當(dāng)速度越來越高時(shí)，計(jì)算機(jī)和其他電器的頻率也不斷升高。許多系統(tǒng)現(xiàn)在的工作頻率范圍都在1-10GHz之間，而新的應(yīng)用頻率則更高達(dá)20GHz。

理解這些設(shè)備所用材料如何在這樣的頻率下工作是設(shè)計(jì)師面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于塑料電子產(chǎn)品而言，了解聚合物的化學(xué)性能、添加劑、部件的厚度以及熔體的流動(dòng)方式等的微妙的影響是選擇理想的樹脂、設(shè)計(jì)和制造出期望部件的關(guān)鍵。

塑料一般是絕緣的，但是在高頻狀態(tài)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(shù)Dk以及耗散因子DF來表示。目前，在頻率1Ghz以上反應(yīng)塑料介電常數(shù)表現(xiàn)的數(shù)據(jù)相對(duì)來說比較少。

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



主要的介電性能

反應(yīng)塑料介電性能的最重要的兩個(gè)參數(shù)是介電常數(shù)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(zhì)的電容與空氣或真空作為介電物質(zhì)的電容之比，這個(gè)值在設(shè)計(jì)開關(guān)、電路、微波裝置、RF傳送線路、天線和導(dǎo)波裝置時(shí)具有重要的參考價(jià)值。

材料的導(dǎo)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(zhì)。從定義來看，Dk等于或接近1.0。水的介電常數(shù)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(zhì)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(huì)讓所獲得的電荷很容易地分散出去，不會(huì)像熱能那樣容易喪失，因?yàn)榻殡妶?chǎng)在高頻狀態(tài)下很容易反轉(zhuǎn)。DF代表了介電材料的損耗。它是損耗系數(shù)（衡量介電物質(zhì)所有丟失的電荷的指標(biāo)）與材料介電常數(shù)之比。

Dk是將電子結(jié)構(gòu)制成具有所需的阻抗的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量。電子元件中Dk小到0.1的細(xì)微的變化就可以改變儀器的性能。隨著系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，小的Dk值就越發(fā)顯得重要。

因此，認(rèn)識(shí)在1至20Ghz之間塑料介電常數(shù)的變化就非常迫切，需要掌握的知識(shí)還包括影響Dk的各種材料、設(shè)計(jì)和終端使用變量。

LCPs的檢測(cè)

塑料中的Dk與聚合物的極性有非常密切的關(guān)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?zé)崴苄圆牧现袆t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(fù)雜的開關(guān)接頭中。因?yàn)檫@種材料具有卓越的流動(dòng)性，在狹窄的壁部，強(qiáng)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(tài)下，損耗系數(shù)也很低。往往比傳統(tǒng)的高速數(shù)碼設(shè)備的介電物質(zhì)要優(yōu)秀，在銅覆薄膜中介電性能非常優(yōu)異。

檢測(cè)如何進(jìn)行

最近一份研究各種變量的報(bào)告顯示了頻率在1Ghz以上是如何影響LCPs的介電性能的。報(bào)告在5種不同的頻率下（1Ghz，2.5Ghz，5Ghz，10Ghz和20Ghz）測(cè)試了Ticona公司不同級(jí)別的Vectra LCP和市場(chǎng)上其它LCP的Dk和DF。Vectar級(jí)別的樹脂的單體結(jié)構(gòu)相似，但與市場(chǎng)上其他的LCP的組成有很大差異。測(cè)試不僅研究了不同樹脂的影響，還考察了增強(qiáng)纖維、導(dǎo)電添加劑、壁厚和分子排列方向等的影響。測(cè)試中沒有涵蓋濕度，因?yàn)長(zhǎng)CP幾乎不吸水。但對(duì)那些對(duì)吸水性非常大的聚合物，這個(gè)參數(shù)是有用的。測(cè)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(cè)試是由一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室按ASTNM D2520-01測(cè)試法B“諧振腔干擾技術(shù)”、“固體電絕緣材料在微波頻率和1650攝氏度下，復(fù)雜介電常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試法”完成的。測(cè)試檢測(cè)了帶有和不帶有樣品時(shí)，諧振腔的諧振頻率和材料的品質(zhì)參數(shù)。所有的樣品都預(yù)先放置在23攝氏度、相對(duì)濕度為50%的環(huán)境下。 根據(jù)這些測(cè)定和樣品的尺寸，計(jì)算出Dk 和DF的大小。測(cè)試的精確度為：Dk的誤差為：±1%， DF的誤差為±5%。所有的試驗(yàn)都做三次。

ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的B測(cè)試法限制了每一個(gè)頻率中被測(cè)材料的量，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在不同頻率時(shí)，所用樣本的厚度也不同。在1和2.5GHz 的頻率時(shí)，測(cè)試樣取自4mm厚的板材，5－10Ghz，則取自2 mm 的板材，20GHz時(shí)，板材厚度為1mm。這樣做，可以使測(cè)試時(shí)的電場(chǎng)方向與樣本熔體流動(dòng)的方向平行。

成分的影響三種級(jí)別的Vectra LCP以及市場(chǎng)上其他LCP的介電常數(shù)顯示了聚合物成份對(duì)其的影響。采用含有30％玻纖填充物的樹脂是因?yàn)樗鼈兪紫仁请娮与娖鳟a(chǎn)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(shù)和DF最低。市場(chǎng)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(shù)的變化隨聚合物的構(gòu)成而變化(玻纖填充樹脂一樣)。

介電性能與分子取向：（1GHz時(shí)，Vectra E130-2）1GHz時(shí)，未填充級(jí)別的A950, L950, 和 E950i的Dk介于3.45－3.5之間，20Ghz時(shí)升高到3.7－3.85。相關(guān)的玻纖填充樹脂的Dk在1GHz時(shí)為4.15-4.25， 20GHz時(shí)，為4.6-4.7。這是因?yàn)椴＠w的Dk比LCP高。

不同級(jí)別樹脂具有不同的Dk使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在選材時(shí)有更多的自由，以滿足電子結(jié)構(gòu)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(duì)較低，適合耐高溫場(chǎng)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(shí)會(huì)降低，應(yīng)該屬于材料本身的特性，因?yàn)檫@種情況不發(fā)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(shí)，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(shí)，各種未填充DF級(jí)別的樹脂的DF約等于0.0022。1GHz時(shí)，玻纖填充的Vectra LCP 的DF在0.004-0.006之間，20GHz時(shí)，則為0.006-0.007。市場(chǎng)上的其他LCP（“Z”樹脂）的值要高許多。

導(dǎo)電碳黑常常被加入LCP中以提高靜電的耗散性能。對(duì)Vectra LCP的測(cè)試結(jié)果顯示，Dk從1GHz 時(shí)的9.5 升至20GHz的將近15。這些數(shù)據(jù)比玻纖增強(qiáng)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(shù)。用PTFE替代玻纖時(shí)，Dk下降，因?yàn)镻TFE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(dòng)性的影響

研究明，部件的厚度影響Dk和DF值。當(dāng)厚度在固定頻率2.5GHz的情況下從4mm變化至2mm時(shí)，Dk幾乎保持穩(wěn)定。但是從2mm至1mm時(shí)，上升約0.2個(gè)單位。同樣，在厚度從4mm 變至2mm時(shí)，DF也幾乎穩(wěn)定在0.0049，厚度降至1mm時(shí)，DF也相應(yīng)降到0.00435。這可能是因?yàn)楸韺雍托緦雨P(guān)系發(fā)生了變化的緣故。因?yàn)?mm 厚的樣本中朝向流動(dòng)方向的聚合物鏈的比例更高。

由于LCP的皮芯關(guān)系，LCP元件的厚度影響著其性能。標(biāo)準(zhǔn)ASTM測(cè)試過程要求每一個(gè)頻率檢測(cè)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(gè)單位。DF的值相差不大，在1GHz時(shí)， 在0.0044和0.006之間變化，2.5zGHz時(shí)，在0.0044-0.005之間變化。 20GHz時(shí)，DF為0.65。