宝理、中塑等带您深度了解LCP、3D-MID在5G终端设备中的最新进展

LCP 是英文 Liquid Crystal Polymer 的缩写，在国内称之为液晶聚合物，是一种新型的高分子材料，在一定的加热状态下，分子排列不像固体晶态那样有序，但也不像液体那样无序，而是具有一定的有序性。它是一种新型的高分子材料，在熔融态时一般呈现液晶性。

LCP 与其他有机高分子材料相比，具有较为独立的分子结构和热行为，它的分子由刚性棒状大分子链组成，受热熔融或被溶剂溶解后不再具有固体物质的大部分性质，而是形成一种兼有固体和液体部分性质的过渡中间相态 —— 液晶态，其分子排列介于理想的液体和晶体之间，呈一维或二维的远程有序，分子排列在位置上显示无序性，但在分子取向上仍有一定程度的有序性，表现出良好的各向异性。LCP 的这种各向异性使其具有高强度、高模量和自增强性能，突出的耐热性，优异的耐冷热交变性能，优良的耐腐蚀性、阻燃电性能和成型加工性能。其线膨胀系数和摩擦系数极小，还具有优异的耐辐射性能和对微波良好的透明性，在电子零件、家电产品、汽车零部件等领域有着广泛的应用。

其 LCP材料基本特性如下表所示：

虽然从开始研究到现在只有30多年的历史，但是这类材料凭借着其高强度、高刚性、耐高温、电绝缘性等优异性能，应用于电子电气、光导纤维、汽车及航空航天等众多领域。尤其是上世纪70年代初，Du Pont公司通过芳族聚酰胺液晶合成了高模量、高强度、性能优异的Kevlar纤维后，世界上越来越多的科学工作者开始关注并研究液晶聚合物。目前人们不仅开发出了具有高强度、高模量的高性能液晶结构材料，而且还合成了具有信息存储功能的功能型高分子液晶材料。可见，作为新型高分子材料，液晶聚合物在功能材料和高性能结构材料领域展现出巨大的应用潜能 。

一、LCP 材料的种类和聚合方法

LCP的分类

LCP的分类方法各有不同：（1）根据合成单体的不同可划分Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型；（2）根据形成液晶相的条件，可分为溶致性液晶（LLCP）和热致性液晶(TLCP)。虽然TLCP的工业化时间晚于LLCP，但由于其优异的成型加工性能，因此发展势头十分迅猛，新品种不断出现，远远超过了LLCP；（3）LCP产品按照液晶基元在聚合物分子中的位置可分为主链型液晶聚合物、侧链型液晶聚合物和复合型液晶聚合；（4）按应用分类可以分为薄膜级，注塑级和纤维级。

LCP聚合方法

目前，LCP 的聚合方法以熔融缩聚为主合成，合成的 LCP 主要有 ：主链型的聚酰胺类、聚酯类、聚醚类、聚噻唑、聚咪唑等 ；侧链型的有聚异氰酸酯类、聚偶氮类、聚二甲基硅氧烷类、聚丙烯酸醋类等。还有一些特殊结构的高分子液晶等 。第一代液晶高分子是 20 世纪 60 年代采用对苯二胺和对苯二甲酸聚合，第二代芳香族聚酯类高强度热致性液晶高分子始于 20世纪 80 年代，目前在研发和应用是第三代热致聚酰胺类液晶高分子。合成的聚酰胺熔融状态下具有明显的液晶态结构，属于典型的主链型热致液晶。

二、LCP 材料的应用与案例

根据产品形态不同，可分为注塑级LCP树脂、薄膜级LCP树脂、纺丝级LCP树脂三大方向。其中注塑级产品主要用于高频连接器，薄膜级产品主要用于柔性电路板基材和柔性显示材料，纺丝级产品可用于高速传输线和光纤增强材料等。

用于挠性电路板

由 LCP 材料作成的挠性电路板具有高耐热性、低吸水率、低介子损耗以及高尺寸稳定性等优良性格，是微波电路的理想材料。目前，市场上的 LCP 膜（介质膜和黏结膜）来制作挠性覆铜板，用 LCP 膜和铜箔经过压合而成覆铜板，可有单层或多层覆铜板。

LCP 加工成薄膜的方法可通过熔纺、注射、挤出、模压、涂复等工艺。虽然加工方法各异，但有一共同点是均利用在液晶态时分子链高度取向下进行成型再冷却固定取向态，从而获得高机械性能，所以除分子结构和组成因素外，材料性能与受热和机械加工的历程、加工设备及工艺过程密切相关等。目前 LCP 加工成薄膜的方法以挤出和吹膜为主，再通过加工设备加工成挠性覆铜板。

智能手机作为 5G 的关键场景之一，5G 的高频特性无疑为智能手机天线的发展和革新带来机会。目前主流的 PI ( 聚酰亚胺 ) 天线材料无法满足 5G 视频信号低损耗传输的需求，MPI（改性聚酰亚胺）、LCP（液晶聚合物）有望成为 5G 时代天线材料的主流选择。PI 材料在 2.4 GHz 以上频率损耗偏大，不能用于10GHz 以上频率，且吸潮性较大、可靠性不足，将在5G 高频毫米波时代被逐渐替代 ；改良的聚酰亚胺 MPI是非结晶材料，在 10~15 GHz 的超高频甚至极高频的信号处理上的表现有望媲美 LCP 天线，且 MPI 价格适中，故在 5G 发展前期，MPI 有望替代部分 PI，成为天线的重要过渡材料，但LCP 天线将是最终的选择。

用于基站天线振子

天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分，主要负责将信号放大和控制信号辐射方向，同样可以使天线接收到的电磁信号更强。现在有些厂商采用聚苯硫醚 (PPS)，今后会用液晶聚合物 (LCP)，LCP 的介电损耗更低，PPS 的介电损耗在 2.5 GHz 下，差不多是 4‰。振子用 LCP 材质的原因是在实际的频率下，LCP 的介电损耗 1.5‰，在 2.5 GHz 的情况下可能会更低。在 5G天线振子目前使用 PPS 较多些，但最后还是要被 LCP所替代。

目前，使用金属制造的振子目前的主要问题是造价昂贵且质量过大，对天线的质量控制带来了很大的难度。而使用塑料材料作为天线主材不但可大幅度地减轻质量且很好地控制振子的成本。在 5G 天线振子设计中，有两个方案。一是激光镭射挂镀塑料（LDS）材料与金属材料相结合。用LDS 材料做天线振子，背面采用金属材料降低成本，不需要所有的地方做化学镀。二是用 PPS 或者 LCP做电镀。由于需要 SMT 回流焊，选择的基本上都是高温工程塑料。

用于基站高速连接器

5G 高速通讯连接器的主要运用领域有通信、网络、医疗、家电、仪器设备等，强有力地牵引着连接器技术的发展。

连接器一般由冲压件电镀后和注塑件组装而成。冲压件作为导电线，注塑件作为连接器的骨架。连接器是作为独立的产品单元，它有较多的技术规范要求。用在 5G 高速通讯连接器，一般工程材料无法满足低时延、高可靠、低功耗的需要，用 LCP 材料是很好的选择，LCP 具有注塑特点，能够生产出热塑性塑料部件，此类部件会具备独特的加工特性和极高的性能，因此由于具有高耐热性、良好的流动性，可实现减重或减少壁材，通常能够替代金属、陶瓷和其他塑料。

LCP 复合物介电常数较低，非常适用于需要较高数据传输速度的连接器。

三、3D-MID和LDS加工技术

3D-MID技术

3D-MID是英文“Three – dimensional moulded interconnect device orelectronic assemblies”的缩写，中文直译就是三维模塑互连器件或电子组件。3D-MID技术是指在注塑成型的塑料壳体的表面上，制作有电气功能的导线、图形，制作或安装元器件，从而将普通的电路板具有的电气互连功能、支承元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等功能以及由机械实体与导电图形结合而产生的屏蔽、天线等功能集成于一体，形成所谓三维模塑互连器件。

设计方面的优势：

1. 三维电路载体，可供利用的空间增加；
2. 器件更小、更轻；
3. 功能更多，设计自由度更大，有可能实现创新性功能。

制造方面的优势：

1. 采用塑料为材料，通过模具注射成型基体，基础技术成熟可靠；
2. 减少了零部件数目，更为经济合理；
3. 导电图形加工步骤少，制造流程短；
4. 减少了装连层次，简化了安装，可靠性更高。

生态经济方面的优势：

1. 制造流程短，直接用壳体作为互连载体，投入制造的；
2. 材料数量和种类都有所下降，环境友好性好；
3. 循环利用和处理容易；
4. 有害物质排放少。

LDS技术

普通的手机天线都被安装在手机的主板上。而LDS天线技术就是激光直接成型技术（Laser-Direct-structuring），利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动，将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上，在几秒钟的时间内，活化出电路图案。简单的说（对于手机天线设计与生产），在成型的塑料支架上，利用激光镭射技术直接在支架上化镀形成金属天线图案。这样一种技术，可以直接将天线镭射在手机外壳上。

LDS技术的工艺流程

1、注塑成型：使用LDS专用塑料（添加专用添加剂），通过一次单组份注塑生产出可被激光活化的塑料器件。和双组分注塑相比，仅需要一套模具，更简单，注塑过程也更快。

1、注塑成型

3、金属化

2、激光活化

4、组 装

2、激光活化：LPKF-LDSTM 技术要用LPKF认证的塑料为原料，需要导电的图形被被激光能量激活。物理化学反应形成活化金属核。除了活化作用外，同时还起对塑料浅表微处理作用，产生微观粗糙的表面，以确保金属化的铜能嵌入，保证良好的镀层结合力。

3、金属化：LPKF-LDSTM技术采用化学镀的方法沉积铜。首先是清洁制程，然后在化学镀铜槽里形成铜导轨，一般沉铜速度为8-12 μm 每小时，最后，可以再化学镀镍和闪镀金。除此以外，也可以涂敷如：Sn, Ag, Pd/Au, OSP等涂层。

4、组 装：适用于LPKF-LDSTM技术的可活化塑料中，已经有高热稳定性材料，比如LCP, PA 6/6T 或者PBT/PET共混物，这些塑料都可以耐回流焊，兼容标准SMT制程。因为焊点的高度可能不同，所以通常采用点胶方法往焊盘上涂覆焊锡膏。现在，适合3D的贴装技术已经成熟，已有一些供应商提供3D组装方案。