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5G技术需求日益增长,不可或缺的PCB高分子材料介绍

随着日益增长的5G技术需求,PCB作为不可缺少的电子元器件,有着巨大的市场空间。5G助力PCB行业突飞猛进的同时,也为PCB提出了新的要求。5G高频、高速的特点要求PCB也能实现高频化、高速化,即拥有这三个特性:低传输损失、低传输延迟、以及高特性阻抗的精度控制。


主要有介电常数(Dk)和介电损耗因子(Df)两个指标来衡量高频覆铜板材料的性能。Dk和Df越小越稳定,高频高速基材的性能越好。此外,射频板方面,PCB板面积更大,层数更多,需要基材有更高耐热(Tg,高温模量保持率)以及更严格的厚度公差。

常见线路板主要的高频高速材料有几种:碳氢树脂、PTFE、LCP液晶高聚物、PPE/PPO,除此之外还有TPE、PPS、PI、PCT、PEN、PEEK,今天给大家简单罗列一下。

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1. 碳氢树脂


碳氢树脂是指聚烯烃均聚物或共聚物,包括丁二烯苯乙烯共聚物、丁二烯均聚物、苯乙烯、均聚物、苯乙烯/二乙烯基苯共聚物、苯乙烯-丁二烯-二乙烯基苯共聚物等。
                          
目前碳氢树脂材料供应商有克雷威利、旭化成、曹达、三菱、大日本油墨、东材科技等。


2. PTFE


聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的介电性能,耐化学腐蚀,耐热,阻燃,高频率范围内介电常数和介电损耗小且变化小,但由于聚四氟乙烯熔融状态下具有高粘度,因而常用模压和烧结等方法成型。


更多聚四氟乙烯介绍可查阅之前我们的文章:

目前4G通讯领域PCB中广泛采用环氧树脂玻璃布基覆铜板,Df值在0.01以上,而5G领域主要为微米及毫米波应用领域,对于高频高速工况下的介电常数和介电损耗有更高的要求,通常要求低介电常数树脂的Df小于0.005,而PTFE作为目前为止发现的介电常数最低的高分子材料,Df值在0.002以下,在覆铜板中表现出优异的介电性能。陶瓷填充或玻纤增强的PTFE应用于介电性能要求较高的5G基站天线、毫米波雷达等领域。
           图   PTFE 基材 覆铜板


           
目前PTFE材料供应厂家较多,比如科慕化学日本大金、AGC霓佳斯中兴化成德清科赛材科技等。

3. LCP


液晶高分子聚合物(Liquid Crystal Polymer),简称LCP。是80年代初期发展起来的一种新型高性能特种工程塑料。

按照形成条件不同,液晶可以分为受热熔融的热致液晶Thermotropic LCP和溶剂溶解的溶致液晶Lyotropic LCP。根据不同的分子结构,不同类型的LCP的熔点也不尽相同,通常来说其耐热性I型>II型>III型。
                       
在5G时代对高频传输绝缘材料的要求非常高,要保证信号在传输过程中的损失降至最小, LCP 材料突出的高频介电性、尺寸稳定性、耐热性,是非常理想的 5G 高频高速电路板基材。除了手机天线FPC外,LCP基材的电路板还可应用于应用在5G关联通讯、笔记本电脑、智能穿戴、汽车毫米波雷达、远程医疗、高清无线视频实时传播等领域。   
                       
目前LCP薄膜厂商有住友化学宝理塞拉尼斯、村田、可乐丽日本电化株式会社沃特世洋树脂普利特聚嘉新材等。


4. PPE/PPO


聚苯醚是本世纪60年代发展起来的高强度工程塑料,化学名称为聚2,6—二甲基—1,4—苯醚,简称PPO(Polyphenylene Oxide)或PPE(Polypheylene ether),又称为聚亚苯基氧化物或聚苯撑醚。


聚苯醚(PPE)树脂因具有良好的机械特性与优异介电性能,例如介电常数(Dk)及介电损耗(Df),成为高频印刷电路板的基板首选的树脂材料。然而,聚苯醚是一种热塑性树脂,将其直接用于铜箔基板中存在以下缺点:熔融粘度高,难于加工成型;耐溶剂性差,在印刷电路板制作过程的溶剂清洗的环境中易造成导线附着不牢或脱落;及熔点与玻璃转化温度(Tg)相近,难以承受印刷电路板制程中250°C以上焊锡操作。因此,PPE经过热固性改质才能符合印刷电路板的使用要求。

目前市场上主要用的PPO为SABIC的 NORYL™ SA9000树脂, NORYL低聚物由于其固有的特性、在常规溶剂中的高溶解度以及独特的功能性,在降低介电性能、提高玻璃化转变温度和增强韧性以及降低吸湿性方面均提供了良好的改善,非常适合于电子材料应用,特别是印刷电路板。


5. PI


聚酰亚胺是一类分子链中含有环状酰亚胺基团的高分子聚物(Polyimide,简称PI)。聚酰亚胺(PI)薄膜是世界上性能最好的薄膜类绝缘材料,经过近50年的发展已经成为电工电子领域的重要原材料之一。

外观呈黄色透明,相对密度1.39~1.45,聚酰亚胺薄膜具有优良的耐高低温性、电气绝缘性、黏结性、耐辐射性、耐介质性。

 
特别适宜用作软性印制电路板基材和各种耐高温电机电器绝缘材料。

目前PI材料企业有:杜邦、雅龙、宇部兴产、钟渊化学、SKC、东丽达胜科技等。

  1. PPS


聚苯硫醚(全称为聚亚苯基硫醚,英文名为Polyphenylene Sulfide,缩写为PPS),是特种工程塑料第一大品种,被誉为继聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)、聚甲醛(POM)、尼龙(PA)、聚苯醚(PPO)之后的“世界第六大工程塑料”,也是八大宇航材料之一。结构式如下:


东丽推出了一款新的聚苯硫醚(PPS)薄膜材料,相比于以往的PPS薄膜,该薄膜的耐热性提高了40°C以上,即使在接近熔点温度的温度下,也保持尺寸稳定不变形,同时保持了优异的介电特性、阻燃性以及化学稳定性。

东丽利用双轴拉伸PPS薄膜Torelina®的高热尺寸稳定性和成本竞争力的优势来提升其在5G智能手机中的 FPC市场竞争力,此外,还将广泛应用于车载和基站领域。
采用新PPS薄膜的FPC电缆


东丽已经完成了该薄膜的中试,并计划在2020年建立大规模生产线以满足5G加速建设。


7. PEEK


聚醚醚酮,英文名称为poly-ether-ether-ketone,简称为PEEK。PEEK薄膜的制备主要有下列三种方式:T-形模熔融挤出法;吹塑法和定向拉伸法,尤其是定向拉伸法可提高薄膜的抗张强度和透光率。

PEEK薄膜具有高耐热性,良好的电气性能,特别是它的耐化学药品性,耐水解性,耐放射性,难燃性等突出性质,透明度和聚酯相比毫不逊色,在电性方面,PEEK薄膜的介电常数在很宽的温度和频率范围内非常稳定,而且数值低,因此常被应用于高性能复合材料(与玻璃布复合的层压板、碳纤维增强板等)、FPC电路板、调温薄膜、耐热电绝缘带、开关与传感器阻隔薄膜等。

目前具备PEEK薄膜技术的包括住友化学、三井化学、索尔维、威格斯等,Victrex公司推出PEEK薄膜可用于5G射频天线基板。

8. PCT


PCT,是聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯的简称,也称聚对苯二甲酸环己撑二亚甲基酯树脂。PCT树脂是一种耐高温、半结晶型的热塑性塑料耐高温、半结晶型的热塑性塑料。

据《韩联社》报道称,针对日本企业垄断的5G 28GHz带宽天线用的薄膜材料,韩国零件企业Jinyoung Global已成功开发出该技术,目前与LG电子一同进行测试。

Jinyoung Global利用PCT薄膜带电的特性,以PCT薄膜的金属回路印刷板为基础,成功研发5G高频用天线,该成品受50欧姆阻抗测试时,能发挥出与日制同等级的性能。

Jinyoung Global表示,与现有的LCP材料相比,PCT电容率较低、吸水性也低,能取代日本的LCP薄膜,在急速扩大的5G市场中,国产化天线原料深具意义。

9. PEN


聚萘二甲酸乙二醇酯,英文名Polyethylene naphthalene-2,6-dicarboxylate,简称PEN。
目前全世界仅有帝人Film Solutions公司经手PEN薄膜,主要应用于电动车(EV)相关应用,包括绝缘薄膜、座椅传感器等用途,近来帝人计划扩大PEN薄膜在锂离子电池(LiB)的可挠式基板(FPC)用途。由于PEN薄膜具有良好且均衡的耐热性、绝缘性、耐加水分解性、尺寸稳定性及燃烧也不会碳化等各项特性,因此获得许多好评。相较于PEN薄膜,PI薄膜有碳化的问题,而PET薄膜则是耐热性、耐加水分解性的性能较差。

另一方面,PEN薄膜在FPC用途上备受瞩目的是5G应用。PPEEK较液晶高分子(LCP)薄膜为差,但LCP薄膜在制膜上较为困难,因此PEN在成本竞争力、稳定供应性方面较具优势。此外,帝人结合了低温銲接技术,将把PEN薄膜扩大推广应用于5G对应的中阶制品。

  1. TPE(热固性聚醚)


JSR使用自己的独特的合成技术开发出用于高频印刷电路板的绝缘材料TPE(热固性聚醚),具有低介电常数和低介电损耗正切。该材料在固化之前具有高流动性,在高频印刷电路布线的嵌入方面是优异的,并且可以使用一般设备,可以在的200℃或更低的温度下加工。它还具有优异的孔形成加工性和与电镀的粘合性,这是连接印刷电路板的上下布线层所必需的。
           图 湖南奥马电子FCCL TPE为JSR生产

该材料对用于智能手机等的柔性覆铜层压板(FCCL)的基膜和低粗糙铜箔具有高附着力,并且还可在高温和高湿度下保持优良的电气特性。虽然铜箔需要表面光滑度以减少传输损耗,但它们还需要在表面上具有一定程度的粗糙度以确保与绝缘膜的充分粘附。在过去,有些情况下,如果没有粗糙化处理(加工使表面变粗糙)具有大表面积和通过三维结构的锚定效果,则不能获得足够的粘合力,但是JSR的材料即使用在具有低粗糙度(相对粗糙)的铜箔上也显示出高附着力。

  1. 其他


热固性超低介电树脂(产品名称:SLK系列)

这是信越化学开发了的一种“ 热固性超低介电树脂”,适用于5G高频(包括毫米波)通信的电子设备、印刷电路板、IC基板、天线和雷达罩等。此外,信越化学也正在扩展其散热产品阵容。
                        
该产品具有接近氟树脂的低介电特性以及高强度和高弹性。这种热固性树脂具有极低的介电性能,在高频段(10〜80GHz),其介电常数小于2.5,介电损耗因子小于0.0025。它还具有低吸湿性且对低粗糙度铜箔具有高粘合强度,适用于FCCL(柔性覆铜板)和粘合剂等领域。     

材料产业迎来了5G新时代,在应用端手机、基站、物联网、汽车等硬件载体都将对5G新材料有更多的需求和更高的要求。欢迎长按下方二维码加入艾邦5G材料交流群进行交流,共谋发展进步!也可以申请加入通讯录点击此处加入5G材料通讯录



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