塑膠球導體化技術與應用

 

刊登日期:2017/10/5
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從HIS Inc. 2013年報告(圖一)可見穿戴式市場產值逐年增加,以及ReportLinker市場報導中對於穿戴技術市場的預測,可穿戴式電子市場有望在2025年達到約816億美元產值,年複合增長率為28.3%左右。這些裝置無論是穿或戴在身上(圖二),都會與身體靠近或接觸,故除了小體積多功能之需求外,還要兼顧舒適與安全。為因應人體不同部位穿戴需求,必須加入軟性封裝(Flexible Package)技術與材料來製作這些裝置。以智慧眼鏡Google Glass為例,透過零件細部拆解圖(圖三),可以看出其中同時有硬板(Rigid PCB)與軟板(FPC)。在與其他組成部件相連接時必須能滿足可撓曲連接(Flexible Interconnection)的需求,而軟板與其他部件的連接並不適合用焊接(Solder)或是連接器(Connector),故常會使用異方性導電膠膜(Anisotropic Conductive Films; ACFs)來進行連接。

圖一、全球穿戴技術市場概況預測
圖一、全球穿戴技術市場概況預測

異方性導電膠
異方性導電膠所使用的導電粒子為高分子與金屬複合所組成的導電塑膠球粒子。目前商品中表層金屬常見為兩層結構,內層為鎳層(Ni)加上外層的金層(Au)所構成,如圖六所示。鎳層主要目的是構成導電通路,建立塑膠粒子的導電特性,而外層的金層除了增加導電特性之外,也保護鎳層不被氧化。當異方性導電膠貼合於晶面的凸塊與基板線路間,經過在適當壓力、溫度及時間,使得導電粒子與凸塊和線路接觸,進而達到導通功能(圖七)。異方性導電膠的使用量從2014年富士總研報告中得知,在2013年全球使用量已超過10億米,市場產值超過新台幣100億元以上,且未來每年市場將以1~2%成長,其中,導電粒子或是導電複合粒子是關鍵材料之一。

圖七、異方性導電膠貼合示意圖
圖七、異方性導電膠貼合示意圖

導電塑膠球粒子
國際上ACF主導廠商是日本的Hitachi Chemical與Dexerial(Sony Chemical)。其中導電塑膠球粒子主要供應商為日商積水化學、日本化學。台灣由於3C產業發達,因而在國內也具有相當之使用量,但由於國內目前並無廠商有能力生產ACF用導電塑膠球,故多仰賴國外進口。將異方性導電膠的相關專利進行搜尋與分析整理(圖八),可以看出專利所有權人主要集中在日本廠商手中,所選用的粒子材料有金屬、陶瓷、高分子及殼型結構等;而於所查詢之專利中可看出金屬高分子複合的殼型結構導電粒子,其所採用之金屬沉積技術以化學鍍(Electroless Plating)技術居多。

非導體金屬化技術—化學鍍
高分子球為非導體,無法以電鍍的方式在表面上披覆金屬,而其他物理鍍膜方式又不適合生產,因此殼-核型金屬與高分子複合微粒的製作,通常必須採用化學鍍的方式在高分子核上進行金屬包覆(Metal Coated)。化學鍍是靠溶液中的氧化還原反應(還原劑的氧化反應)提供還原金屬離子所需的電子,無需外電源的化學沉積過程。這種靠溶液中氧化還原反應沉積金屬的濕化學沉積方法可分為三類:③還原法:在金屬鹽溶液中添加還原劑,還原劑提供的電子還原金屬鹽溶液中的金屬離子,使之沉積在基材表面形成金屬鍍層。導電塑膠粒子製程中所使用的化學鍍,就是專指還原法中,在具有催化能力的活性表面上沉積金屬鍍層。由於在鍍覆過程中沉積層仍具有自催化能力,而可以連續沉積,形成具有一定厚度之有實用價值的金屬鍍層。

國內塑膠球金屬化技術發展現況
近年來工研院材化所微成型與表面技術實驗室已投入相關製程開發,並已建立穩定的異方性導電膠用塑膠球導電化製作量產技術,主要是針對塑膠球表面進行金屬化處理技術開發以及設計相對應之鍍液配方,核心技術是採用無電鍍技術,於塑膠球表面沉積出金屬(如鎳或金等),形成殼-核型結構,如圖十所示。其中核心粒子可以為PMMA、PS、PP、PS-PMMA等塑膠材質或是其他非導體材料(如陶瓷材料),可沉積金屬除了鎳、金外,亦可沉積銀、銅、鈷等金屬,金屬層皆能維持著完整且連續之結構。如果以5微米(μm)塑膠球上進行鎳金沉積為例,金屬層厚度可以精準控制在100 nm左右(圖十一),單顆導電塑膠球接觸電阻小於10 Ω,粒子平均比重約...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:王正全、顏佳瑩、呂春福 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」370期,更多資料請見下方附檔。


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