Elektronik reçineler nedir? Çiplerin, taşıyıcı altlıkların ve devre kartlarının içindeki polimerler

«Elektronik reçine» tek bir madde değildir. Elektronik cihazların iletken kısımlarını yalıtan, taşıyan, kapsülleyen ve desenleyen elektronik sınıf polimer malzemeler ailesi için kullanılan işlevsel bir addır. Aynı temel kimya — çoğunlukla bir epoksi — çok farklı biçimlerde karşımıza çıkar: bir çipin etrafında eritilen toz tablet, devre kartına dönüşen cam dokuma takviyeli bir levha, paket altlığını oluşturmak için lamine edilen ince bir film veya devre özelliklerini tanımlayan ışığa duyarlı bir kaplama.

Onları birbirine bağlayan sabit bir formül değil, bir dizi özellik hedefidir. Bir elektronik reçine, elektriksel davranışıyla (bir sinyali ne kadar az depolayıp yitirdiği), termal davranışıyla (yumuşamadan önce ne kadar ısınabildiği, ısıyı ne kadar ilettiği veya nasıl genleştiği) ve boyutsal davranışıyla (etrafındaki silisyum ve bakıra göre ne kadar hareket ettiği) değerlendirilir. Kimya, bu değerleri tutturmak için seçilir.

Temel kimya: termoset epoksiler

Elektronik reçinelerin çoğu termosettir. Bir termoset, sıvı veya eriyebilir katı olarak başlar ve yeniden ısıtıldığında tekrar erimeyen sert, çapraz bağlı bir ağa kürlenir. Baskın kimya, çoğu kez iki işlevli bir epoksit olan bisfenol A diglisidil eter (DGEBA) temelli epoksi reçinesidir.

Kürlenme, bu küçük molekülü yoğun bir polimer ağına dönüştürür. Çok işlevli bir kürleme ajanı (sertleştirici) — genellikle poliaminler, amidoaminler veya fenolik bileşikler — gergin epoksit halkasını açar. Amin sertleştiricilerde azot, epoksite nükleofilik bir saldırı yaparak yeni bir karbon–azot bağı ve bir hidroksil grubu (β-hidroksi eter bağı) oluşturur; fenolik sertleştiriciler de benzer şekilde tepkir. Birçok bölgede tekrarlanan bu süreç, mekanik mukavemeti, yapışması ve kimyasal direnci için değer verilen, yoğun çapraz bağlı bir termoset üretir.

Ağ kürlendikten sonra sabitlendiği için kürlenmiş epoksi gibi bir termoset, yüksek sıcaklık adımlarından — örneğin yaklaşık 260 °C'ye ulaşan bir lehim reflow profilinden — yeniden erimeden ve akmadan geçebilir. Bu ısı direnci, epoksi sistemlerinin elektronik paketlemenin omurgası hâline gelmesinin nedenlerinden biridir.

Kapsülleme: epoksi kalıplama bileşikleri (EMC)

Bitmiş bir yarı iletken çip, siyah plastik gövdesinin içine sızdırmaz biçimde yerleştirildiğinde, bu işi yapan malzeme genellikle bir epoksi kalıplama bileşiğidir. EMC; katı bir termoset epoksi reçine, fenolik tip bir kürleme ajanı, yüksek oranda ince inorganik dolgu (tipik olarak ergimiş silika, SiO₂) ve alev geciktiriciler, bağlayıcı ajanlar, kalıptan ayırma ajanları ve gerilim düzenleyiciler gibi katkı maddelerinden oluşan bir formülasyondur.

Uygulamada EMC, preslenmiş katı tabletler olarak sağlanır. Düşük basınçlı transfer kalıplamada tabletler akışkan hâle ısıtılır ve çipin ve onun tel bağlarının veya bumplerinin çevresindeki yolluklardan zorla geçirilip yerinde kürlenir. Mikron boyutundaki silika, eriyiğe dar boşlukları doldurmaya yetecek akışkanlık verirken nihai hacmin çoğunu kaplayarak termal genleşmeyi ve büzülmeyi azaltır. Sektör kaynaklarına göre yarı iletken cihazların %80'inden fazlası epoksi kalıplama bileşikleriyle kapsüllenir.

EMC için özellik hedefleri arasında düşük nem alımı, düşük iyonik kirlilik, silisyuma yakın termal genleşme ve giderek artan biçimde yüksek termal iletkenlik ile düşük çarpılma yer alır; son ikisi, ısıyı uzaklaştırması ve montaj boyunca düz kalması gereken güç modülleri ve büyük paketler için önemlidir.

Devre kartı: bakır kaplı laminat reçineleri

Sert bir baskılı devre kartı, bakır kaplı laminat (CCL) olarak başlar: yalıtkan bir dielektriğe bağlı bakır folyo; burada dielektrik, dokuma cam bezi gibi bir altlıkla takviye edilmiş bir reçinedir. Reçine seçimi, kartın elektriksel ve termal davranışının çoğunu belirler. Belgelenen dielektrik reçine sınıfları arasında fenolik, epoksi, poliimit, politetrafloroetilen (PTFE) ve bismaleimid-triazin (BT) bulunur.

• Epoksi sistemleri en yaygın olanlardır. Bilinen «FR-4» sınıfı, cam takviyeli bir epoksidir; alev geciktiricilik geleneksel olarak bromlu epoksi reçinelerle sağlanmış, halojensiz alternatifler de kullanılmaktadır.
• BT reçinesi (bismaleimid-triazin, çoğunlukla epoksiyle harmanlanır) daha yüksek ısı direnci sunar ve IC paket altlıklarında yaygın olarak kullanılmıştır.
• Poliimit reçineleri, camla takviye edilerek, yüksek sıcaklık kararlılığı ve mekanik tokluk gereken yerlerde kullanılır.
• PTFE, polifenilen eter (PPE/PPO), siyanat ester ve hidrokarbon reçineleri, yüksek frekansta sinyal kaybının en aza indirilmesi gereken yerlerde kullanılır (aşağıya bakınız).

Temel elektriksel tanımlayıcılar, bir malzemenin bir elektromanyetik sinyali ne kadar yavaşlatıp depoladığını ölçen dielektrik sabiti (Dk) ile sinyal enerjisinin ne kadarının ısı olarak kaybedildiğini ölçen kayıp faktörüdür (Df veya kayıp tanjantı). Daha düşük Dk ve Df, genellikle daha hızlı ve daha düşük kayıplı bağlantı demektir.

Yüksek frekans ve yüksek hız reçineleri

Veri hızları ve taşıyıcı frekanslar yükseldikçe — 5G ve yüksek hızlı dijital rejiminde — dielektrikteki kayıp sınırlayıcı bir etken hâline gelir. Burada reçine aileleri kutuplanabilirliğe göre ayrışır. Geleneksel epoksi, modifiye epoksi, siyanat ester ve poliimit yararlı termal ve mekanik özelliklere sahiptir ancak yüksek frekansta genellikle ultra düşük kayba (Df ~0,003'ün altı) ulaşamaz. PTFE, PPE ve bazı hidrokarbon reçineleri, düşük moleküler kutuplanabilirlikleri sayesinde buna ulaşabilir.

PTFE'nin dielektrik sabiti düşüktür (Dk yaklaşık 2,1) ve kaybı çok azdır; bu nedenle RF, mikrodalga ve milimetre dalga kartları için bir referans malzemedir; bedeli daha zorlu bir işlemedir. Polifenilen eter (PPE/PPO) çoğu kez dielektrik başarımda yalnızca PTFE'nin gerisinde, ama işlenmesi daha kolay olarak tanımlanır; bu da «çok düşük kayıplı» ve «ultra düşük kayıplı» yüksek hızlı laminatlar için bir dizi modifiye PPE formülasyonunu beraberinde getirmiştir. Bu malzemeler boyunca tekrarlayan hedefler düşük Dk, düşük Df, düşük termal genleşme katsayısı (CTE) ve yeterli termal iletkenliktir.

Paket altlığı: build-up dielektrik filmleri

Silisyum çip ile devre kartı arasında paket altlığı bulunur ve yüksek başarımlı işlemcilerde onun yalıtkan katmanları çoğunlukla bir build-up dielektrik filmidir. En bilineni, dolgulu bir reçine filmi olan Ajinomoto Build-up Film'dir (ABF). Reçine, yaklaşık 10–100 µm kalınlıklarda bir PET taşıyıcı film üzerine kaplanarak ve bir polipropilen kapak tabakasıyla korunarak üretilir; yüksek yoğunluklu ara bağlantı altlıkları oluşturmak için katman katman lamine edilir.

ABF, bir IC'yi paketlemek için ilk kez 1999'da kullanıldı ve o zamandan beri yüksek başarımlı CPU, GPU, FPGA ve ASIC altlıkları için tercih edilen dielektrik olmuştur; burada ilgili özellikler termal kararlılık, düşük dielektrik kayıp ve tekrarlayan termal döngüler boyunca yalıtım güvenilirliğidir. Ajinomoto Grubu, bu belirli pazarın büyük çoğunluğunu elinde tuttuğunu bildirmiştir.

Desenleme malzemesi: fotorezistler

Fotorezistler, farklı bir amaca hizmet eden elektronik reçinelerdir: cihazda kalmak yerine, bir devre desenini aktaran ve sonra çıkarılan geçici, ışığa duyarlı kaplamalardır. Davranışları, ışığa maruz kaldığında çözünürlüklerinin nasıl değiştiğiyle tanımlanır.

Klasik pozitif tonlu rezistler, bir novolak (fenolik reçine) ile bir diazonaftokinon (DNQ) ışığa duyarlı bileşiği eşleştirir. DNQ, novolakı sulu bazda çözünmeye karşı dirençli kılar; morötesi maruziyet DNQ'yu dönüştürür, böylece maruz kalan bölgeler çözünür hâle gelir ve banyo (develop) sırasında uzaklaştırılır. Derin morötesi ve aşırı morötesi (EUV) litografinin daha küçük öğeleri için kimyasal olarak yükseltilmiş rezistler (CAR) kullanılır: maruziyet, emilen her foton başına birçok koruma kaldırma tepkimesini katalize eden bir asit üretir; bu da duyarlılığı çarpıcı biçimde artırır ve 10 nm altı öğeleri olanaklı kılar. Temel polimerler ve koruyucu grup kimyası, her maruziyet dalga boyuna göre ayarlanır.

Bir elektronik reçineyi tanımlayan değerler

Bütün bu biçimlerde, tutarlı bir parametre kümesi bir reçinenin bir elektronik uygulamaya uyup uymadığını tanımlar:

• Dielektrik sabiti (Dk) ve kayıp faktörü (Df) — sinyal hızı/depolama ve sinyal kaybı; yüksek hız ve yüksek frekans kullanımında genellikle daha düşük olanı tercih edilir.
• Camsı geçiş sıcaklığı (Tg) — kürlenmiş reçinenin camsı durumdan kauçuğumsu duruma yumuşadığı sıcaklık; boyutların ve sertliğin kararlı kaldığı termal aralığı sınırlar.
• Termal genleşme katsayısı (CTE) — reçinenin sıcaklıkla ne kadar büyüdüğü; silisyum ve bakırla uyumsuzluk mekanik gerilim ve çarpılma doğurur.
• Termal iletkenlik — malzemenin ısıyı çipten ne kadar iyi uzaklaştırdığı; güç ve yüksek başarımlı cihazlar için giderek daha önemlidir.
• Alev geciktiricilik — örneğin UL-94 çerçevesi ve FR-4 gibi sınıflar; bromlu veya halojensiz kimyayla elde edilir.
• Nem alımı ve iyonik saflık — emilen su ve hareketli iyonlar yalıtımı, güvenilirliği ve korozyonu etkiler; bu nedenle elektronik sınıflar düşük değerler için formüle edilir.

Bu hedefler, tek bir sözcüğün neden bu kadar çok malzemeyi kapsadığını açıklar. Bir epoksi kalıplama bileşiği, bir FR-4 laminatı, bir ABF katmanı ve bir EUV fotorezisti son biçim veya rol bakımından az şey paylaşır; ancak her biri, tanımlı bir elektriksel, termal ve boyutsal şartnameye göre tasarlanmış organik bir polimer sistemidir — «elektronik reçine» teriminin gerçekte adlandırdığı şey budur.

Kaynaklar

• 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