塑料介電性能知多少

當速度越來越高時，計算機和其他電器的頻率也不斷升高。許多系統現在的工作頻率范圍都在1-10GHz之間，而新的應用頻率則更高達20GHz。

理解這些設備所用材料如何在這樣的頻率下工作是設計師面臨的一個挑戰。對于塑料電子產品而言，了解聚合物的化學性能、添加劑、部件的厚度以及熔體的流動方式等的微妙的影響是選擇理想的樹脂、設計和制造出期望部件的關鍵。

塑料一般是絕緣的，但是在高頻狀態下，它們也可以傳播一定電能。材料的絕緣性能一般用介電常數Dk以及耗散因子DF來表示。目前，在頻率1Ghz以上反應塑料介電常數表現的數據相對來說比較少。

為了說明一組塑料的介電常數Dk和耗散因子DF的不同，本文概括了最近對通常用于電子器件中的液晶聚合物的高頻測試結果。



主要的介電性能

反應塑料介電性能的最重要的兩個參數是介電常數和耗散因子。Dk反映的是絕緣體如何積蓄電能，從而使電子元件相互絕緣，并與地面絕緣。Dk是兩種材料電容值的比：一種作為介電物質的電容與空氣或真空作為介電物質的電容之比，這個值在設計開關、電路、微波裝置、RF傳送線路、天線和導波裝置時具有重要的參考價值。

材料的導電性能越好，其Dk越大。真空或干燥的空氣是非常低的介電物質。從定義來看，Dk等于或接近1.0。水的介電常數Dk非常高，許多金屬氧化物和陶瓷、云母、玻璃和塑料的Dk值均較低或很低。

物質具有好的介電性能往往意味著耗散因子DF低。也即，它們不會讓所獲得的電荷很容易地分散出去，不會像熱能那樣容易喪失，因為介電場在高頻狀態下很容易反轉。DF代表了介電材料的損耗。它是損耗系數（衡量介電物質所有丟失的電荷的指標）與材料介電常數之比。

Dk是將電子結構制成具有所需的阻抗的關鍵設計變量。電子元件中Dk小到0.1的細微的變化就可以改變儀器的性能。隨著系統變得越來越復雜，小的Dk值就越發顯得重要。

因此，認識在1至20Ghz之間塑料介電常數的變化就非常迫切，需要掌握的知識還包括影響Dk的各種材料、設計和終端使用變量。

LCPs的檢測

塑料中的Dk與聚合物的極性有非常密切的關系。如，PTFE和聚丙烯的Dk很低，尼龍則比較高。液晶聚合物（LCPS）的Dk在塑料中屬于中高層次的水平，而在耐高溫熱塑性材料中則是最低的。

LCPs是芳香型聚酯材料家族中的一員，常用于薄壁成型鑄塑件，如具有很高植針密度的復雜的開關接頭中。因為這種材料具有卓越的流動性，在狹窄的壁部，強度很高。 LCPs同樣也用在高頻、多層印刷電路板、芯片模塊和芯片載體中。

未填充的LCPs典型的Dk介于3和4之間，高頻狀態下，損耗系數也很低。往往比傳統的高速數碼設備的介電物質要優秀，在銅覆薄膜中介電性能非常優異。

檢測如何進行

最近一份研究各種變量的報告顯示了頻率在1Ghz以上是如何影響LCPs的介電性能的。報告在5種不同的頻率下（1Ghz，2.5Ghz，5Ghz，10Ghz和20Ghz）測試了Ticona公司不同級別的Vectra LCP和市場上其它LCP的Dk和DF。Vectar級別的樹脂的單體結構相似，但與市場上其他的LCP的組成有很大差異。測試不僅研究了不同樹脂的影響，還考察了增強纖維、導電添加劑、壁厚和分子排列方向等的影響。測試中沒有涵蓋濕度，因為LCP幾乎不吸水。但對那些對吸水性非常大的聚合物，這個參數是有用的。測試中所用的樹脂除了一種是天然的白色外，其余都是黑色的。每種樹脂都被制成三種不同的徽章尺寸：尺寸為60x60x4mm的樹脂采用的門為50x2mm；60x60x2mm的采用60x1.5mm的門；80x80x1mm的采用80x0.8mm 的門。

Dk測試是由一個獨立的實驗室按ASTNM D2520-01測試法B“諧振腔干擾技術”、“固體電絕緣材料在微波頻率和1650攝氏度下，復雜介電常數標準測試法”完成的。測試檢測了帶有和不帶有樣品時，諧振腔的諧振頻率和材料的品質參數。所有的樣品都預先放置在23攝氏度、相對濕度為50%的環境下。 根據這些測定和樣品的尺寸，計算出Dk 和DF的大小。測試的精確度為：Dk的誤差為：±1%， DF的誤差為±5%。所有的試驗都做三次。

ASTM標準中的B測試法限制了每一個頻率中被測材料的量，以保持數據的準確性。在不同頻率時，所用樣本的厚度也不同。在1和2.5GHz 的頻率時，測試樣取自4mm厚的板材，5－10Ghz，則取自2 mm 的板材，20GHz時，板材厚度為1mm。這樣做，可以使測試時的電場方向與樣本熔體流動的方向平行。

成分的影響三種級別的Vectra LCP以及市場上其他LCP的介電常數顯示了聚合物成份對其的影響。采用含有30％玻纖填充物的樹脂是因為它們首先是電子電器產品的首要選擇。Vectra L139D-2和E130iD-2 LCP 的介電性能相似。Vectra A130D 2LCP的介電常數和DF最低。市場上的其他單體組成不同的LCP（LCP“Z”）的Dk和DF則非常高。

表中列出了3種未填充的Vetra LCP的Dk和DF，證明介電常數的變化隨聚合物的構成而變化(玻纖填充樹脂一樣)。

介電性能與分子取向：（1GHz時，Vectra E130-2）1GHz時，未填充級別的A950, L950, 和 E950i的Dk介于3.45－3.5之間，20Ghz時升高到3.7－3.85。相關的玻纖填充樹脂的Dk在1GHz時為4.15-4.25， 20GHz時，為4.6-4.7。這是因為玻纖的Dk比LCP高。

不同級別樹脂具有不同的Dk使產品設計師在選材時有更多的自由，以滿足電子結構的需求。玻纖填充或普通Vectra A樹脂的Dk最低。Vectra L 和Ei樹脂的Dk相對較低，適合耐高溫場合。目前還無法解釋為什么普通或玻纖填充樹脂的Dk在2.5GHz時會降低，應該屬于材料本身的特性，因為這種情況不發生在PTFE為基材的樣本中。

Vectra LCP 樹脂A 的耗散因素最低。在1 GHz時，未填充Vectra A樹脂的DF不到其他兩種試樣的一半，（0.0019：0.0042左右）。在20GHz時，各種未填充DF級別的樹脂的DF約等于0.0022。1GHz時，玻纖填充的Vectra LCP 的DF在0.004-0.006之間，20GHz時，則為0.006-0.007。市場上的其他LCP（“Z”樹脂）的值要高許多。

導電碳黑常常被加入LCP中以提高靜電的耗散性能。對Vectra LCP的測試結果顯示，Dk從1GHz 時的9.5 升至20GHz的將近15。這些數據比玻纖增強樹脂樣本的高2-3倍。 碳填充樹脂的DF值比玻纖填充的高浸10倍。

添加Dk低的材料同樣可以降低Vectra LCP的介電常數。用PTFE替代玻纖時，Dk下降，因為PTFE的Dk比玻纖和LCP都低。如含有50%PTFE的LCP的Dk比含有30%玻纖的LCP的低約15%。

厚度和流動性的影響

研究明，部件的厚度影響Dk和DF值。當厚度在固定頻率2.5GHz的情況下從4mm變化至2mm時，Dk幾乎保持穩定。但是從2mm至1mm時，上升約0.2個單位。同樣，在厚度從4mm 變至2mm時，DF也幾乎穩定在0.0049，厚度降至1mm時，DF也相應降到0.00435。這可能是因為表層和芯層關系發生了變化的緣故。因為1mm 厚的樣本中朝向流動方向的聚合物鏈的比例更高。

由于LCP的皮芯關系，LCP元件的厚度影響著其性能。標準ASTM測試過程要求每一個頻率檢測樣本的尺寸要不同。1mm樣本在2.5-5GHz的Dk比1、10 和20GHz的要低0.1個單位。DF的值相差不大，在1GHz時， 在0.0044和0.006之間變化，2.5zGHz時，在0.0044-0.005之間變化。 20GHz時，DF為0.65。