O papel dos PFAS na produção de semicondutores

Visão geral das PFAS

As substâncias alquil per- e polifluoradas — amplamente conhecidas como PFAS — constituem uma família de cerca de 15.000 compostos químicos sintéticos desenvolvidos nas décadas de 1940 e 1950 pelos gigantes da indústria 3M e DuPont. Nas décadas seguintes à sua introdução no mercado, as PFAS tornaram-se populares em bens de consumo essenciais, desde vestuário e estofos até utensílios de cozinha e embalagens alimentares. A ampla adoção deve-se às suas propriedades vantajosas, como impermeabilidade, resistência a manchas, proteção contra gordura, entre outras. 

Uso de PFAS na indústria eletrónica

As PFAS foram igualmente amplamente adotadas no fabrico de produtos eletrónicos, podendo ser encontradas em cabos eletrónicos, componentes informáticos, isolamento elétrico, dispositivos médicos, vedantes, juntas, tubos, entre outros. Assim, é comum detetar PFAS em diversos produtos eletrónicos, incluindo:  

• PCBAs
• Laminados de PCB
• Discos rígidos de computador
• Semicondutores
• Fitas de PTFE

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Por que motivo as PFAS têm vindo a ser mal vistas?

Investigação realizada ao longo do último quarto de século, aliada a quase 80 anos de experiência com estes compostos, demonstrou que as PFAS são perigosas. Muitas destas substâncias são bioacumulativas, tóxicas para humanos e animais, e têm capacidade de persistir no ambiente durante décadas ou até séculos. À medida que se acumulam provas contra as PFAS, cresce o consenso público: é necessário limitar substancialmente o uso destas substâncias para proteger a saúde humana e a vida selvagem. 

PFAS: um mal necessário? 

No entanto, apesar da crescente sensibilização pública para os setores que incorporam os denominados «produtos químicos eternos» nos seus produtos, há um campo muitas vezes excluído destes debates: o fabrico de semicondutores. 

As PFAS desempenham há muito um papel essencial na produção de chips e nas particularidades do processo de fabrico de semicondutores. Estes compostos são cruciais em várias etapas específicas de fabricação, são parte fundamental de materiais de embalagem e apresentam uma vasta gama de aplicações importantes em equipamentos e infraestruturas fabris do setor. Sem acesso às PFAS, os fabricantes de semicondutores arriscam não conseguir manter os níveis atuais de produção. Além disso, a sua capacidade para continuar a fabricar chips de qualidade superior e tecnologicamente avançados poderá ficar seriamente comprometida. 

Ou seja, as PFAS tornaram-se, em certos aspetos, um mal necessário na indústria dos semicondutores, vital para a economia global. Nos próximos anos, governos, entidades reguladoras e o público em geral terão de enfrentar uma questão profundamente complexa: como restringir o uso de PFAS por parte de um setor que depende destes compostos para produzir aquele que será o hardware tecnológico mais crítico do nosso tempo? 

Como restringir o uso de PFAS por parte de um setor que depende destes compostos para produzir aquilo que se poderá considerar o hardware tecnológico mais crítico dos nossos dias? 

PFAS no fabrico de semicondutores 

Nos últimos anos, empresas de semicondutores deram alguns passos relevantes para eliminar as PFAS mais problemáticas dos seus cleanrooms, fábricas e instalações de embalagem. Conseguiram eliminar progressivamente a utilização de PFOA e continuam empenhadas em remover outras PFAS de cadeia longa da produção de chips. Contudo, o setor depende fortemente das PFAS de cadeia curta, compostos com cadeias de carbono geralmente inferiores ou iguais a sete átomos por molécula.

A transição da indústria para PFAS de cadeia curta

A decisão da indústria dos semicondutores de transitar para versões de cadeia curta das PFAS não foi tomada isoladamente. Numerosos setores estão a substituir as «PFAS tradicionais» — como agora se denominam os compostos de cadeia longa — pelos seus sucessores de cadeia curta. Esta transição baseia-se na lógica de que cadeias de carbono mais curtas reduzem o tempo de semivida e a bioacumulação, atenuando assim a presença destes compostos no ambiente e os seus efeitos tóxicos em humanos e animais. Contudo, até ao momento, não surgiu qualquer evidência substancial que demonstre de forma inequívoca que as PFAS de cadeia curta sejam menos nocivas do que as anteriores. 

Atualmente, as PFAS de cadeia curta continuam a ser absolutamente essenciais para o setor. A SEMI, uma das principais associações do ecossistema de microprocessadores, divulgou recentemente um comunicado sobre o papel das PFAS na produção de semicondutores. O grupo explica que esta família química controversa é utilizada em toda a «produção de semicondutores, equipamentos de fabrico, toda a cadeia de abastecimento da indústria de semicondutores e tecnologia em geral». O comunicado afirma ainda de forma explícita que chips e dispositivos semelhantes «não podem ser produzidos sem as PFAS estarem disponíveis em vários pontos da cadeia de abastecimento».

O grupo setorial explicou que esta família química controversa é utilizada «em toda a produção de semicondutores, equipamentos de fabrico de semicondutores, toda a cadeia de abastecimento da indústria de semicondutores e na tecnologia em geral».

PFAS no processo de fotolitografia 

O processo de fotolitografia é uma etapa fundamental na produção de semicondutores. Durante esta fase, um fotorresistente é aplicado sobre uma bolacha de silício e padrões geométricos complexos são transferidos para a bolacha usando luz ultravioleta (UV), interagindo com o fotorresistente. As PFAS são frequentemente usadas no fotorresistente para reforçar a adesão, durabilidade e estabilidade térmica deste material. 

Estes compostos químicos têm especial importância na formulação de fotorresistentes para litografia UV profunda (DUV), um processo crítico para a produção dos nós mais avançados na indústria. Segundo o Semiconductor PFAS Consortium, grupo de stakeholders da indústria focado em desenvolver uma estratégia abrangente para a utilização de PFAS, as fábricas utilizam estes compostos para obter «caraterísticas críticas como uniformidade do revestimento, remoção total do fotorresistente com baixo defeito, melhor definição das arestas e menor colapso das linhas».

As PFAS são igualmente utilizadas como tensioativos nas soluções de enxaguamento usadas para remover o fotorresistente da bolacha. Neste contexto, contribuem para reduzir a tensão superficial e evitar o colapso dos padrões. 

As PFAS são igualmente utilizadas como tensioativos nas soluções de enxaguamento cuja função é remover o fotorresistente da bolacha. Assim, estes compostos ajudam a reduzir a tensão superficial e prevenir o colapso dos padrões. 

PFAS em materiais de embalagem

Para além do seu papel na produção de chips, as PFAS são substâncias valiosas nas fases finais do fabrico, nomeadamente na embalagem. A estabilidade térmica e química, baixa energia superficial, baixa absorção de humidade e constante dielétrica reduzida — fator crucial para minimizar perdas de potência elétrica — são caraterísticas indispensáveis nos materiais utilizados no processo exigente e delicado de embalagem. 

Os substratos das embalagens devem cumprir um conjunto rigoroso de especificações para responder às funções mecânicas, térmicas e elétricas dos semicondutores, incluindo as propriedades já referidas — estabilidade térmica e química, baixa absorção de humidade e constante dielétrica reduzida — e ainda não inflamabilidade. As PFAS apresentam todas estas propriedades, sendo essenciais na formulação dos materiais do substrato. Polímeros fluorados (um tipo de PFAS) são igualmente utilizados na fabricação do núcleo do substrato para garantir um baixo coeficiente de dilatação térmica (CTE), ajudando assim a embalagem a manter estabilidade e forma perante exposições a diferentes faixas de temperatura. 

As PFAS demonstraram ainda elevada eficácia na formulação de adesivos para embalagens. Na fase de «die attach», por exemplo, necessita-se de um adesivo forte para fixar os chips de silício nos substratos e armações das embalagens. Uma vez que muitos semicondutores são utilizados em ambientes mecânicos de calor extremo, estes adesivos devem exibir um elevado coeficiente de transferência térmica, baixo CTE e resistência à fadiga térmica provocada por flutuações cíclicas de temperatura. Os polímeros fluorados cumprem todos estes requisitos. Segundo a National Academy of Engineering, «os polímeros são ideais para garantir elevado coeficiente de transferência térmica, baixo CTE e resistência à fadiga térmica».

As PFAS demonstraram-se igualmente altamente eficazes na formulação de adesivos para embalagens.

PFAS em equipamentos, lubrificantes e infraestruturas de fabrico de semicondutores 

As PFAS são críticas nos sofisticados e altamente especializados equipamentos de fabrico de chips. A resistência destes compostos às reações químicas — a chamada inércia química — somada a outras caraterísticas já referidas, torna-os valiosos na produção de componentes do equipamento, como tubos, tanques e vedações. 

Uma variedade de PFAS é também introduzida em lubrificantes aplicados a equipamentos de fabrico e processamento de semicondutores. Para responder aos elevados níveis de produção necessários à viabilidade económica, estes lubrificantes têm de apresentar performances excecionais, mantendo-se eficazes face a ambientes físicos extremos e a uma vasta gama de produtos químicos agressivos caraterísticos das instalações fabris. 

O ambiente das salas limpas nas unidades de fabrico de semicondutores é verdadeiramente hostil do ponto de vista químico. Estes espaços estão repletos de substâncias corrosivas como ácido sulfúrico, peróxido de hidrogénio e hidróxido de tetrametilamónio, radicais gasosos reativos como cloro ionizado e gás flúor, bem como vários gases pirofóricos que podem inflamar espontaneamente sob certas condições de temperatura. Os lubrificantes utilizados devem ser formulados para resistir a todas as reações potenciais com estes produtos químicos e apresentar a resiliência indispensável para manter a performance num leque vasto de ambientes químicos e térmicos. As PFAS, como perfluoropolieter (PFPE), policloro-trifluoroetileno (PCTFE) e politetrafluoroetileno (PTFE), conferem aos lubrificantes a estabilidade térmica, inércia química e resistência à degradação necessárias para o funcionamento ininterrupto nestas condições extremas. 

As PFAS, como perfluoropolieter (PFPE), policloro-trifluoroetileno (PCTFE) e politetrafluoroetileno (PTFE), conferem aos lubrificantes a estabilidade térmica, inércia química e resistência à degradação indispensáveis ao funcionamento em ambientes tão extremos. 

Por fim, esta estabilidade excecional torna também as PFAS importantes em infraestruturas de produção. Estes compostos são frequentemente usados em sistemas de distribuição de água, bem como em tanques, vedações e válvulas altamente especializados, essenciais para assegurar os elevados níveis de pureza do processo de fabrico. 

O panorama regulatório das PFAS em evolução

Embora as PFAS continuem a desempenhar um papel insubstituível no fabrico de semicondutores — a associação setorial SEMI estima a existência de centenas, se não milhares, de utilizações específicas — a abrangência das regulamentações que restringem o uso destes compostos cresce rapidamente. Na União Europeia, a Convenção de Estocolmo sobre Poluentes Orgânicos Persistentes (POPs) impõe restrições a várias PFAS, incluindo o ácido perfluorooctano-sulfónico (PFOS) e o ácido perfluorooctanoico (PFOA). Por sua vez, o regulamento REACH (Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Substâncias Químicas) da UE inclui várias PFAS na sua lista de substâncias candidatas a Substâncias de Muito Elevada Preocupação (SVHC). 

Os EUA não foram tão agressivos quanto a União Europeia na adoção de regulamentação significativa sobre as PFAS. (Ainda assim, a EPA começou a adotar uma estratégia mais proativa e assertiva para limitar o uso destas substâncias e responsabilizar as empresas pela contaminação por PFAS.) Em consequência deste processo deliberativo — por alguns considerado demasiado moroso — de regulação a nível federal, os estados norte-americanos têm assumido a liderança na regulação das PFAS. 

Califórnia, Maine, Minnesota e Washington aprovaram legislação proibindo estes compostos em determinados produtos de consumo e um número crescente de estados estabeleceu normas para a água potável que incluem níveis máximos de contaminantes (MCL) para as principais PFAS. No total, 34 estados dos EUA já introduziram algum tipo de legislação com o objetivo de restringir estas substâncias, reforçar a transparência da sua utilização ou atribuir fundos para investigação, testes e esforços de remediação. 

Resposta da indústria de semicondutores à expansão das regulamentações PFAS

A amplitude deste novo enquadramento regulatório sobre as PFAS não passou despercebida ao setor dos semicondutores. Se os comunicados públicos, artigos de investigação e outros materiais publicados por entidades como a SEMI e a Semiconductor Industry Association (SIA) nos últimos anos são indicativos, as empresas de chips fazem questão de sublinhar a importância fundamental das PFAS para o setor considerado central na tecnologia moderna. «Na indústria de semicondutores, os decisores políticos devem agir com cautela ao restringir o uso de produtos químicos fluorados», afirmou David Isaacs, Vice-Presidente de Assuntos Governamentais da SIA, numa publicação de 2023 defendendo o uso essencial de PFAS no setor. «Dado o papel crítico dos semicondutores na economia e na segurança nacional, é fundamental evitar políticas que restrinjam indevidamente as operações atuais ou a inovação futura no setor.»

Se comunicados, estudos e outros materiais publicados pelas associações setoriais como a SEMI e a Semiconductor Industry Association (SIA) nos últimos anos servem de referência, as empresas de chips fazem questão de comunicar a importância crítica das PFAS para aquilo que se pode considerar o fulcro da tecnologia moderna.

Face a uma proposta apresentada pela EPA em 2023 para revogar as isenções de baixo volume (LVEs) para as PFAS, a SEMI adotou uma postura ainda mais vincada e alarmista. A organização remeteu um comentário à agência argumentando que tal restrição poderia desencadear consequências devastadoras para o setor nacional dos semicondutores. «A indústria utiliza PFAS em aplicações críticas para as quais não existem alternativas viáveis», afirmou o grupo, alertando que a revogação das LVEs poderia, no limite, «resultar no encerramento de todas as operações domésticas de produção de semicondutores».

E este é apenas um exemplo da vigorosa reação do setor face à intensificação das medidas regulatórias e ao sentimento público negativo em torno das PFAS. A urgência prática destas tomadas de posição não poderia ser mais clara: estes compostos tornaram-se praticamente inseparáveis do setor dos chips. Empresas de fabrico e associações que as representam alinham-se numa mensagem simultaneamente complexa e fundamental: embora as PFAS representem certos riscos para a saúde humana e o ambiente, não são uma família de químicos sintéticos que deva ser erradicada indiscriminadamente. A relação da sociedade contemporânea com as PFAS é muito mais complexa do que isso, e o epicentro dessa complexidade reside, provavelmente, no fabrico de semicondutores. 

Importa ainda sublinhar que o papel das PFAS na indústria de semicondutores é significativamente diferente do de outros setores. Enquanto outras indústrias sujeitas a escrutínio podem perder alguma durabilidade e funcionalidade de produto ao retirar as PFAS das suas fórmulas — na maior parte dos casos as substâncias só melhoram o desempenho —, na produção de chips as PFAS de cadeia curta são parte integrante do próprio processo. Nas palavras da SEMI, restrições potenciais como a revogação das LVEs seriam «catastróficas» para o ecossistema de fabrico de chips nos EUA. 

Na produção de chips, pelo contrário, as PFAS de cadeia curta são parte essencial e constitutiva do processo.