隨著電子產品朝向高功能化及更輕薄可攜的趨勢，電子產品裝置內元件及材料具有高度整合各項功能，許多材料被賦予不同的功能層，已非單層設計所能應付，需靠多層的結構材料特性才能滿足需求。工研院材化所開發之三層共擠塗佈模具，架設於連續式塗佈機台進行載具驗證。經驗證結果顯示，三層樹脂的界面無混層的現象發生，且三層結構中厚層與薄層厚度比值可達到5倍以上。
本文將從以下大綱，說明如何透過高分子流變、模具設計及流場模擬分析開發三層共擠塗佈模具，並以連續式塗佈機台進行三層共擠塗佈載具驗證。
‧前言
‧三層共擠塗佈技術分析
1. 各層樹脂間的溶劑系統
2. 精密穩定供料系統
3. 樹脂流變特性分析
4. 模具流道設計及液珠模擬分析
5. 模具精密加工能力
‧連續式R2R三層共擠塗佈載具驗證
【內文精選】
近年來隨著電子產品朝向更輕薄化、高密度及多功能化的趨勢下，對於材料的要求日趨嚴苛，需能同時兼具阻水性、阻氣性、導熱性、絕緣性、抗反射、高接著及耐熱性等各項性能整合，已非單層材料（塗層）所能滿足，必須施以多層材料（塗層）才能夠同時滿足產品多種特性的需求。多層材料傳統的作法是以單層塗佈施以多道塗佈加工方式來處理，但多道塗佈工序需同時面臨每層良率的加乘、表面乾燥程度控制、生產效率及製造成本等問題，而此問題最有效率的解決之道，就是發展多層共擠同時塗佈技術來解決。
過去對於多層材料的塗佈通常是採用多次單層塗佈的連續操作，亦即在基材上先塗佈一單層的樹脂塗液，接著將塗液控制乾燥到一定程度之後，再塗上第二層的樹脂，依此重覆在基材上形成多層流體樹脂的塗佈。稍加觀察其程序即可發現，若以三層樹脂為例，塗佈三層的樹脂則需三次的塗佈與三次的乾燥製程程序，無論在設備的成本與塗佈的效率上，都比不上採用一次進行三層樹脂共擠的塗佈方式來得精簡。圖一及表一所示為單層多次塗佈製程與一次三層共擠塗佈(Co-extrusion Coating)在製程工序的比較。
圖一、(a)單層多次塗佈；(b)三層共擠塗佈流程圖
三層共擠塗佈技術分析
三層共擠塗佈技術雖具有簡化製程及層與層無界面剝離的優點，但要能實施三層共擠塗佈方式還是有一些限制條件的。
1. 各層樹脂間的溶劑系統
三層共擠塗佈樹脂彼此間所使用的溶劑首先需考慮是否皆為同相系統，例如三者樹脂溶劑同為水系或油系，而不是有些樹脂是水系，有些是油系。再來則需考慮三者樹脂溶劑系統的揮發速率，若樹脂間所使用的溶劑揮發速率愈接近愈好，也就是同為高沸點溶劑或低沸點溶劑，如此可增加塗膜於乾燥階段乾燥速率的一致性，通常可以得到較佳的成膜外觀。
4. 模具流道設計及液珠模擬分析
為讓讀者更加了解模具流道設計及液珠模擬分析的手法，以下就以三層共擠結構—TPI樹脂/PI樹脂/TPI樹脂(2~3 µm/20 µm/2~3 µm)為載具，進行模擬分析，依此模擬分析製作出三層共擠塗佈模具，再利用工研院材化所建置之連續式精密塗佈機台進行驗證，可清楚了解三層共擠模具設計與實際塗佈應用產品的可行性。
(1) 設計條件
本實驗所使用之PI樹脂(Polyimide; PI)和TPI樹脂(Thermoplastic Polyimide; TPI)之流變曲線經流變儀量測結果如圖二所示。其流變性質可用冪次指數(Power-law Index, n)以式(2)來表示，所測量之n、K值如表二。考量安全係數，後續分析對PI樹脂，以n = 0.9，對TPI樹脂，以n = 0.8來進行設計。
連續式R2R三層共擠塗佈載具驗證
為了探討三層共擠模具從樹脂流變、模具塗唇設計、塗佈液珠流場分析一直到模具設計加工成型，是否能符合預期需求？我們將工研院材化所設計開發出幅寬300 mm三層共擠塗佈模具，架設於連續式塗佈機台進行載具驗證…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、三層共擠模具成品組裝圖
作者：呂常興、吳平耀、朱文彬、曾詩存／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」386期，更多資料請見下方附檔。