5G高頻MPI軟板材料技術：材料世界網-專利推廣

■ 技術說明

近年來，隨著資通訊行動化及個人化的發展越趨蓬勃，具有輕量薄型的軟性印刷電路板(Flexible Printed Circuit Board; FPC) 市場與需求遽增，隨著終端應用產品(IoT與穿戴裝置) 的功能整合越來越強、解析度要求越來越高、反應速度必須越來越快、儲存容量越來越大的整體需求下，軟板技術也必須做搭配。因此，軟板往高頻高速化、功能化的趨勢發展越發明顯，高頻軟板已經是軟板技術的趨勢之一，主要在迎合行動通訊電子產品功能的強化及整合，低介電與低傳輸損失的基板材料將是未來高頻化的主要訴求重點。另外，隨著5G 時代的來臨，為達到更高的傳輸速度，以及更低的延遲時間，新型的晶片堆疊3D封裝及系統級封裝(SiP) 架構，可整合多種不同的晶片來擴充其功能與效能，因此在5G領域中，使用此異質晶片整合技術已成為大勢所趨，以符合5G時代天線之AiP(Antenna in Package) 技術需求。其中重分佈層(RDL) 製程中低介電常數(Dk) 和耗散因數(Df) 的絕緣材料，皆已成為各材料商以及軟板供應商關注的技術開發重點。

聚醯亞胺的產業應用範疇

由於聚醯亞胺(Polyimide; PI) 是一種具有優異的熱安定性及良好的機械及電氣性能的高分子材料，除了目前廣泛應用在軟性印刷電路板( 軟板− FPC) 外，也可以利用各種不同的方法製成負型有機溶劑或正型鹼性水容易顯影的耐高溫感光材料，應用於半導體工業的IC晶片保護膜、層間介電材料及高級電子封裝材料等。但是隨著未來5G 行動通訊的操作頻率逐漸升高，由於聚醯亞胺樹脂中因含有極性基之醯亞胺骨架，故而吸水率變高，容易受到電子機器的使用環境影響，若在高濕度環境下，聚醯亞胺樹脂層受吸濕之影響，其介電損耗(Df) 也隨之增加，而引起傳輸損耗進一步變差之擔憂，因此目前市場上為滿足低傳輸損耗之需求，使用介電特性、吸水率優異之液晶高分子材料(Liquid Crystalline Polymer; LCP)，雖然LCP其介電損耗(Df) 不會隨濕度而改變，但卻有對銅箔等金屬箔之接著性、耐熱性較低、操作性不佳等缺點。

尤其在高頻10 GHz以上的頻段，一般感光性聚醯亞胺前驅物中因含有極性基之聚醯亞胺骨架與壓克力單體，故而耗散因數(Df) 容易因工作頻率升高而變高，因此無法滿足未來5G 通訊模組製程中所需的重分佈層(RDL) 低介電常數(Dk) 和耗散因數(Df) 的圖案化絕緣材料的需求。有鑑於此，工研院材化所發明聚醯亞胺樹脂前驅物，經微影製程與後段硬化後，其在10GHz工作頻率下，具備介電特性優異並保有良好的機械特性與耐熱性，且可以塗佈於銅箔基材上，並保有良好的接著特性與耐熱性。

工研院材化所著重開發新的改質聚醯亞胺(Modified PI; MPI) 結構與配方設計，改善傳統MPI吸濕造成Df不穩定的問題，又同時能與現有軟性銅箔基板(FCCL) 材料與FPC 製程相容。目前可以利用特有的專利技術與廠商共同合作開發MPI 配方與製程技術、高頻接著膠材配方等為主軸，以利5G產業的發展需求。

■ 技術特徵

聚醯亞胺樹脂目前仍是以軟性印刷電路板與半導體封裝為最大的應用領域。在軟板部分，近年來隨著行動裝置複雜化以及行動通訊的操作頻率，由過去的數百MH 提高到2 GHz以上，過去普遍採用的陶瓷天線因造型限制較高，以及材料特性不適合多頻段等，市場轉為採用印刷電路板天線。而利用聚醯亞胺軟板所製造的天線適用於多頻段複雜天線、造型限制以及製造成本較低，因此成為目前行動裝置的主流。隨著5G 行動通訊成為新一代的通訊標準，各種行動裝置的開發商都已經開始進行相關的布局，負責訊號傳輸的天線軟板早已成為各材料商以及軟板供應商關注的技術開發重點。利用現有PI 薄膜材質進行改質的聚醯亞胺MPI (Modified PI) 相當具競爭力，目前亦成為5G 高頻通訊軟性銅箔基板材料的熱門材料，MPI 是透過新分子引入以及工藝改進，降低Dk / Df 值及吸濕性，使得傳輸損耗介於PI 和LCP 軟板之間，在中低頻段的傳輸效率幾乎可以與LCP 比肩，成本相對較低。雖然高頻性能目前仍不如LCP，但在材料成本、軟板製程難度以及供應商上的選擇皆較具彈性，若能將傳輸效率提高到接近LCP 薄膜的水準，有機會取代LCP成為普遍採用的材料。由於兩種材料各有所長，因此目前供應商會在研發LCP 與異質PI 兩者皆投入資源開發，預估短期內5G 天線軟板市場會處於多種材料同時競爭的狀況。

為了解決LCP 基材價格昂貴、彎折性及高溫壓合造成厚度變異過大而導致阻抗值不穩，以及現有MPI 吸濕後傳輸損耗變異偏大等現階段高速軟板的兩大問題，工研院材化所開發一新型的聚醯亞胺樹脂前驅物。將現有PI 薄膜材質進行新的改質聚醯亞胺(Modified PI; MPI) 結構與配方設計，此前驅物為主要藉由主鍊帶有低極性結構之聚胺酯與聚醯胺共聚物酸所組成，在適當烘烤溫度下即可固化完全，此發明專利技術能使PI 分子藉由導入剛硬的結構設計，讓分子間的堆疊更為緊密，可以比現有MPI 吸濕後損耗差異性更小。不僅可以抑制在高頻時因分子鏈頻率響應、運動而造成的能量損失，進一步能調控其介電損耗，更可以控制樹脂的熱膨脹係數，同時又可兼顧現有軟板的特性要求( 尺寸安定性、耐熱性、接著力等)，符合未來5G 高速軟板的材料需求。

聚醯亞胺除了廣泛應用於軟性印刷電路板外，其優異的熱安定性及良好的機械、電氣及化學性質，在對材料要求嚴格的IC 工業上，PI 也能應用在如鈍化膜(Passivation Coating)、應力緩衝膜(Stress Buffer Coating)、粒子遮蔽膜(Particle Barrier)、乾式蝕刻防護罩(Dry-etch Mask)、微機電(Micromachines) 和層間絕緣膜(Inter-layer Dielectrics) 等等。在目前這些應用上，以保護IC元件的塗膜(Coating) 占最大部分，主要原因是PI 材料可通過IC 元件可靠性(Reliability) 的測試。應用在IC 製程的PI 可分為傳統的PI 和感光型PI (Photosensitive PI; PSPI) 兩種。傳統的PI 在此製程中需要兩道光罩，而感光型PI 只要一道光罩就完成了，其不僅可以同時當應力緩衝層用，亦同時可以當乾式蝕刻防護罩。由於使用PSPI 可大幅簡化IC 製程而降低成本，而且可提高產品良率，目前有愈來愈多的IC 廠傾向於使用PSPI。當聚醯亞胺應用於以上用途時，常以溶液方式塗佈於矽晶圓(Silicon Wafer) 或其他基材上，經過烘乾及高溫硬化後，形成一層薄膜附著於基材上。感光型PI 在IC 封裝扮演關鍵材料的角色，從薄型小尺寸封裝(TSOP) 中的應力緩衝層到晶圓級封裝(WLP) 中的重分佈層(Redistribution Layer; RDL)，因為Molding Compound 中都含有大量無機填充物(Filler)，為避免Molding Compound 在加熱收縮時所產生的內應力過大，而傷害到元件本身，故利用感光型PI 來形成應力緩衝層，以保護Chip 本身避免因應力所產生的傷害。

工研院材化所開發一新型的感光性聚醯亞胺樹脂前驅物，藉由選擇適當的二酸酐及導入部份低極性二胺結構單體以及光反應官能基等反應物，合成側基帶有感光基團結構的低介電常數(Dk)及低介電損失(Df) 的聚醯胺酸酯(polyamic ester; PAE) 共聚物，其搭配光起始劑與壓克力單體即為負型感光性聚醯亞胺樹脂組成，可經由一般微影製程得到圖案，由於該主鍊帶有低極性結構，其在適當烘烤溫度下即可固化完全，並在高頻下具有良好的電氣特性，並有良好機械性與耐熱性，符合未來5G 高頻圖案化絕緣材的需求。

■ 技術規格

為滿足低介電與低傳輸損失的5G 高頻化基板材料，聚醯亞胺在電子產業扮演關鍵的角色，工研院透過5G 毫米波通訊領域的樹脂合成技術、高頻軟性基板材料驗證技術平台、高頻FPC 訊號傳輸損耗驗證技術等，布局新型聚醯亞胺應用，包括低介電損耗PI 樹脂、高頻增層膠等，利用高頻多層板低溫壓合製程，可與現有製程相符，而且可連續式塗佈生產，經實際驗證其軟板基材具高尺寸安定性，可滿足軟板低傳輸損耗之需求。