С развитием технологий пятого поколения связи (5G) возрастает интерес к материалам, способным работать на миллиметровых волнах (ммВт) и в терагерцовом (ТГц) диапазоне. Традиционные материалы для печатных плат и корпусов электроники сталкиваются с серьезными ограничениями из-за высоких диэлектрических потерь и значительного поглощения. На этом фоне жидкокристаллические полимеры (LCP) становятся перспективным выбором для приложений сверхвысоких частот (СВЧ).
Преимущества LCP в 5G и СВЧ-приложениях
LCP характеризуются уникальными свойствами:
- Низкий тангенс угла диэлектрических потерь (до 1,8 ТГц), что обеспечивает минимальные потери сигнала.
- Легкость и компактность, что важно для мобильных устройств.
- Высокая герметичность, предотвращающая повреждение от влаги и внешней среды.
Уже сегодня LCP используются для создания гибких антенн, включая интегральные решения "антенна-в-корпусе" и "система-в-корпусе", востребованные в устройствах 5G. Также эти материалы находят применение в микроэлектромеханических системах (MEMS), биомедицинской электронике и микрофлюидике.
Критерии выбора материалов для СВЧ-устройств
Выбор материалов для работы в СВЧ- и ТГц-диапазонах требует учета множества факторов:
- Стабильность формы и размеров в различных условиях эксплуатации.
- Чистота обработки поверхностей.
- Допуск на толщину и однородность состава.
- Электропроводность, диэлектрическая проницаемость, и, конечно, тангенс угла диэлектрических потерь.
На фоне импортозамещения большинство полосковых СВЧ-устройств в РФ строятся на отечественных керамических материалах, таких как ситаллы и LTCC (низкотемпературная совместно обжигаемая керамика). Однако LTCC остается сложной и дорогой технологией, доступной ограниченному числу производителей.
Особенности LCP как диэлектриков
LCP являются ароматическими термопластичными полиэфирами, разделяемыми на лиотропные и термотропные. В электронике преобладает второй тип, который:
- Работает на частотах до десятков гигагерц.
- Устойчив к различным дестабилизирующим факторам.
- Обладает низким влагопоглощением (менее 0,04%) и стабильностью размеров.
- Применяется в массовом производстве сложных электронных компонентов.
Такие свойства делают LCP идеальным материалом для малогабаритной электроники, обеспечивая высокую текучесть и точность литья под давлением.
Применение LCP в 5G и СВЧ-устройствах
Одним из ключевых применений жидкокристаллических полимеров является создание устройств для работы в миллиметровом и терагерцовом диапазонах. Их характеристики делают LCP предпочтительным выбором в следующих областях:
Антенны для 5G и миллиметровых волн
LCP активно используются в гибких антеннах и интегрированных системах антенна-в-корпусе (AIP). Эти решения позволяют уменьшить размеры устройств, улучшить их герметичность и снизить потери сигнала. Примером являются антенны, работающие на частотах 28 ГГц и выше, которые обеспечивают минимальное затухание даже в условиях сложной эксплуатации.
Печатные платы для СВЧ устройств
Материалы на основе LCP подходят для создания микрополосковых, полосковых и компланарных линий передачи. Они обеспечивают стабильность сигналов и минимизируют перекрестные помехи. В многослойных структурах, используемых в устройствах 5G, такие платы позволяют снизить массу и размер, сохраняя высокую механическую прочность.
Корпуса для высокочастотных модулей
Благодаря низкому влагопоглощению и высокой термостойкости, LCP применяются для изготовления корпусов микросхем и модулей, защищая их от воздействия окружающей среды и механических повреждений.
Микроэлектромеханические системы (MEMS)
Высокая химическая стабильность и способность сохранять форму позволяют использовать LCP в производстве микроустройств для биомедицинской электроники, включая микрофлюидные чипы, датчики и исполнительные механизмы.
Сравнение LCP с другими материалами
Традиционные материалы, такие как керамика, ситаллы или PTFE, уступают LCP по ряду параметров:
- Диэлектрические свойства: PTFE обладает низкими потерями, но его высокая склонность к термическому расширению ограничивает применение в сложных конструкциях.
- Обрабатываемость: ситаллы и керамика сложны в обработке и не подходят для создания многослойных конструкций с высокой плотностью трассировки. LCP лишены этих недостатков, сочетая технологичность и высокие электрические характеристики.
- Механическая прочность: в отличие от хрупких керамических подложек, LCP выдерживают значительные механические нагрузки и вибрации.
Расширение применения LCP
Помимо 5G и электроники, LCP находят применение в автомобильной и промышленной технике. Для удовлетворения специфических требований разрабатываются новые сорта LCP с высокофункциональными наполнителями, включая углеродные волокна, стеклянные микрошарики, каолин и другие материалы.
Прочие области применения LCP:
- Разъемы: платы, карты памяти, флэш-накопители, оптические разъемы.
- Офисная техника: части принтеров, копиров, динамиков и аудиовизуальной аппаратуры.
- Детали для мобильных устройств, микроволновок и насосов.
- Герметики для катушек HDD и SSD.
Особенно востребован LCP для элементов микрополосковых линий передачи, фильтров и фазовращателей, используемых в СВЧ-устройствах.
Перспективы для СВЧ-устройств на основе LCP
Жидкокристаллические полимеры задают новые стандарты в создании СВЧ-устройств. Благодаря низкой диэлектрической проницаемости, минимальной толщине диэлектрического слоя и возможностям многослойных конструкций, LCP открывают перспективы для сложных интегральных решений.
В будущем ожидается рост внедрения LCP в микрополосковые линии передачи, СВЧ фильтры и фазовращатели. Также расширится их применение в биомедицинской технике и других высокотехнологичных отраслях.
Жидкокристаллические полимеры уверенно занимают ключевые позиции на рынке материалов для 5G и сверхвысоких частот, поддерживая тренд на миниатюризацию и повышение эффективности электроники.
