesquelles les systèmes époxy sont devenus l'ossature de l'encapsulation électronique.

Encapsulation : les composés de moulage époxy (EMC)

Lorsqu'une puce semi-conductrice finie est scellée dans son corps en plastique noir, le matériau qui la scelle est généralement un composé de moulage époxy. L'EMC est une formulation composée d'une résine époxy thermodurcissable solide, d'un agent de durcissement de type phénolique, d'une forte proportion de charge minérale fine (typiquement de la silice fondue, SiO₂) et d'additifs tels que des retardateurs de flamme, des agents de couplage, des agents de démoulage et des modificateurs de contrainte.

En pratique, l'EMC est fourni sous forme de granulés solides comprimés. Dans le moulage par transfert à basse pression, les granulés sont chauffés jusqu'à un état fluide et poussés à travers des seuils autour de la puce et de ses fils de connexion ou bumps, puis durcis sur place. La silice de taille micrométrique donne au fondu assez de fluidité pour remplir les espaces étroits tout en occupant la majeure partie du volume final, ce qui réduit la dilatation thermique et le retrait. Selon les sources du secteur, plus de 80 % des dispositifs semi-conducteurs sont encapsulés avec des composés de moulage époxy.

Les objectifs de propriétés de l'EMC comprennent une faible absorption d'humidité, une faible contamination ionique, une dilatation thermique proche de celle du silicium et, de plus en plus, une conductivité thermique élevée et un faible gauchissement — ces deux derniers importent pour les modules de puissance et les grands boîtiers qui doivent évacuer la chaleur et rester plats pendant l'assemblage.

Le circuit imprimé : les résines de stratifié cuivré

Un circuit imprimé rigide commence comme un stratifié cuivré (CCL) : une feuille de cuivre liée à un diélectrique isolant, où le diélectrique est une résine renforcée par un substrat tel qu'un tissu de verre. Le choix de la résine détermine l'essentiel du comportement électrique et thermique de la carte. Les classes de résine diélectrique documentées comprennent les résines phénoliques, époxy, polyimide, polytétrafluoroéthylène (PTFE) et bismaléimide-triazine (BT).

• Les systèmes époxy sont les plus courants. Le grade bien connu « FR-4 » est un époxy renforcé de verre ; l'ignifugation a traditionnellement été assurée par des résines époxy bromées, des alternatives sans halogène étant également utilisées.
• La résine BT (bismaléimide-triazine, souvent mélangée à l'époxy) offre une meilleure résistance à la chaleur et est largement utilisée dans les substrats de boîtier de circuits intégrés.
• Les résines polyimide, renforcées de verre, sont utilisées là où une grande stabilité thermique et une ténacité mécanique sont nécessaires.
• Le PTFE, le polyéther de phénylène (PPE/PPO), l'ester de cyanate et les résines hydrocarbonées sont utilisés là où la perte de signal doit être minimisée à haute fréquence (voir ci-dessous).

Les descripteurs électriques clés sont la constante diélectrique (Dk), qui mesure dans quelle mesure un matériau ralentit et stocke un signal électromagnétique, et le facteur de dissipation (Df, ou tangente de pertes), qui mesure quelle part de l'énergie du signal est perdue sous forme de chaleur. Une Dk et une Df plus faibles signifient généralement des interconnexions plus rapides et à plus faible perte.

Résines haute fréquence et haut débit

À mesure que les débits de données et les fréquences porteuses augmentent — le régime de la 5G et du numérique haut débit —, la perte dans le diélectrique devient un facteur limitant. Ici, les familles de résines divergent par leur polarisabilité. L'époxy classique, l'époxy modifié, l'ester de cyanate et le polyimide ont des propriétés thermiques et mécaniques utiles, mais ne peuvent généralement pas atteindre une perte ultra-faible (Df inférieur à ~0,003) à haute fréquence. Le PTFE, le PPE et certaines résines hydrocarbonées le peuvent, en raison de leur faible polarisabilité moléculaire.

Le PTFE a une faible constante diélectrique (Dk de l'ordre de 2,1) et une très faible perte, ce qui en fait un matériau de référence pour les cartes RF, micro-ondes et ondes millimétriques ; sa contrepartie est une mise en œuvre plus exigeante. Le polyéther de phénylène (PPE/PPO) est souvent décrit comme second seulement au PTFE en performance diélectrique tout en étant plus facile à mettre en œuvre, ce qui a stimulé une gamme de formulations de PPE modifié pour les stratifiés haut débit « à très faible perte » et « à perte ultra-faible ». À travers ces matériaux, les objectifs récurrents sont une faible Dk, une faible Df, un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et une conductivité thermique adéquate.

Le substrat de boîtier : les films diélectriques build-up

Entre la puce de silicium et le circuit imprimé se trouve le substrat de boîtier, et dans les processeurs haute performance ses couches isolantes sont souvent un film diélectrique build-up. Le plus connu est l'Ajinomoto Build-up Film (ABF), un film de résine chargée. Il est produit en enduisant la résine sur des épaisseurs d'environ 10–100 µm sur un film support en PET, protégé par une feuille de polypropylène, puis stratifié couche par couche pour construire des substrats d'interconnexion à haute densité.

L'ABF a été utilisé pour la première fois pour encapsuler un circuit intégré en 1999 et est depuis le diélectrique de choix pour les substrats des CPU, GPU, FPGA et ASIC haute performance, où ses propriétés pertinentes sont la stabilité thermique, la faible perte diélectrique et la fiabilité de l'isolation à travers des cycles thermiques répétés. Le groupe Ajinomoto a indiqué détenir la grande majorité de ce marché spécifique.

Le matériau de structuration : les photorésines

Les photorésines sont des résines électroniques d'une autre vocation : au lieu de rester dans le dispositif, ce sont des revêtements temporaires photosensibles qui transfèrent un motif de circuit, puis sont retirés. Leur comportement est défini par la façon dont leur solubilité change à l'exposition à la lumière.

Les photorésines positives classiques associent un novolaque (une résine phénolique) à un composé photoactif de diazonaphtoquinone (DNQ). La DNQ rend le novolaque résistant à la dissolution en base aqueuse ; l'exposition aux ultraviolets convertit la DNQ de sorte que les régions exposées deviennent solubles et sont développées. Pour les motifs plus petits de la lithographie en ultraviolet profond et en ultraviolet extrême (EUV), on utilise des résines à amplification chimique (CAR) : l'exposition génère un acide qui catalyse de nombreuses réactions de déprotection par photon absorbé, augmentant considérablement la sensibilité et permettant des motifs inférieurs à 10 nm. Les polymères de base et la chimie des groupes protecteurs sont adaptés à chaque longueur d'onde d'exposition.

Les valeurs qui définissent une résine électronique

À travers toutes ces formes, un ensemble cohérent de paramètres décrit si une résine convient à une application électronique :

• Constante diélectrique (Dk) et facteur de dissipation (Df) : vitesse/stockage du signal et perte de signal ; des valeurs plus faibles sont généralement préférées pour les usages à haut débit et haute fréquence.
• Température de transition vitreuse (Tg) : la température à laquelle la résine durcie passe d'un état vitreux à un état caoutchouteux, bornant la plage thermique dans laquelle les dimensions et la rigidité restent stables.
• Coefficient de dilatation thermique (CTE) : l'ampleur de la dilatation de la résine avec la température ; un désaccord avec le silicium et le cuivre engendre des contraintes mécaniques et du gauchissement.
• Conductivité thermique : l'efficacité avec laquelle le matériau évacue la chaleur de la puce, de plus en plus importante pour les dispositifs de puissance et haute performance.
• Ignifugation : par exemple le cadre UL-94 et des grades comme le FR-4, obtenus avec une chimie bromée ou sans halogène.
• Absorption d'humidité et pureté ionique : l'eau absorbée et les ions mobiles affectent l'isolation, la fiabilité et la corrosion, c'est pourquoi les grades électroniques sont formulés pour de faibles valeurs.

Ces objectifs expliquent pourquoi un seul mot recouvre tant de matériaux. Un composé de moulage époxy, un stratifié FR-4, une couche ABF et une photorésine EUV ont peu en commun par leur forme finale ou leur rôle, mais chacun est un système de polymère organique conçu selon une spécification électrique, thermique et dimensionnelle définie — ce que désigne réellement « résine électronique ».

Références

• 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