TW202043923A - 感光型可溶性聚醯亞胺樹脂組合物及應用其的保護膜 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，包括均勻分散於溶劑中的（a）可溶於鹼性溶液的式（I）所示的聚醯亞胺樹脂，其占組合物中固體總重的45-65%；
Figure 108120455-A0101-11-0001-1
；其中，Ar1 為四價有機基團；Ar2 為二價有機基團；Ar3 為二價有機基團；Ar4 為含有

Description

感光型可溶性聚醯亞胺樹脂組合物及應用其的保護膜
本發明涉及電路板製程保護材料領域，尤其涉及一種感光型可溶性聚醯亞胺樹脂組合物及應用其的保護膜。
印刷電路板相關製程技術發展迅速，其從早期的硬式印刷電路板（PCB）設計方式發展至軟式印刷電路板（FPC）的結構設計。在此過程中，人們對電子產品輕量化、薄型化的需求，尤其是攜帶式電子產品的需求更加明顯。行動電話、平板電腦、健康手環、數位相機…等日常用品，均是利用軟式印刷電路板可三度空間撓折的功能，大幅降低產品的體積與重量，甚至可增加產品附加價值。
雖然軟式印刷電路板具有上述諸多優點，但是仍然無法完全的取代原有硬式印刷電路板的應用。關鍵原因在於硬式印刷電路板有尺寸穩定性優異的特點。電容、電阻與電感等被動元件，可同時應用於軟式或硬式印刷電路板上，但是對於更精密的元件，驅動IC、攝像頭模組…等，則需要將此元件結合於硬式印刷電路板上，以增加其產品穩定性。因此，後期發展出所謂軟硬結合板的電路板結構，即是結合軟板與硬板的優勢，將軟式與硬式印刷電路板整合在同一片電路板上，如此即可將精密的元件放置於硬板區塊，同時運用軟板的可三度空間摺疊優勢，讓整體結構達到最小化的目的。軟硬結合板的運用越來越廣泛，電路板領域每年所產出的軟硬結合板是一個非常龐大的數量。因此，在軟硬結合板製程中所產生的良率損耗、成本增加等問題，也越來越受到重視。
嚴格來說，軟式與硬式印刷電路板式兩種截然不同的製品，除了最終的功能與特色有很大的差異之外，兩者的製程更是存在較大差異。這也導致軟硬結合板的製作過程中，硬是要將兩種截然不同的東西結合在一起，則需要付出更多的成本。一般而言，現有軟硬結合板製程中，都是先完成軟式印刷電路板的部分，接著再將此軟板放入硬板製程中加工。在製程當中，包含了經過高溫、高壓、酸性溶液與鹼性溶液等處理流程，此時已經先做好的軟板部位，在經過這些過程之後，通常會有一定程度的損耗，甚至達到需報廢而無法再使用的狀況。
為了解決上述問題，電路板製造業者通常會在投入硬板製程之前，先以一層保護層將軟板部位覆蓋住，在整個硬板製程結束之後，再將此保護層去除。但是，保護層的作業流程相當繁瑣，必須結合環氧樹脂膠、聚醯亞胺膜、離型紙等材料，藉由多次的熱壓合、模具打鈸成型等流程，製作出上述保護層的形狀。此保護層為雙層結構，上層為聚醯亞胺膜，下層為環氧樹脂膠層，此膠層僅分佈於聚醯亞胺膜周邊，沿著邊緣形成一層寬度較窄的膠層。將此保護層利用熱壓合於軟板表面時，周邊的膠層即可黏著於被貼合軟板的邊緣，而保護膜其他部分為未被膠層附著的聚醯亞胺膜並不會因熱壓合而具有黏性，且Tg值高達300℃以上，故不會黏著於軟板其他部位，如此即可將軟板區塊完全密封住，於硬板製程中隔絕酸、鹼溶液滲入軟板區塊，或者過錫鉛槽時，被膠層密封住的軟板區塊，也不會被錫、鉛所侵蝕或污染。
軟板保護層除了製作流程複雜、材料成本高之外，現階段亦面臨著品質方面的疑慮。隨著電路板的設計日趨複雜，要求軟板保護層的體積、面積越來越小，且越來越精細。而保護層周邊的膠層，也必須降低熱壓合時的流動性，以避免因環氧樹脂膠體流動至其他功能性區塊，而造成電路板線路或元件的污染。但是保護層的製備是利用熱壓合來讓膠層軟化、產生黏著性，並具有一定程度的流動性，藉此才可將軟板區塊完全密封住。可見膠層的流動性與對軟板的密封程度具有相當程度的正相關，現階段的保護層已無法同時兼顧膠層的低流動性以及良好密封性的功能。
由於感光性聚醯亞胺（PSPI）樹脂即利用光線曝照後成型，對於成型後製品的外觀尺寸精密度非常高，且同時仍保有聚醯亞胺高耐熱、耐溶劑特性。目前市面上的PSPI僅應用於電路板線路保護功能，PSPI樹脂經曝光、顯影、乾燥、烘烤等製程，即可在線路上形成一無法再被去除的永久性保護膜。申請號為201510273707 .4、201810173588 .9、201710660813 .7和201710634007 .2的中國專利公開了不同的PSPI樹脂，這些樹脂具有感光性或導熱性，但是均不具備鹼溶解性。
為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種感光型可溶性聚醯亞胺樹脂組合物及應用其的保護膜，本發明的聚醯亞胺樹脂組合物經感光、烘烤等製程之後，仍可再藉由浸泡鹼性溶劑，而將此感光型聚醯亞胺樹脂層溶解去除，藉此技術特徵，達到對電子產品製程中的保護作用，且於製程結束之後，不會殘留於電子產品中。
本發明的第一個目的是提供一種可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，包括均勻分散於溶劑中的 （a）可溶於鹼性溶液的式（I）所示的聚醯亞胺樹脂，其占組合物中固體總重的45-65%；
Figure 02_image001
； 其中，Ar1 為四價有機基團；Ar2 為二價有機基團；Ar3 為二價有機基團； Ar4 為含有
Figure 02_image003
基團的二價有機基團，其中R為氫或甲基； m、n和o各自獨立選自10~600中的任一整數； （b）可溶於鹼性溶液的無機粉體，其占組合物中固體總重的25-50%；所述無機粉體的粒徑為0.1-10 μm； （c）光起始劑，其占組合物中固體總重的1-10%。
作為本發明進一步地優選方案，該樹脂組合物中還包括丙烯酸樹脂類光交聯劑，其占組合物中固體總重的0-15%，較佳為2-15%。光交聯劑在曝光後產生酸而形成酸催化交聯機制。光交聯劑在曝光後會吸收一定波長的光能後產生自由基，引發或催化相應的單體或預聚物的聚合而形成交聯。若光交聯劑的用量超過組合物中固體總重的15%，則顯影性較差。
作為本發明進一步地優選方案，該樹脂組合物中還包括熱交聯劑，其占組合物中固體總重的0-15%，較佳為2-15%；所述熱交聯劑包括酚類化合物、烷氧甲基胺樹脂和環氧樹脂中的一種或幾種。熱交聯劑的加入，使聚醯亞胺分子鏈尚末在曝光烘烤時與熱交聯劑形成交聯結構。熱交聯劑的主要目的為在曝後硬烤時經由酸催化及熱處理，與聚醯亞胺主鏈-OH基或末端上-OH基的鄰位產生交聯，使曝光區域與未曝光區域產生溶解性上的差異，進而快速形成圖案。當熱交聯劑的用量超過組合物中固體總重的15%時，則較難以鹼溶解去除。
加入光交聯劑和熱交聯劑後所產生的交聯結構可增加聚醯亞胺樹脂組合物的顯影性及成膜性。
作為本發明進一步地優選方案，聚醯亞胺樹脂中的Ar1 為四價有機基團，其主鏈部份可含有脂肪環基團或可含有芳香環基團，包含但不限於以下基團中的一種：
Figure 02_image006
。
作為本發明進一步地優選方案，聚醯亞胺樹脂中的Ar2 為下列基團：
Figure 02_image008
，其中，q可為相同或不同，各自獨立為0-5中任一整數，p為0-20中任一整數。
更優選地，p=0-10；當Ar2 鏈長過長時，會破壞式（I）所示的聚醯亞胺樹脂的機械性能和熱性能。
作為本發明進一步地優選方案，聚醯亞胺樹脂中的Ar3 為下列基團中的一種：
Figure 02_image010
。
Ar3 為二價有機基團，其主鏈部份具有酚基或羧基，酚基或羧基的含量約占式（I）所示的聚醯亞胺樹脂的莫耳數的10-30%。調整支鏈酚基或羧基的含量可控制顯影時間，當支鏈酚基或羧基的含量較高，則鹼性顯影液對式（I）所示的聚醯亞胺樹脂的溶解性較佳，可提升其顯影性。
作為本發明進一步地優選方案，聚醯亞胺樹脂中的Ar4 為下列基團中的一種：
Figure 02_image012
， 其中，R* 為含有
Figure 02_image003
基團的有機基團，其中R為氫或甲基。
以上結構式中，
Figure 02_image014
表示其他基團連接至該基團時的連接位點。
式（I）所示的聚醯亞胺樹脂的合成步驟為將適量的二胺單體（其中含有Ar2 ）與二酸酐單體溶於N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，於80℃下反應2小時，加入二甲苯並加熱至180℃將其餾出。再加入含有酚基或羧基的二胺單體，於80℃下反應2小時，加入二甲苯並加熱至180℃將其餾出，約4小時後將其冷卻。
可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物的製作方法為取上述製作完成的感光性聚醯亞胺膠體，加入無機粉體、光起始劑、光交聯劑及熱交聯劑即可獲得，其中，光交聯劑及熱交聯劑可選擇性加入。
作為本發明進一步地優選方案，該樹脂組合物中的溶劑包括但不限於N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基乙醯胺、γ-丁內酯、二甲苯和甲苯中的至少一種。
作為本發明進一步地優選方案，該樹脂組合物中的光起始劑包括但不限於雙（2,4,6-三甲基苯甲醯基）苯基氧化磷、2,4,6-三甲基苯甲醯基-二苯基氧化磷中的至少一種。
作為本發明進一步地優選方案，該樹脂組合物中的無機粉體包括但不限於氧化鋁、氫氧化鋁、二氧化矽中的至少一種。
作為本發明進一步地優選方案，溶劑占組合物中固體總質量的60-90%。
本發明的第二個目的是提供一種可溶於鹼性溶液的保護膜的製備方法，包括以下步驟： 將本發明的上述可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物塗佈於基材上，在90-120℃下表乾，曝光後利用鹼性溶液進行顯影；或在表乾後於140-200℃下加熱，得到可溶於鹼性溶液的保護膜。
本發明的第三個目的是提供一種採用上述製備方法所製備的可溶於鹼性溶液的保護膜。
本發明方法所製備的保護膜可作為電路板製程中的保護材料，其具有鹼溶解性和耐熱性。
本發明的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物經感光後，可在固化的樹脂層中形成若干最小孔徑為75μm的孔圖案。
本發明的樹脂組合物在形成保護膜後，可作為任何電子產品的保護材料，並於製作過程中，或者製程結束之後，全部或部分去除樹脂組合物，而達到電子產品的不同應用目的。
藉由上述方案，本發明至少具有以下優點：
本發明提供了一種可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，該組合物經曝光、顯影、乾燥、烘烤等製程之後，得到固化的樹脂層，該樹脂層仍可再利用鹼性溶劑浸泡而溶解，以將該樹脂層從待保護物體表面去除，藉此技術特徵，達到對電子產品製程中的保護作用，且於製程結束之後，不會殘留於電子產品中。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚瞭解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
實施例1
取一配備有機械攪拌器與氮氣進入口的500mL三頸圓底燒瓶，加入19.88g（80mmol）雙（3-氨基丙基）]聚二甲基矽氧烷（Bis-(3-aminopropyl)]polydimethylsiloxane）、80.7g N-甲基吡咯烷酮（NMP）、39.68g（160 mmol）二環[2,2,2]辛-7-烯-2,3,5,6-四酸二酐（Bicyclo[2,2,2]oct-7-ene-2,3,5,6-tetracarboxylicdianhydride）。將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌1.5小時，再加入12.172g（80mmol）3,5-二氨基苯甲酸（3,5-Diaminobenzoic acid），將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g 二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌4小時。冷卻後即可得PIA-1溶液。取PIA-1溶液50g，加入11.38g 甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）並於70-100℃下攪拌24小時，可得式（I）所示的感光性聚醯亞胺樹脂PSPI-A1：
Figure 02_image001
； 其中，Ar1 為
Figure 02_image016
；Ar2 為
Figure 02_image018
，p=0；Ar3 為
Figure 02_image020
，Ar4 為
Figure 02_image022
；且m=n+o=80。
實施例2
取一配備有機械攪拌器與氮氣進入口的500mL三頸圓底燒瓶，加入19.88g（80mmol）雙（3-氨基丙基）]聚二甲基矽氧烷（Bis-(3-aminopropyl)]polydimethylsiloxane）、80.7g NMP、26.17g（160mmol）苯-1,2,4,5-四羧酸二酐（Benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride），將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌1.5小時，再加入12.172g（80mmol）3,5-二氨基苯甲酸（3,5-Diaminobenzoic acid），將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌4小時。冷卻後即可得PIA-2溶液。取PIA-2溶液50g，加入11.38g  GMA，並於70-100℃下攪拌24小時，可得式（I）所示的感光性聚醯亞胺樹脂PSPI-A2：
Figure 02_image001
； 其中，Ar1 為
Figure 02_image024
；Ar2 為
Figure 02_image018
，p=0；Ar3 為
Figure 02_image020
，Ar4 為
Figure 02_image022
；且m=n+o=80。
實施例3
取一配備有機械攪拌器與氮氣進入口的500mL三頸圓底燒瓶，加入144.29g（80mmol）[雙（3-氨基丙基）]聚二甲基矽氧烷（Bis-(3-aminopropyl)]polydimethylsiloxane）（其鏈段長度與實施例2不同）、80.7g NMP、26.17g（160mmol）苯-1,2,4,5-四羧酸二酐（Benzene-1,2,4,5-tetracarboxylic dianhydride），將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌1.5小時，再加入12.172g（80mmol）3,5-二氨基苯甲酸（3,5-Diaminobenzoic acid），將上述溶液於50-80℃反應2小時後，加入45g二甲苯後升溫至180℃後持續攪拌4小時。冷卻後即可得PIA-3溶液。取PIA-3溶液50g，加入11.38g  GMA，並於70-100℃下攪拌24小時，可得式（I）所示的感光性聚醯亞胺樹脂PSPI-A3：
Figure 02_image001
； 其中，Ar1 為
Figure 02_image024
；Ar2 為
Figure 02_image018
，p=25；Ar3 為
Figure 02_image020
，Ar4 為
Figure 02_image022
；且m=n+o=80。
實施例4-8及比較例1-5
按照表1的組分組成混合各組分，表1中的各組分含量為以組合物中的固體總重為基準的質量百分數。將表1中的各組分混合物溶於N-甲基吡咯烷酮中，製成固含量為60%的溶液，以形成可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，將其作為塗佈液使用。
表1中，A1表示PSPI-A1；A2表示PSPI-A2；A3表示PSPI-A3；B1表示氫氧化鋁（4.0μm）；B2表示二氧化矽（2.0μm）；C1表示Irgacure -819；D1表示PDBE-450A（NOF）；D2表示Resin 828（EPON）。 表1   可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物
感光型可溶性聚醯亞胺樹脂組合物 實施例 比較例
4 5 6 7 8 1 2 3 4 5
配方組成 (%) 可溶性聚醯亞胺 A1 45.0 65.0 45.0 45.0   70.0 40.0 45.0 45.0  
A2         45.0          
A3                   45.0
無機粉體 B1 50.0 25.0   25.0 50.0 25.0 55.0 25.0 25.0 50.0
B2     50.0              
光起始劑 C1 5.0 10.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0
光交聯劑 D1       12.5       17.5 7.5  
熱交聯劑 D2       12.5       7.5 17.5  
厚度(μm) 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0 15.0
評價結果 圖案形成性 A A A A A A B B A A
鹼溶解性 ◎ ○ ◎ ○ ○ ╳ ◎ △ ╳ ◎
耐熱性 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ╳ ○ ○ ╳
上述樹脂組合物的圖案形成性測試方法如下：
將聚醯亞胺樹脂組合物塗覆於銅箔基材上，在90℃下表乾5分鐘，製得薄膜，光照曝光後，再利用1wt% 碳酸鈉水溶液對經曝光的感光性樹脂組成物層進行60秒鐘顯影。
並採用以下基準來評價顯影後薄膜是否具有良好的邊緣銳度的線寬。感光性樹脂組合物層的線寬越小，表示光照射部與非光照射部對於顯影液的溶解性差異越大，說明取得了較佳的結果。另外，相對於曝光能量的變化而線寬的變化越小，表示曝光寬容度越廣，說明取得了較佳的結果。以光學顯微鏡來觀察所形成的圖案後，將形成有線寬/間距寬=100μm/100μm以下的細線圖案的情形設為A，將形成有線寬/間距寬=超過100μm/100μm的細線圖案的情形設為B。
鹼溶解性測試方法如下：
將聚醯亞胺樹脂組合物塗覆於銅箔基材上，在90℃下表乾5分鐘，製得薄膜，接著於200℃下進行1小時的硬烤程式，可得膜厚約15μm的可溶性聚醯亞胺薄膜。
並採用以下基準來評價聚醯亞胺薄膜是否具有良好的鹼溶解性，將可溶性聚醯亞胺薄膜浸泡於60℃ 5% NaOH，以光學顯微鏡觀察並記錄可溶性聚醯亞胺薄膜溶解時間。如於浸泡1分鐘以內，若可將可溶性聚醯亞胺薄膜完全去除，該情形設為◎；如於浸泡1分鐘以上3分鐘以下，若可將可溶性聚醯亞胺薄膜完全去除，該情形設為○；如於浸泡3分鐘以上5分鐘以下，若可將可溶性聚醯亞胺薄膜完全去除，該情形設為△；如於浸泡5分鐘以上，若表面仍有殘留的聚醯亞胺薄膜，該情形設為╳。
耐熱性測試方法如下：
將聚醯亞胺樹脂組合物塗覆於銅箔基材上，在90℃下表乾5分鐘，製得薄膜，接著於200℃下進行1小時的硬烤程式，可得膜厚約15μm的可溶性聚醯亞胺薄膜。
並採用以下基準來評價聚醯亞胺薄膜是否具有良好的耐熱性，將可溶性聚醯亞胺薄膜浸泡於288℃錫爐10秒後，在於25℃環境下放置10秒，重複進行三次，來觀察是否起泡已進行評估。如於浸泡三次以內，以目視觀察無起泡情況判定為◎，如於浸泡三次以內，以目視觀察有起泡情況判定為╳。
第一圖是實施例6中樹脂組合物的FT-IR圖譜，其中1019 cm-1 處的峰為Si-O-Si的特性波峰。第二圖為實施例4中樹脂組合物的FT-IR圖譜，其中3526 cm-1 ，3425 cm-1 ，3373 cm-1 處的峰為Al(OH)3 的特性波峰。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。
無
第一圖是實施例6中樹脂組合物的FT-IR圖譜。
第二圖為實施例4中樹脂組合物的FT-IR圖譜。
無
Figure 108120455-A0101-11-0003-5

Claims (10)

  1. 一種可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其包括均勻分散於溶劑中的： （a）可溶於鹼性溶液的式（I）所示的聚醯亞胺樹脂，其占組合物中固體總重的45-65%；
    Figure 03_image001
    其中，Ar1 為四價有機基團；Ar2 為二價有機基團；Ar3 為二價有機基團； Ar4 為含有
    Figure 03_image003
    基團的二價有機基團，其中R為氫或甲基； m、n和o各自獨立選自10~600中的任一整數； （b）可溶於鹼性溶液的無機粉體，其占組合物中固體總重的25-50%；所述無機粉體的粒徑為0.1-10 μm； （c）光起始劑，其占組合物中固體總重的1-10%。
  2. 如請求項1所述之可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其還包括丙烯酸樹脂類光交聯劑，該光交聯劑占組合物中固體總重的0-15%。
  3. 如請求項1所述之可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其還包括熱交聯劑，該熱交聯劑占組合物中固體總重的0-15%；所述熱交聯劑包括酚類化合物、烷氧甲基胺樹脂和環氧樹脂中的一種或幾種。
  4. 如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其中，Ar1 為下列基團中的一種：
    Figure 03_image006
    。
  5. 如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其中，Ar2 為下列基團：
    Figure 03_image008
    ，其中，q各自獨立為0-5中任一整數，p為0-20中任一整數。
  6. 如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其中，Ar3 為下列基團中的一種：
    Figure 03_image010
    。
  7. 如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其中，Ar4 為下列基團中的一種：
    Figure 03_image012
    ， 其中，R*為含有
    Figure 03_image003
    基團的有機基團，其中R為氫或甲基。
  8. 如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物，其中，所述溶劑占組合物中固體總質量的60-90%。
  9. 一種可溶於鹼性溶液的保護膜的製備方法，其包括以下步驟： 將如請求項1-3中任一項所述的可溶於鹼性溶液的感光型聚醯亞胺樹脂組合物塗佈於基材上，在90-120℃下表乾，曝光後利用鹼性溶液進行顯影；或在表乾後於140-200℃下加熱，得到所述可溶於鹼性溶液的保護膜。
  10. 一種可溶於鹼性溶液的保護膜，其係以如請求項9所述的製備方法製備而得。
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