聚酰亞胺薄膜厚度均勻性分析

摘要：聚酰亞胺薄膜（Polyimide Film），簡稱PI薄膜，是世界上最好的絕緣類高分子材料，本文簡單論述了聚酰亞胺薄膜的生產工藝，並重點分析了厚度均勻性對薄膜力學性能、電氣性能的影響以及測試和改進方法。

關鍵詞：聚酰亞胺薄膜、厚度均勻性、測厚技術

作者：濟南蘭光機電技術有限公司

Analysis of Uniform Thickness of Polymide Film

Abstract: Polymide film (PI Film) is the world’s best insulating polymer material. This article provides a brief introduction to the manufacturing technique of PI film and emphatically analyzes the influence of uniform thickness to its mechanical and electrical properties as well as the testing procedures and ways of improvement.

Keyword: Polymide Film, Uniform Thickness, Thickness Measurement Technique

Author: Labthink Instruments Co., Ltd

　　聚酰亞胺薄膜（Polyimide Film），簡稱PI薄膜，是世界上最好的絕緣類高分子材料，由於聚酰亞胺分子中包含十分穩定的芳雜環結構單元，因而此類薄膜具有較高的熱穩定性、拉伸強度，較低的線性膨脹系數，適宜的彈性模量以及優良的耐高低溫性、絕緣性、耐介質性等其他高分子材料無可比擬的優異性能，被譽為“黃金薄膜”。正因如此，它廣泛的應用於電氣電子領域（柔性印刷電路板FPC、自粘帶、電纜絕緣材料等）、航空航天領域、太陽能光伏領域、電子產品領域（手機、電腦、音響等）以及條形碼、雷達、防火罩等其他方面。

1、聚酰亞胺薄膜的生產工藝

　　聚酰亞胺薄膜的制取根據工藝的不同分為浸漬法、流延法和流延拉伸法。浸漬法是最為傳統的方法之一，在鋁箔底材上浸漬聚酰胺酸溶液，通過烘焙乾燥形成聚酰胺酸薄膜。將底材連同薄膜放入高溫烘焙爐進行脫水亞胺化反應，後經剝離、切邊、收卷、酸洗、水洗、乾燥即可制得聚酰亞胺薄膜。該種方法的生產工藝和操作最為簡單，但制成薄膜厚度均勻性和機械強度較差，很難達到高性能薄膜的質量要求。流延法是將聚酰胺酸溶液通過流延嘴流延到下方運行的不鏽鋼帶上，經乾燥道乾燥成型為具有自支持性的凝膠狀膜。將此凝膠狀膜從剛帶上剝離下來進行高溫亞胺化、收卷即制得聚酰亞胺薄膜，此法制取的薄膜均勻性和機械性能獲得了顯著提高。流延拉伸法與流延法不同之處在於收卷前，增加了一道雙軸拉伸工序，這種變化不僅大幅提昇了薄膜的物理性能，電氣性能、熱穩定性也大為改觀。分析聚酰亞胺薄膜市場發展趨勢，微電子領域將成為最具潛力的應用領域之一，其輕量化、精細化要求必然帶動電子工程用（電子級）聚酰亞胺薄膜的大規模生產，為達到高品質要求，流延法和流延拉伸法將會成為行業普遍的制備方法並在實踐中得到進一步改進。

2、聚酰亞胺薄膜厚度均勻性

　　柔性印刷電路板(FPC)是目前聚酰亞胺薄膜應用的重點領域之一，FPC的最大特點在於它可在三維空間中可任意移動、彎曲、折疊、伸縮，因而要求其基材聚酰亞胺薄膜既輕又薄，並具備優良的拉伸性能和絕緣性。國家標准GB 13555-92《印制電路用撓性覆銅箔聚酰亞胺薄膜》和GB/T 13542.6-2006《電氣絕緣用薄膜第6部分：電氣絕緣用聚酰亞胺薄膜》亦對聚酰亞胺薄膜的厚度、拉伸剝離性能、電性能等性質作出了明確規定。而GB/T 13542.6-2006更是把聚酰亞胺薄膜按標稱厚度（μm）分為7.5、13、20、25、40、50、75、100、125九類，並針對各類材料分別提出了相應的拉伸強度、斷裂伸長率和交流電氣強度的數值要求。由此可見，厚度在眾性能標准中是一項基礎且關鍵的指標，對薄膜物理性能的穩定和後續工序的運轉有著重要意義。首先，薄膜厚度的均勻性在一定程度上影響其力學性能。當聚酰亞胺薄膜厚度低於20μm時，其橫縱向拉伸強度和斷裂伸長率呈現與厚度正相關的發展趨勢，而當厚度大於20μm時，其橫縱向拉伸強度和斷裂伸長率趨於穩定。第二，薄膜厚度的均勻性與交流電氣強度性能密切相關。當聚酰亞胺薄膜厚度在20-25μm時，交流電氣強度達到最高值——200V/μm及以上，當聚酰亞胺薄膜厚度小於20μm或高於25μm時，其交流電氣強度均有所下降，二者關系的整體趨勢呈山峰狀。第三，薄膜厚度的均勻性較差會大大降低後期收卷質量和效率。第四，薄膜厚度均勻性的問題會引起生產成本的非正常增加，從而在一定程度上降低產品的市場競爭力。

3、聚酰亞胺薄膜厚度測試

　　鑒於聚酰亞胺薄膜的厚度均勻性對應用效果、生產成本的重大意義，監測、控制聚酰亞胺薄膜的厚度均勻性已成為工業生產中重要的、不可或缺的環節。在所有監測方法中，“在線實時監測+離線抽樣檢測”模式是目前企業中最為典型和有效的厚度控制方案。

　　在線實時監測方便快速、及時的獲取批量薄膜的厚度數據，如若發現與規定的數值偏差波動較大，可及時停止生產線運轉，排查問題所在。常見的在線測厚技術有射線技術、近紅外技術等。射線測厚技術采用放射性同位素原理，根據使用的放射源不同，分為β射線、X射線和γ射線幾種形式，這種方法性能穩定、精度高、受電磁乾擾小，缺點在於射線源具有放射性，會對操作者人身造成傷害，另外放射源需要定期更換，費用昂貴。近紅外測厚技術是利用不同物質對近紅外領域（1.3～3.0μm）光線的吸收特性連續測量物質厚度的，借助自身特點，可進行單層薄膜厚度、多層薄膜總厚度及各層厚度測量，且近紅外光為電磁波，無放射性，操作安全。

　　在線厚度技術雖然利於在宏觀方面把握薄膜厚度的變化情況，但在測試精度的穩定性和測試范圍的適應性方面卻大大遜色於非在線測厚技術。非在線測試技術分為以機械測厚代表的接觸式測量法和非接觸式測量法，非接觸式測量法包括光學、渦輪、超聲波測厚等，渦輪測厚和超聲波測厚所使用的儀器均為小型便攜式設備，要求試樣表面平整光滑，否則易出現較大的數據偏差。光學測厚技術理論上可達到極高的測試精度，但其原理特性對操作環境和維護方法的要求極高，因而使用范圍較窄。機械測厚是最傳統的測厚方法，測試數據穩定，對試樣沒有選擇性，其最大特點在於接觸探頭測量前在試樣表面施加一定的壓力，這樣可以有效避免其他非接觸測試技術測量表面平整度較差或具有一定彈性的材料時而出現的數據偏差較大的問題。因此機械測厚更適合於聚酰亞胺薄膜厚度均勻性的離線測試。由於機械式測厚儀器的精度取決於測試元件的精度，因而在選購儀器時首先要選擇配置高精度的位移傳感器的測試儀，這是保證測厚數據精准的必要前提；其次，注意儀器內部電機的質量，因為其運行速度和噪音都會對測試產生一定影響；第三，觀察測量頭和碪鐵的平行度和光潔度（如圖1），以減少測試誤差的產生。另外，儀器的自動化程度，如自動進樣、自動顯示厚度最大值、最小值、平均值和統計偏差等特征也是選購儀器的重要參考因素。

圖1.機械測厚

4、聚酰亞胺薄膜厚度均勻性的改進

　　聚酰亞胺薄膜橫向厚度的變化是成品質量下降的主要原因，針對這一問題可有選擇的對亞胺化環節之前的凝膠狀薄膜縱向薄的部分進行加熱調節並在調節期間或調節後對薄膜進行乾燥。測量聚酰亞胺薄膜縱向厚度，加熱較薄的地方，這種加熱一般在膠凝狀薄膜乾燥工序中進行，因此建議在乾燥道出口處裝置一個與乾燥道加熱系統相連的薄膜縱向厚度偏差監控系統，當某一個或幾個狹道厚度偏差較大時，厚度偏差監控系統通過發出信號指示對應狹道的加熱系統進行溫度調節，通過如此反復直到得到適當的厚度為止。當然工業生產中其他因素也會導致聚酰亞胺薄膜厚度均勻性偏差，可通過建立全程厚度測控體系來監測每一生產工藝對聚酰亞胺薄膜均勻性的影響。

　　聚酰亞胺薄膜的厚度均勻性是保證其各項性能的前提和基礎，同時也是企業成本控制的有效切入點之一，通過厚度監測配合工藝改進，可獲取薄膜品質和成本兼顧的最佳厚度參數，保障薄膜的最優性能。