低溫固化感光絕緣層材料技術：材料世界網

蘇育央 / 工研院材化所

為了滿足電子產品對更小尺寸、更強大的性能和更低成本之市場趨勢，先進封裝變得越來越重要。因此，封裝技術如3D IC封裝、扇出封裝、小晶片封裝和倒裝晶片晶圓凸點等先進封裝技術也不斷精進。在這些封裝結構中，感光材料是先進封裝的關鍵材料之一，可作為緩衝層、鈍化層以及絕緣層等，而低溫固化型的感光絕緣層材料，可避免在重布線路或多層的堆疊製程時因熱應力所造成的元件翹曲，且具覆蓋於各種薄膜厚度的高縱橫比圖案化能力。

【內文精選】

市場分析

聚醯亞胺薄膜是一種先進的聚合物材料，以輕質封裝提供優異的電學、熱學、物理和化學性能，使其非常適合於電氣絕緣應用。從應用市場來看，約45%是以電子產業最為活躍與最具潛力的領域，高端市場仍由杜邦等公司主導。根據Market Reports World報導，2020年全球聚醯亞胺(PI)市值為105.9億美元，到2027年底將達到143.6億美元，2022~2027年複合年增長率為5.2%。其中，根據另一市場研究報告24ChemicalResearch指出，2022年全球感光聚醯亞胺(PSPI)市值為3.251億美元，預計2029年將達到16.685億美元，預測期內複合年增長率為26.3%。全球主要大廠包括：東麗工業公司(Toray Industries, Inc.)、日立杜邦微系統(HD MicroSystems LLC; HDMS)、旭化成(Asahi Kasei Group)、韓國錦湖石油化學有限公司(Korea Kumho Petrochemical Co., Ltd.; KKPC)、長興材料(Eternal Material Co., Ltd.)、富士膠卷電子材料美國公司(FUJIFILM Electronic Materials U.S.A., Inc.)等，幾乎被美國、日本掌控與壟斷，排名第一的東麗占比73%。PSPI主要應用於顯示、晶片封裝、印刷電路板(PCB、FCCL)等。

國際現況

感光絕緣材料開發種類廣泛，如聚醯亞胺、聚苯並噁唑(PBO)、苯並環丁烯(BCB)等材料，皆因良好熱穩定性、機械特性、抗化性與電絕緣性，可作為絕緣保護層以及應力緩衝層。Toray在聚醯亞胺系耐熱樹脂和光敏性的基礎上，結合了獨自的設計與技術，開發一種感光醯亞胺塗層材料，負性的感光醯亞胺塗層標榜可低溫固化，已導入在半導體/電子元件的保護膜、絕緣膜。Asahi Kasei E-materials則是屬於一種聚醯亞胺/PBO前驅物的感光材料，具有更低的介電常數。住友的負型感光絕緣材料特徵在於用鹼性水溶液即可顯影。而日立杜邦微系統公司(HDMS)一直不斷開發負型感光色調聚醯亞胺，作為晶圓級封裝(WLP)重分布層(RDL)的電介質半導體IC中之保護層。感光負性PI可以簡化製造過程，由於其良好的機械性能、高熱穩定性和高可靠性，可進行加工並確保高可靠的電氣特性。

工研院近期研究

可溶性聚醯亞胺藉由高分子結構設計，使合成時有較大立體空間，增加立體障礙及非共平面結構，透過破環剛性的主鏈結構，採用此方法預醯亞胺化，無需加熱到300˚C以上即可完全醯亞胺化，實現低溫固化，避免了高收縮、放氣和高殘餘應力等問題的出現。因此，感光聚醯亞胺材料的高分子設計，以導入不對稱結構之醚鏈基團，或側鏈巨大基團如陰電性較高之CF₃基團，能夠降低感光材料的電子電荷轉移效應，提高透光度、高分子柔韌性及增加顯影性，可

作為一種低溫固化感光絕緣材料。

低溫固化聚醯亞胺除了結構的設計外，製備的方式則包括：在氮氣的保護下，將二胺單體充分溶解在有機溶劑中，或在常溫下向反應體系中加入脂肪族二酐；繼而將反應溶液在低溫(<5˚C)中攪拌數小時，再於常溫下攪拌12~24小時，並加入光敏劑和交聯劑攪拌均勻後，加入化學催化劑和脫水劑部分亞胺化，得到聚醯胺酸；最後在NMP(N-甲基吡咯烷酮)/2-Butoxyethanol(乙二醇單丁醚)的混合溶劑中，過濾得到感光性聚醯亞胺樹脂。另外，合成過程中，可由共溶劑GBL(γ-丁內酯)/DMAc(二甲基乙醯胺)/Xylene(二甲苯)取代NMP，並以一步驟法合成聚醯亞胺溶液，即為可溶性PI，無需在加工製程中再進行高溫閉環。聚醯亞胺溶液可由Xylene調整固含量搭配旋轉塗佈，以達到膜厚控制之目的，具有低溫可成型之優點，成膜固化溫度≦160˚C，感光材料經160˚C乾燥1小時後，其熱重分析(TGA)如圖一所示，在250˚C前幾乎沒有熱重損失。