5G通信用-低介电高分子材料

技术交流|Technical exchange|Technical exchange|

2025-02-06 10:41:45 669

5G 通讯技术的实现对于新材料的依赖程度将超过以往任何一代。这主要由5G通讯技术的特征所决定的。

与传统4G等通信技术相比，5G通信技术接入工作器件需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、超高宽带传输三大基础性能要求，其制备材料则需要具有实现大规模集成化、高频化和高频谱效率等特点。

相比4G通讯技术，5G通讯技术采用亚6GHz（sub-6 GHz）以及毫米波（milli meter wave）进行信号传输，在毫米波频段内，当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来回碰撞而产生的热损耗将加剧。

因此，5G通讯技术要求设备需要更低的信号延迟。这对现有材料的综合性能提出了苛刻的要求。

研究表明，通讯技术中的信号传输损耗（T_L）主要包括导体损耗（T_LC）与介质损耗（T_LD）。介质损耗 T_LD与介质材料的介电常数（D_k）以及介电损耗（D_f）有关。

高频通讯中，为了降低介质损耗T_LD以及信号传输延迟T_d，就必须尽可能减少介质材料的D_k与D_f值，即采用具有低介电特性的高分子介质材料。同时，要求所使用的高分子介质材料的介电性能随着频率、温度以及湿度的变化越小越好。

常见高分子材料的介电特性

图片来源：绝缘材料，2020,53(8)

低介电材料的结构设计与优化

低介电高分子材料的设计核心在于降低分子极性和减少吸水性。常见的策略包括：

1. 非极性基团引入：如含氟基团（-F）和亚甲基（-CH2-）可显著降低极性，从而减少介电常数。

2. 分子链结构优化：通过刚性结构（如芳环）与柔性链段结合，平衡力学性能与介电特性。例如，聚酰亚胺（PI）因其分子链中的刚性苯环和低极性酰亚胺键，表现出优异的耐高温和低介电性能。

3. 孔隙结构设计：微孔发泡技术通过引入空气（介电常数≈1）降低材料整体介电常数。例如，日本古河电工开发的“Smart Cellular Board?”利用微发泡技术，使材料介电常数降至2.5以下，同时减轻重量30%。

主要低介电材料及其改性方法

1. 聚苯硫醚（PPS）

PPS因耐高温、阻燃等特性被广泛使用，但其介电常数（约3.0）需进一步降低。

改性方法包括：

物理共混：与聚四氟乙烯（PTFE，Dk≈1.8）或低介电玻纤复合，但需添加相容剂（如PTW）以改善界面结合。

化学改性：引入含氟基团、含氟单体（如六氟双酚A）或硅氧烷结构，例如氟化笼形聚倍半硅氧烷（POSS）可将Dk降至2.5。

纳米复合：添加氮化硼（BN）纳米片，Df降低至0.001（10 GHz）。

应用：5G基站滤波器外壳、连接器

2. 液晶聚合物（LCP）

LCP被认为是目前可满足5G高频应用需求的最具应用前景的low-Dk 与low-Df 高分子材料之一。

LCP由刚性介晶基元和柔性链段交替排列形成，具有分子链高度取向的特性，介电常数低至2.5（1 GHz），且在高频下稳定性优异。LCP分子结构中的酯键具有吸水率低、刚性大、耐热性优良。其薄膜化技术（如挤出流延法）在5G天线和柔性电路板中应用广泛。

关键性能：

介电常数（Dk）：2.9～3.1（10 GHz），介电损耗（Df）：0.002～0.005。

热变形温度：280～320°C，适用于高温焊接工艺。

低吸湿性（吸水率<0.02%），确保高频下性能稳定。

应用场景：5G毫米波天线基板、柔性电路板（FPC）、高速连接器。

性能不足

各向异性（分子取向度高）；键合强度低；表面易出现纤维状；耐弯折性能低、改性难、价格高等。

代表产品：村田制作所的LCP薄膜（MetroCirc?），厚度可低至25μm。

3. 聚四氟乙烯（PTFE）

关键特性：Dk≈1.8，Df：0.0003～0.001。耐化学腐蚀性极强，适用于恶劣环境。但力学强度低、加工困难。

改性技术：与添加二氧化、或陶瓷粉体（如Al?O?）或陶瓷纤维（如SiO2）共混，提升刚性并维持Dk<2.0。

应用领域：高频电路基板、雷达波导元件。

4. 聚酰亚胺（PI）

聚酰亚胺是主链上含酰亚胺环(-CO-NR-CO-)的一类高分子材料，其综合性能优越，具有较好的热稳定性(长期使用温度范围为-200~300℃)、力学性能、耐辐射性、低吸湿性和化学稳定性。

但是，传统PI的Dk≈3.2（1 MHz），难以满足高频需求。

PI通过引入三氟甲基（-CF3）或六氟二酐单体，可将Dk降至2.3（如杜邦公司的Pyralux? AP），同时保持耐高温性能（>400℃），适用于高频覆铜板（FCCL）、芯片封装材料。

5. 聚苯醚（PPO）

PPO具有较高的Tg（210℃）、较低的Dk值（2.45，1 MHz）和Df值（0.000 7，1 MHz）而且还具有热膨胀系数（CTE）低、吸水率低、尺寸稳定性好等优点，是具有超高频应用潜力的CCL基体树脂。

不足之处：

① 数均分子量高（Mn =4000～9100 g/mol）、熔体黏度较高、加工性能不佳；

② 耐溶剂性能差，尤其不耐卤代烃和芳香烃，影响其加工及应用；

③ 熔点和Tg 接近，耐高温性能差。

改性方法：

① 制备低分子量的PPO（Mn＜4000 g/mol），提高其溶解性，改善加工性；

② 在端羟基、侧甲基及主链上引入活性基团，或制备超支化的PPO，提高其耐溶剂性和耐热性；

③ 与环氧树脂、氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂、聚烯烃等形成二元、三元复合PPO树脂体系，提高其热稳定性和耐溶剂性；

④ 引入无机微、纳米粒子如低聚倍半硅氧烷（POSS）、纳米二氧化硅（SiO2 ）等进行无机/有机复合，因无机组分产生的多孔性，可充分利用空气的低介电特性，进一步提高PPO的低介电性能。

低介电材料突破与进展

1. 超低介电气凝胶

特性：孔隙率>90%，Dk可低至1.2（如二氧化硅气凝胶）。

瓶颈：力学强度差，需通过聚合物交联（如聚氨酯涂层）增强。

2. 共价有机框架（COFs）

优势：规则孔道结构降低极性，Dk≈1.5~2.0。

研究进展：中科院开发出热稳定性>300°C的氟化COF薄膜。

3. 生物基高分子

案例：聚乳酸（PLA）通过纳米纤维素改性，Dk降至2.7，兼具可降解性。

免责声明：本文采摘自先进功能材料，本文仅代表作者个人观点，不代表金航标及行业观点，只为转载与分享，支持保护知识产权，转载请注明原出处及作者，如有侵权请联系我们删除。

上一篇：: 每日一品——Kinghelm金航标Type-C母座立贴连接器KH-TYPE-C-L6.8-6P-STM：高效能Type-C连接器引领AI与新能源领域

下一篇：: 每日一品——Kinghelm金航标Type-C母座直插KH-TYPE-C-L6.9-6P：电子设备连接的高效之选

技术交流

5G通信用-低介电高分子材料

客服QQ1707931422

客服QQ
1707931422