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用于5G通讯的液晶聚合物薄膜

2022-11-10 来源: 高分子物理学公众号 浏览数:1


液晶聚合物薄膜

01.

LCP的结构与性能

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液晶聚合物(LCP)是指在一定条件下能以液晶相存在的高分子材料,是介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物,其分子排列虽然不像固体晶态那样三维有序,但也不是液体那样无序,而是具有一定(一维或二维)的有序性。LCP在以液晶相存在时粘度较低,且高度取向,将其冷却固化后,它的形态可以稳定地保持。

LCP材料具有优异的机械性能、尺寸稳定性、电性能、耐化学药品性、阻燃性,以及加工性良好、耐热性好、热膨胀系数较低等特点。近年来,随着电子产业的飞速发展,特别是5G通讯产业的横空出世,更是将电子产业发展推向了新的高度。特别是微小器件的高速发展,高频传输的应用对材料提出了更高的要求。LCP材料具备优异的介电性能,使其在5G产业中的应用得到高度重视。

 

 

02.

LCP薄膜加工方法

 

溶液流延法

溶液流延法采用的LCP原材料并非市面上常见的热致型LCP,而是经特殊单体聚合而成的溶致型LCP,该种LCP原材料可溶解于DMF(二甲基甲酰胺)、DMSO(二甲基加巩)、NMP(N-甲基吡咯烷酮)等强极性溶剂中,适合采用类似聚酰亚胺薄膜的加工方式进行薄膜制造,生产工艺如图1所示。

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双向拉伸法

热致型LCP材料的玻璃化转变温度非常不明显,且结晶极快,冷却后的结晶度高,可认为是完全结晶聚合物,因此其无法像传统PET(聚合树脂)或PA6(尼龙6)采用常规的双向拉伸加工方法,同时LCP材料的横向和纵向强度差异明显,横向极易撕裂,需对拉伸工艺和设备进行大幅度改进。对LCP的双向拉伸需在熔融状态下进行,因此需要使用支撑膜以保证LCP发生熔融后的强度,而PTFE(聚四氟乙烯)本身可进行双向拉伸,可带动LCP分子进行同步取向,最终由于PTFE分子表面张力小,可轻易剥离。可行的双向拉伸法LCP薄膜加工工艺如图2所示。

采用特殊的双向拉伸法制造的LCP薄膜,具有纵横向匹配性好、厚度公差好的优点,可生产较厚的LCP薄膜(厚度可达0.2 mm)。但该生产工艺对设备要求最高,加工工艺复杂,投资较大,PTFE材料价格昂贵。

 

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熔融流延法

熔融流延法是最简单的LCP薄膜加工方法, 设备要求最低,与现有流延机相近,冷却过程可采用单层或双层支撑膜,其加工工艺如图3所示。

熔融流延法生产的LCP薄膜纵向取向明显, 横向极易撕裂,但更应该称之为LCP片材,其厚度均匀性好,可直接生产FCCL,对设备要求低。这种方法制造的LCP薄膜刚性大,理论上不适用于挠性覆铜板,其更适用于刚性覆铜板。

 

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吹膜法

吹膜法是目前最成熟、已商业化的LCP薄膜生产工艺,能有效打破分子链的各向异性。吹膜法的设备成熟度相对较高,其加工工艺如图4所示。

吹膜法是唯一经过系统研究的加工方法,从固定模头、双旋转到三旋转模头均进行了详细研究,可实现LCP分子链纵横向的同时拉伸,纵横向匹配度好,其专利报道最多,设备投资相对较小,技术成熟度最高。

 

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03.

LCP薄膜应用

 

由于5G高频高速的特点,对材料的要求也进一步提高,尤其是在信号传输过程中降低损耗显得非常重要。LCP是目前工程塑料领域介电损耗最低的材料,综合优势最强,我们认为未来在基站端和手机端都将大幅增加 LCP材料的使用。

在5G领域手机端,LCP凭借低且稳定的传输损耗、可弯折性、尺寸稳定性及低吸水率,是技术方面最符合天线要求的材料。

目前PI(聚酰亚胺)基板FPC(挠性电路板) 天线模组仍是目前手机主流设计方案。但是随着5G时代的来临,预计MPI和LCP基板的FPC将加速替代。以苹果公司为例,在iPhone8首次引入LCP 软板的天线方案,2018年三款机型XR/XS/XS max 仍继续采用LCP天线方案,分别使用3/3/2个LCP天线。这是苹果公司在为5G时代进行提前布局。

同时LCP薄膜还可用于耳机振动膜、高阻隔包装膜、汽车雷达和物联网等领域。

 

04.

结论及展望

 

(1) 溶液流延法采用特殊的溶致型LCP为原材料,采用类似聚酰亚胺薄膜的加工方式,设备相对成熟,纵横向取向度易于控制。可溶性LCP 原材料供应有限;在加工过程中,溶剂使用量大,环保压力大;所得到的薄膜介电性能偏高, 尺寸稳定性有待提升,溶剂残留可能会在高温SMT过程中起泡。该方法能够生产非常薄的薄膜,在耳机振膜领域应用前景广阔。

(2) 双向拉伸法必须采用特殊的拉伸工艺, 设备要求极高,投资较大,具有较高的技术门槛。但得到的薄膜厚度均匀性好,纵横向匹配性好,可生产较厚的薄膜。

(3) 熔融流延法是最简单的LCP薄膜加工方式,但其纵向取向度明显,柔韧性偏差,更应该被称作LCP片材,其更可能在刚性覆铜板中得到应用。

(4) 吹膜法是目前唯一经过系统研究的加工方法,专利及文献资料较多,可实现分子链纵向和横向同时拉伸和取向,技术成熟度高,是目前国内企业最容易突破的技术路线。但吹膜法无法生产较厚的LCP薄膜(厚度上限为0.125 mm),厚度均匀性较差(厚度公差最低10%),而且得到的LCP薄膜必须经过离线热处理,延长了生产路线,增加了加工难度。

随着我国在5G产业的大力发展和电子产品产业链的完整性,对LCP薄膜的需求和用量必将与日剧增,应用前景广阔。

我国近年来在LCP薄膜上进行大量的研究工作,从LCP膜级树脂到成膜工艺均取得了长足的进步,但与国外还有极大差距。国内研究者应更注重基础研究和加工设备研究相结合,早日实现LCP薄膜产品的技术突破。

 

 

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