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塑料介电性能知多少

时间: 2011-07-07 08:10 来源: 作者: Ticona公司K. Regnier, 点击:
当速度越来越高时,计算机和其他电器的频率也不断升高。许多系统现在的工作频率范围都在1-10GHz之间,而新的应用频率则更高达20GHz。

理解这些设备所用材料如何在这样的频率下工作是设计师面临的一个挑战。对于电子产品而言,了解聚合物的化学性能、添加剂、部件的厚度以及熔体的流动方式等的微妙的影响是选择理想的树脂、设计和制造出期望部件的关键。

塑料一般是绝缘的,但是在高频状态下,它们也可以传播一定电能。材料的绝缘性能一般用介电常数Dk以及耗散因子DF来表示。目前,在频率1Ghz以上反应塑料介电常数表现的数据相对来说比较少。

为了说明一组塑料的介电常数Dk和耗散因子DF的不同,本文概括了最近对通常用于电子器件中的液晶聚合物的高频测试结果。

主要的介电性能

反应塑料介电性能的最重要的两个参数是介电常数和耗散因子。Dk反映的是绝缘体如何积蓄电能,从而使电子元件相互绝缘,并与地面绝缘。Dk是两种材料电容值的比:一种作为介电物质的电容与空气或真空作为介电物质的电容之比,这个值在设计开关、电路、微波装置、RF传送线路、天线和导波装置时具有重要的参考价值。

材料的导电性能越好,其Dk越大。真空或干燥的空气是非常低的介电物质。从定义来看,Dk等于或接近1.0。水的介电常数Dk非常高,许多金属氧化物和、云母、玻璃和塑料的Dk值均较低或很低。

物质具有好的介电性能往往意味着耗散因子DF低。也即,它们不会让所获得的电荷很容易地分散出去,不会像热能那样容易丧失,因为介电场在高频状态下很容易反转。DF代表了介电材料的损耗。它是损耗系数(衡量介电物质所有丢失的电荷的指标)与材料介电常数之比。

Dk是将电子结构制成具有所需的阻抗的关键设计变量。电子元件中Dk小到0.1的细微的变化就可以改变仪器的性能。随着系统变得越来越复杂,小的Dk值就越发显得重要。

因此,认识在1至20Ghz之间塑料介电常数的变化就非常迫切,需要掌握的知识还包括影响Dk的各种材料、设计和终端使用变量。

LCPs的检测

塑料中的Dk与聚合物的极性有非常密切的关系。如,PTFE和聚丙烯的Dk很低,尼龙则比较高。液晶聚合物(LCPS)的Dk在塑料中属于中高层次的水平,而在耐高温热塑性材料中则是最低的。

LCPs是芳香型聚酯材料家族中的一员,常用于薄壁成型铸塑件,如具有很高植针密度的复杂的开关接头中。因为这种材料具有卓越的流动性,在狭窄的壁部,强度很高。 LCPs同样也用在高频、多层印刷电路板、芯片模块和芯片载体中。

未填充的LCPs典型的Dk介于3和4之间,高频状态下,损耗系数也很低。往往比传统的高速数码设备的介电物质要优秀,在铜覆薄膜中介电性能非常优异。

检测如何进行

最近一份研究各种变量的报告显示了频率在1Ghz以上是如何影响LCPs的介电性能的。报告在5种不同的频率下(1Ghz,2.5Ghz,5Ghz,10Ghz和20Ghz)测试了Ticona公司不同级别的Vectra LCP和市场上其它LCP的Dk和DF。Vectar级别的树脂的单体结构相似,但与市场上其他的LCP的组成有很大差异。测试不仅研究了不同树脂的影响,还考察了增强纤维、导电添加剂、壁厚和分子排列方向等的影响。测试中没有涵盖湿度,因为LCP几乎不吸水。但对那些对吸水性非常大的聚合物,这个参数是有用的。测试中所用的树脂除了一种是天然的白色外,其余都是黑色的。每种树脂都被制成三种不同的徽章尺寸:尺寸为60x60x4mm的树脂采用的门为50x2mm;60x60x2mm的采用60x1.5mm的门;80x80x1mm的采用80x0.8mm 的门。

Dk测试是由一个独立的实验室按ASTNM D2520-01测试法B“谐振腔干扰技术”、“固体电绝缘材料在微波频率和1650摄氏度下,复杂介电常数标准测试法”完成的。测试检测了带有和不带有样品时,谐振腔的谐振频率和材料的品质参数。所有的样品都预先放置在23摄氏度、相对湿度为50%的环境下。 根据这些测定和样品的尺寸,计算出Dk 和DF的大小。测试的精确度为:Dk的误差为:±1%, DF的误差为±5%。所有的试验都做三次。

ASTM标准中的B测试法限制了每一个频率中被测材料的量,以保持数据的准确性。在不同频率时,所用样本的厚度也不同。在1和2.5GHz 的频率时,测试样取自4mm厚的板材,5-10Ghz,则取自2 mm 的板材,20GHz时,板材厚度为1mm。这样做,可以使测试时的电场方向与样本熔体流动的方向平行。

成分的影响三种级别的Vectra LCP以及市场上其他LCP的介电常数显示了聚合物成份对其的影响。采用含有30%玻纤填充物的树脂是因为它们首先是电子电器产品的首要选择。Vectra L139D-2和E130iD-2 LCP 的介电性能相似。Vectra A130D 2LCP的介电常数和DF最低。市场上的其他单体组成不同的LCP(LCP“Z”)的Dk和DF则非常高。

表中列出了3种未填充的Vetra LCP的Dk和DF,证明介电常数的变化随聚合物的构成而变化(玻纤填充树脂一样)。

介电性能与分子取向:(1GHz时,Vectra E130-2)1GHz时,未填充级别的A950, L950, 和 E950i的Dk介于3.45-3.5之间,20Ghz时升高到3.7-3.85。相关的玻纤填充树脂的Dk在1GHz时为4.15-4.25, 20GHz时,为4.6-4.7。这是因为玻纤的Dk比LCP高。

不同级别树脂具有不同的Dk使产品设计师在选材时有更多的自由,以满足电子结构的需求。玻纤填充或普通Vectra A树脂的Dk最低。Vectra L 和Ei树脂的Dk相对较低,适合耐高温场合。目前还无法解释为什么普通或玻纤填充树脂的Dk在2.5GHz时会降低,应该属于材料本身的特性,因为这种情况不发生在PTFE为基材的样本中。

Vectra LCP 树脂A 的耗散因素最低。在1 GHz时,未填充Vectra A树脂的DF不到其他两种试样的一半,(0.0019:0.0042左右)。在20GHz时,各种未填充DF级别的树脂的DF约等于0.0022。1GHz时,玻纤填充的Vectra LCP 的DF在0.004-0.006之间,20GHz时,则为0.006-0.007。市场上的其他LCP(“Z”树脂)的值要高许多。

导电碳黑常常被加入LCP中以提高静电的耗散性能。对Vectra LCP的测试结果显示,Dk从1GHz 时的9.5 升至20GHz的将近15。这些数据比玻纤增强树脂样本的高2-3倍。 碳填充树脂的DF值比玻纤填充的高浸10倍。

添加Dk低的材料同样可以降低Vectra LCP的介电常数。用PTFE替代玻纤时,Dk下降,因为PTFE的Dk比玻纤和LCP都低。如含有50%PTFE的LCP的Dk比含有30%玻纤的LCP的低约15%。

厚度和流动性的影响

研究明,部件的厚度影响Dk和DF值。当厚度在固定频率2.5GHz的情况下从4mm变化至2mm时,Dk几乎保持稳定。但是从2mm至1mm时,上升约0.2个单位。同样,在厚度从4mm 变至2mm时,DF也几乎稳定在0.0049,厚度降至1mm时,DF也相应降到0.00435。这可能是因为表层和芯层关系发生了变化的缘故。因为1mm 厚的样本中朝向流动方向的聚合物链的比例更高。

由于LCP的皮芯关系,LCP元件的厚度影响着其性能。标准ASTM测试过程要求每一个频率检测样本的尺寸要不同。1mm样本在2.5-5GHz的Dk比1、10 和20GHz的要低0.1个单位。DF的值相差不大,在1GHz时, 在0.0044和0.006之间变化,2.5zGHz时,在0.0044-0.005之间变化。 20GHz时,DF为0.65。(end)

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