1.3
LCP材料的应用

LCP材料的产能主要集中在美国和日本，行业集中度较高。2019年全球LCP树脂产能约为7.6万吨，主要集中在美国、日本和中国，占比分别为34%、45%和21%。在电子电器领域，LCP可应用于高密度连接器、线圈架、线轴、基片载体、电容器外壳等；在汽车工业领域，LCP可用于汽车燃烧系统元件、燃烧泵、隔热部件、精密元件、电子元器件等；在航空航天领域，LCP可用于雷达天线屏蔽罩、耐高温耐辐射壳体等领域 ^[7] 。

（1）封装基板材料。

传统的封装基板材料多采用环氧玻璃、氟系列和陶瓷。目前市场上最常用的是玻璃纤维环氧树脂（FR-4），但是对于超过10GHz的高频系统，其电性能非常差，因此在高频领域的应用受到了很大的限制 ^[8] 。对于氟系列介质基板PTFE，其具有非常稳定的化学性能和高频高温下优异的电气性能，优于常用的热固性材料，但玻璃纤维化温度很低，因而刚性很差。在制作PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）的过程中，需要特殊的加工工艺，导致高频PCB的成品率不高而成本相对较高 ^[9] 。而对于陶瓷基板材料，主要有Al ₂ O ₃ 、SiC、Si ₃ N ₄ 等，其具有良好的热学、电学性质及力学性能，应用较广泛。LCP可以加入高填充剂作为集成电路封装基板材料，以代替环氧树脂作为线圈骨架的封装基板材料或作为光纤电缆接头护头套和高强度元件，代替陶瓷作为化工用分离塔中的填充材料等。而近年来随着无线通信产业的迅猛发展，低介电常数、高力学强度、便于高频信号传输的多层低温共烧陶瓷（LTCC）基板的应用也越来越广泛 ^[10] 。与传统的PCB和LTCC基板相比，LCP基板有很多优良的特性，具体参数比较如表1.3所示，计算机用封装基板、汽车控制电路用基板及其他高密度封装基板也更多地采用多层LTCC基板。近年来，PPO（聚苯醚）树脂及其改性树脂具有良好的力学性能、绝缘性能、耐热性能等，已成为高性能高频电路基板材料的可选产品。

（2）高强度高模量材料。

LCP材料具有低吸湿性、耐化学腐蚀性、耐候性能、耐热性能、阻燃性及低介电常数和介电损耗因数等特点，并且分子主链或侧链带有介晶基元的液晶高分子，在外力场容易发生分子链取向。利用这一特性可制得高强度高模量材料。例如，PPTA（聚对苯二甲酸对苯二胺）在用浓硫酸溶液纺丝后，可得到著名的Kevlar纤维，比强度为钢丝的6～7倍，比模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，而密度只有钢丝的1/5。此纤维可在-45～200℃下使用。LCP具有高强度、高模量和低相对密度的特点，可用于雷达天线罩、飞机、防弹背心、火箭外壳材料、软着陆降落伞绳带和海底电视电缆等 ^[11] 。

（3）柔性电路设计。

最初，美国发明TLCP材料后将其主要作为微波炉等其他炉具的耐高温材料。由于利润不高，美国逐渐退出生产领域，而日本则持续关注LCP材料的生产和研发。随着工程领域对特殊性材料的需求日益增长，LCP因其特有的物理性能重新进入大众的视野。由于LCP具有柔韧性，更容易与汽车发动器罩、飞机机翼前沿等弯曲表面相匹配，可以进行柔性电路设计，因此可广泛应用于航空航天、医疗、个人穿戴电子设备、车载电子系统等领域 ^[12] 。其他功能应用也很广泛，如消费材料类用于电磁炉灶容器、包装材料及体育器材；医疗器材类用于外科设备、插管、腹腔镜和齿科材料等；体育器材用于网球拍、滑雪器材等；视听设备用于耳机开关、扬声器振动板等材料。近年来，已有国内外学者针对柔性电路进行了大量研究和商业应用。图1.5展示了一些使用柔性材料制作的产品，我国新研制的“歼-20”飞机的前机身两侧和下方蒙皮表面没有像三代机那样大量使用突出于机身的刀形天线，而是使用数量繁多的嵌入式共性天线，如图1.5（a）所示；由电子科技大学宋远强副教授、张怀武教授和哈尔滨工业大学解维华研究小组联合研发的可同时感应压力和摩擦力的柔性电子感应皮肤如图1.5（b）所示；华为公司新推出的折叠屏手机如图1.5（c）所示；可穿戴设备如图1.5（d）所示。

（4）塑料加工助剂。

LCP具备的许多独特的性能使它在塑料加工助剂行业中的应用日益广泛。利用液晶性，可以将其作为PET的结晶成核剂，改善PET工程塑料加工性；利用高强度高模量的特性，可以将其制成纤维，替代玻璃纤维、矿物填料，达到减轻对设备的磨耗及降低材料比重的目的，或者直接将TLCP与其他树脂形成原位复合，起到提高强度和模量的作用，可以实现许多通用塑料的高性能化。借助加工设备，TLCP可与高分子材料实现分子水平的复合，所制备的分子复合材料具有更优异的综合性能。利用高流动性的特点，可以将其作为难以加工成型的塑料的流动改性剂，扩大某些因流动性差而很难热塑成型的塑料或根本无法热塑成型的塑料的应用范围。总之，TLCP 除了可直接用于高性能制品，还是有效的改性增强剂和塑料加工助剂，被誉为21世纪的新材料。

（5）基站天线振子。

天线振子是天线的核心部件，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。目前，振子的材料均为金属，主要问题是造价昂贵且质量过大，给天线的质量控制带来了很大的难度。而使用塑料作为天线主材，不仅可大幅度地减小质量，而且可以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）与金属相结合，用LDS做天线振子，背面采用金属降低成本，不需要所有的地方都做化学镀；二是用PPS（聚苯硫醚）或LCP做电镀。由于需要SMT（表面贴装技术）回流焊，因此选择的基本上都是高温工程塑料。现在有些厂商采用PPS，今后会用LCP，LCP的介电损耗更低，在2.5 GHz的情况下PPS的介电损耗约为4%。振子用LCP材料的原因是在实际频率下，LCP的介电损耗为1.5%，在2.5 GHz的情况下可能会更低。5G天线振子目前使用PPS较多，但最后还是会被LCP替代。基站天线振子的形状如图1.6所示。