Eigenschaften „Niedrige Dielektrizität“ und „Niedriger dielektrischer Verlustfaktor“, die für Isoliermaterialien erforderlich sind, aus denen Leiterplatten für Hochgeschwindigkeitsübertragungen und niedrig dielektrische Verbindungsplatten bestehen

Niedrige dielektrische Eigenschaften sind für Isoliermaterialien für Leiterplatten erforderlich

Bei der Auswahl von Isoliermaterialien für den Einsatz in Leiterplatten für die Hochgeschwindigkeitsübertragung sind die wichtigsten Spezifikationen die "Dielektrizitätskonstante (Dk)" und der "dielektrische Verlustfaktor (Df).

Einfach ausgedrückt ist die Dielektrizitätskonstante ein Wert, der angibt, wie schwierig es für Elektrizität ist, durchzufließen. Materialien wie Glas und Kunststoff sind viel weniger leitfähig als Metalle und haben daher eine hohe Dielektrizitätskonstante. Genauer gesagt ist die Dielektrizitätskonstante eine physikalische Eigenschaft, die angibt, in welchem Ausmaß eine Substanz elektrisch polarisiert wird (dielektrische Polarisation), wenn ein elektrisches Feld an sie angelegt wird.

Der üblicherweise zur Darstellung der Dielektrizitätskonstante eines Materials verwendete Wert ist die „relative Dielektrizitätskonstante“. Die Dielektrizitätskonstante ist der relative Wert der Dielektrizitätskonstante einer Substanz, wenn die Dielektrizitätskonstante eines Vakuums als 1 angenommen wird. Beispielsweise beträgt die Dielektrizitätskonstante von Luft ungefähr 1, die von Gummi 2, die von Wasser 80 und die von Bariumtitanat, einem in Kondensatoren verwendeten Material, 5000. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante, desto schneller ist die Signalausbreitungsgeschwindigkeit. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals durch einen Leiter wird durch die folgende Formel ausgedrückt.

Ein weiterer wichtiger Wert ist der „Dielektrikumtangens“, ein Wert, der den Grad des elektrischen Energieverlusts innerhalb eines Dielektrikums angibt. Je kleiner der Wert, desto geringer sind die Verluste und desto einfacher kann der Strom durchfließen. Bei den in FPCs usw. verwendeten Komponentenmaterialien gilt: Je größer der Dielektrikumtangens, desto mehr elektrische Energie wird absorbiert und desto weniger effizient können Signale übertragen werden; je höher die Frequenz, desto ausgeprägter ist dieses Phänomen.

Der dielektrische Verlust und der Übertragungsverlust während der Signalausbreitung in einer Leiterplatte werden durch die folgenden Formeln ausgedrückt. Diese Formel zeigt, dass die Dielektrizitätskonstante und der Dielektrizitätstangens einen großen Einfluss haben. Dies bedeutet, dass es für Geräte, die hohe Frequenzen nutzen, wichtig ist, Materialien mit niedrigen dielektrischen Eigenschaften auszuwählen.

​Schwächen von Flüssigkristallpolymer-FPCs für die Hochgeschwindigkeitsübertragung

Auch bei als Leiterplatten verwendeten FPCs müssen entsprechende Materialien zum Einsatz kommen, um Verlust und Dämpfung von Hochgeschwindigkeitssignalen zu vermeiden. Nachfolgend sehen Sie einen Querschnitt eines mehrschichtigen FPC (drei oder mehr leitfähige Schichten), das in Smartphones und anderen Geräten verwendet wird. Auf der äußersten Schicht befindet sich eine große Kupferschicht, in deren Mitte sich der Kupferschaltkreis (Cu) befindet, durch den die elektrischen Signale fließen, und im Inneren des Schaltkreises befinden sich Isoliermaterialien (Polyimidharz (PI) und Klebefolien). In der Praxis werden ein doppelseitiges CCL (kupferkaschiertes Laminat) mit Kupferfolie auf beiden Seiten und ein einseitiges CCL als Ausgangsmaterialien verwendet, und für jedes werden Schaltkreise gebildet. Diese beiden werden mit einer Klebefolie verbunden, um die in der Abbildung gezeigte Struktur zu bilden.

Polyimid weist eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen hohen dielektrischen Verlustfaktor auf. Herkömmliche FPCs weisen daher bei Hochfrequenzkomponenten eine hohe Signalverzögerung und hohe Verluste auf. Polyimid nimmt zudem leicht Feuchtigkeit aus der Luft auf (hohe Wasseraufnahme). Da Wasser eine Substanz mit extrem hoher Dielektrizitätskonstante und hohem Verlustfaktor ist, steigen mit zunehmender Wasseraufnahme des Substrats zwangsläufig auch Signalverzögerung und -verlust. Daher müssen die Materialien von FPCs für Hochgeschwindigkeitsübertragungen ebenfalls eine geringe Wasseraufnahme aufweisen.

Die in der nachstehenden Abbildung gezeigte FPC für Hochgeschwindigkeitsübertragungen wurde entwickelt, um solche Probleme zu lösen. In FPCs für Hochgeschwindigkeitsübertragungen werden Flüssigkristallpolymere (LCP) oder modifizierte Polyimide (Modified PI) mit niedriger Dielektrizitätskonstante und niedrigem dielektrischen Verlusttangens anstelle herkömmlicher Polyimide verwendet. Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante und niedrigem dielektrischem Verlusttangens werden auch für Zwischenschicht-Verbindungsmaterialien (Bonding Sheets) verwendet.

Um Hochgeschwindigkeitsübertragungen zu ermöglichen, muss das Basismaterial eine um ein Vielfaches bessere Dielektrizitätskonstante und einen besseren Verlustfaktor aufweisen als herkömmliche Materialien (Polyimid). Besonders wichtig ist dabei der dielektrische Verlustfaktor (Df). Der Df von FR-4, einem häufig als starres Plattenmaterial verwendeten Material, beträgt 0,02, während der Df von Polyimid, das häufig für flexible Leiterplatten verwendet wird, bei etwa 0,01 liegt.

Im Gegensatz dazu beträgt der Df-Wert von LCP 0,002 und ist also um eine Größenordnung kleiner. Auch die Wasseraufnahme (%), ein weiterer wichtiger Indikator bei der Auswahl eines FPC-Basismaterials, unterscheidet sich erheblich: LCP weist eine Wasseraufnahmerate von etwa 0,04 % auf, während Polyimid nur 1–2 % benötigt.

Allerdings hat LCP auch Schwächen. Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der drei ABC-FPCs.

(A) Konventionelle Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet (Grundmaterial = Polyimid, Klebefolie = Epoxid-Duroplast-Klebstoff)
(B) Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet für Hochgeschwindigkeitsübertragung (Basismaterial = Flüssigkristallpolymer, Bonding sheet = Flüssigkristallpolymer)
(C) Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet für die von Dexerials vorgeschlagene Hochgeschwindigkeitsübertragung (Basismaterial = Flüssigkristallpolymer oder modifiziertes Polyimid, Haftfolie = unsere Haftfolie mit niedrigem Dk/Df)

(A) ist nicht für Leiterplatten geeignet, die Hochgeschwindigkeitsübertragung erfordern, da die Dielektrizitätskonstante und der Dielektrizitätstangens des Isoliermaterials von vornherein hoch sind. (B) hat ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, da das Isoliermaterial vollständig aus Flüssigkristallpolymeren besteht, es gibt jedoch Probleme, wie beispielsweise eine geringe Kleben am Kupfer, aus dem die Schaltung besteht (ein Problem der mechanischen Eigenschaften), die Notwendigkeit von Temperaturen von über 300 °C für Kleben (ein Problem des FPC-Herstellungsprozesses) und die Tatsache, dass es nur von einer begrenzten Anzahl von Herstellern produziert werden kann (ein Problem der Materialbeschaffung).

Verschiedene Vorteile von Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet

Im Gegensatz dazu bietet der Vorschlag (C) von Dexerials folgende Vorteile:

1. Die Dielektrizitätskonstante ist kleiner als die von LCP, wodurch die Übertragungsverzögerung reduziert werden kann.
2. Kann mit einem Prozess von weniger als 200 °C verbunden werden, sodass herkömmliche FPC-Herstellungsprozesse/-geräte verwendet werden können.
3. Die ausreichende Haftung auf LCP und modifiziertem Polyimid, bei denen es sich um niedrig dielektrische Basismaterialien handelt, ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsübertragung bei gleichzeitiger Erfüllung der für FPCs erforderlichen mechanischen Eigenschaften.

Ein weiteres Merkmal unserer Low-Dk-Klebefolie ist ihre geringe Wasseraufnahmefähigkeit. Die folgende Tabelle zeigt die Werte der Dielektrizitätskonstante und des Verlustfaktors vor und nach den Wasserabsorptionstests, die mit den einzelnen Materialien durchgeführt wurden. Unsere Klebefolie weist wie LCP eine ausgezeichnete geringe Wasserabsorptionsfähigkeit auf, ohne dass sich die Werte vor und nach der Wasseraufnahme tangential durch dielektrische Verluste ändern, was darauf hindeutet, dass sie unter tatsächlichen Nutzungsbedingungen eine Hochgeschwindigkeitsübertragung beibehält.

Starke Haftung zwischen Kupferfolie und Substrat

Der Skin-Effekt ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Geräten, die elektrische Signale mit Hochfrequenzkomponenten verarbeiten, beispielsweise bei Hochgeschwindigkeitsübertragungen. Der Skin-Effekt beschreibt das Phänomen, dass je höher die Frequenz eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Signals ist, desto mehr Strom fließt nur an der Oberfläche des Leiters. Die Dicke der effektiven Oberfläche, durch die der Strom fließt, wird als „Skin-Tiefe“ bezeichnet. Je höher die Frequenz, desto kleiner wird dieser Wert. Mit abnehmender Querschnittsfläche für den Stromfluss steigt der Wechselstromwiderstand des Stromkreises, was zu Leiterverlusten führt.

Die Kupferoberfläche des in FPC verwendeten kupferkaschierten Laminats (CCL) erscheint auf den ersten Blick flach, nicht aber auf der Mikrometerskala. Wie oben erwähnt, fließt der Strom, wenn er aufgrund des Skin-Effekts nur auf der sehr flachen Oberfläche fließt, entlang dieser rauen Oberfläche, was zu einem längeren Leitungsweg und einer verzögerten Signalankunft führt. Leiterverluste durch Skin-Effekt sind unvermeidbar, wenn man von einer Hochgeschwindigkeitsübertragung ausgeht. Auf der anderen Seite kann die Verzögerung durch Abflachen der Leiteroberfläche verbessert werden. Daher wird bei FPCs für die Hochgeschwindigkeitsübertragung die Kupferoberfläche durch chemische Behandlung geglättet, wie im Bild rechts unten gezeigt.

Wichtig zu beachten: Je flacher die Kupferoberfläche, desto schwächer die Haftung am Harz und desto wahrscheinlicher sind Defekte, die zum Ablösen des Harzes von der Schaltung führen. Flüssigkristallpolymere haften normalerweise nur schwer an anderen Materialien und lassen sich nicht leicht miteinander verbinden. Die Verbindungsfolien, aus denen FPCs für Hochgeschwindigkeitsübertragungen bestehen, erfordern eine starke Haftung zwischen den schwer zu verbindenden Flüssigkristallpolymeren und dem glatten Kupfer.

Das Foto unten links zeigt ein Muster unserer niedrigdielektrischen Bondfolie (Teilenummer: D5320P-25) auf einer Folie mit laminiertem CCL mit glatter Oberfläche. Es wurde ein Lötschwimmtest durchgeführt. Selbst nach 30 Sekunden Schweben in einem Hochtemperatur-Lötbad (288 °C) traten keine Hohlräume auf, wie auf dem Foto rechts zu sehen ist. Dies deutet darauf hin, dass der ursprüngliche Bindungszustand erhalten blieb.

Wie oben beschrieben, erreicht unsere niedrig-dielektrische Bondfolie den niedrigen Übertragungsverlust, der für die Herstellung von FPCs für 5G-Geräte erforderlich ist, verbessert die Haftung zwischen Kupfer und LCP mit einer geglätteten Oberfläche für Hochgeschwindigkeitsübertragungen und ermöglicht die Herstellung mit bestehenden Anlagen. Ein weiterer großer Vorteil für die Hersteller von Niedrigdielektrisches Bonding-Sheet ist die Fähigkeit des Produkts, bei Raumtemperatur gelagert zu werden. Herkömmliche wärmehärtende Klebstoffe müssen vorsichtig gehandhabt werden, da sie bei Raumtemperatur aushärten und Maßnahmen zur Vermeidung von Kondensation während des Gebrauchs erforderlich sind. Bei unseren Produkten, die bei Raumtemperatur gelagert werden können, gibt es dagegen keine Probleme. Die detaillierten Produktspezifikationen sind unten aufgeführt. Bitte beachten Sie unsere Produkte und nehmen Sie Kontakt mit uns auf.

https://www.dexerials.jp/products/double-coated-tape/a1_comp_ldbs.html