塑料介电性能知多少

1、塑料介电性能知多少当速度越来越高时，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。对于塑料电子产品而言，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

2、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，许多金属氧化物和陶瓷、云母、玻璃和塑料的 Dk 值均较低或很低。物

3、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

4、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

5、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

6、60 x60 x4mm 的树脂采用的门为 50 x2mm；60 x60 x2mm 的采用 60 x1.5mm的门；80 x80 x1mm 的采用 80 x0.8mm 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

7、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，510Ghz，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 A

8、130D 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 3.453.5 之间，20Ghz 时升高到 3.73.85。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

9、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 0.00

10、22。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