O papel dos PFAS na fabricação de semicondutores

Visão geral dos PFAS

Substâncias per- e polifluoroalquil — amplamente conhecidas como PFAS — constituem uma família de cerca de 15.000 compostos químicos sintéticos desenvolvidos nas décadas de 1940 e 1950 por gigantes da indústria como 3M e DuPont. Nas décadas seguintes à sua introdução no mercado, os PFAS ganharam popularidade em bens de consumo essenciais que variam de roupas e estofados a utensílios de cozinha e embalagens de alimentos. Isso se deve às suas propriedades vantajosas, como impermeabilidade, resistência a manchas, resistência a gordura, entre outras. 

Uso de PFAS em eletrônicos

Os PFAS também foram amplamente adotados na fabricação de eletrônicos, podendo ser encontrados em itens como cabos eletrônicos, componentes de computadores, isolamento elétrico, dispositivos médicos, vedações, juntas, tubos e mais. Como resultado, os PFAS podem ser detectados em uma variedade de produtos eletrônicos, incluindo:  

• PCBAs
• Laminados para PCB
• Discos rígidos de computadores
• Semicondutores
• Fitas de PTFE

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Por que os PFAS estão sendo tão criticados de repente

Pesquisas realizadas ao longo do último quarto de século, somadas a quase 80 anos de experiência com esses compostos, demonstraram que os PFAS são perigosos. Muitos desses químicos são bioacumulativos, tóxicos para seres humanos e animais, além de capazes de persistir no meio ambiente por décadas ou até séculos. Com as evidências contra os PFAS aumentando, um consenso público vem se formando: o uso de PFAS precisa ser drasticamente reduzido para proteger a saúde das pessoas e da vida selvagem. 

PFAS: Um mal necessário? 

Porém, enquanto a conscientização do público sobre os setores que utilizam os chamados “forever chemicals” cresce rapidamente, um segmento frequentemente fica fora dos debates sobre PFAS e a necessidade de interromper seu uso: a fabricação de semicondutores. 

Os PFAS desempenham um papel essencial na produção de chips e nos detalhes do processo de fabricação de semicondutores. Esses químicos são fundamentais em diversos aspectos específicos da fabricação, compõem materiais de embalagem e têm diferentes aplicações importantes em equipamentos e infraestrutura de instalações desse setor. Sem acesso aos PFAS, fabricantes de semicondutores correriam o risco de não atingir os níveis atuais de produção. Além disso, sua capacidade de continuar fabricando chips avançados e de alta qualidade poderia ser gravemente comprometida. 

Ou seja, de certa forma, os PFAS se tornaram um “mal necessário” na indústria de semicondutores, tão estratégica para a tecnologia global. Nos próximos anos, governos, órgãos reguladores e a sociedade terão que lidar com uma questão complexa: como restringir o uso de PFAS em um setor que depende desses compostos para fabricar aquilo que é, possivelmente, o hardware tecnológico mais crítico do nosso tempo? 

Como restringir o uso de PFAS em um setor que depende desses compostos para fabricar aquele que é, possivelmente, o hardware tecnológico mais crucial do nosso tempo? 

PFAS na fabricação de semicondutores 

Empresas do setor de semicondutores tomaram algumas medidas relevantes nos últimos anos para eliminar PFAS mais conhecidos de seus cleanrooms, fabs e instalações de embalagem. Já eliminaram gradualmente o uso de PFOA e continuam retirando outros PFAS de cadeia longa do processo de fabricação de chips. No entanto, o setor ainda depende fortemente dos PFAS de cadeia curta. Essas versões possuem cadeias de carbono menores, geralmente compostas por até sete átomos de carbono por molécula.

Migração do setor para PFAS de cadeia curta

A decisão da indústria de semicondutores de migrar para versões de cadeia curta dos PFAS não foi tomada isoladamente. Diversos setores vêm substituindo os chamados “legacy PFAS” — como agora são conhecidos os compostos de cadeia longa — pelos seus sucessores de cadeia mais curta. Isso se baseia, em grande parte, no entendimento de que cadeias de carbono mais curtas resultam em meia-vida menor e menor bioacumulação, reduzindo, assim, a presença desses químicos no ambiente e atenuando os efeitos tóxicos sobre seres humanos e a fauna. Até o momento, porém, não há comprovação de que os PFAS de cadeia curta sejam realmente menos nocivos que os de cadeia longa. 

Atualmente, os PFAS de cadeia curta seguem absolutamente essenciais para o setor. A SEMI, uma das principais associações do setor para fabricantes de chips e demais empresas do ecossistema de microprocessadores, publicou recentemente um comunicado sobre o papel dos PFAS na fabricação de semicondutores. O grupo afirmou que essa família controversa é utilizada em toda a “produção de semicondutores, equipamentos de fabricação de semicondutores, toda a cadeia de suprimentos da indústria e, de modo geral, em tecnologia”. O comunicado afirma ainda que chips e dispositivos similares “não podem ser produzidos sem a disponibilidade dos PFAS em diversos pontos da cadeia de suprimentos”.

A associação explicou que essa família química controversa é utilizada em toda a produção de semicondutores, equipamentos, em toda a cadeia de suprimentos da indústria de semicondutores e de tecnologia em geral.

PFAS no processo de fotolitografia 

O processo de fotolitografia é uma etapa vital para a fabricação de semicondutores. Nessa fase, aplica-se um fotorresiste sobre uma pastilha de silício e, em seguida, padrões geométricos complexos de uma máscara são transferidos para a pastilha usando luz ultravioleta (UV), que interage com o fotorresiste. Os PFAS são frequentemente usados nos fotorresistes para melhorar a aderência, durabilidade e estabilidade térmica do material. 

Esses compostos químicos são especialmente importantes na formulação de fotorresistes para litografia UV profunda (DUV), processo fundamental para a fabricação dos nós de última geração do setor. Segundo o Semiconductor PFAS Consortium, grupo composto por stakeholders da indústria focado em desenvolver uma estratégia abrangente para o uso de PFAS, as fabs utilizam esses compostos para aproveitar “características críticas, como uniformidade do revestimento superficial, remoção completa do resist com baixa taxa de defeitos, melhoria na rugosidade da linha e redução do colapso de linhas”.

Os PFAS também são usados como surfactantes nas soluções de enxágue utilizadas para remover o fotorresiste da pastilha. Nessa aplicação, esses químicos podem ajudar a reduzir a tensão superficial e evitar o colapso do padrão. 

Os PFAS também são usados como surfactantes nas soluções de enxágue utilizadas para remover o fotorresiste da pastilha. Nessa aplicação, os compostos ajudam a reduzir a tensão superficial e a evitar o colapso do padrão. 

PFAS em materiais de encapsulamento

Além do papel na fabricação dos chips, os PFAS também são substâncias valiosas em etapas do processo como o encapsulamento. A estabilidade térmica e química, a baixa energia superficial, absorção reduzida de umidade e baixo coeficiente dielétrico (desejável para minimizar perdas elétricas) são propriedades úteis para materiais envolvidos no complexo e delicado processo de encapsulamento. 

Os substratos de encapsulamento precisam atender a diversas especificações mecânicas, térmicas e elétricas essenciais para os semicondutores. Isso inclui muitas das características citadas acima — como estabilidade térmica e química, baixa absorção de umidade e baixo coeficiente dielétrico — bem como a não inflamabilidade. Os PFAS reúnem todas essas propriedades, tornando-se indispensáveis na formulação dos materiais de substrato. Polímeros fluorados (um tipo de PFAS) também são usados na fabricação do núcleo do substrato para proporcionar baixo coeficiente de dilatação térmica (CTE), ajudando a manter estabilidade e integridade estrutural diante de grandes variações térmicas. 

Os PFAS se provaram altamente eficazes também em formulações adesivas para encapsulamento. Durante o die attach (fixação do dado/chip ao substrato ou estrutura do encapsulamento), por exemplo, é necessário um adesivo robusto. Como muitos semicondutores operam em ambientes mecânicos com calor extremo, esses adesivos precisam apresentar alto coeficiente de transferência térmica, baixo CTE e resistência à fadiga térmica resultante de ciclos de temperatura. Os polímeros fluorados cumprem todos esses requisitos. Segundo a National Academy of Engineering, esses polímeros são “ideais para proporcionar alto coeficiente de transferência térmica, baixo CTE e resistência à fadiga térmica”.

Os PFAS também se mostraram substâncias altamente eficazes em formulações adesivas para encapsulamento.

PFAS em equipamentos de fabricação de semicondutores, lubrificação e infraestrutura 

Os PFAS são fundamentais em equipamentos de alto nível tecnológico, projetados especialmente para a fabricação de chips. Sua resistência a reações químicas — chamada inércia química —, aliada a outras propriedades já citadas, os torna ideais para a fabricação de componentes dos equipamentos, como tubos, recipientes e juntas. 

Vários tipos de PFAS também são incorporados aos lubrificantes aplicados em equipamentos de fabricação e processamento de semicondutores. Para que os fabricantes atinjam altos rendimentos com viabilidade econômica, esses lubrificantes precisam ser extremamente eficientes, mantendo desempenho elevado mesmo em ambientes físicos extremos e em contato com diversos agentes químicos agressivos típicos dessas instalações. 

O ambiente nas salas limpas de fabricação de semicondutores é um verdadeiro campo de batalha químico. O local está repleto de substâncias corrosivas e cáusticas, como ácido sulfúrico, peróxido de hidrogênio, hidróxido de tetrametilamônio, radicais gasosos reativos, como cloro ionizado e gás flúor, além de diversos gases pirofóricos capazes de ignição espontânea sob certas temperaturas. Os lubrificantes precisam ser formulados para resistir a todas essas possíveis reações, além de manter a robustez e desempenho em diferentes condições químicas e térmicas. PFAS como perfluoropolieter (PFPE), poliklorotrifluoroetileno (PCTFE) e politetrafluoretileno (PTFE) conferem aos lubrificantes estabilidade térmica, inércia química e resistência à degradação — características essenciais para operação confiável em condições tão extremas. 

PFAS como perfluoropolieter (PFPE), poliklorotrifluoroetileno (PCTFE) e politetrafluoretileno (PTFE) conferem aos lubrificantes a estabilidade térmica, inércia química e resistência à degradação necessárias para funcionarem sem falhas em ambientes extremos. 

Por fim, essa incrível estabilidade também faz dos PFAS substâncias-chave na infraestrutura das instalações de fabricação. Eles são frequentemente utilizados em sistemas de distribuição de água e em tanques, vedações e válvulas altamente especializados, que garantem elevados níveis de pureza durante o processo produtivo. 

Panorama em evolução das regulações de PFAS no mundo

Embora os PFAS continuem desempenhando uma função insubstituível na fabricação de semicondutores — segundo a SEMI, existem atualmente centenas ou até milhares de usos específicos —, o volume de regulamentações restringindo esses compostos cresce rapidamente. Na União Europeia, a Convenção de Estocolmo sobre Poluentes Orgânicos Persistentes (POPs) impõe restrições a vários PFAS, incluindo o ácido perfluorooctanossulfônico (PFOS) e o ácido perfluorooctanoico (PFOA). Já o regulamento REACH (Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals) inclui vários PFAS na sua Candidate List de Substances of Very High Concern (SVHC). 

Os EUA têm sido menos rigorosos do que a União Europeia na implementação de regulamentações significativas para PFAS. (Apesar de a EPA já ter iniciado uma postura mais proativa e assertiva para limitar o uso de PFAS e responsabilizar empresas por contaminação.) Por isso, devido a esse ritmo mais deliberado — ou até lento — na contenção de substâncias tóxicas em nível federal, os estados norte-americanos passaram a regular os PFAS por conta própria. 

Califórnia, Maine, Minnesota e Washington aprovaram legislações proibindo o uso desses químicos em certos produtos de consumo, e cada vez mais estados fixam padrões para água potável, incluindo níveis máximos de contaminantes (MCLs) para PFAS críticos. No total, 34 estados dos EUA introduziram algum tipo de legislação voltada a restringir essas substâncias, a exigir transparência sobre seu uso ou destinar recursos para pesquisa, testes e remediação. 

Resposta da indústria de semicondutores ao avanço das regulamentações para PFAS

O avanço desse cenário regulatório não passa despercebido pela indústria de semicondutores. Declarações públicas, artigos técnicos e outros materiais publicados por associações como SEMI e a Semiconductor Industry Association (SIA) nos últimos anos deixam claro: as empresas de chips buscam comunicar o papel crítico dos PFAS no centro da tecnologia moderna. “Na indústria de semicondutores, os formuladores de políticas devem agir com cautela ao impor restrições ao uso de químicos fluorados”, escreveu David Isaacs, vice-presidente de Assuntos Governamentais da SIA, em um artigo de 2023 defendendo o uso essencial dos PFAS. “Dada a importância dos semicondutores para a economia e a segurança nacional, é fundamental evitar políticas que restrinjam indevidamente as operações atuais ou futuras inovações nessa indústria.”

Declarações públicas, artigos técnicos e outros materiais divulgados por associações como SEMI e SIA mostram que as empresas de chips estão determinadas a comunicar que os PFAS são um pilar crucial da tecnologia moderna.

Em resposta a uma proposta da EPA em 2023 para revogar as isenções de baixo volume (LVEs) para PFAS, a SEMI adotou um tom ainda mais contundente. A organização enviou uma manifestação ao órgão, argumentando que uma postura restritiva dessas poderia provocar um impacto devastador na fabricação doméstica de semicondutores. “A indústria de semicondutores utiliza PFAS em aplicações críticas, sem alternativas viáveis”, afirmou a associação, acrescentando que a revogação das LVEs poderia, em última instância, “resultar na paralisação total das operações domésticas de semicondutores.”

E esse é apenas um exemplo do intenso movimento do setor para questionar tanto a expansão das ações regulatórias quanto a opinião pública negativa sobre os PFAS. A urgência prática de declarações como essas é nítida: essas substâncias tornaram-se quase inextricáveis da indústria de chips. Empresas fabricantes e suas associações representativas se unem em torno de uma mensagem complexa, porém decisiva: ainda que os PFAS ofereçam riscos à saúde e ao meio ambiente, eles não são simplesmente uma família de químicos “do mal” que precisa ser completamente eliminada. A relação da sociedade com os PFAS é bem mais detalhada, e a essência desse desafio está, sem dúvida, na cadeia de produção de semicondutores. 

Vale destacar também que o papel dos PFAS na indústria de semicondutores é significativamente diferente de outros setores. Outras indústrias que estão sob análise pela utilização dos compostos podem sofrer alguma perda de durabilidade e desempenho ao retirá-los de suas formulações — mas, na maioria dos casos, seus produtos são apenas melhorados pelos PFAS. Já na fabricação de chips, especialmente com os PFAS de cadeia curta, eles são parte imprescindível, constituinte do próprio processo. E, segundo a SEMI, restrições potenciais como a revogação das LVEs seriam “catastróficas” para o ecossistema de fabricação de chips nos EUA. 

Já na fabricação de chips, os PFAS de cadeia curta são parte essencial e constitutiva do processo.