何柏賢、朱育麟、邱仁軍、陳孟歆、林志祥 / 工研院材化所
隨著5G高速傳輸的時代來臨，目前應用於手持行動通訊軟性印刷電路板的PI膜將不敷使用，PI膜介電常數高、介電損耗高且易吸濕的缺點，在高頻及高速傳輸下易造成訊號損失。液晶高分子(LCP)為典型芳香族高分子材料，具有剛直棒狀之分子結構與列向性，因具優異的耐熱及高機械強度、低熱膨脹係數、低吸濕、低介電常數及低介電損耗等特性，將取代傳統PI材料，成為5G時代的優勢產品。台灣為PCB生產主要國家，但高速軟性基板所需之關鍵LCP膜材仍仰賴價昂的進口產品。工研院材料與化工研究所透過精密聚縮合及製膜加工技術，開發可溶型LCP材料，以建立關鍵材料自主化之優勢，提升國內PCB產業之國際競爭力。
【內文精選】
LCP膜材市場趨勢
5G時代除了基地台數量增加之外，將帶動全球相關零組件與材料大幅成長。「PCB」有電子系統產品之母之稱，隨著各式新興科技應用出現，如：物聯網、5G、AI人工智慧、大數據等，衍生出更多樣化的電子產品，而電子產品終端應用需求的成長，勢必帶動PCB產業整體成長。其中軟板是以聚醯亞胺膜(PI Film)或聚酯薄膜(LCP Film)等軟性絕緣材料製成的PCB，其具有可彎曲、捲繞、折疊，可依照電子產品內部空間，進行3D式的移動和伸縮，進而達到電子零件裝配與連結。隨著電子產品不斷向輕、薄、短、小及多應用發展，軟性電路板(Flexible Printed Circuit; FPC)的市場比重持續上升，其中，手機占FPC市場比重約33%。而受惠於5G通訊的發展及消費性電子智慧化，FPC的市場有機會進一步擴大。
LCP膜材應用
由於5G具有高速、高頻等特點，為保證可靠性需減少訊號在傳輸過程中的損耗，5G通訊對天線材料的介電常數、介質損耗等指標有更高的需求。目前4G手機天線所使用的軟性電路板基材主要為PI，這是綜合考量了PI 優良的機械強度、耐彎折性、耐熱性及絕緣特性等優點。但PI 吸水率太大，介電常數(Dk)和介質損耗因子(Df)也較大，尤其對工作頻率超過10 GHz的產品影響顯著，因此很難達到5G時代對天線材料的需求。
目前主要的解決方式有兩種，使用改性PI (MPI)或LCP作為高頻用FPC基材。其中MPI在Sub-6G具有一定的優勢，但隨著5G商用化程序的推進，毫米波階段仍以LCP為主。在傳輸可靠性及吸水性方面，LCP優於MPI；但成本方面，目前LCP薄膜受限於產品良率和薄膜供應壟斷，導致其成本最高、經濟性最低，而PI 膜作為成熟應用產品，其成本最低，但無法用於5G時代的天線傳輸。經過改性的MPI在Sub-6G階段能夠和LCP分庭抗禮，但在毫米波頻段，MPI之損耗較LCP大，因此LCP仍將為主要天線膜材。在5G手機FPC天線材料供應鏈中，終端裝置天線中高頻MPI材料將是過渡技術，無法完全替代LCP，LCP軟板將是5G時代高頻材料的未來趨勢。
LCP薄膜加工技術
LCP材料具高分子排列順向性(Anisotropic)，於加工製膜後，其中LCP分子流動特性受加工製程對薄膜機械性質產生之影響示意如圖六。以X光繞射(XRD)分析LCP薄膜之結晶排列表現，若液晶高分子排列順向性越明顯，則XRD圖譜上會呈現兩組明顯弧形(Arcs)訊號；反之，則呈現環形(Ring)繞射圖譜。
圖六、LCP分子流動特性及排列方向對薄膜機械性質之影響示意圖
LCP材料國際發展趨勢
5G之後的高頻通訊時代，LCP薄膜將取代傳統的PI薄膜，作為高頻傳輸設備基板的絕緣材料，電子產品相關應用仍為LCP樹脂帶來最大宗的商機。由於LCP樹脂加工困難，在LCP薄膜的製造上，大部分非由LCP樹脂廠商自行拉製，而是由Kuraray、Murata或Chiyoda Integre這類具有拉膜加工專長的公司製造，產業形成垂直分工。
工研院材化所可溶型膜級LCP材料開發
工研院研究團隊對於可溶型LCP材料之分子結構設計、聚合製程、膠水配方調控技術、精密塗佈製膜加工、薄膜性質評估等進行整合，透過可溶型的液晶高分子構型及分子結構設計，利用乙醯化及熔融聚合等製程，可以有效提升材料分子量及黏度，由原料端分子設計調控LCP材料，達到兼顧高耐熱、高韌性、低介電，又可溶於一般有機溶劑NMP中，可應用於LCP塗佈製膜加工。如圖十一所示，工研院材化所自製LCP材料可溶於NMP中並塗佈成膜，在XRD光譜呈現環形繞射圖譜，顯示可溶型LCP在塗佈製膜加工條件下，可克服傳統LCP順向性問題，並且仍具備結晶特性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一 工研院自行開發溶液型LCP材料(溶劑為NMP)
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。