ما هي الراتنجات الإلكترونية؟ البوليمرات داخل الرقائق والركائز ولوحات الدوائر

«الراتنج الإلكتروني» ليس مادة واحدة. إنه تسمية عملية لعائلة من المواد البوليمرية بدرجة إلكترونية التي تعزل الأجزاء الموصِّلة في الأجهزة الإلكترونية وتدعمها وتغلّفها وتشكّل أنماطها. تظهر الكيمياء الأساسية نفسها — وغالبًا ما تكون إيبوكسيًا — في أشكال مختلفة جدًا: حبيبة مسحوقية تُصهر حول رقاقة، أو صفيحة مقوّاة بنسيج زجاجي تتحوّل إلى لوحة دوائر، أو غشاء رقيق يُصفَّح لبناء ركيزة تغليف، أو طلاء حساس للضوء يحدّد ملامح الدائرة.

ما يربط بينها ليس صيغة ثابتة، بل مجموعة من الأهداف المتعلقة بالخواص. يُحكَم على الراتنج الإلكتروني بسلوكه الكهربائي (مدى ضآلة تخزينه وتبديده للإشارة)، والحراري (إلى أي درجة حرارة يصل قبل أن يلين، ومدى توصيله للحرارة أو تمدده بها)، والأبعادي (مقدار حركته بالنسبة للسيليكون والنحاس المحيطين به). وتُختار الكيمياء لتحقيق هذه الأرقام.

الكيمياء الأساسية: الإيبوكسيات المتصلّدة بالحرارة

معظم الراتنجات الإلكترونية متصلّدة بالحرارة. تبدأ المادة المتصلّدة بالحرارة سائلة أو صلبة قابلة للانصهار، ثم تُعالَج (تُكوّر) لتصبح شبكة صلبة متشابكة لا تنصهر مجددًا عند إعادة التسخين. الكيمياء السائدة هي راتنج الإيبوكسي، الذي يعتمد في كثير من الأحيان على ثنائي غليسيديل إيثر بيسفينول A (DGEBA)، وهو إيبوكسيد ثنائي الوظيفة.

تحوّل المعالجة هذا الجزيء الصغير إلى شبكة بوليمرية كثيفة. يفتح عاملُ معالجة متعدد الوظائف (المصلِّب) — وعادة ما يكون من البولي أمينات أو الأميدوأمينات أو المركّبات الفينولية — حلقةَ الإيبوكسيد المجهَدة. مع المصلِّبات الأمينية، يقوم النيتروجين بهجوم نيوكليوفيلي على الإيبوكسيد مكوِّنًا رابطة كربون–نيتروجين جديدة ومجموعة هيدروكسيل (رابطة بيتا-هيدروكسي إيثر)؛ وتتفاعل المصلِّبات الفينولية بطريقة مماثلة. وبتكرار ذلك عبر مواقع كثيرة، تنشأ مادة متصلّدة بالحرارة عالية التشابك تُقدَّر لمتانتها الميكانيكية والتصاقها ومقاومتها الكيميائية.

ولأن الشبكة تثبت بمجرد المعالجة، يمكن لمادة متصلّدة بالحرارة مثل الإيبوكسي المعالَج أن تمر بخطوات عالية الحرارة — مثل منحنى إعادة انصهار اللحام الذي يصل إلى نحو 260 °م — دون أن تنصهر وتتدفق مجددًا. وهذه المقاومة الحرارية أحد أسباب تحوّل أنظمة الإيبوكسي إلى العمود الفقري لتغليف الإلكترونيات.

التغليف: مركّبات القولبة الإيبوكسية (EMC)

عندما تُغلَّف رقاقة شبه موصلة منتهية داخل جسمها البلاستيكي الأسود، فإن المادة التي تقوم بالإغلاق عادةً ما تكون مركّب قولبة إيبوكسي. وEMC تركيبة من راتنج إيبوكسي صلب متصلّد بالحرارة، وعامل معالجة من النوع الفينولي، ونسبة كبيرة من مادة مالئة لاعضوية دقيقة (عادةً السيليكا المنصهرة، SiO₂)، ومضافات مثل مثبّطات اللهب وعوامل الاقتران وعوامل فك القالب ومعدِّلات الإجهاد.

عمليًا، يُورَّد EMC على شكل حبيبات صلبة مضغوطة. وفي القولبة بالنقل منخفض الضغط، تُسخَّن الحبيبات إلى حالة قابلة للتدفق وتُدفَع عبر بوابات حول الرقاقة وأسلاك ربطها أو نتوءاتها، ثم تُعالَج في مكانها. وتمنح السيليكا ذات الحجم الميكروني المصهورَ سيولةً كافية لملء الفجوات الضيقة بينما تشغل معظم الحجم النهائي، مما يقلّل التمدد الحراري والانكماش. ووفق مصادر الصناعة، يُغلَّف أكثر من 80% من أجهزة أشباه الموصلات بمركّبات القولبة الإيبوكسية.

تشمل أهداف خواص EMC انخفاض امتصاص الرطوبة، وانخفاض التلوث الأيوني، وتمددًا حراريًا قريبًا من السيليكون، وبشكل متزايد توصيلًا حراريًا عاليًا وانحناءً منخفضًا — وهذان الأخيران مهمان لوحدات القدرة والعبوات الكبيرة التي يجب أن تنقل الحرارة وتبقى مستوية خلال التجميع.

لوحة الدوائر: راتنجات الصفائح المكسوّة بالنحاس

تبدأ لوحة الدوائر المطبوعة الصلبة كصفيحة مكسوّة بالنحاس (CCL): رقاقة نحاس مرتبطة بعازل كهربائي، حيث يكون العازل راتنجًا مقوّى بركيزة مثل نسيج زجاجي منسوج. ويحدّد اختيار الراتنج معظم السلوك الكهربائي والحراري للوحة. وتشمل فئات الراتنج العازل الموثّقة: الفينولي، والإيبوكسي، والبولي إيميد، والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، وبيسماليميد-ترايازين (BT).

• أنظمة الإيبوكسي هي الأكثر شيوعًا. والدرجة المعروفة «FR-4» هي إيبوكسي مقوّى بالزجاج؛ وقد وُفِّرت مقاومة اللهب تقليديًا براتنجات إيبوكسي مبرومة، مع استخدام بدائل خالية من الهالوجين أيضًا.
• راتنج BT (بيسماليميد-ترايازين، وكثيرًا ما يُمزج مع الإيبوكسي) يوفّر مقاومة حرارية أعلى وقد استُخدم على نطاق واسع في ركائز تغليف الدوائر المتكاملة.
• راتنجات البولي إيميد، المقوّاة بالزجاج، تُستخدم حيث يلزم ثبات حراري عالٍ وصلابة ميكانيكية.
• PTFE، وإيثر البولي فينيلين (PPE/PPO)، وإستر السيانات، والراتنجات الهيدروكربونية تُستخدم حيث يجب تقليل فقد الإشارة عند التردد العالي (انظر أدناه).

الواصفات الكهربائية الرئيسية هي ثابت العزل (Dk)، الذي يقيس مقدار إبطاء المادة للإشارة الكهرومغناطيسية وتخزينها لها، ومعامل التبديد (Df، أو ظل الفقد)، الذي يقيس مقدار طاقة الإشارة المفقودة على هيئة حرارة. وانخفاض Dk وDf يعني عمومًا توصيلًا بينيًا أسرع وأقل فقدًا.

راتنجات التردد العالي والسرعة العالية

مع ارتفاع معدلات البيانات وترددات الحامل — في نظام 5G والرقمي عالي السرعة — يصبح الفقد في العازل عاملًا مقيِّدًا. وهنا تتباعد عائلات الراتنج بحسب قابليتها للاستقطاب. فالإيبوكسي التقليدي، والإيبوكسي المعدّل، وإستر السيانات، والبولي إيميد لها خواص حرارية وميكانيكية مفيدة، لكنها عمومًا لا تبلغ الفقد فائق الانخفاض (Df أقل من نحو 0.003) عند التردد العالي. أما PTFE وPPE وبعض الراتنجات الهيدروكربونية فتستطيع ذلك، بفضل انخفاض قابليتها الجزيئية للاستقطاب.

يتميّز PTFE بثابت عزل منخفض (Dk في حدود 2.1) وفقد منخفض جدًا، ولذلك فهو مادة مرجعية للوحات التردد الراديوي والميكروويف والموجات المليمترية؛ ومقابل ذلك تكون معالجته أكثر صعوبة. وكثيرًا ما يوصف إيثر البولي فينيلين (PPE/PPO) بأنه لا يفوقه في الأداء العازل سوى PTFE مع كونه أسهل في المعالجة، مما دفع إلى طائفة من تركيبات PPE المعدّلة لصفائح عالية السرعة «منخفضة الفقد جدًا» و«فائقة انخفاض الفقد». وعبر هذه المواد، تتكرر الأهداف: انخفاض Dk، وانخفاض Df، وانخفاض معامل التمدد الحراري (CTE)، وتوصيل حراري كافٍ.

ركيزة التغليف: أغشية البناء التراكمي العازلة

بين رقاقة السيليكون ولوحة الدوائر تقع ركيزة التغليف، وفي المعالجات عالية الأداء كثيرًا ما تكون طبقاتها العازلة غشاء بناء تراكمي عازلًا. وأشهرها غشاء البناء التراكمي من أجينوموتو (Ajinomoto Build-up Film, ABF)، وهو غشاء راتنجي محشو. ويُنتَج بطلاء الراتنج بسماكات تتراوح نحو 10–100 ميكرومتر على غشاء حامل من PET، محميًا بورقة غطاء من البولي بروبيلين، ويُصفَّح طبقة فوق طبقة لبناء ركائز ترابط عالية الكثافة.

استُخدم ABF لأول مرة لتغليف دائرة متكاملة عام 1999، ومنذ ذلك الحين ظل العازل المفضّل لركائز وحدات المعالجة المركزية ومعالجات الرسوميات ومصفوفات البوابات القابلة للبرمجة (FPGA) والدوائر المتكاملة خاصة التطبيق (ASIC) عالية الأداء، حيث تكون الخواص ذات الصلة هي الثبات الحراري، وانخفاض الفقد العازل، وموثوقية العزل عبر الدورات الحرارية المتكررة. وقد أفادت مجموعة أجينوموتو بأنها تحتفظ بالغالبية العظمى من هذه السوق المحددة.

مادة تشكيل الأنماط: المقاومات الضوئية

المقاومات الضوئية راتنجات إلكترونية بغرض مختلف: فبدلًا من أن تبقى في الجهاز، هي طلاءات مؤقتة حساسة للضوء تنقل نمط الدائرة ثم تُزال. ويُعرَّف سلوكها بكيفية تغيّر قابليتها للذوبان عند التعرّض للضوء.

تجمع المقاومات الموجبة التقليدية بين النوفولاك (راتنج فينولي) ومركّب فعّال ضوئيًا من ديازونافثوكينون (DNQ). يجعل DNQ النوفولاك مقاومًا للذوبان في قاعدة مائية؛ ويحوّل التعرّض للأشعة فوق البنفسجية مادةَ DNQ بحيث تصبح المناطق المعرّضة قابلة للذوبان وتُزال أثناء التحميض. وللملامح الأصغر في طباعة الأشعة فوق البنفسجية العميقة وفوق البنفسجية القصوى (EUV) تُستخدم المقاومات المضخّمة كيميائيًا (CAR): يولّد التعرّض حمضًا يحفّز تفاعلات إزالة حماية كثيرة لكل فوتون ممتص، مما يرفع الحساسية ارتفاعًا كبيرًا ويتيح ملامح دون 10 نانومتر. وتُضبط البوليمرات الأساسية وكيمياء المجموعات الواقية لكل طول موجي للتعرّض.

الأرقام التي تعرّف الراتنج الإلكتروني

عبر كل هذه الأشكال، تصف مجموعة متسقة من المعاملات ما إذا كان الراتنج مناسبًا لتطبيق إلكتروني:

• ثابت العزل (Dk) ومعامل التبديد (Df) — سرعة/تخزين الإشارة وفقد الإشارة؛ والأقل يُفضَّل عمومًا للاستخدام عالي السرعة وعالي التردد.
• درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) — الدرجة التي يلين عندها الراتنج المعالَج من حالة زجاجية إلى حالة مطاطية، وتحدّ النطاق الحراري الذي تبقى فيه الأبعاد والصلابة مستقرة.
• معامل التمدد الحراري (CTE) — مقدار تمدد الراتنج مع الحرارة؛ وعدم تطابقه مع السيليكون والنحاس يولّد إجهادًا ميكانيكيًا وانحناءً.
• التوصيل الحراري — مدى جودة نقل المادة للحرارة بعيدًا عن الرقاقة، وهو متزايد الأهمية لأجهزة القدرة والأجهزة عالية الأداء.
• مقاومة اللهب — مثل إطار UL-94 ودرجات كـ FR-4، تتحقق بكيمياء مبرومة أو خالية من الهالوجين.
• امتصاص الرطوبة والنقاء الأيوني — يؤثّر الماء الممتص والأيونات المتحركة في العزل والموثوقية والتآكل، لذا تُصاغ الدرجات الإلكترونية بقيم منخفضة.

تفسّر هذه الأهداف لماذا تشمل كلمة واحدة هذا الكمَّ من المواد. فمركّب القولبة الإيبوكسي، وصفيحة FR-4، وطبقة ABF، ومقاوم EUV الضوئي لا تشترك إلا قليلًا في شكلها النهائي أو دورها، لكن كلًّا منها نظام بوليمري عضوي مصمَّم وفق مواصفة كهربائية وحرارية وأبعادية محددة — وهذا هو ما تسمّيه فعليًا عبارة «الراتنج الإلكتروني».

المراجع

• 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