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液晶高分子(LCP)板材應用在哪裏?

2020-03-05 09:51:23 來源:懶人葛優癱



液晶高分子LCP膜

液晶高分子(Liquid Cystal Polymer:LCP)為典型芳香族高分子材料,依耐熱性高低大略分為叁個類型,如圖一所示。具有剛直棒狀之分子結構與列向性為其材料特征,因此LCP具有優異的耐熱及機械特性,被廣泛應用於3C電子產品、航太、軍用及汽車等產業。近年來LCP應用蓬勃發展,在許多高值化及高端應用領域可看到。 LCP的相關產品,其中又以LCP薄膜發展最受矚目。因其具有低吸濕、低介電常數及低介電損耗的特性,且隨著5G高速傳輸的時代來臨,目前應用於手持行動通訊軟性銅箔基板(FCCL)的PI膜將不敷使用。


市場趨勢

目前全球LCP產能約為4.14萬噸,供應商集中在美、日兩國,美國產能約1.7萬噸,主要大廠是泰科納(Ticona),該公司在並購杜邦(DuPont)LCP廠後,目前年產能在2.2萬噸,日本較具規模的公司為寶理(Polyplastics)及住友化學(Sumitomo),年產能分別為1萬噸與9,200噸。目前寶理在位於富士的工廠有新廠擴產計劃,該廠在2012年投產5,000噸的LCP產能。而住友化學是從美國Carborundum 公司引進技術,保有精密零組件市場。根據日本富士總研指出,目前LCP樹脂全球預估到2020年全球LCP樹脂產量約達3.5~4萬噸,主要應用在電子與通訊產業,在未來5G的高頻傳輸需求下,LCP材料有望取代目前普遍使用的PI材料,LCP市場將出現供不應求的窘境。


液晶高分子(LCP)膜材應用

LCP膜材的多樣應用性與日俱增。隨著高頻通訊傳輸時代的來臨,預估2018年全球智能手機出貨量將超過15億支,平板電腦出貨量將超過3億台,一支智慧型手機約使用8~12片軟板,預估2020年後全球市場年增長率將年增10%,且需求量逐年增加。一般Connetor射出用線性LCP,因其無糾纏至剛直棒狀的高分子結構呈現極低的熔融黏度及近似牛頓流體型之熔融流變行為,不易進行高熔融強度需求之押出成膜或吹膜等加工成型制程。因此,借助分子設計之LCP膜材料,以順利進行押膜等成型加工制程,研制高性能LCP膜材料,已成為全球各LCP Maker眾所努力之研發目標。此高性能LCP膜材料之潛在應用領域如下:1LCP用基材;2TBGA及CSP用Interposer;高密度構裝用多層基板;4高頻基板;5IC Packaging用絕緣Film/Tape;Bear Chip及CSP貼合主機板用接著Tape;7TAB用Carrier Film及Adhesive Film。

LCP在吸水率、阻氣特性、介電常數及尺寸穩定性皆淩駕目前所使用之PI構裝材料,可因應次世代電子構裝材料及高性能工程塑膠基材之需求。LCP具有比PI膜材料更低之吸水率、介電常數、損失系數、熱膨脹系數(CTE)及較優之尺寸穩定性、阻氣性及熱傳導率,且具有可回收再利用之熱可塑材料特性,可直接進行熱帖合銅箔,而不需要Epoxy背膠。而LCP材料合成所需之關鍵單體原料,如p-HBA、BP及TPA等,國內皆有生產,因此更具有低原料成本的優勢競爭力,預期應用到次世代電子構裝材料之潛力無窮。


液晶高分子(LCP)薄膜加工技術目前發展情形

LCP材料具有高分子排列順向性,於加工制膜後LCP分子流動特性受加工制程影響,且對薄膜機械性質之影響。最早投入LCP制作開發的Superex(Foster-Miller)公司,借由旋轉模頭調控不同方向剪切應力,以調控分子排列順向性,如圖六所示;日商Kuraray則透過吹膜制程中的吹脹制程,進一步調控MD/TD方向的薄膜特性;Primatec(Japan Gore-Tex)則提及可透過雙軸延伸二次加工方式來增加TD方向分子排列特性等。


國際發展趨勢與工研院於高分子(LCP)材料之能量

目前全球LCP樹脂供應商約超過10家,但不同於樹脂,LCP膜加工技術制程門檻高,現今市場上公開具備或銷售LCP之制程技術、專利或產品的公司,主要有美國Superex、日本Kuraray、日本Primatec、日本Sumitomo。以日本Kuraray占高頻軟板應用市場大宗(全球市占率>90%),Kuraray生產的LCP膜商品,厚度范圍為25~175µm。在2016年的Film Tech OSAKA展會中,日本千代田公司發表膜厚為25µm的LCP薄膜,熔點約為317℃,Dk =2.81,Df =0.001,

Polyplastics公司在此展會中也發表了低介電的LCP材料,主要強調與玻纖形成複材後可維持低介電的特性,測試頻率為10GHz TD方向時,RSL11123 LCP的產品的Dk =2.8/ Df =0.002,且耐熱溫度達230℃;RSL10986 LCP的產品的Dk =2.9/ Df =0.005, 且耐熱溫度達230℃;並展示了目前LCP/GF複材以用於iPhone 6手機部件,未來到了5G時代,LCP材料應會有更多通訊產品上的應用。

工研院材化所研究團隊對於LCP材料之聚合制程、熱性質、黏彈性、精密制膜加工薄膜性質評估等進行整合。透過耐溫的液晶高分子構型及分子機構設計,利用乙醯化及熔融聚合等制程,可以有效提升材料分子量及黏度,由原材端分子設計調控LCP材料,達到兼顧高耐熱、高韌性、高熔融強度及幹擾LCP高度方向排列性(Isotropic),有利於增進LCP制膜加工視窗。將市售商品Kuraray CTF-50,TZ-50與自制LCP膜之電氣性質進行分析評估,從表叁的數據分析可知,自制LCP薄膜具有優異的介電特性,Df =0.0014,應具有較高的高頻訊號傳輸特性。進一步將自制LCP薄膜進行銅箔壓合制程,LCP膜透過表面電漿處理並進行壓合參數設定,在壓合溫度低於300℃、壓合壓力40Kgf/cm2 、壓合時間為55分鍾的條件下,壓合後接著強度測試結果如表四,自制LCP Film具有高接著強度,Peel Strength (lb/in)大於22以上,推測可與更低Roughness壓合銅貼合,利於5G高頻傳輸的應用。


結論及建議

LCP薄膜為搞經濟價值產品,開發低吸濕、高頻下低介電常數與低耗散因子之軟性無接著劑LCP基板材料,可應用於ICT可攜式高頻基板,例如高速資料通路、高頻和高速的應用(Wireless LAN、ITS(ETC Atennas、Millimeter Wave for ASV)、LCD或PDF的驅動器、IC封裝(TBGA)以及多層板等。目前此材料仍需仰賴國外進口,但國內的軟板產業已很成熟,再加上深耕兩岸完整的分工體系,僅需加緊腳步開發、即可快速建立國內軟板技術,提升我國國際競爭力。伴隨目前電子通訊產品、無線系統的發展,LCP薄膜需求量日益增長。近年來工研院投入LCP分子結構聚合設計技術、薄膜微結構解析與精密流變以及薄膜加工等研究,除了善用國內生產之LCP聚合關鍵單體,降低生產成本與串聯國內廠商,為避免受限國外文獻與專利之薄膜制程技術,致力於建立自主LCP膜材配方、薄膜加工設備設計及建立流變平台,更有限連接原料聚合設計端與產品加工應用端,未來也可協助國內相關業者進行新產品開發,縮短研發時程、大幅提升產業之競爭力。


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