深入了解具高熱穩定性的聚酰亞胺 PCB 材料

聚酰亞胺 PCB 可以在 FR-4 已經軟化的溫度下繼續運作，因此會被用於引擎艙、衛星及深井鑽探工具。代價是成本：聚酰亞胺層壓板的價格可能是傳統 FR-4 的數倍，所以只有在應用真正需要其熱性能及機械性能時，才值得選用。

本指南將介紹：

• 聚酰亞胺是甚麼，以及它為何有兩種不同形態
• Tg、CTE 及分解溫度與 FR-4 有何差異
• 在哪些情況下吸濕特性有幫助，哪些情況下會造成問題
• 哪些行業願意為其付費，以及能獲得甚麼回報
• JLCPCB 目前實際可以製造哪些聚酰亞胺產品

圖 1：聚酰亞胺柔性電路

了解聚酰亞胺這種先進 PCB 材料

聚酰亞胺之所以被列入物料清單，只有一個原因：它可以在會破壞普通層壓板的溫度下維持尺寸及化學穩定性。標準 FR-4 在 140°C 時已變得柔軟；更高溫度則需要不同的樹脂骨架。這種骨架就是聚酰亞胺，而聚酰亞胺又分為兩種截然不同、但名稱相同的產品。

聚酰亞胺是甚麼？它在電子產品中的化學組成

聚酰亞胺是一種由醯亞胺環構成的聚合物，醯亞胺環是鎖定在芳香族鏈中的氮原子環。製造商會先讓二酐與二胺反應，形成稱為聚酰胺酸的可溶性中間體，之後再進行反應。醯亞胺化是閉合環結構並在高溫下釋放水分的過程。環結構一旦閉合，鏈中便不存在容易斷裂的弱鍵，因此材料不能像熱塑性塑料一樣熔化。

以下大部分特性都源於固化聚酰亞胺不會軟化，而是直接分解。它沒有明確的尖銳熔點。普通環氧樹脂含有脂肪族鏈段，受熱後容易發生化學斷鏈，約在 400°C 開始分解。這種化學結構的成本遠高於 FR-4，因此聚酰亞胺的售價通常是 FR-4 的數倍。

圖 2：PCB 製造中使用的兩種聚酰亞胺形態

聚酰亞胺有兩種不同形態，而最常見的材料選擇錯誤就是將兩者混淆。DuPont Kapton HN 是沒有玻璃纖維增強的聚酰亞胺薄膜，厚度由 12.5 至 125 µm（0.5 至 5 mil）不等。玻璃纖維增強聚酰亞胺層壓板則由 E 玻璃纖維編織布浸漬聚酰亞胺樹脂製成，例如 Arlon 85N。兩者都被稱為聚酰亞胺 PCB 材料，但只有薄膜可以彎曲。

聚酰亞胺基材的主要物理及熱性能

Kapton HN 的二階轉變溫度介乎 360 至 410°C，DuPont 將其視為 Kapton HN 的玻璃轉移溫度。它可在 260°C 下連續工作，偶爾在 400°C 下工作也可以。薄膜在低溫端可使用至 −269°C。因此，低溫儀器及熔爐控制器可以使用同一種基材製造。其斷裂強度為 221 MPa，伸長率為 75%，因此 25 µm（1 mil）薄片摺疊時會彎曲而不是開裂。

耐熱不等於導熱。聚酰亞胺只擅長前者。Kapton HN 的導熱率為 0.12 W/mK，Arlon 85N 為 0.20 W/mK，兩者都低於普通 FR-4 的 0.3 W/mK。將發熱元件放在聚酰亞胺電路板上，並不會令元件自行冷卻。如果仍然需要傳導熱量，便需要使用銅箔區域、散熱過孔或金屬核心。

薄膜在所有電氣性能方面都勝出，因為它沒有玻璃纖維編織。也正因為如此，它在吸濕方面明顯較差。最後兩行數據完整呈現了這項取捨。

聚酰亞胺關鍵特性與傳統 FR-4 基材比較

FR-4 成為預設材料有充分理由，而且可以應付大多數電路板。以下比較只在三種情況下真正重要：電路板必須在高溫環境中工作、經歷劇烈溫度循環，或需要彎曲。只有在這些條件下，FR-4 的裕量才會耗盡。

玻璃轉移溫度（Tg）與熱膨脹特性

Tg 是樹脂由玻璃態轉變為橡膠態的溫度。低於 Tg 時，樹脂會固定玻璃纖維及銅箔；超過 Tg 後，樹脂變軟，電路板在厚度方向的膨脹量會增加至原來的三至五倍。標準 FR-4 在 130–140°C 便會跨過這條界線，而聚酰亞胺層壓板要到 250°C 才會跨過。

鍍通孔就像穿過一疊墊圈的銅鉚釘，墊圈代表層壓板層。受熱時，墊圈會沿鉚釘軸向膨脹。銅的膨脹率為 17 ppm/°C，而 FR-4 超過 Tg 後的膨脹率為 250–300 ppm/°C。因此，墊圈施加的力量遠大於鉚釘能承受的拉伸力。孔壁會變薄，最後形成裂紋並表現為間歇性開路。

圖 3：鉚釘與墊圈堆疊

在 50 至 260°C 的完整組裝溫度範圍內測量，Arlon 85N 在 Z 軸方向的膨脹率為 1.2%。典型 FR-4 在相同範圍內約膨脹 3–4%。這個差距就是多層電路板選用聚酰亞胺的主要理由。每次回焊、返工及現場熱衝擊都會消耗這個差距。一塊電路板如果經歷兩次回焊及兩次返工，便已經四次超過 260°C。如果你只關心溫度，如何選擇 PCB 的 Tg 可以說明高 Tg FR-4 仍然更具優勢。

介電常數、損耗角正切及吸濕率

硬質聚酰亞胺層壓板在 1 MHz 下的 Dk 為 4.2，Df 為 0.010。其介電常數與 FR-4 相近，但損耗明顯較低。FR-4 在相同頻率範圍內的 Df 通常為 0.017–0.025，因此聚酰亞胺的介電損耗約為 FR-4 的一半。這對具備快速邊沿的數碼電路板有幫助，但它仍遠不及 RO4003C 等專用 RF 層壓板的 0.0027 Df。

未增強薄膜在兩方面都表現更好，因為它沒有玻璃纖維編織。Kapton HN 在 1 kHz 下的 Dk 為 3.4–3.6，Df 為 0.002。JLCPCB 柔性阻抗計算器對聚酰亞胺層疊使用 3.3 的介電常數。移除玻璃纖維編織也能消除纖維編織偏斜。對於約 5 Gbps 以上的 FR-4 差分對，這種偏斜會成為實際問題。因此，柔性尾板上的 LVDS 或 MIPI 差分對，比編織層壓板上的相同差分對更容易控制。

圖 4：吸濕是聚酰亞胺的主要弱點

吸濕是聚酰亞胺失去優勢的地方。Kapton HN 在 23°C、24 小時後會吸收相當於自身重量 2.8% 的水分；在 50% 相對濕度下達到平衡時，仍會保留約 1.8%。FR-4 的吸水率為 0.1–0.2%，Arlon 85N 層壓板為 0.27%，因此裸聚酰亞胺薄膜的吸濕量約高出十倍。水的介電常數為 78，這意味着吸收的水分會提高 Dk 及 Df，並悄悄令受控阻抗走線偏離目標。

聚酰亞胺 PCB 的關鍵工程優勢

卓越的極端工作溫度及熱衝擊耐受性

當電路板長期在高溫下工作時，分解溫度比 Tg 更重要。Arlon 85N 在 387°C 開始失重，質量損失 5% 時為 407°C；典型 FR-4 則在 310–350°C 之間達到相同程度。聚酰亞胺具備多出 60–90°C 的裕量，可以在 200°C 下長期使用，而不是逐漸老化。樹脂老化會累積；一塊多年暴露於 150°C 的電路板，會逐步被高溫損耗。

熱衝擊與穩態高溫是兩種不同測試，而熱衝擊正是容易破壞焊點的因素。IPC-TM-650 方法 2.6.7 會在不同溫度極限之間循環測試電路板，銅與樹脂之間的膨脹不匹配必須快速承受其影響。聚酰亞胺較低的 Z 軸膨脹率，意味着每次循環在孔壁中累積的應力較少。因此，它主導了日後無法維修的設備。深井測井工具在 175–200°C 下運作，引擎控制單元則在 150°C 下運作，兩者都遠超 FR-4 適合長期承受的範圍。

出色的機械耐用性及耐化學性

聚酰亞胺薄膜不只是耐熱，而且真正堅韌。Kapton HN 的斷裂強度為 221 MPa，伸長率為 75%，薄片在撕裂前可以明顯伸長。 採用覆蓋膜保護的柔性電路可承受超過 200,000 次動態彎折循環。這個數值只有在彎折區使用壓延退火銅，而不是電解銅時才成立。因此，柔性尾板可以承受手提電腦螢幕鉸鏈或摺疊手機的反覆彎折，而硬質電路板可能在數週內開裂。

耐化學性來自與耐熱性能相同的芳香族骨架。燃料、液壓油、潤滑脂及大多數有機溶劑都不會破壞固化聚酰亞胺，因此它能在引擎艙及機床外殼中長期工作。例外是強鹼，因為高濃度鹼會水解醯亞胺環並打開聚合鏈。121–134°C 的反覆蒸汽高壓滅菌也會以相同方式造成損害。因此，需要數百次滅菌的醫療組件，應在聚酰亞胺上加上保形塗層。

聚酰亞胺 PCB 在各行業的關鍵任務應用

只要更換電路板不可能、成本高昂或存在安全風險，就會使用聚酰亞胺。以下行業都有這項共同限制，但實際應用各不相同。

圖 5：聚酰亞胺最能發揮成本效益的應用領域

航空航天、汽車及工業控制的高溫環境

衛星面對兩種考驗，而聚酰亞胺可以同時應對。低地球軌道航天器大約每 90 分鐘繞地球一周，因此 15 年任務約會在線束上產生 87,000 次熱循環。除此之外，還要符合真空放氣限制，能夠通過這些要求的材料並不多。

隨著引擎艙變得更加緊湊，汽車電子元件也進入相同空間。最嚴格的環境類別是 AEC-Q100 Grade 0，溫度範圍為 −40 至 +150°C，包括安裝在變速箱上或排氣系統附近的控制器。樹脂會老化，FR-4 的 Tg 也會下降。鍍孔會在每次循環中累積損傷，直到其中一個孔筒開裂。聚酰亞胺可以避免這種情況，因此已成為引擎上感測設備的常用材料。

工業控制電路板也有相同需求，只是原因沒有那麼引人注目，而且預算通常更低：

• 深井鑽探及測井工具會在 175–200°C 下運作數天，還要承受高溫以外的強烈震動。
• 熔爐及窯爐控制器靠近製程設備，電路板本身可能達到 200°C。
• 焊接及感應加熱設備同時面對高環境溫度及強電磁場。
• 飛機引擎感測設備同時承受高溫及震動，而且飛行期間無法維修。

高可靠性國防及醫療感測電子設備

國防設備選擇聚酰亞胺，除了熱性能，也考慮認證要求。軍用柔性印刷線路長期依照 MIL-P-50884 製造，現時產品則按照 IPC-6013 Class 3 進行認證，適用於不能承受停機的設備。Class 3 對環形環寬、鍍層厚度及熱應力提出更嚴格要求，因此在測試期間尺寸變化較小的基材更容易達到這些限制。雷達陣列、航電背板及導引頭最終都可能使用聚酰亞胺。

醫療電子設備選用聚酰亞胺薄膜，主要是因為它可以在很小彎曲半徑下工作。25 µm（1 mil）基材可以摺疊至接近 1 mm（40 mil）的彎曲半徑，而不會令銅箔開裂，因此感測器陣列可以插入導管。這種薄膜在環氧乙烷及伽馬射線滅菌中不會發生明顯尺寸變化，適用於助聽器及超聲波探頭、內窺鏡相機組件，以及植入式導線。

JLCPCB 的先進基材加工及製造能力

JLCPCB 的聚酰亞胺產品是柔性電路，而不是硬質電路板。服務以聚酰亞胺薄膜作為 FPC 的基礎介電材料。硬質聚酰亞胺層壓板目前不在產品目錄內，也不提供硬柔結合板。因此，真正需要硬質聚酰亞胺的設計，必須交由專門製造商完成。以下內容描述的是實際運行的柔性聚酰亞胺製程。

精密層壓及高溫材料處理能力

基礎薄膜厚度有 25 µm（1 mil）及 50 µm（2 mil）兩種。產品可選擇有膠或無膠結構。無膠結構會將銅箔直接鍵合到聚酰亞胺上，去除中間的丙烯酸膠層。丙烯酸膠的上限約為 105°C，環氧膠則約為 155°C。無膠結構可以承受超過 300°C，因此只要元件需要反覆彎折或需要經歷兩次回焊，就應優先選擇無膠結構。

圖 6：JLCPCB 聚酰亞胺柔性板結構

聚酰亞胺柔性板會按照固定順序疊層。了解這個順序，可以更容易理解 DFM 反饋：

1. 聚酰亞胺基礎薄膜，厚度為 25 µm（1 mil）或 50 µm（2 mil），承載銅箔。
2. 銅箔，厚度為 12 µm（0.33 oz）、18 µm（0.5 oz）或 35 µm（1 oz）；彎折區使用壓延退火銅。
3. 覆蓋膜，第二層聚酰亞胺薄膜，在真空下層壓，可選黃色、黑色、白色或透明。
4. 補強板，可使用厚度 0.1–0.25 mm（4–10 mil）的聚酰亞胺、0.1–1.6 mm（4–63 mil）的 FR-4，或 0.1–0.3 mm（4–12 mil）的不鏽鋼。
5. 表面處理，使用鎳上鍍 1 或 2 microinch 金的 ENIG，因為 HASL 會使薄膜變形。
6. 可選 EMI 屏蔽，在覆蓋膜上加上厚度 18 µm（0.7 mil）的屏蔽膜。

層數由 1 層至 4 層不等，增加每一層都會降低柔韌性。四層柔性板的剛性足以用於固定安裝，但不適合活動鉸鏈。1 oz 銅箔的最小線寬／線距為 0.1 mm（4 mil）。孔徑由 0.1 至 6.5 mm（4 至 256 mil）不等，最大標準拼板尺寸為 234 × 490 mm（9.2 × 19.3 英吋）。

嚴格的材料質量驗證及可靠製造標準

柔性板製造所遵循的 IPC 文件與硬質板不同。IPC-4204 規定柔性覆銅介電材料，IPC-4203 涵蓋覆蓋膜及黏合膜，IPC-2223 則是分段設計標準。完成的柔性板再按照 IPC-6013 進行認證，這是柔性板對應 IPC-6012 的標準。使用這四份文件，而不是硬質板標準，可以減少一次 DFM 往返確認。

• 覆蓋膜開口與焊盤完全相同是最常見的錯誤。真空層壓只能將覆蓋膜定位至約 ±0.1–±0.15 mm（4–6 mil）。因此，部分焊盤會被覆蓋而無法焊接。每個開口兩側至少應各放大 0.1 mm（4 mil）。
• 在彎折區指定電解銅在層疊圖上看似沒有問題，但電解銅具有柱狀晶粒結構，反覆彎折時容易斷裂。因此，任何實際會移動的區域都應指定壓延退火銅。
• 跳過回焊前烘焙可能令整塊拼板報廢，而不只是個別焊點失效。聚酰亞胺吸收的水分在回焊爐中會變成蒸汽，使層壓板起泡。如果真空袋已經打開，應在 120°C 下烘焙 2–4 小時。

來料薄膜會檢查厚度及層壓完整性，成品在出貨前會進行電氣測試。柔性板的水分控制比 FR-4 重要得多，因此拼板會先烘焙，再以真空方式封裝。下單方式與普通電路板相同：將 Gerber 檔案上載至 JLCPCB 報價頁面，選擇柔性板類型，價格便會即時更新。

聚酰亞胺 PCB 常見問題

結論

聚酰亞胺不是 FR-4 的升級版本，而是針對不同問題的另一種答案。FR-4 追求低成本、剛性及足夠性能；聚酰亞胺則需要在周圍環境高溫、持續移動或難以維修時仍能保持尺寸穩定。按照這個角度選擇材料，決策會變得簡單，因為只有在應用真正需要 250°C Tg 時，才值得支付相應成本。最容易被忽略的特性是吸濕，因此聚酰亞胺電路板必須按照需要進行烘焙。

柔性聚酰亞胺的普及速度比硬質版本更快。摺疊顯示屏、可穿戴感測器及日益緊湊的汽車模組，都推動這種趨勢。這值得關注，因為柔性尾板通常可以同時省去一個連接器、一組線束及兩個故障點。如果你的下一個設計需要鉸鏈，或工作環境溫度已超出 FR-4 能承受的範圍，JLCPCB 的聚酰亞胺柔性板便是一種實用的原型方案。