Il ruolo delle PFAS nella produzione di semiconduttori

Panoramica sulle PFAS

Le sostanze alchiliche per- e polifluorurate—ampiamente note come PFAS—sono una famiglia di circa 15.000 composti chimici sintetici sviluppati tra gli anni ’40 e ’50 dai colossi industriali 3M e DuPont. Nei decenni successivi alla loro introduzione sul mercato, le PFAS sono diventate popolari in beni di consumo essenziali che spaziano dall’abbigliamento e tappezzeria fino alle pentole e agli imballaggi alimentari, grazie a proprietà vantaggiose quali impermeabilità, resistenza alle macchie, ai grassi e altro ancora. 

Utilizzo delle PFAS nell'elettronica

Le PFAS sono state ampiamente adottate anche nella produzione elettronica, dove si ritrovano in cavi elettronici, componenti per computer, isolamenti elettrici, dispositivi medici, guarnizioni e sigilli, tubazioni e altro ancora. Di conseguenza, la presenza di PFAS è riscontrabile in molteplici prodotti elettronici, tra cui:  

• PCBAs
• Laminati per PCB
• Hard disk per computer
• Semiconduttori
• Nastri PTFE

Lettura consigliata: Dove si trovano le PFAS nella catena di approvvigionamento elettronica?

Perché le PFAS sono improvvisamente sotto accusa

Le ricerche condotte nell’ultimo quarto di secolo, unite a quasi 80 anni di esperienza con questi composti, hanno dimostrato che le PFAS sono pericolose. Molte di queste sostanze sono bioaccumulabili, tossiche per gli esseri umani e gli animali, e persistenti nell’ambiente per decenni o addirittura secoli. Con il crescente accumulo di evidenze, si è consolidato un ampio consenso pubblico: è necessario ridurre in modo sostanziale l’uso delle PFAS per salvaguardare la salute delle persone e della fauna. 

PFAS: un male necessario? 

Nonostante una crescente consapevolezza pubblica sui settori che incorporano queste cosiddette «sostanze eterne» nei prodotti, un comparto è spesso escluso dal dibattito sulle PFAS e sull’esigenza di interromperne l’utilizzo: la produzione di semiconduttori. 

Le PFAS ricoprono infatti da tempo un ruolo essenziale nella fabbricazione dei chip e nelle complessità dei processi produttivi dei semiconduttori. Questi composti sono fondamentali in vari passaggi specifici di fabbricazione, sono elementi chiave dei materiali per il packaging e trovano applicazione critica in molte attrezzature industriali e infrastrutture di produzione. In assenza delle PFAS, i produttori di semiconduttori rischierebbero di non raggiungere i livelli produttivi attuali, compromettendo anche la capacità di fabbricare i chip di maggiore qualità e più avanzati. 

In altre parole, le PFAS sono divenute in una certa misura un «male necessario» per il settore cruciale dei semiconduttori. Nei prossimi anni, governi, enti regolatori e opinione pubblica dovranno affrontare una questione estremamente complessa: come limitare l’uso delle PFAS in un settore che ne ha bisogno per produrre ciò che rappresenta probabilmente l’hardware tecnologico più critico della nostra epoca? 

Come limitare l’uso delle PFAS in un settore che necessita di questi composti per produrre quelli che sono probabilmente gli hardware tecnologici più importanti del nostro tempo? 

PFAS nella produzione di semiconduttori 

Negli ultimi anni, le aziende del settore semiconduttori hanno compiuto alcuni passi significativi per eliminare le PFAS più problematiche da cleanroom, impianti produttivi e stazioni di packaging. È stata effettuata con successo la progressiva eliminazione del PFOA, e prosegue la rimozione di altre PFAS a catena lunga dalla produzione di chip. Tuttavia, il comparto fa ancora ampio affidamento sulle PFAS a catena corta, cioè versioni dei composti a catena carboniosa più breve, generalmente sette atomi di carbonio o meno per molecola.

La transizione dell’industria verso le PFAS a catena corta

La decisione del settore semiconduttori di passare alle PFAS a catena corta non è stata presa in isolamento. Numerosi settori stanno sostituendo le «legacy PFAS»—così sono ora definite le versioni a catena lunga—con le alternative a catena più corta. Ciò si basa principalmente sulla logica che una catena carboniosa più breve comporti una minore emivita e un bioaccumulo inferiore, riducendo così la presenza ambientale di queste sostanze e contenendo i loro effetti tossici su persone e animali. Tuttavia, ad oggi, non esistono prove concrete e univoche che le PFAS a catena corta siano effettivamente meno dannose delle loro predecessore. 

Attualmente, le PFAS a catena corta restano indispensabili per il settore. SEMI, una delle principali associazioni industriali per i produttori di chip e le aziende dell’ecosistema dei microprocessori, ha recentemente pubblicato una dichiarazione sul ruolo delle PFAS nella fabbricazione di semiconduttori, sottolineando come la controversa famiglia di composti chimici sia impiegata durante tutto il processo «di produzione dei semiconduttori, nelle attrezzature di produzione, nell’intera filiera industriale dei semiconduttori e in generale nella tecnologia». La dichiarazione spiega chiaramente che i chip e dispositivi simili «non possono essere prodotti senza le PFAS disponibili in molteplici fasi della catena di approvvigionamento».

L’associazione di categoria spiega come la famiglia di composti chimici controversi sia utilizzata in tutta la produzione di semiconduttori, nelle attrezzature per la produzione di semiconduttori, nell’intera catena di approvvigionamento dell’industria dei semiconduttori e, più in generale, nella tecnologia.

PFAS nel processo di fotolitografia 

La fotolitografia costituisce una fase fondamentale nella produzione di semiconduttori. Durante questo passaggio si applica un fotoresist su una wafer di silicio e si trasferiscono complessi pattern geometrici da una maschera mediante luce ultravioletta (UV) che interagisce con il fotoresist. Le PFAS sono spesso presenti nei fotoresist per migliorare adesione, durabilità e stabilità termica del materiale. 

Questi composti chimici sono particolarmente rilevanti nella formulazione dei fotoresist per la litografia UV profonda (DUV), un processo fondamentale per la produzione dei nodi tecnologici più avanzati del settore. Come rileva il Semiconductor PFAS Consortium—un gruppo di stakeholder industriali impegnato in una strategia globale per la gestione delle PFAS—nei fab i composti sono impiegati per garantire «caratteristiche critiche quali uniformità del rivestimento superficiale, rimozione completa del resist con bassa difettosità, miglior controllo della rugosità del bordo e riduzione del collasso delle linee».

Le PFAS sono inoltre utilizzate come tensioattivi nelle soluzioni di risciacquo impiegate per rimuovere il fotoresist dalla wafer. In questo ruolo, le sostanze aiutano a ridurre la tensione superficiale e prevenire il collasso dei pattern. 

Le PFAS sono inoltre usate come tensioattivi nelle soluzioni di lavaggio per asportare il fotoresist dalla wafer. In questa funzione, contribuiscono a ridurre la tensione superficiale e a prevenire il collasso dei pattern. 

PFAS nei materiali per il packaging

Oltre al ruolo nella fabbricazione dei chip, le PFAS sono sostanze preziose anche per le fasi di processo a valle (back-end) come il packaging. La stabilità termica e chimica, la bassa energia superficiale, il minimo assorbimento di umidità e la bassa costante dielettrica—preferibile per ridurre le perdite di potenza elettrica—rappresentano tutte caratteristiche utili per i materiali coinvolti nei processi di packaging complessi e delicati. 

I substrati per il packaging devono soddisfare una serie di specifiche fondamentali per garantire le opportune proprietà meccaniche, termiche ed elettriche del semiconduttore. Queste includono molte delle caratteristiche sopra elencate—come la stabilità termica e chimica, il basso assorbimento di umidità e una bassa costante dielettrica—oltre alla non infiammabilità. Le PFAS presentano tutte queste proprietà, risultando essenziali nella formulazione dei materiali per i substrati. I polimeri fluorurati (una tipologia di PFAS) sono inoltre utilizzati nella realizzazione del nucleo del substrato per conferire un basso coefficiente di espansione termica (CTE), aiutando il packaging a mantenere stabilità e forma su un ampio range di temperature. 

Le PFAS si sono inoltre dimostrate particolarmente efficaci nella formulazione degli adesivi per il packaging. Durante la fase di die attach, ad esempio, è richiesto un adesivo ad alte prestazioni per montare o fissare i chip di silicio sui substrati e sui frame del package. Poiché molti semiconduttori sono utilizzati in ambienti meccanici caratterizzati da temperature estreme, questi adesivi devono possedere un elevato coefficiente di trasferimento termico, basso CTE e resistenza alla fatica termica dovuta a cicli di temperatura. I polimeri fluorurati soddisfano tutti questi requisiti. Secondo la National Academy of Engineering, i polimeri sono «ideali per abilitare un elevato coefficiente di trasferimento termico, basso CTE e resistenza alla fatica termica».

Anche le PFAS si sono rivelate particolarmente efficaci nelle formulazioni adesive per il packaging.

PFAS nelle attrezzature, lubrificanti e infrastrutture della produzione di semiconduttori 

Le PFAS sono fondamentali nelle apparecchiature di produzione altamente specializzate e sofisticate utilizzate nella fabbricazione dei chip. La resistenza di questi composti alle reazioni chimiche—la cosiddetta inerzia chimica—insieme ad altre proprietà sopra citate, li rende materiali preziosi per componenti quali tubazioni, contenitori e guarnizioni delle attrezzature industriali. 

Diversi tipi di PFAS sono anche incorporati nei lubrificanti per le apparecchiature di fabbricazione e lavorazione dei semiconduttori. Per raggiungere i rendimenti produttivi richiesti, questi lubrificanti devono garantire prestazioni eccellenti anche in presenza di ambienti estremi e sostanze chimiche aggressive, tipiche degli impianti produttivi. 

L’ambiente delle cleanroom dove avviene la produzione dei semiconduttori può essere descritto come una vera e propria «zona di guerra chimica»: le aree sono pervase da sostanze corrosive e caustiche come acido solforico, perossido di idrogeno e idrossido di tetrametilammonio, radicali gassosi reattivi come cloro e fluoro ionizzati, oltre a numerosi gas piroforici soggetti a combustione spontanea se esposti a determinate temperature. I lubrificanti delle attrezzature devono essere formulati per resistere a tutte le possibili reazioni con questi agenti chimici, garantendo le prestazioni necessarie su tutta la gamma di condizioni ambientali e temperature. Le PFAS, come perfluoropolietere (PFPE), policloro-trifluoroetilene (PCTFE), e politetrafluoroetilene (PTFE), possono conferire ai lubrificanti la stabilità termica, l’inerzia chimica e la resistenza alla degradazione necessarie a operare in condizioni così estreme. 

Le PFAS come perfluoropolietere (PFPE), policloro-trifluoroetilene (PCTFE) e politetrafluoroetilene (PTFE) possono conferire ai lubrificanti la stabilità termica, l'inerzia chimica e la resistenza alla degradazione necessarie per funzionare senza interruzioni anche in condizioni estreme. 

Infine, questa stabilità fuori dal comune rende le PFAS anche sostanze strategiche per l’infrastruttura degli impianti produttivi. I composti sono frequentemente utilizzati nei sistemi di distribuzione dell’acqua e nei serbatoi, sigilli e valvole specializzati che garantiscono elevati livelli di purezza durante le fasi di produzione. 

Evoluzione delle normative PFAS a livello globale

Sebbene le PFAS mantengano un ruolo insostituibile nella produzione di semiconduttori—secondo l’associazione di categoria SEMI, oggi si contano centinaia se non migliaia di utilizzi specifici—le normative che ne limitano l’uso stanno aumentando rapidamente. Nell’Unione Europea, la Convenzione di Stoccolma sugli inquinanti organici persistenti (POPs) impone restrizioni su diverse PFAS, inclusi acido perfluorottano solfonico (PFOS) e acido perfluoroottanoico (PFOA). Il regolamento REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) dell’UE include numerose PFAS nell’elenco delle Sostanze Candidate Estremamente Preoccupanti (SVHC). 

Negli Stati Uniti non sono ancora state adottate misure regolatorie sulle PFAS altrettanto incisive rispetto a quelle europee. (Tuttavia, la EPA ha iniziato a mettere in atto una strategia più proattiva per limitarne l’uso e chiedere alle aziende di rispondere delle contaminazioni.) Ma proprio per questo approccio estremamente ponderato—che alcuni definirebbero lento—in materia di PFAS a livello federale, i singoli stati americani hanno iniziato a regolamentare direttamente questi composti. 

California, Maine, Minnesota e Washington hanno già emanato leggi che vietano le PFAS in specifici prodotti di consumo, mentre diverse altre giurisdizioni hanno introdotto standard per l’acqua potabile contenenti limiti massimi per alcuni composti PFAS (MCL, Maximum Contaminant Levels). In totale, 34 stati americani hanno presentato o adottato una qualche forma di normativa finalizzata a limitare l’uso di queste sostanze, promuovere la trasparenza sul loro impiego o destinare fondi a ricerca, test e bonifiche. 

La risposta dell’industria dei semiconduttori alle normative PFAS in espansione

L’ampio panorama regolatorio in rapida evoluzione sulle PFAS non sfugge all’industria dei semiconduttori. Se si considerano le dichiarazioni ufficiali, le pubblicazioni scientifiche e altri materiali diffusi negli ultimi anni da associazioni come SEMI e Semiconductor Industry Association (SIA), risulta evidente la volontà delle aziende di evidenziare il ruolo critico delle PFAS nel cuore delle tecnologie moderne. «Nel settore dei semiconduttori, le autorità devono procedere con cautela nell’imporre restrizioni sull’uso delle sostanze fluorurate», scrive David Isaacs, Vicepresidente Government Affairs di SIA, in un post del 2023 a sostegno dell’uso essenziale delle PFAS nel comparto. «Considerato il ruolo fondamentale dei semiconduttori per economia e sicurezza nazionale, è importante evitare normative che limitino eccessivamente l’operatività attuale o l’innovazione futura del settore».

Le dichiarazioni pubbliche, le pubblicazioni e la documentazione diffusa da associazioni di settore come SEMI e SIA negli ultimi anni mostrano chiaramente come le aziende di semiconduttori intendano comunicare la centralità delle PFAS nell’evoluzione tecnologica.

In risposta a una proposta della EPA nel 2023 per revocare le esenzioni a basso volume (LVE) per le PFAS, SEMI ha adottato toni ancora più forti. L’associazione ha inviato un commento ufficiale all’agenzia sostenendo che una posizione così restrittiva rischierebbe di provocare gravi ripercussioni sulla produzione nazionale di semiconduttori: «L’industria dei semiconduttori utilizza le PFAS per applicazioni critiche e non esistono alternative valide», sostiene SEMI, aggiungendo che la revoca delle LVE potrebbe «portare alla chiusura di tutte le attività produttive di semiconduttori negli Stati Uniti».

E questo è solo un esempio del vigoroso fronte industriale che si sta consolidando in risposta sia alle crescenti restrizioni normative sia al crescente sentimento negativo dell’opinione pubblica sulle PFAS. L’urgenza pratica alla base di queste posizioni è evidente: tali sostanze sono ormai pressoché inscindibili dall’industria dei chip in ascesa. Aziende produttrici e associazioni di settore stanno convergendo su un messaggio complesso ma essenziale: sebbene le PFAS comportino rischi per la salute umana e l’ambiente, non si tratta semplicemente di una famiglia di composti artificiali da eliminare indistintamente su larga scala. Il rapporto della società contemporanea con queste sostanze è più stratificato ed intrecciato, e il cuore di questa complessità si trova proprio nella produzione di semiconduttori. 

Va inoltre sottolineato che il ruolo delle PFAS nell’industria dei semiconduttori è sostanzialmente diverso rispetto ad altri settori. In altri comparti sotto valutazione per l’impiego di PFAS, la rimozione di tali sostanze comporta perdite di durabilità o funzionalità, ma nella maggior parte dei casi i prodotti risultano semplicemente potenziati dalla presenza delle PFAS. Nella produzione di chip, invece, le PFAS a catena corta costituiscono una parte essenziale e strutturale del processo. E, come sottolineato da SEMI, restrizioni come la revoca delle esenzioni LVE sarebbero «catastrofiche» per tutto l’ecosistema americano della microelettronica. 

Nella produzione di chip, invece, le PFAS a catena corta rappresentano una componente essenziale e costitutiva del processo.