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5G時代的材料新寵-LCP

2020-05-21 08:34:04 來源:互聯網

液晶高分子聚合物(Liquid Crystal Polymer),簡稱LCP。是80年代初期發展起來的一種新型高性能特種工程塑料。液晶聚合物(LCP)是屬於芳香族熱塑性聚酯。液晶在分子水平上自組織,被分成熱致液晶、溶致液晶和光致液晶這叁類。在改性時,我們使用的LCP是前2種類型:一種是溶致液晶,溶於溶劑時具有液晶性質。另一種是熱致液晶,熔化時具有液晶性質。

一、曆史研究

LCP的研究曆史,要遠遠晚於液晶的研究。

1.液晶在1888年由奧地利植物學家Friedrich Reinitzer (1857-1927)觀察苯甲酸膽甾醇酯時發現的;

2.直到1941年Kargin才提出液晶態是聚合物體系的一種普遍存才狀態,才開始對液晶聚合物(LCP)開展研究;

3.1966年美國杜邦公司首次使用相列態聚合物溶液制備出高強度、高模量的纖維Fiber B;

4.1972年,又成功開發出溶致液晶Kevlar纖維,高分子液晶逐步走向市場,引起人們的極大興趣。

二、分子結構

液晶聚合物(LCP)分子結構示意

LCP外觀:米黃色(也有呈白色的不透明的固體粉末)。

無論是哪一種類型的LCP,其分子主鏈上都擁有大量的剛性苯環結構,這決定了其特殊的物化特征和加工性質。LCP由於分子鏈保持著高度的規整性,所以加熱到晶化溫度以後,只要稍微給一點剪切力,LCP溶體的流動性便會變得像水一樣,這一特性使得LCP更容易成型薄壁小型化的一些連接器制件。

液晶高分子結構

液晶高分子結構

同時LCP的染色能力也極差。即便是染成黑色,也沒有辦法做到鋼琴漆的那種黑,或者標准炭黑的那種黑,通常黑色的LCP都是灰灰的。除了黑色,其他配色也極為簡單,除了本色的淡黃色,基本沒有其他的顏色的產品了。

叁、性能特性

1.物理性能:自增強性,具有異常規整的纖維狀結構特點,因而不增強的液晶塑料即可達到甚至超過普通工程塑料用百分之幾十玻璃纖維增強後的機械強度及其模量的水平;不增強時的收縮高異向性,纖維填充後可稍微降低,這種特性和其他塑料剛好相反;很高尺寸穩定性和尺寸精度;

2.力學性能:優異的機械性能;厚度越薄,拉伸強度越大;熔接強度低;性能與樹脂流動方向相關;幾乎為零的蠕變;耐磨、減磨性優越;線性熱膨脹率接近金屬;機械特性中卻存在各向異性。

3.耐熱性能:優異的耐熱性,熱分解溫度500℃,高的熱變形溫度(160-340℃與品級有關)、連續使用溫度(-50~240℃)、耐焊錫焊溫度(260℃、10秒~310℃、10秒)。

4.燃燒性能:有著出色的難燃性,不含有阻燃劑,其燃燒等級達到UL94V-0級水平,燃燒產物主要是二氧化碳和水,在火焰中不滴落,不產生有毒煙霧。

5.化學穩定性:耐腐蝕性能,LCP制品在濃度為90%酸及濃度為50%堿存在下不會受到侵蝕,對於工業溶劑、燃料油、洗滌劑及熱水,接觸後不會被溶解,也不會引起應力開裂。

6.電性能:優良的電絕緣性能。其介電強度比一般工程塑料高,耐電弧性良好。在連續使用溫度200-300℃,其電性能不受影響。間斷使用溫度可達316℃左右。

7.耐候性能:耐氣候性、耐輻射性良好;對微波透明。

8.加工性:表觀粘度受剪切速度和溫度的影響較大,在適當的成型條件下,粘度可以變得較低;高流動性和低毛邊性,非常適用於小型電子零部件的成型;溶融粘度低,流動性好,不需要過高的射出壓力;對於具有複雜形狀的薄壁,推薦中~高速成型,,對較厚壁的產品有熔接問題時,在考慮金屬模具內通氣 口的同時,選擇 20~40mm/sec.中·低速成型較合適;表面非常平整光滑;薄型成型品存在脆性。

四.應用領域

4.1傳統工業

在商品化的工程塑料中,LCP具有很高的流動性,能填充細小及薄壁的產品,在無鉛回流工藝的高熱穩定性及優良的環保阻燃性,極低的吸水性,較短的成型周期,低收縮率等特點。

熱致LCP還可與多種塑料制成聚合物共混材料,這些共混材料中液晶聚合物起到玻纖增強的作用,可以大大提高材料的強度、剛性及耐熱性等。LCP具有高強度,高模量的力學性能,由於其結構特點而具有自增強性;如果用玻璃纖維、碳纖維等增強,更遠遠超過其他工程塑料,所以其應用極為廣泛。

液晶高分子聚合物(LCP)在傳統工業中的應用

1.電子電氣:高密度連接器、線圈架、線軸、基片載體、電容器外殼、插座、表面貼裝的電子元件、電 子封裝材料、印刷電路板、制動器材、照明器材 、接插件、SIMM 插口、QFP 插口、發光二極管外殼、 晶體管類封裝件、注射成型線路部件(MID)、LED(MID)、PLCC(MID)、光感應器(MID)、水晶振蕩器座 (MID)、集成塊支承座;

液晶高分子聚合物(LCP)貼片元器件中的應用

液晶高分子聚合物(LCP)接插件應用

液晶高分子聚合物(LCP)連接器應用

2.汽車工業:汽車燃燒系統元件、燃燒泵、隔熱部件、精密元件、電子元件;

3.航空航天:雷達天線屏蔽罩、 耐高溫耐輻射殼體、電子元件;

液晶高分子聚合物(LCP)在航空航天中的應用

4.辦公設備:軟盤、硬盤驅動器、複印機、打印機、傳真機零部件;

5.視聽設備:揚聲器震動板、耳機開關;

6.體育器材:網球拍、滑雪器材、遊艇器材;

7.醫療器材:外科設備、插管、刀具、消毒托盤、腹腔鏡及齒科材料;

8.消費材料:微波爐灶容器、食品容器、包裝材料;

9.化學裝置:精餾塔填料、閥門、泵、油井設備、計量儀器零部件、密封件、軸承 光纖通信 光纖二次被 覆、抗拉構件、藕合器、連接器。

4.2 5G通訊領域

隨著電子設備向著更薄、更複雜的方向發展,對LCP的需求急劇增加。如今,通信速度越來越快,5G通信正在走向世界。由於這種新技術位於高頻范圍,所以對器件的材料提出更高的要求。

中國移動5G終端產品指引

相比較高溫尼龍,LCP材料具有極低的吸水性和更好的介電穩定性。LCP具有超低翹曲,高流動性,尺寸穩定性,適合應用在5G高速連接器。低介電常數,低介電損耗,電磁屏蔽的LCP材料還可以應用在:鏡頭模組/FPC等。

基站上的應用有:天線振子、移相器、高速連接器以及對耐高溫、高流動性需求的熱管理系統上。除了5G通信材料的應用,LCP具有尺寸穩定性,低揮發的LCP材料可以用於小型投影儀上。控制單元需要LCP材料的高耐熱,低線性膨脹系數以及尺寸穩定性。

4.3 LCP應用在柔性電路板

軟板又名柔性電路板,是以柔性覆銅板(FCCL)制成的一種具有高度可靠性,絕佳可撓性的印刷電路板,具有配線密度高、重量輕、厚度薄、彎折性好的特點。軟板的應用幾乎涉及所有電子產品,如硬盤驅動器的帶狀引線、汽車電子、照相機、數碼 攝像機、儀器儀表、辦公自動化設備、醫療器械等領域。對於智能手機、平板電腦、筆記本電腦等,軟板被用於制造射頻天線和高速傳輸線。隨著手機、平板、筆記本電腦和可穿戴設備等高端小型化電子產品的發展,對軟板的需求越來越大,市場空間已超120億美元。

液晶高分子聚合物(LCP)在柔性電路板中的應用

LCP作為特種熱塑性材料,可在保證較高可靠性的前提下實現高頻高速軟板。LCP具有優異的電學特征:

(1)在高達110GHz的全部射頻范圍幾乎能保持恒定的介電常數,一致性好;

(2)正切損耗非常小,僅為0.002,即使在110 GHz時也只增加到0.0045,非常適合毫米波應用;

(3)熱膨脹特性非常小,可作為理想的高頻封裝材料。目前LCP主要應用在高頻電路基板、COF基板、多層板、IC封裝、u-BGA、高頻連接器、天線、揚聲器基板等領域。隨著高頻高速應用趨勢的興起,LCP將替代聚酰亞胺(PI)成為新的軟板工藝。

LCP與PI的性能對比

PI軟板與LCP多層板的結構對比

LCP薄膜在5G手機中應用

LCP作為一種特殊的材料,隨著液晶高分子的理論日臻完善,其在高性能結構材料、信息記錄材料、功能膜及非線性光學材料等方面的作用將越來越多。


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