软性电路板用基材

软性电路板用基材
1.背景说明
信息与通讯电子、半导体及光电产业已成为全球产业发展的主流，电子产品朝向可携化、高密度化、高可靠性、低成本化的潮流与需求发展下，有机高分子薄膜材料的才有变成主要发展趋势。

而这些产业所需的高性能薄膜中主要以高温型有机高分子聚合物为主，因为有机高分子聚合物有取得容易、电气绝缘性佳、加工成型容易等优势。

在符合以上特性的有机高分子中，主要的高温稳定材料有聚亚酰胺薄膜(Polyimide Film ，简称PI) 、聚碳酸酯薄膜（polycarbonate Film ,简称PC）、聚醚亚胺薄膜（polyetherimide Film ，简称PEI）、聚醚砜薄膜（Polyester film ，简称PES）,及相对耐温性较差的聚酯薄膜（Polyester film ,简称PET）等。

其他尚有多种此类可耐高温的有机高分子薄膜可被使用，其主要选择的依据乃依产品其应用特性与制程需求来判断。

在有机高分子聚合材料的分类中，一般可以区分为非结晶性（Amorphous）材料与半结晶性（Semi-Crystalline）材料两种。

半结晶特性材料有一整齐排列的分子结构和清楚明确的熔化点，当温度升高是，半结晶材料不会渐渐地软化而是维持硬度直到吸收一定的热能之后快速的改变为低粘度的液体，这些材料也有很好的耐化学性，在玻璃转化温度（Tg）以上虽然超过其承载负荷的能力，半结晶特性材料仍能维持适当的强度和刚性。

因此，半结晶性高分子材料则有一不规则排列的分子结构，一般而言没有一个明确的熔化点。

当温度升高时会渐渐软化，通常非结晶性特性材料比半结晶性材料的耐温性为差，较易受热变形，但有较低的收缩率和较不易翘曲的特点。

就耐温性将高分子材料做进一步分类，我们可以从各种材料的玻璃转化温度（Tg）或耐温高低，大略区分出材料的耐温特性的等级。

高性能塑料（High Performance Plastics）,这也是当今高性能薄膜电子材料中重要的族群，位于最上层的聚酰胺材料（Polyimide ,PI）玻璃转化温度（Tg）高达380℃，在耐温特性上凌驾所有的高分子材料，在高分子材料薄膜类中更是无其它材料能出其右。

除此之外，上述说明中提及的非结晶性与半结晶性材料分类，聚亚酰胺很难归类是哪一类，其分子结构中除了大部份属于非结晶性结构，但聚亚酰胺分子结构中同时存在小部分的结晶结构，但其比例小于10%，不能归类为半结晶材料。

因此。

聚亚酰胺同时具备了非结晶性与半结晶性材料的优点，如聚亚酰胺在薄膜状态下呈现非结晶性材料的透明且柔软的特性，也具有半结晶性材料额耐化性欲尺寸安定特性，而这些特性正是软板材料所要具备的，这样的结构域所发展的特色是有机高分子材料中少有的。

聚亚酰胺薄膜在很宽的温度范围（-269～400℃）内具有稳定而优异的物理、化学、电气和机械性能，是其它有机高分子材料所无法比拟的，可在450℃短时间内保持其物理性能，长期使用温度高达300℃。

不仅如此，聚亚酰胺膜的耐辐射和资通讯产业的应用，聚亚酰胺薄膜具有非常重要的地位。

2.聚亚酰胺基材的功用
聚亚酰胺树脂具有相当优异的耐热特性、耐化学药品性、机械性质及电气性质，因此广泛应用于航空、电机、机械、汽车、电子等各种产业中。

今年来谷内半导体、电子、通讯等相关产业蓬勃发展，带动国内经济发展，对于电子用化学品和材料的需求亦日益提升，聚亚酰胺树脂在电子材料上也扮演着重要角色。

聚亚酰胺树脂在电子相关产业之应用型以薄膜和涂料为主，主要应用在IC半导体制造、软性电路板、液晶显示器等，在所应用的产品中又
以薄膜形态的聚亚酰胺量占最大。

聚亚酰胺的分子因具有亚胺基（Imide）,使高分子主链具有很高的刚硬度（Rigidity）以及很强的分子间作用力，故处理具有与各种工程塑料相同具有极卓越的耐热性与化学药品性外，同时还具有下列各项特性：
a.耐热性极佳：可在250℃～300℃的温度下长时间使用，耐热温度高于400℃，部分产品
甚至可达500℃，薄膜热安定性极佳。

b.线膨胀系数小：在-250℃～+250℃的温度范围内，尺寸变化极小。

c.高抗冷冻性。

d.耐化学溶剂及辐射线，不溶于一般有机溶液。

e.不熔融且耐燃性及优，燃烧时不滴落或产生大量烟雾。

f.电气性能佳，绝缘特性优异。

软板的使用基板材料，一般以铜箔与薄膜材料（基材）贴合制成软性铜箔基板（FCCL）,再加上保护膜（Coverlay）、补强板、防静电层等材料制作成软板，基材最主要的功用是做为软板线路的支撑材，同时需具有绝缘线路的特性，一般常见应用于软板基板中的薄膜材料以PEI与PI两类材料为主，就实际应用上而言，软板基材以使用PI的比例占绝大多数应用，目前大约有90%以上的软板基材选用PI薄膜，最主要的原因是PET膜的耐温性较差（其Tg 小于100%），且高温时尺寸变化太大，这对需要在软板制程与实际使用环境下所需的高温环境，PET是无法满足要求的。

PI膜的厚度可以区分为0.5㏕（half mil）、1mil、2mil、3mil、
5mil、7mil、9mil，甚至10mil以上等产品，先进或高阶的软板需要厚度更薄，尺寸安定性更稳定的PI膜。

一般的保护膜使用1mil及0.5mil的PI膜，而较厚的PI膜主要用于补强板机其它用途上。

一般FPC和可做为主被动组件承载的软性载板是目前聚亚酰胺薄膜的二大电子应用市场，主要应用产品包括基板材料（FCCL）、保护膜（Coverlay）、补强板材等。

FPC的应用包含巨涌、汽车、计算机、笔记本电脑、相机、通讯等。

近来LCD模块中驱动IC构装所用的软性载板，如Chip on Film（COF）的应用有越来越多值趋势，主要是因为COF的线路细化特性可以有效提升产品小型化并降低整体制造成本。

一般FPC与软性载板所用地PI在特性上会有些不同，通常因为一般软板应用时需要动态的反复挠曲，因此所需的PI基材需要较柔软，其挠曲特性必须足够。

但在软质载板所用的PI基材，因为必须在其上承载主被动组件，因此需要选用刚性较佳的PI膜，且因作为组件的构装载板，对于尺寸安定及基材的吸湿性等都需较一般FPC用的PI标准为高，也就是说用于软性载板的PI 膜必须有较低的吸湿率及较佳的尺寸安定性，以符合组件构装所需要的高可靠性。

3.聚亚酰胺膜的制造技术
泛称的聚亚酰胺通常可被分类成加成型、缩合型、变性型三种，较常见到是缩合型PI,
），PI膜即属于缩合型。

加成型PI因缩合型PI在反应时会释放出副产物（一般为水或CO
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在反应时不会释放出副产物（如水或CO
或醇类），多用来做结构材料，变形性PI近年来有
2
逐渐增加之趋势，它是因应缩合型在应用时之缺点，在PI分子结构上加以改良而成的聚亚酰胺。

以下将就此三类聚亚酰胺的基本特性及制造方法的差异性做一说明：
3.1缩合型聚亚酰胺
自杜邦公司首先发展处聚亚酰胺以来，聚亚酰胺的耐热性事所有高分子聚合体材料之中最佳者，但是其加工型却不良，因为有缩合式反应而得到的高分子量聚亚酰胺，其熔融温度常搞过其分解温度，于加工上无法造成熔融现象，且大部分有用的聚亚酰胺都无法溶解与任何溶剂，其Tg点亦太高。

实际应用上，为了解决其加工上的问题，因此一般聚亚酰胺都
是以其前躯体-聚酰胺酸，溶在聚合用地溶剂中来贩卖及加工，但可惜的是聚酰胺酸是一不稳定的前躯物，聚合的第一不走是一个平衡反应，很容易Depolymerization而裂解成低分子量产物，故必须爆粗在5℃以下，隔绝水气以避免逆向反应，造成处理机保存上的不便。

同时若以加热法亚酰胺化常需要300℃以上数小时长时间的高温死循环热化，才能达到100%酰亚胺化，是个很费时的制程，而且在亚酰胺化的除水过程中会在材料中留下孔洞，造成性质劣化，是各种性能受到相当的影响，特别在制作膜厚较厚之产品时，其制膜制程将较困难。

3.2加成型聚亚酰胺
加成型聚亚酰胺又称不饱和聚亚酰胺或单体聚合型（PMR, Polymerization of Monomer Reactants）聚亚酰胺，是有二胺（Diamine）单体、二酸酐（Dianhydride）单体及含有双键或参键之胺基或酸酐化合物三者先共聚合成分子量较低之聚酰亚胺（Polyamic Acid），再经由加热或化学法将其亚酰胺化，使其变成亚酰胺类预聚合物。

因为它是短分子链的寡聚合物，且其末端具有反应性不饱和末端基，可经由加热进行加成聚合反应以扩展分子链，而形成高分子量的聚合物。

加成型聚亚酰胺在硬化时不会产生水分等副产物，加工处理较容易，易科可制作较厚之产品，但其耐热性却较缩合型聚亚酰胺为差，而且这种加成型聚亚酰胺几乎都是热固性者，经过热亚酰化之后可交联形成网状结构，这些交联的网状结构非常脆且韧性不够为其缺点，适合作为成型材及积层板树脂材料，一般应用于结构材，如黏着剂、硬质多层电路板等结构材。

但此类加成型聚亚酰胺如与其他树脂或无机玻纤与碳纤组合形成高性能复合材料，其应用可扩展至航空太空材料、汽车、精密机械等高级结构材料，是一种具有耐高温、拥有优异机械特性的工程材料。

3.3变形型聚亚酰胺
变形型的聚亚酰胺是针对聚亚酰胺在应用时之缺失而发展出来的产品，其中最著名的就是在聚亚酰胺分子链上导入感光基，赋予聚亚酰胺感旋旋光性，使其同时具有光阻与绝缘材料二种特性，此种感旋旋光性聚亚酰胺自80年代开始已成功应用于半导体制程，可减少绝缘材料应用时之流程，对于制造成本与良率都有显着效益。

另外亦有在聚亚酰胺分子链中导入含硅烷（Siloxane）之二胺，进行共聚合反应，以硅烷之官能机加强与半导体硅、陶瓷、金属等附着力，改善聚亚酰胺与其接着接口的接着可靠性。

一般方向族聚亚酰胺并不融于普通的有机溶剂，因此有前述的一些加工缺点，若能开发出低沸点溶剂可溶的聚亚酰胺，即可省去储存、高温亚酰胺化及除水等缺点，只须在制程成品之后烤干溶剂即可，如此将可增加聚亚酰胺的应用场合。

目前提高聚亚酰胺溶解度的方法以改变化学结构的研究最多，选择较不对称的单体结构以提升其可溶性，另以一步聚合法（One-Step Single-Stage Method）在180～220℃的高沸点溶剂中合成，反应过程中链成长聚合与亚酰胺化反应自发地同时进行，再将亚酰胺化所产生的水分分离出即可，常用地溶剂包括硝基苯、α-氯基、及间-甲基酚。

此法对反应性低的单体二酸酐及二胺特别有用，但前提是所选择的聚亚酰胺单体机构必须可溶。

一般缩合型聚亚酰胺比加成型聚亚酰胺具有较高Tg、高热氧化安定性及优越的机械特性与电气特性，成膜性亦佳，故主要应用于电子与光电等需要较高耐热与可靠性的领域上，但其技术困难点在于加热环化（亚酰胺化）过程中，如何确保环化的安全性及薄膜的平整性，以达到产品质量的要求是困难的挑战。

PI膜的种类繁多，在不同配方（Recipe）、制程（制程技术与制程条件）与处理方法（如后处理、表面处理）不同而有不同产品特性，故各厂的差异性应在于研发与制程能力高低，亦是竞争力所在。

聚亚酰胺薄膜最常见的制造方法，是以芳香族二酸酐（如PMDA）及芳香族二胺（如ODA）为原料，使用极性溶剂（如NMP）先聚合成Polyamic Acid（PAA）,
这是PI的前驱体（Precursor），通常是在此一阶段进行制造加工成膜，再经过加热、脱水、环化即成为PI膜。

其整体流程从聚亚酰胺合成、涂膜、膜延伸、热处理、表面处理、分条、检验及包装等步骤，以下将就PI膜的各制造流程进行说明：
聚亚酰胺合成-这是将经精密计量后的芳香族二酸酐（如PMDA）及芳香族二胺（如
ODA），在极性溶剂（NMP或DMAC）中进行聚缩合反应，最后形成聚亚酰胺的前躯体-
聚酰胺酸（PAA），经过粗步过滤掉原料及反应过程中的杂质与未反应物后，再进行静置或
真空脱泡以去除气泡，避免在制膜过程中产生气泡造成膜的缺陷。

如何控制PAA的黏度及
分子量的稳定再现是此一阶段重要的议题。

涂膜–将PAA以精密的计量Pump经过一细滤装置后打入一经过流道设计的T型模头（T-Die），均匀的将PAA以挤压（Extrusion）方式浇注（Casting）于一无缝钢带（Seamless Stainless Belt）上，进过低温（﹤200℃）将大部分PAA的溶剂去除并成膜，此时的膜已
具有一定之强度，最后需将膜自钢带上剥膜拉起以便进行下一步骤的延伸制程。

PI膜的最
终厚度是由此步骤来决定，在预设最终膜厚后，藉由已知的PAA固型份（Solid Content）、预知的涂膜宽度、涂膜速度及PI本身之密度再配合精密计量Pump控制所打出来的PAA 量，即可达到所预设的PI膜厚度。

精密的模头流道设计及计量系统式决定PI膜厚准确与均匀的重要关键。

膜延伸-高分子材料若经延伸，将会使其分子排列顺向性增加，其分子排列更为整齐，
其将使材料的机械性质得以提升，这样的制程在许多高分子膜的制备中是必要地手段，例如PET及BOPP膜的制程中都会用到。

PI制膜中为了获得更佳的膜特性，也是在制膜过程中进行膜的延伸，通常必须进行纵向（Machine Direction ，MD）及横向（Transverse Direction ，TD）二个方向的延伸，以获得PI分子较整齐的排列而得到在特性上一致性提升与稳定。

较不同的是因PI需要在延伸的同时进行亚酰胺化的反应，这是将PAA的酰胺酸基去除水分后
的死循环反应，经此过程后的PI的亚酰胺基得以形成，但此一温度通常需要到350-400℃，这种高温PI膜延伸在成膜及延伸设备上都是较一般制膜设备未复杂的。

精密的高温双轴延伸是决定PI膜最终特性稳定与再现的重要步骤。

热处理-PI膜经高温双轴延伸及亚酰胺化后，为了让膜的特性稳定，通常需要做一回火（Annealing）的动作，这有些像是在热固型树脂材料所进行的热化（Post Cure）的步骤。

PI的热处理一般在大约400℃下进行，可以在生产线外（Off-Line）进行。

表面处理-为了增进PI膜与接着剂或其他接着接口有好的接着效果，一般都会再做制膜过程中对PI膜做一表面处理，最常用的方法是电晕（Corola）或是电浆（Plasma）的处理，其作用在使PI膜表面产生粗糙的效果，以增进其接着材料件的机械锚定（Mechanical Interlocking）能力与产生具有活性的基团可与其接着材料间进行化学链结。

无论其机制如何，都是在藉由表面处理以增强其接着特性。

一般表面处理步骤也是以生产线外（Off-Line）的方式进行。

分条-PI膜的生产幅宽视各家的生产技术设备而定，当然其下游应用产品的使用幅宽也是决定PI膜生产幅宽的重要依据。

以软板为例，目前软板基板制造的标准幅宽视50㎝，所以PI膜在进行生产的幅宽将会考虑以50㎝的倍数惊醒生产，所以分条的宽幅并不一致，主要需视下游应用端客户的制成参数来进行更动。

当然分条的动作也是生产线外（Off-Line）的方式来进行，分条最重要的切割的精密度，切割误差太大将影响下游制程的应用。

四.聚亚酰胺膜的品管（产出品管与测试）
聚亚酰胺薄膜生产的相关品管可区分为合成原物料、聚酰胺酸及成品聚亚酰胺薄膜等三项，以下将就各项生产之品管做一说明：
4.1聚酰胺酸合成原物料品管
因为PAA合成属于聚缩合反应，要得到高分子量需要很精确的化学计量，因此对合成PAA所用之芳香族二胺及二酸酐的纯度要求相当高。

但一般在生产中进行单体纯化的工业并不可行，因为这将使生产成本变高，所以一般会要求这些单体供应商提供包括纯度试验的出厂报告，在以PAA合成反应的需求，会要求所用合成单体之纯度至少要达到99%以上。

当然使用单位也可建置如GC、GC-Mass及HPLC等各项化学成分分析仪器进行进料检验。

PAA合成如有过量水分存在会使反应产生逆向反应，这将使PAA的分子链成长受阻，甚至造成PAA分子链断链，无法成长到高分子量，使PI薄膜的最终物性变差。

因此对单体与所用合成的溶剂需要做烘干机除水的步骤，尤其二酸酐单体如果有水分存在，会使二酸酐转变为二酸而降低或无法与二胺单体进行聚缩合反应，而使PAA的分子量无法成长，导致PI薄膜的优异特性无法获得。

另外可以水分测试仪（Karl Fischer）进行单体及溶剂的含水分检测，可以进行原物料水分含量的监控，此举除了做进料检验外，也可以作为是否进行单体与溶剂的除水的依据。

还有因PI的应用皆在电子产品上，对单体及溶剂的不纯物相当敏感，不当的不纯物会使应用产品的长期可靠性下降，尤其是一些金属离子，如钠、钾、钙、铁等移动性离子必须控制在10ppm以下，否则当这些金属离子与水结合后，将会形成移动性的导体现象，加速离子迁移（Ion Migration）现象而使线路间的电气绝缘性下降，甚至最终导致线路导通的短路发生，此种现象在电场的驱动下其现象将会变的更严重与加速，对应用产品的长期可靠性有不良之影响。

另外阴离子不纯物（氯离子）过多，也会使得PI薄膜在应用时因所吸收水分，与其所含之率离子结合成氯化氢（HCL ，盐酸你），会对金属线路产生腐蚀的现象，因此必须对其作进料之控制，如果可以要求原物料包括单体与溶剂的氯离子含量在10ppm 以下，将会对PI薄膜往后的应用有助益。

4.2聚酰胺酸品管
PAA前驱体是聚亚酰胺薄膜的中间产物，也是制膜的起始材料，它的特性将影响PI 最终成膜的特性。

此阶段的品管项目包括黏度、固型份与黏度分子量，这些项目也是用来评估PAA合成再现性德重要项目。

一般而言良好的合成再现性是PI制膜的基本，所以在此阶段所量测的数据具有重要的指标。

黏度分子量是以毛细管黏度计量测PAA动黏度中的本性黏度（Inherent Viscosity），是业界常用的高分子材料分子量判断的依据，以PAA而言其本性黏度值需超过0.7以上，才能代表PAA之分子量足够，具有一定水准以上的物性。

而黏度则是会影响到制膜时过滤系统的选择与PAA消泡的难易度，这对于成膜时加工与品质会造成一定的影响，通常在PI制膜时PAA的黏度在考量制膜加工性与分子量的因素下，其数值约在10,000到20,000左右。

而PAA的固型份则是作为估计PI成膜厚度的重要参考依据，需要藉由PAA固型份来计算出最终PI膜厚，相关说明可参考上节中的制膜技术说明。

4.3聚亚酰胺膜品管
聚亚酰胺薄膜应用市场广泛，各应用市场对此材料的物性规格需要有所不同。

一般而言，PI材料检验方法主要参考IPC及ASTM等相关的检验规格。

4.3.1物性检测
物性必须符合一定的水准之外，会依据所应用成品需求而延伸一些特殊之量测项目与检验方式，例如重机电所使用的PI绝缘布，会要求做电压击穿（Breakdown Voltage）测试，
在软板的应用时，会要求进行PI的耐折性能测试等。

4.3.2成品外观检测
在成品的收捲外观上，则有下列要求：
膜面应有良好的平整性，尽量不可有皱折。

膜面不可有气泡、破洞、黑点、异物等。

收捲张力必须控制在一定范围内，过松或过紧皆不佳。

收捲时不可产生折皱、压痕等状况，应维持膜面的平坦、紧实。

尽量减少接头数，或零接头，接头艰巨应大于一定距离以上避免损耗过大。

另外，为确保成品出厂后与客户端使用前，这一段时间内品质性能皆能维持一定水准，必须进行PI膜成品的信赖性试验。

五.聚亚酰胺膜的问题与对策
PI因其具有一般电子与光电应用产品所需的优异特性，所以近20年其市场来始终被特有的公司所寡占，目前全球几乎超过90%的PI膜由杜邦（Du Pont）、钟渊化学（Kanekafugi Chemicals）及宇部兴产（Ube Industry）等三家公司所生产，市场过于集中的准概况造成PI膜价格始终无法有大幅的下降，且经常会有因市场成长过快而产生供不应求的现象，2004全球PI膜大缺货的梦恹令人记忆犹新。

另外PI因为分子结构的关系，具有相当高的吸湿率，这往往造成PI在软板及构装应用时的可靠性问题。

因此近年来一些新型的高分子薄膜材料有其利基推出市场，除了想要打破PI长期垄断市场的态势外，这些新型的薄膜材料因具有一些优异的独特性质超越PI膜，受到电子业界的高度注视。

其中以液晶高分子材料（Liquid Crystal Polymer ，LCP）受业界的关注最大。

从目前已公布的相关LCP物性分析资料分析，LCP具有较PI为低的吸湿性、低CET(热膨胀系数)、CHE(吸湿膨胀系数)、低介电值（Dielectric Constant）等，在超高频应用领域（GHS）之讯号高传输性能相当优异，加上在低吸湿与低CTE所代理啊的特性优势较PI 具有较高额可靠应用特性，都使得LCP令人期待。

尤其LCP材料是属于热可塑性，可以做资源再祸首处理，对于现今强调绿色环保无污染的时代，LCP在先天上已占有一定的优势。

LCP 材料是否可以取代PI材料，应用在软板基材上呢？相关专家认为LCP非常适合高频与超高频通讯应用之基板材料，另外，高可靠性需求的应用领域如LCP构装载板亦是具有低吸湿及高频高速传输特性的LCP相当适合之应用领域。

任何材料都有其缺陷，当这些缺陷足以妨害到某些应用时，应用上就有所限制。

LCP同样有这些限制，LCP属于结晶性材料，外观呈现不透明状，表面接着力较弱，热融点较PI 低（软化点250～300℃），长期使用的温度相较PI为低，这对电子产品与制程无铅的需求将是一大考验。

液晶冷却快所产生之Welting Line问题造成其在制膜时的良率低，相对使现今的价格较PI高，尤其结晶性材料特有的尺寸收缩与异方性问题等，这些问题是否会造成应用上之困扰，端视各应用产品的要求与LCP材料技术是否持续进步而定。

当然PI亦有其改善空间，许多种具有高尺寸安定与低吸湿特性的新型PI陆续被开发出来，再加上所有与下游制程相容的特性及多年来被业界所认可与习惯的品牌等，都有形无形的成为阻挡其他材料进入的障碍，但相信彼此的良性竞争，将有助于使用者端获取最大的利益。

六.聚亚酰胺膜的其他应用
6.1 IC引线架之黏贴材料
聚亚酰胺薄膜可做IC引线架之黏贴材料，主要功用之一是讲晶片黏贴在引线架的晶片座上，另一种是用于LOC(Lead on Chip)或COL(Chip on Lead)将晶片黏贴于没有晶片座的引线架。

一般供应的晶片黏贴材料都是混合有传热银粒子的接着剂，随着大型半导体和薄型封装的发展，也有以胶带形式的供应。

在此用途，是在聚亚酰胺薄膜上涂上接着剂材料，接。