El papel de los PFAS en la fabricación de semiconductores

Resumen de PFAS

Las sustancias alquilo perfluoradas y polifluoradas—conocidas ampliamente como PFAS—constituyen una familia de alrededor de 15 000 productos químicos sintéticos desarrollados en las décadas de 1940 y 1950 por gigantes de la fabricación como 3M y DuPont. En las décadas posteriores a su introducción en el mercado, las PFAS se popularizaron en bienes de consumo esenciales como ropa, tapicería, utensilios de cocina y envases alimentarios. Esta popularidad se debe a propiedades útiles como impermeabilidad, resistencia a las manchas, repelencia a grasas y más. 

Uso de PFAS en Electrónica

Las PFAS también se han adoptado ampliamente en la fabricación de productos electrónicos, y pueden encontrarse en cables electrónicos, componentes de computadoras, aislamientos eléctricos, dispositivos médicos, sellos y juntas, tubos y más. Como resultado, es posible detectar PFAS en varios bienes electrónicos, incluidos:  

• PCBAs
• Laminados de PCB
• Discos duros de computadoras
• Semiconductores
• Cintas de PTFE

Lectura recomendada: ¿Dónde se encuentran las PFAS en su cadena de suministro electrónica?

¿Por qué las PFAS están bajo escrutinio?

Investigaciones realizadas en el último cuarto de siglo, combinadas con casi 80 años de experiencia con estos compuestos, han demostrado que las PFAS son peligrosas. Muchos de estos productos químicos son bioacumulativos, tóxicos para humanos y animales, y pueden persistir en el medio ambiente durante décadas o incluso siglos. A medida que aumenta la evidencia en contra de las PFAS, ha surgido un consenso público creciente: es necesario restringir sustancialmente el uso de PFAS para proteger la salud humana y la vida silvestre. 

PFAS: ¿un mal necesario? 

Aunque la conciencia pública sobre los sectores que incorporan los llamados “químicos eternos” a sus productos está aumentando rápidamente, hay un campo que a menudo se omite en los debates sobre las PFAS y la necesidad imperante de interrumpir su uso: la fabricación de semiconductores. 

Las PFAS han desempeñado durante mucho tiempo un papel esencial en la fabricación de chips y en la compleja cadena de valor del semiconductor. Estos productos químicos son cruciales para varios aspectos específicos de la fabricación, son componentes clave en materiales de encapsulado y tienen numerosas aplicaciones importantes en el equipo e infraestructura de las instalaciones de manufactura de semiconductores. Sin acceso a PFAS, los fabricantes de semiconductores se arriesgarían a no alcanzar los niveles de producción actuales. Además, su capacidad para seguir fabricando chips de la más alta calidad y de vanguardia podría verse severamente comprometida. 

En otras palabras, en cierto sentido las PFAS se han convertido en un mal necesario para la industria vital de semiconductores. En los próximos años, gobiernos, agencias regulatorias y la sociedad en general deberán afrontar una cuestión compleja: ¿cómo restringir el uso de PFAS en un sector que depende de estos compuestos para fabricar lo que probablemente sea el hardware tecnológico más crítico de nuestro tiempo? 

¿Cómo restringir el uso de PFAS en un sector que depende de estos compuestos para fabricar lo que probablemente sea el hardware tecnológico más crítico de nuestro tiempo? 

PFAS en la fabricación de semiconductores 

En los últimos años, las empresas de semiconductores han tomado algunas medidas significativas para eliminar las PFAS más conocidas de sus salas blancas, fábricas y áreas de encapsulado. Han logrado eliminar gradualmente el uso de PFOA, y continúan el proceso de eliminar otras PFAS de cadena larga de la fabricación de chips. Sin embargo, el sector sigue dependiendo de las PFAS de cadena corta, aquellas con cadenas de carbono más cortas, que suelen contener siete átomos de carbono o menos por molécula.

Transición de la industria hacia PFAS de cadena corta

La decisión de la industria de semiconductores de utilizar versiones de PFAS de cadena corta no se tomó de forma aislada. Numerosas industrias están sustituyendo las “PFAS tradicionales”—término utilizado para designar a los compuestos de cadena larga—por sus sucesores de cadena corta. Esto se fundamenta, en gran medida, en la lógica de que cadenas de carbono más cortas conducen a vidas medias más cortas y menor bioacumulación, reduciendo así la presencia de estos compuestos en el entorno y atenuando sus efectos tóxicos en organismos humanos y vida silvestre. Sin embargo, hasta el momento, no existe evidencia concluyente que demuestre que las PFAS de cadena corta sean menos peligrosas que sus antecesoras. 

Por ahora, las PFAS de cadena corta siguen siendo absolutamente esenciales para la industria. SEMI, una de las principales asociaciones del sector de semiconductores y empresas del ecosistema de microprocesadores, publicó recientemente un comunicado sobre el rol de las PFAS en la fabricación de semiconductores. El grupo explicó que esta familia química controvertida se utiliza en “la producción de semiconductores, el equipo utilizado en la fabricación de semiconductores, en toda la cadena de suministro de la industria de semiconductores y en la tecnología en general”. La declaración añade de manera enfática que los chips y dispositivos semiconductores “no pueden fabricarse sin la disponibilidad de PFAS en múltiples puntos de la cadena de suministro”.

El grupo explicó que esta familia química controvertida se utiliza en “la producción de semiconductores, el equipo utilizado en la fabricación de semiconductores, en toda la cadena de suministro de la industria de semiconductores y en la tecnología en general.

PFAS en el proceso de fotolitografía 

El proceso de fotolitografía es una etapa esencial en la fabricación de semiconductores. Durante este paso, una capa de fotorresistente se aplica a una oblea de silicio y, posteriormente, patrones geométricos complejos de una máscara se transfieren a la oblea utilizando luz ultravioleta (UV) que interactúa con el fotorresistente. Las PFAS suelen emplearse en el fotorresistente para mejorar la adhesión, durabilidad y estabilidad térmica del material. 

Los compuestos son especialmente importantes en la formulación de fotorresistentes para litografía ultravioleta profunda (DUV), un proceso esencial para la fabricación de nodos de última generación en la industria. Tal y como menciona el Semiconductor PFAS Consortium, grupo de actores del sector enfocado en una estrategia integral para el uso de PFAS, las plantas están utilizando estos compuestos con “características críticas como la uniformidad del revestimiento superficial, la eliminación completa del fotorresistente con baja defectividad, la mejora en la rugosidad del borde de línea y la reducción del colapso de línea”.

Las PFAS también se emplean como surfactantes en las soluciones de enjuague utilizadas para eliminar el fotorresistente de la oblea. De este modo, estos compuestos ayudan a reducir la tensión superficial y prevenir el colapso del patrón. 

Las PFAS también se emplean como surfactantes en las soluciones de enjuague utilizadas para eliminar el fotorresistente de la oblea. De este modo, estos compuestos ayudan a reducir la tensión superficial y prevenir el colapso del patrón. 

PFAS en materiales de encapsulado

Además de su papel en la fabricación de chips, las PFAS son sustancias valiosas en las fases finales de producción, como el encapsulado. Sus propiedades de estabilidad térmica y química, baja energía superficial, baja absorción de humedad y bajo constante dieléctrico —característica clave para minimizar la pérdida de energía eléctrica— son muy útiles para los materiales involucrados en los complejos y delicados procesos de encapsulado. 

Los sustratos de encapsulado deben cumplir especificaciones clave para satisfacer las funciones mecánicas, térmicas y eléctricas requeridas en un semiconductor. Esto incluye muchas de las características mencionadas anteriormente—estabilidad térmica y química, baja absorción de humedad y bajo constante dieléctrico—así como la no inflamabilidad. Las PFAS presentan todas estas propiedades, haciéndolas esenciales en la formulación de materiales para sustratos. Los polímeros fluorados (un tipo de PFAS) también se emplean en la fabricación del núcleo del sustrato para conferirle un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE), ayudando así a conservar la estabilidad y forma del encapsulado en un amplio rango de temperaturas. 

Las PFAS también han demostrado ser sumamente eficaces en las formulaciones adhesivas utilizadas en el encapsulado. Durante el proceso de unión de chip (die attach), por ejemplo, se requiere de un adhesivo potente para fijar los chips de silicio a los sustratos y marcos. Dado que muchos semiconductores se emplean en entornos mecánicos sometidos a calor extremo, estos adhesivos deben tener un elevado coeficiente de transferencia de calor, bajo CTE y alta resiliencia a la fatiga térmica provocada por las fluctuaciones de temperatura. Los polímeros fluorados cumplen todos estos requisitos. Según la National Academy of Engineering, estos polímeros son “ideales para proporcionar un alto coeficiente de transferencia de calor, bajo CTE y resistencia a la fatiga térmica”.

Las PFAS también han demostrado ser sumamente eficaces en las formulaciones adhesivas utilizadas en el encapsulado.

PFAS en equipos de fabricación, lubricación e infraestructura de semiconductores 

Las PFAS son fundamentales para los equipos sofisticados y altamente especializados utilizados en la fabricación de chips. La inercia química—resistencia a reacciones químicas—de estos compuestos, junto con otras características mencionadas anteriormente, los convierten en materiales muy apreciados para la fabricación de componentes de equipos, como tuberías, recipientes y juntas. 

También se incorporan diversos tipos de PFAS en los lubricantes utilizados para el equipo de fabricación y procesamiento de semiconductores. Para que los fabricantes logren los altos rendimientos requeridos para la viabilidad económica, estos lubricantes deben ser sumamente eficaces, manteniendo un alto nivel de desempeño en entornos físicos extremos y expuestos a una variedad de productos químicos agresivos característicos de las instalaciones de fabricación. 

El entorno de las salas blancas donde se fabrican semiconductores es un verdadero campo de batalla químico. El espacio está repleto de sustancias cáusticas y corrosivas como ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno e hidróxido de tetrametilamonio, gases reactivos como cloro ionizado, flúor, y diversos gases pirofóricos capaces de inflamarse espontáneamente bajo determinadas condiciones térmicas. Los lubricantes para equipos deben formularse para resistir todas las reacciones químicas potenciales, así como exhibir la resiliencia necesaria para mantener el desempeño ante una amplia gama de químicas y temperaturas. Las PFAS como el perfluoropolieter (PFPE), el polilclorotrifluoroetileno (PCTFE) y el politetrafluoroetileno (PTFE) otorgan a los lubricantes la estabilidad térmica, inercia química y resistencia a la degradación necesarias para operar de forma óptima bajo estas condiciones extremas. 

Las PFAS como el perfluoropolieter (PFPE), el polilclorotrifluoroetileno (PCTFE) y el politetrafluoroetileno (PTFE) otorgan a los lubricantes la estabilidad térmica, inercia química y resistencia a la degradación necesarias para operar de forma óptima bajo estas condiciones extremas. 

Finalmente, esta extraordinaria estabilidad también convierte a las PFAS en sustancias importantes en la infraestructura de las instalaciones de fabricación. Se emplean con frecuencia en sistemas de distribución de agua y en los tanques, sellos y válvulas especializados que garantizan altos niveles de pureza durante el proceso de fabricación. 

Estado actual y evolución regulatoria de PFAS en el mundo

A pesar de que las PFAS siguen cumpliendo una función insustituible en la fabricación de semiconductores—según SEMI, existen actualmente cientos, si no miles, de casos de uso específicos—las regulaciones que restringen su uso están avanzando rápidamente. En la Unión Europea, el Convenio de Estocolmo sobre Contaminantes Orgánicos Persistentes (COP) impone restricciones a varias PFAS, incluida el ácido perfluorooctano sulfónico (PFOS) y el ácido perfluorooctanoico (PFOA). Paralelamente, la normativa REACH (Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Sustancias Químicas) incluye diversas PFAS en la Lista de Candidatos a Sustancias Extremadamente Preocupantes (SVHC, por sus siglas en inglés). 

En Estados Unidos, no se ha avanzado tanto como en Europa en la implementación de regulaciones sustantivas sobre PFAS. (No obstante, la EPA ha comenzado a adoptar un enfoque más proactivo y enérgico para limitar el uso de estas sustancias y exigir la responsabilidad de las empresas por contaminación con PFAS). Por ello, y debido a este proceso deliberativo—algunos dirían lento—a nivel federal para controlar estos productos químicos tóxicos, los estados de EE. UU. han asumido la regulación de las PFAS por su cuenta. 

California, Maine, Minnesota y Washington han aprobado leyes que prohíben estos compuestos en productos de consumo específicos, y cada vez más estados establecen normas de calidad para el agua potable que incluyen niveles máximos de contaminantes (MCLs) para PFAS clave. En total, 34 estados de EE. UU. han introducido algún tipo de legislación para restringir estos compuestos, exigir transparencia sobre su uso o destinar fondos para investigación, pruebas y remediación. 

Respuesta de la industria de semiconductores al aumento de regulaciones sobre PFAS

La industria de semiconductores no es ajena al impacto de este creciente entorno regulatorio para las PFAS. Si se consideran los comunicados públicos, artículos y demás materiales difundidos por asociaciones como SEMI y la Semiconductor Industry Association (SIA) en los últimos años, queda claro que las empresas de chips buscan dejar muy claro el papel crucial de las PFAS en lo que probablemente sea la base misma de la tecnología moderna. “En la industria de semiconductores, los responsables de política pública deberían actuar con cautela al imponer restricciones sobre el uso de químicos fluorados”, escribió David Isaacs, vicepresidente de Asuntos Gubernamentales de SIA, en una publicación de 2023 defendiendo el uso fundamental de PFAS en la industria. “Dado el papel esencial de los semiconductores en nuestra economía y seguridad nacional, es importante evitar políticas que restrinjan indebidamente las operaciones actuales o la innovación futura en el sector.”

Si se consideran los comunicados públicos, artículos y demás materiales difundidos por asociaciones como SEMI y la Semiconductor Industry Association (SIA) en los últimos años, queda claro que las empresas de chips buscan dejar muy claro el papel crucial de las PFAS en lo que probablemente sea la base misma de la tecnología moderna.

Ante la propuesta que realizó la EPA en 2023 para revocar las exenciones de bajo volumen (LVE) para PFAS, SEMI adoptó una postura aún más contundente y de urgencia. La organización presentó un comentario ante la agencia, argumentando que una posición tan restrictiva podría conllevar consecuencias devastadoras para la fabricación nacional de semiconductores. “La industria de semiconductores utiliza PFAS en aplicaciones críticas y no existen alternativas viables”, aseguró el grupo, y la revocación de las LVE podría, finalmente, “provocar el cierre de todas las operaciones de semiconductores en el país”.

Y este es solo un ejemplo del contundente rechazo de la industria ante el avance regulatorio y el creciente rechazo público hacia las PFAS. El mensaje urgente detrás de declaraciones como estas es evidente: estos compuestos se han vuelto prácticamente inseparables del crecimiento del sector de chips. Las empresas fabricantes y las asociaciones que las representan se unifican en torno a un mensaje complejo, pero relevante: si bien las PFAS pueden suponer ciertos riesgos para la salud humana y el medio ambiente, no son simplemente una familia de compuestos artificiales “malignos” que deban ser eliminados por completo. La relación de la sociedad contemporánea con las PFAS es más compleja y está más entrelazada, y la raíz de esa complejidad se manifiesta, posiblemente, en la fabricación de semiconductores. 

Otro aspecto destacable es que el papel de las PFAS en la industria de semiconductores difiere significativamente de otros sectores. Las industrias bajo observación por su uso de estos compuestos quizá sacrifiquen cierta durabilidad o utilidad de sus productos al eliminarlas de sus formulaciones, pero la mayoría solo mejora sus bienes mediante el uso de PFAS. Por el contrario, en la fabricación de chips, las PFAS de cadena corta son una parte esencial y constitutiva del proceso. Y, en las palabras de SEMI, posibles restricciones como la revocación de las LVE serían “catastróficas” para el ecosistema estadounidense de fabricación de chips. 

Por el contrario, en la fabricación de chips, las PFAS de cadena corta son una parte esencial y constitutiva del proceso.