Učinkovitost PP folij različnih debelin v embalaži elektronskih komponent

Polipropilenske (PP) folije so postale ključni material v embalaži elektronskih komponent zaradi svoje odlične izolacije, kemične odpornosti in zmogljivosti obdelave. Zlasti pri aplikacijah visokofrekvenčne komunikacije, močnostne elektronike in fleksibilnih vezij parameter debeline polipropilenskih filmov neposredno vpliva na njihove dielektrične lastnosti, mehansko trdnost in zmogljivost toplotnega upravljanja. Analizirane so fizične značilnosti, scenariji uporabe in strategije optimizacije delovanja PP folij različnih debelin.

1.1 Z debelino-odvisna dielektrična konstanta in izguba
Dielektrična konstanta (epsilon r) PP folij je na splošno med 2,2 in 2,3, vendar ima sprememba debeline pomemben vpliv na karakteristike prenosa visokofrekvenčnih signalov. Na primer, pri biaksialno usmerjenih polipropilenskih (BOPP) filmih je zmanjšanje debeline s 4 mikronov na 2 mikrona zmanjšalo tangens dielektrične izgube (tandelta) z 0,0003 na 0,00015 pri 1 MHz. To zmanjšanje izgube je posledica zmanjšanja zmanjšane polarizacije orientacije dipola v filmih -- njihove tesneje poravnane molekularne verige skrajšajo dolžino časov relaksacije polarizacije in s tem disipacijo energije.
V embalaži filtrov baznih postaj 5G imajo kondenzatorji, ki uporabljajo 3 μm ultra-tanke PP folije, 40 % enakovredno serijsko upornost v primerjavi s tistimi, ki uporabljajo 6 μm folije, kar bistveno izboljša učinkovitost filtriranja signala. Eksperimentalni podatki kažejo, da se pri 10 GHz vnesena izguba zmanjša za 0,02 dB/cm za vsak 1 mikron zmanjšanja debeline filma, kar je ključnega pomena za ohranjanje celovitosti signala v visoko-frekvenčnih vezjih.
1.2 Nelinearna povezava med lomno poljsko jakostjo in debelino
DC prebojna poljska jakost polipropilenskih filmov je obratno sorazmerna z debelino: E _ bd 1/ d. Ko se debelina poveča z 10 mikronov na 20 mikronov, se prelomna poljska jakost zmanjša s 650 na 460 voltov na meter. Ta nelinearna značilnost je posledica statistične porazdelitve notranjih napak -- debelejše membrane imajo večjo verjetnost, da vsebujejo napake, kar poslabša učinke koncentracije polja lokalnih električnih polj.
Pri zasnovi ultra{0}}visoko{1}}napetostnih kondenzatorjev za prenos enosmernega toka lahko 8 μm polipropilenske folije delujejo pri 1200 voltih, medtem ko lahko μm folije prenesejo samo 900 voltov v isti strukturi. Poljska jakost razgradnje razgradnje 10-mikronskih 10 μm filmov je povišana na 720 720 V/μm modifikacije nano-silicijevega dioksida, kar presega tradicionalno mejo trdnosti debeline.

2.1 Uravnoteženje odpornosti proti prebadanju in prožnosti
Polipropilenske (PP) folije kažejo pomemben mejni učinek debeline na mehanske lastnosti. Penetracija (standard ASTM D4833) se je močno zmanjšala s 3,2 N/m na 1,8 N/m, raztezek (ASTM D882) pa se poveča s 120 % na 180 %, če je bila debelina manjša od 5 μm. Zaradi te lastnosti so ultra-tanke PP folije edinstvena prednost pri fleksibilni embalaži PCB – lahko prenesejo lokalne obremenitve 0,5 N, medtem ko se prilagajajo dinamičnemu upogibanju s polmerom 3 mm.
Toplotna prevodnost 4 μm PP/grafenskega kompozitnega filma paketa senzorjev nosljive naprave je bila 1,2 W/m K, kar je petkrat več kot čisti PP film. Tehnologija samo-zdravljenja mikrokapsul lahko v 10 minutah popravi 0,1 milimetrsko razpoko v membrani do 85 % prvotne trdnosti.
2.2 Ujemanje koeficienta toplotnega raztezanja in zanesljivost pakiranja
Embalaža elektronskih komponent zahteva, da se faktor toplotnega raztezanja (CTE) polipropilenskih folij natančno ujema z bakreno folijo (17 ppm/stopinjo) ali keramično podlago (6–8 ppm/stopino). Učinek debeline na CTE je bil anizotropen: vzdolžni CTE se zmanjša s 50 ppm/stopino na 35 ppm/stopino z naraščajočo debelino, medtem ko se prečni CTE stabilizira pri 80-90 ppm/oC. Ta razlika je posledica procesa biaksialnega raztezanja pri proizvodnji tankih filmov -- usmerjenost vzdolžne usmerjenosti molekularne verige se z naraščajočo debelino zmanjšuje.
Uporaba 8 μm PP folij kot vmesnih produktov v embalaži modula IGBT zmanjša neusklajenost med CTE in silicijevimi čipi (2,6 ppm/stopinjo) z 42 % (15 μm folije) na 28 %, s čimer se znatno zmanjša odpoved zaradi utrujenosti spajkanja zaradi termičnega cikla. Gradientne PP/poliimidne (PI) folije, proizvedene s ko-ekstruzijo, lahko zmanjšajo mejno napetost za 60 % in podaljšajo življenjsko dobo modula na 20 let.

3.1 Smernice za načrtovanje električne elektronike
Pri zasnovi novega kondenzatorskega kondenzatorja mora debelina filma uravnotežiti energijsko gostoto in zanesljivost. Poskusi kažejo, da so imeli kondenzatorji, ki uporabljajo 6 μm PP filme, volumetrično gostoto energije 1,2 joula/cm3, kar je 80 % več kot 12 film, vendar se je začetna napetost delne razelektritve zmanjšala s 1100 na 950 voltov.
V pogonskih pretvornikih motorja električnih vozil imajo kondenzatorji, ki uporabljajo 4-mikronsko metalizirano polipropilensko folijo, kapaciteto 150 mikronov, kar je 120 odstotkov več kot pri 8 μm folijah, medtem ko ESR zmanjšajo na 5 omega, kar ustreza preklopni frekvenci (200 kHz), ki je potrebna za napajalne naprave SiC.
3.2 Ultra-Trend redčenja v visoko-komunikaciji
Filtri za bazne postaje 5G imajo stroge zahteve glede debeline PP folije. Pri 28 GHz je imel 0,8 μm ultra-tanek film BOPP dielektrično izgubo le 0,00008, kar je 60 % manj kot pri filmih 3 μm, kar je zmanjšalo vstavljeno izgubo filtra z 0,8 dB na 0,3 dB. Z nanašanjem atomske plasti (ALD) se na površini filma razvije 20 nm plast aluminijevega oksida, ki poveča površinsko upornost s 1014 Ω na 1016 Ω, da se izpolnijo zahteve za zaščito milimetrskih valov.
V embalaži optičnega modula je dielektrik temperaturni koeficient dielektrične konstante 1,5 μm PP film, ki se uporablja kot izolacijska plast samo -50 ppm/stopinjo, kar je veliko več kot pri običajnih poliimidnih filmih (-150 ppm/oC), kar zagotavlja kakovost očesnega diagrama signala visoke hitrosti (25 Gbps).

4.1 Inovacija večplastne kompozitne strukture
ko-ekstrudiranje omogoča natančen nadzor debeline (2–10 μm) je mogoče doseči s ko-ekstruzijo PP/nanoceluloznih kompozitnih filmov s toplotno prevodnostjo 2,5 W/(m·K) za izpolnjevanje zahtev visoke gostote embalaže. Poskusi kažejo, da po 1000 termičnih ciklih (od -40 stopinj do 125 stopinj) 3 μm kompozitna folija ohrani 92-odstotno trdnost vmesnega sloja, kar je 40 % več kot čiste PP folije.
4.2 Inteligentna tehnologija modulacije debeline
Elektrokromnim PP folijam je mogoče dinamično prilagajati debelino med 1 in 5 mikroni v skladu z elektrokemijskimi principi. Pri baznih postajah 5G se filmi samodejno zgostijo na 3 μm pri visoki moči, da se zmanjša izguba, in na 1 mikron pri nizki moči, da se izboljša gostota integracije. Preliminarni testi kažejo, da lahko pametni film zmanjša porabo energije za 15 % na bazni postaji.
Zaključek:
Debelina polipropilenskega filma neposredno določa njegovo delovanje v embalaži elektronskih komponent. Polipropilenske folije lahko zadovoljijo potrebe od mikroelektronike do močnostne elektronike z optimizacijo dielektričnih lastnosti, mehansko toplotno ujemajočo zasnovo in posebnim prilagajanjem aplikacij. Prihodnji napredek nanokompozitnih tehnologij in pametnih materialov bo razširil njihovo uporabo na področjih, kot so visoko-frekvenčne komunikacije, nova energija in vesoljski promet, ter usmeril elektronsko embalažo k visoki gostoti, zanesljivosti in energetski učinkovitosti.