اجرای فیلم های PP با ضخامت های مختلف در بسته بندی قطعات الکترونیکی

فیلم های پلی پروپیلن (PP) به دلیل عایق عالی، مقاومت شیمیایی و عملکرد پردازش، به یک ماده کلیدی در بسته بندی قطعات الکترونیکی تبدیل شده اند. به خصوص در کاربردهای ارتباطات فرکانس بالا، الکترونیک قدرت و مدارهای انعطاف پذیر، پارامتر ضخامت لایه های پلی پروپیلن به طور مستقیم بر خواص دی الکتریک، استحکام مکانیکی و قابلیت های مدیریت حرارتی آنها تأثیر می گذارد. ویژگی‌های فیزیکی، سناریوهای کاربردی و استراتژی‌های بهینه‌سازی عملکرد فیلم‌های PP با ضخامت‌های مختلف تحلیل می‌شوند.

1.1 ثابت دی الکتریک مرتبط با ضخامت و تلفات
ثابت دی الکتریک (epsilon r) فیلم های PP معمولاً بین 2.2 و 2.3 است، اما تغییر ضخامت تأثیر قابل توجهی بر ویژگی های انتقال سیگنال های فرکانس بالا دارد. برای مثال، در فیلم‌های پلی پروپیلن جهت‌دار دو محوره (BOPP)، کاهش ضخامت از 4 میکرون به 2 میکرون، مماس از دست دادن دی‌الکتریک (تاندلتا) را از 0.0003 به 0.00015 در 1 مگاهرتز کاهش داد. این کاهش اتلاف به دلیل کاهش پلاریزاسیون جهت دوقطبی در لایه‌ها است - زنجیره‌های مولکولی نزدیک‌تر آن‌ها طول زمان آرامش قطبش و در نتیجه اتلاف انرژی را کاهش می‌دهند.
در بسته‌بندی فیلتر ایستگاه پایه 5G، خازن‌هایی که از فیلم‌های PP فوق نازک 3 میکرومتری استفاده می‌کنند، در مقایسه با خازن‌هایی که از فیلم‌های 6 میکرومتری استفاده می‌کنند، 40 درصد مقاومت سری معادل از خود نشان می‌دهند که به طور قابل توجهی کارایی فیلتر سیگنال را بهبود می‌بخشد. داده‌های تجربی نشان می‌دهند که در 10 گیگاهرتز، افت ورودی به ازای هر کاهش 1 میکرون در ضخامت فیلم، 0.02 دسی‌بل بر سانتی‌متر کاهش می‌یابد، که برای حفظ یکپارچگی سیگنال در مدارهای فرکانس بالا بسیار مهم است.
1.2 رابطه غیر خطی بین قدرت میدان شکست و ضخامت
قدرت میدان شکست DC لایه های پلی پروپیلن با ضخامت نسبت عکس دارد: E_bd 1/d. هنگامی که ضخامت از 10 میکرون به 20 میکرون افزایش می یابد، قدرت میدان شکست از 650 به 460 ولت بر متر کاهش می یابد. این مشخصه غیرخطی ناشی از توزیع آماری عیوب داخلی است - غشاهای ضخیم‌تر احتمال بیشتری دارند که دارای نقص باشند و اثرات غلظت میدان میدان‌های الکتریکی محلی را تشدید می‌کنند.
در طراحی خازن‌های انتقال DC با ولتاژ فوق‌العاده-بالا{{1}، فیلم‌های پلی‌پروپیلن 8 میکرومتری می‌توانند در ولتاژ 1200 ولت کار کنند، در حالی که فیلم‌های میکرومتر تنها می‌توانند 900 ولت را در همان ساختار تحمل کنند. قدرت میدان شکست شکست در یک فیلم 10{10}}میکرون 10 میکرومتری به 720 720 V/μm اصلاح دوپینگ نانوسیلیکا افزایش می‌یابد که از حد مقاومت ضخامت سنتی فراتر می‌رود.

2.1 متعادل کردن مقاومت و انعطاف پذیری در برابر سوراخ
فیلم های پلی پروپیلن (PP) تاثیر آستانه ضخامت قابل توجهی بر خواص مکانیکی از خود نشان می دهند. نفوذ (استاندارد ASTM D4833) به شدت از 3.2 نیوتن بر متر به 1.8 نیوتن بر متر کاهش یافت و ازدیاد طول (ASTM D882) زمانی که ضخامت کمتر از 5 میکرومتر بود از 120% به 180% افزایش یافت. این ویژگی باعث می‌شود که لایه‌های{9}}PP فوق‌العاده نازک در بسته‌بندی انعطاف‌پذیر PCB یک مزیت منحصربه‌فرد باشند -- آنها می‌توانند تنش‌های موضعی 0.5 نیوتن را تحمل کنند در حالی که با خمش دینامیکی با شعاع 3 میلی‌متر سازگار می‌شوند.
رسانایی حرارتی فیلم کامپوزیت 4 میکرومتری PP/گرافن یک بسته حسگر دستگاه پوشیدنی 1.2 وات بر متر کلوین بود که پنج برابر یک فیلم PP خالص است. فناوری خودترمیمی میکروکپسول می‌تواند یک ترک 0.1 میلی‌متری در غشا را تا 85 درصد قدرت اولیه آن در 10 دقیقه ترمیم کند.
2.2 ضریب انبساط حرارتی مطابقت و قابلیت اطمینان بسته بندی
بسته بندی قطعات الکترونیکی مستلزم آن است که ضریب انبساط حرارتی (CTE) فیلم های پلی پروپیلن با فویل مسی (17ppm/درجه) یا بستر سرامیکی (6-8ppm/درجه) مطابقت داشته باشد. اثر ضخامت بر CTE ناهمسانگرد بود: CTE طولی با افزایش ضخامت از 50 ppm / درجه به 35 ppm / درجه کاهش می‌یابد، در حالی که CTE عرضی در 80-90 ppm / oC تثبیت می‌شود. این تفاوت به دلیل فرآیند کشش دو محوری در تولید لایه نازک است - جهت گیری زنجیره مولکولی طولی با افزایش ضخامت کاهش می یابد.
استفاده از فیلم‌های PP 8 میکرومتری به‌عنوان واسطه در بسته‌بندی ماژول IGBT، عدم تطابق بین CTE و تراشه‌های سیلیکونی (2.6 ppm/درجه) را از 42 درصد (فیلم‌های 15 میکرومتر) به 28 درصد کاهش می‌دهد و به طور قابل‌توجهی باعث کاهش خستگی ناشی از چرخه حرارتی می‌شود. فیلم‌های گرادیان PP/پلی‌آمید (PI) تولید شده با اکستروژن همزمان می‌توانند تنش سطحی را تا 60 درصد کاهش دهند و طول عمر ماژول را تا 20 سال افزایش دهند.

3.1 دستورالعمل های طراحی برای الکترونیک الکتریکی
در طراحی خازن اینورتر انرژی جدید، ضخامت فیلم باید چگالی انرژی و قابلیت اطمینان را متعادل کند. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که خازن‌هایی که از فیلم‌های PP 6 میکرومتری استفاده می‌کنند، چگالی انرژی حجمی 1.2 ژول بر سانتی‌متر مکعب دارند، 80 درصد بیشتر از فیلم 12، اما ولتاژ ابتدایی تخلیه جزئی از 1100 به 950 ولت کاهش یافته است.
در اینورترهای محرک موتور خودروهای الکتریکی، خازن‌هایی که از یک فیلم پلی پروپیلن متالایز 4 میکرونی استفاده می‌کنند، ظرفیت 150 میکرون دارند که 120 درصد بیشتر از فیلم‌های 8 میکرومتر است، در حالی که ESR را به 5 امگا کاهش می‌دهند و فرکانس سوئیچینگ (200 کیلوهرتز) مورد نیاز برای دستگاه‌های قدرت SiC را برآورده می‌کنند.
3.2-روند نازک شدن فوق العاده در ارتباطات با فرکانس بالا-
فیلترهای ایستگاه پایه 5G الزامات سختگیرانه ای برای ضخامت فیلم PP دارند. در فرکانس 28 گیگاهرتز، یک فیلم فوق نازک 0.8 میکرومتر BOPP تنها 0.00008 افت دی الکتریک داشت، 60 درصد کمتر از فیلم‌های 3 میکرومتر، و افت درج فیلتر را از 0.8 دسی‌بل به 0.3 دسی‌بل کاهش داد. از طریق رسوب لایه اتمی (ALD)، یک لایه آلومینا 20 نانومتری بر روی سطح فیلم رشد می‌کند و مقاومت سطح را از 1014 Ω به 1016 Ω افزایش می‌دهد تا نیازهای محافظ موج میلی‌متری را برآورده کند.
در بسته بندی ماژول نوری، دی الکتریک یک ضریب دمای ثابت دی الکتریک یک فیلم PP 1.5 میکرومتر به عنوان لایه ایزوله فقط -50 ppm/درجه، بسیار بالاتر از فیلم های پلی آمید معمولی (-150 ppm/oC) استفاده می شود، که کیفیت سیگنال با کیفیت چشمی با سرعت بالا را تضمین می کند (25Gbps).

4.1 نوآوری در ساختار کامپوزیت چندلایه
اکستروژن co{0}کنترل ضخامت دقیق (2 تا 10 میکرومتر) را می‌توان با اکستروژن همزمان لایه‌های کامپوزیت PP / نانوسلولز با رسانایی حرارتی 2.5 W/(m·K) برای پاسخگویی به نیازهای بسته‌بندی با چگالی توان بالا به دست آورد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پس از 1000 چرخه حرارتی (40- درجه تا 125 درجه)، یک فیلم کامپوزیت 3 میکرومتر، 92 درصد استحکام لایه‌برداری بین لایه‌ای را حفظ می‌کند که 40 درصد بیشتر از فیلم‌های PP خالص است.
4.2 فناوری مدولاسیون ضخامت هوشمند
لایه های PP الکتروکرومیک را می توان به صورت دینامیکی در ضخامت بین 1 تا 5 میکرون بر اساس اصول الکتروشیمیایی تنظیم کرد. در ایستگاه های پایه 5G، فیلم ها به طور خودکار تا 3 میکرومتر در توان بالا برای کاهش تلفات و 1 میکرون در توان کم برای بهبود چگالی یکپارچه سازی ضخیم می شوند. آزمایشات اولیه نشان می دهد که فیلم هوشمند می تواند مصرف انرژی را تا 15 درصد در ایستگاه پایه کاهش دهد.
نتیجه گیری:
ضخامت فیلم پلی پروپیلن به طور مستقیم عملکرد آن را در بسته بندی قطعات الکترونیکی تعیین می کند. فیلم های پلی پروپیلن می توانند نیازها از میکروالکترونیک تا الکترونیک قدرت را از طریق بهینه سازی ویژگی دی الکتریک، طراحی تطبیق حرارتی مکانیکی و سفارشی سازی برنامه های خاص برطرف کنند. پیشرفت‌های آینده در فناوری‌های نانوکامپوزیت و مواد هوشمند، کاربردهای آن‌ها را در زمینه‌هایی مانند ارتباطات با فرکانس بالا، انرژی‌های جدید و هوافضا، و بسته‌بندی الکترونیکی را به سمت چگالی بالا، قابلیت اطمینان و بهره‌وری انرژی سوق خواهد داد.