أفلام البوليمر البلوري السائل (LCP) في صناعة الإلكترونيات

1 مقدمة

بوليمر الكريستال السائل (LCP) هو فئة فريدة من البوليمر عالي الأداء الذي يُظهر سلوكًا بلوريًا سائلًا عند تسخينه أو إذابته في مذيبات. وتمنح هذه الخاصية البوليمرات البلورية السائلة مزيجًا مميزًا من السيولة والترتيب الجزيئي، مما ينتج عنه مادة معروفة بمقاومتها الحرارية الاستثنائية وخصائصها العازلة وثبات أبعادها.

تتميز LCPs ببنية جزيئية صلبة تشبه القضبان، وتُظهر LCPs تعبئة جزيئية محكمة وقوى جزيئية عالية، مما يوفر أداءً فائقًا في درجات الحرارة العالية وامتصاصًا منخفضًا للغاية للماء وخصائص تدفق متميزة. ومع تطورها في سبعينيات القرن العشرين، تطورت مواد LCP إلى الأنواع الأول والثاني والثالث، ويتميز كل منها بتركيبات هيكلية وخصائص حرارية فريدة تناسب مختلف تطبيقات الإلكترونيات والاتصالات والتصنيع الصناعي.

ومن بين منتجات LCP، تُعتبر أغشية LCP ذات قيمة خاصة لثباتها في ظل ظروف عالية السرعة وعالية التردد، مما يجعلها مثالية للتغليف الإلكتروني المتقدم وأنظمة الاتصالات.

الشكل 1 مبدأ العرض البلوري السائل

2 مقدمة عن فيلم LCP

2.1 ما هو فيلم LCP؟

البوليمر الكريستالي السائل (LCP) هو جزيء كبير يمكن أن يوجد في حالة بلورية سائلة بعد صهره بالحرارة أو إذابته بالمذيب. بعد ذوبانه أو إذابته بواسطة مذيب، يتحول من مادة ثابتة جامدة إلى مادة سائلة ذات سيولة، مع الحفاظ على اتجاه وترتيب المادة البلورية. وبالتالي، تتشكل السيولة السائلة والجزيئات البلورية في ترتيب منظم لخصائص الحالة البلورية السائلة، والمعروفة باسم "البلاستيك الهندسي الفائق". من التركيب الجزيئي، يحتوي LCP على بنية سلسلة جزيئية صلبة على شكل قضيب، ويمكن أن تكون السلسلة الجزيئية ذات ترتيب عالي التوجيه، وهيكل تكديس قوى متقاربة وكبيرة بين الجزيئات. ونظراً لهيكله الجزيئي الخاص، مقارنةً بمواد البوليمر الأخرى، فإنه يتمتع بمقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية، وخصائص عازلة، وثبات جيد في الأبعاد، وسيولة عالية جداً، وامتصاص منخفض جداً للماء.

الشكل 2 التركيبالجزيئي لحالات المادة المختلفة

2.2 تاريخ تطور فيلم LCP

حدث تطور البوليمرات البلورية السائلة (LCPs) على مدى عدة عقود، مع ظهور ابتكارات من مناطق وشركات مختلفة. يمكن إرجاع تاريخ إنتاج LCPs إلى أوائل السبعينيات عندما تم تقديم أنواع مختلفة من LCP.

• النوع الأول من LCP: تم تطوير أول نوع من LCP تم تسويقه، والمعروف باسم إيكونول، في الولايات المتحدة في عام 1972. كان يعتمد على مونومرات مثل حمض ب-هيدروكسي بنزويك (PHB) وثنائي الفينول أ (BP) وحمض التيريفثاليك (TPA)، مما منحه بنية جزيئية شديدة الصلابة ومقاومة ممتازة للحرارة، مما يجعله مناسباً للمكونات الإلكترونية مثل الموصلات. في عام 1979، قامت شركة سوميتومو كيميكال في اليابان بتطوير هذه التقنية بشكل أكبر من خلال التطوير المستقل لسلسلة E2000، مما جعل اليابان لاعباً رئيسياً في إنتاج LCP.
• النوع الثاني من LCP: في عام 1984، طرحت شركة Hoechst-Celanese النوع الثاني من LCP، الذي يحمل العلامة التجارية Vectra، مما يمثل قفزة كبيرة في تكنولوجيا LCP. قدم النوع الثاني من LCP، الذي يتكون من حمض بي-هيدروكسي بنزويك (PHB) وحمض 6-هيدروكسي 2-نافثويك (HNA)، تركيبة جزيئية أبسط وخصائص ميكانيكية أفضل، مما يجعله مناسباً بشكل خاص للمواد الهوائية. وبحلول عام 1996، انتشرت هذه التكنولوجيا على مستوى العالم، حيث أنتجت شركة بولي بلاستيك LCP تحت العلامة التجارية LAPEROS.
• النوع الثالث من LCP: قدمت شركة إيستمان كوداك النوع الثالث من LCP في عام 1976، مع بدء الإنتاج في عام 1986 تحت الاسم التجاري X-7G. يتميز هذا النوع بهيكل مرن قائم على الإستر، يجمع بين حمض الهيدروكسي بنزويك (حمض الهيدروكسي بنزويك) والبولي إيثيلين تيريفثاليت (بولي إيثيلين تيريفثاليت)، ولكن مقاومته المنخفضة للحرارة حدّت من استخدامه في المقام الأول في أنابيب التوصيل البلاستيكية وأجهزة الاستشعار.

الشكل 3 تاريخ تطور LCP

2.3 تصنيف أفلام LCP

يمكن تصنيف أفلام LCP بناءً على خصائصها الجزيئية وطرق معالجتها وتطبيقات الاستخدام النهائي. تساعد هذه التصنيفات في تحديد مادة LCP المناسبة للأغراض الصناعية المختلفة.

2.3.1. التصنيف حسب تكوين البلورات السائلة

وفقاً للظروف المختلفة لتوليد البلورات السائلة، يمكن تصنيف LCP إلى LCP إلى LCP الموجه بالليزر (LLCP) وLCP الموجه بالحرارة (TLCP) وبلورات سائلة موجهة بالبيزوتروبيك.

• البلورات السائلة ذات الخواص الانضغاطية نادرة نسبيًا;
• تحتاج LCPs LCPs ذات الخواص الليوتروبية إلى المعالجة في محلول وتستخدم بشكل عام كألياف وطلاءات;
• يمكن معالجةالبلورات السائلة المتغيرة الخواص الحرارية في الحالة المنصهرة لإنتاج مواد من فئة الحقن والليفية والرقائق. وهي الأكثر استخدامًا حاليًا.

الشكل 4 رسم تخطيطي لمخطط تخطيطي لـLCP و TLCP

2.3.2. التصنيف حسب درجة المنتج

وفقًا لمتطلبات المنتج، يمكن تقسيم LCP إلى مواد من فئة الحقن، والأغشية، ومواد من فئة الألياف.

• تُستخدممادة LCP من درجة الحقن بشكل رئيسي في قولبة الحقن لتشكيل أشكال هندسية معقدة من خلال السيولة في درجات حرارة عالية. وتتميز بمقاومة ممتازة للحرارة والمقاومة الكيميائية والقوة الميكانيكية، وهي مناسبة لإنتاج أجزاء عالية الدقة.
• يُستخدم غشاء LCP من الدرجة الفيلمية بشكل أساسي لإنتاج أغشية عالية الأداء ذات مقاومة جيدة للحرارة والعزل الكهربائي والاستقرار الكيميائي. الميزة الرئيسية لأغشية LCP هي ثابت العزل الكهربائي المنخفض وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للتطبيقات عالية التردد في الصناعات الإلكترونية والكهربائية.
• يمكن معالجةLCP من فئة الألياف إلى ألياف عالية القوة مع قوة شد ومعامل عالية، وغالباً ما تُستخدم لتقوية المواد المركبة. ويتميز LCP من فئة الألياف بمقاومة ممتازة للحرارة والثبات الكيميائي وثبات الأبعاد، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الألياف عالية الأداء.

2.3.3. التصنيف حسب مقاومة الحرارة والبنية الجزيئية

بناءً على الاختلاف بين المونومرات المركبة وخصائص إنتاج الحرارة، يمكن تصنيف مواد LCP إلى النوع الأول والنوع الثاني والنوع الثالث.

• يتألف التركيب الجزيئي لغشاء LCP من النوع الأول من حمض ب-هيدروكسي بنزويك وثنائي الفينول أ وحمض الفثاليك (PHB وPP وTPA). درجة حرارة التشويه الحراري من النوع الأول LCP في 250-350 ℃، ومقاومة الحرارة جيدة نسبياً؛ ولكن في المقابل، أداء المعالجة من النوع الأول LCP ضعيف، ويستخدم بشكل أساسي للمكونات الإلكترونية مثل الموصلات.
• يتكون مونومر فيلمLCP منالنوع الثاني من النوع الثاني من مونومر النوع الثاني من حمض p-hydroxybenzoic وحمض الكربوكسيل 6-هيدروكسي 2-نافثالين الكربوكسيل (PHB وHNA)، وتتراوح درجة حرارة التشويه الحراري من 180-250 ℃؛ في مقاومة الحرارة العالية في نفس الوقت تأخذ في الاعتبار أداء معالجة المادة، وهي الأنسب للاستخدام كمواد هوائي.
• يتكونالمونومر منالنوع الثالث من HBA وPET، ودرجة حرارة التشوه الحراري 100-200 ℃، ودرجة حرارة التشوه الحراري LCP من النوع الثالث، وأداء مقاومة الحرارة ضعيف نسبيًا، لذلك فهو أقل استخدامًا في الوقت الحاضر.

الجدول 1 3 أنواع LCP

الأنواع	درجة حرارة التشوه الحراري	التركيب الجزيئي
النوع الأول	250-350℃
النوع الثاني	180-250℃
النوع الثالث	100-200℃

3 خصائص منتج فيلم LCP

3.1 ثابت عازل كهربائي منخفض مستقر وخسارة عازلة عند السرعة العالية والتردد العالي

ثابت العزل الكهربائي هو معلمة تقيس قدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية تحت مجال كهربائي. تتميز أغشية LCP بثوابت عازلة منخفضة للغاية، تتراوح عادةً بين 2.9 و3.5، مما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية السرعة وعالية التردد. كلما انخفض ثابت العزل الكهربائي، زادت سرعة انتقال الإشارة الكهربائية عبر المادة، مما يزيد من معدل الاتصال الكلي. وفي الوقت نفسه، تساعد قيم Dk المنخفضة على تقليل تأخير الإشارة وتشويهها، خاصةً عند إرسال إشارات عالية التردد. ويسمح ثابت العزل الكهربائي المنخفض لمركبات LCPs بالحفاظ على أداء ممتاز عند الترددات التي تزيد عن 10 جيجاهرتز، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في نطاقات الموجات المليمترية ومعدات اتصالات الجيل الخامس.

فقدان العزل الكهربائي هو فقدان الطاقة المحولة إلى حرارة بواسطة مادة ما تحت تأثير مجال كهربائي ويعكس فقدان الطاقة لمادة ما في توصيل الإشارة. يكون الفقد العازل الكهربائي للعازل الكهربائي منخفضًا للغاية، وعادةً ما يكون في نطاق 0.002 إلى 0.004. ويظل فقد الطاقة صغيرًا حتى عند الترددات العالية. وتعني قيمة Df المنخفضة فقدان طاقة أقل أثناء نقل الإشارة عند الترددات العالية، وهو أمر بالغ الأهمية للحفاظ على سلامة الإشارة وتقليل تداخل الضوضاء. يقلل فقدان العازل الكهربائي المنخفض بشكل فعال من توهين الإشارة في وصلة الإرسال ويضمن سلامة البيانات على مسافات طويلة أو بسرعات عالية، خاصةً في نطاق GHz. تولد مواد LCP حرارة أقل وتكون أقل عرضة لتشويه الإشارة أو تدهور المواد بسبب ارتفاع درجة الحرارة، مما يضمن التشغيل المستقر على مدى فترات طويلة في البيئات عالية التردد ودرجة الحرارة العالية.

ويسمح ثابت العزل الكهربائي المنخفض وفقدان العزل الكهربائي لأغشية LCP بالتفوق ليس فقط في درجات الحرارة العادية ولكن أيضًا على نطاق واسع من درجات الحرارة (-50 درجة مئوية إلى أكثر من 250 درجة مئوية). وهذا يجعلها مثالية لنقل الإشارات عالية السرعة وعالية التردد في البيئات القاسية.

يُعد ثابت العزل الكهربائي المنخفض باستمرار وفقدان العزل الكهربائي المنخفض لأغشية LCP (البوليمر البلوري السائل) في التطبيقات عالية السرعة وعالية التردد من الأسباب الرئيسية لانتشارها واستخدامها على نطاق واسع في الإلكترونيات الحديثة والاتصالات ونقل الإشارات عالية التردد.

الشكل 5 يقلل LCP بشكل كبير من خسائر الإرسال عالي التردد

3.2 امتصاص منخفض للماء ومعامل تمدد خطي حراري منخفض

توفر أغشية LCP (البوليمر البلوري السائل) مزايا كبيرة في تطبيقات الإلكترونيات والاتصالات عالية الدقة بسبب انخفاض امتصاص الماء ومعامل التمدد الخطي المنخفض. تلعب هاتان الخاصيتان دورًا رئيسيًا في استقرار أداء رقائق LCP في البيئات القاسية، خاصةً حيث يمكن أن تختلف الرطوبة ودرجة الحرارة بشكل كبير.

امتصاص الماء هو قدرة المادة على امتصاص الماء من بيئتها. يتميز غشاء LCP بمعدل امتصاص منخفض للغاية للماء، وعادةً ما يكون أقل من 0.04%. وهذا يعني أنها لا تمتص أي رطوبة تقريبًا ويظل أدائها مستقرًا حتى في البيئات عالية الرطوبة. يمكن أن يؤثر امتصاص الماء بشكل كبير على الخواص الكهربائية للمادة، مما يزيد من ثابت العزل الكهربائي وفقدان العزل الكهربائي. ومع ذلك، وبسبب امتصاص الماء المنخفض للغاية لأغشية LCP، فإن الرطوبة لها تأثير ضئيل للغاية على خواصها الكهربائية، مما يضمن جودة نقل الإشارة في البيئات الرطبة. ويعني الامتصاص المنخفض للماء أن الأبعاد الفيزيائية للمادة لا تتغير بشكل كبير نتيجة لامتصاص الماء، مما يضمن الحفاظ على دقة عالية في البيئات التي تتقلب فيها الرطوبة. وتمنح هذه الخصائص أسطح رقائق LCP مقاومة جيدة للرطوبة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في العبوات الإلكترونية الحساسة بيئيًا والأجهزة الخارجية لتوفير حماية إضافية.

معامل التمدد الحراري (CTE) هو نسبة طول المادة التي تتمدد مع زيادة درجة الحرارة مع تغير درجة الحرارة. عادةً ما يكون معامل التمدد الخطي لأفلام LCP في نطاق 10 جزء في المليون/درجة مئوية إلى 17 جزء في المليون/درجة مئوية، وهو أقل بكثير من العديد من المواد البلاستيكية الهندسية الأخرى والمواد عالية التردد. يسمح معامل التمدد الخطي المنخفض لأغشية LCP بالبقاء دون تغيير في أبعادها تقريبًا أثناء التغيرات الكبيرة في درجات الحرارة، مما يضمن عدم تشوهها في درجات الحرارة العالية أو في ظل ظروف التدوير الساخنة والباردة. يعد هذا الأمر بالغ الأهمية بالنسبة للإلكترونيات الدقيقة والدوائر عالية التردد، حيث يكون معامل CTE المنخفض ل LCP قريب من المواد الموصلة شائعة الاستخدام مثل النحاس، مما يقلل من التفكك أو التشقق أو فشل التوصيل بسبب عدم تطابق التمدد أثناء التدوير الحراري. يمكن لهذه الميزة أن تعزز موثوقية الجهاز بشكل كبير خاصةً في لوحات الدارات عالية السرعة وعالية التردد. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة أبعاد عالية جدًا، مثل الدوائر المرنة، وأجهزة الاستشعار، والحزم الإلكترونية الدقيقة، يضمن انخفاض CTE ثبات أبعاد أغشية LCP أثناء المعالجة الحرارية والمعالجة والاستخدام طويل الأجل.

الشكل 6 مقارنة فقدان الإرسال قبل وبعد امتصاص الرطوبة بين ركيزة LCP وركيزة PI

3.3 الثبات عالي الأبعاد وخصائص الحاجز

تُعد أغشية LCP (البوليمر البلوري السائل) مهمة في التطبيقات عالية الأداء بسبب ثبات أبعادها العالية وخصائصها الحاجزة المتميزة.

يرجع الثبات عالي الأبعاد لأفلام LCP إلى تركيبها الجزيئي الفريد من نوعه، خاصةً الترتيب البلوري السائل للجزيئات، والذي يسمح للمادة بالحفاظ على حجمها وشكلها عند تعرضها للحرارة أو الإجهاد. كما أن معامل التمدد الحراري (CTE) لأفلام LCP منخفض للغاية، مما يجعلها محصنة فعليًا ضد التمدد أو الانكماش الحراري في درجات الحرارة المرتفعة والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة. 17 جزء في المليون/ درجة مئوية، مما يؤدي إلى عدم وجود تمدد أو انكماش حراري تقريبًا في درجات الحرارة المرتفعة والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة. ومقارنةً بمواد البوليمر الأخرى، تُظهر أغشية LCP الحد الأدنى من التغير في الأبعاد عند درجات الحرارة المرتفعة، وهو أمر مهم في الأجهزة الحساسة للحرارة. تتمتع أغشية LCP بمقاومة جيدة للحرارة ويمكن أن تعمل عادةً في بيئات أعلى من 250 درجة مئوية مع الحفاظ على أبعادها الفيزيائية وشكلها. هذه الخاصية تجعل من الممكن الحفاظ على دقة عالية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية وتجنب تشوه المواد الناتج عن الحرارة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الترتيب الجزيئي والروابط الجزيئية عالية القوة لأغشية LCP تمنحها قوة شد ممتازة ومقاومة للصدمات، مما يسمح لها بالحفاظ على شكلها وأبعادها الأصلية حتى في ظل الإجهاد الميكانيكي. وهذا أمر بالغ الأهمية لموثوقية الإلكترونيات الدقيقة. ونظراً لهذا الثبات العالي في الأبعاد، تُستخدم أغشية LCP على نطاق واسع في لوحات الدارات عالية التردد، والدوائر المرنة، والحزم الإلكترونية الدقيقة، وغيرها من المجالات التي تتطلب أبعاداً دقيقة وثابتة للغاية لضمان موثوقية الأجهزة في الاستخدام طويل الأمد والبيئات القاسية.

تتميزأغشية LCP بخصائص ممتازة للحماية من الغازات والرطوبة والمواد الكيميائية وما إلى ذلك، مما يجعلها ذات أداء ممتاز في العديد من البيئات القاسية. تتمتع أغشية LCP بخصائص حاجز عالية للغاية لمجموعة كبيرة من الغازات (مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وغيرها). تُعد هذه الخاصية ضرورية لإطالة عمر المكونات الإلكترونية والمعدات الدقيقة، خاصةً عند الحاجة إلى منع الأكسدة. تتميز أغشية LCP بامتصاص منخفض جداً للماء، عادةً أقل من 0.04%، وتمنع تغلغل بخار الماء بشكل فعال. وهذا يمنحها ثباتاً ممتازاً في البيئات الرطبة ويمنع الرطوبة من التأثير على الخواص الكهربائية للمادة. ونتيجة لذلك، تُستخدم أغشية LCP بشكل شائع في الأجهزة والحزم الإلكترونية التي تتطلب موثوقية عالية ومقاومة عالية للرطوبة. كما أن أفلام LCP خاملة كيميائياً، مما يجعلها مقاومة لمجموعة كبيرة من الأحماض والقلويات والمذيبات والمواد الكيميائية. ويُعد ذلك أمرًا بالغ الأهمية في التصنيع والتطبيقات الكيميائية والصيدلانية والمكونات الإلكترونية، حيث يسمح بالتعرض طويل الأمد للبيئات المسببة للتآكل دون تدهور أو تلف.

شكل 7 يحدد التركيب الجزيئي الخاص ل LCP أدائه الفريد والممتاز مقارنةً بمواد اللدائن الحرارية الأخرى

3.4 المقاومة الفائقة للحرارة والخصائص الممتازة للتناوب الساخن/البارد

تُعد مقاومة الحرارة وخصائص التناوب الساخن/البارد لأغشية LCP (البوليمر البلوري السائل) من العوامل الرئيسية التي تجعلها متميزة في التطبيقات الإلكترونية والاتصالات والتطبيقات الصناعية المتطورة. تُمكّن هذه الخصائص أفلام LCP من الحفاظ على الخصائص الفيزيائية والكهربائية المستقرة في بيئات التغير الشديد في درجات الحرارة، مما يضمن موثوقية الجهاز ومتانته على المدى الطويل.

ترجع المقاومة الحرارية لأفلام LCP إلى التركيب الجزيئي الفريد لحالة البلورة السائلة الفريدة من نوعها، والتي تضفي ثباتًا ممتازًا على المادة في درجات الحرارة المرتفعة. ومع درجات حرارة تشوه الحرارة التي تتراوح عادةً من 250 درجة مئوية إلى أكثر من 320 درجة مئوية، فهي قادرة على العمل لفترات طويلة في بيئات ذات درجات حرارة عالية للغاية دون تشوه مادي كبير أو تدهور في الأداء. هذا الثبات في درجات الحرارة المرتفعة يجعل من LCP مادة مثالية للتطبيقات الإلكترونية والميكانيكية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. تحافظ أغشية LCP على قوتها الميكانيكية الممتازة وخصائصها الكهربائية في درجات الحرارة المرتفعة، مما يضمن سلامة وموثوقية المعدات أثناء التشغيل في درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال، في الدوائر عالية التردد ومعدات اتصالات الجيل الخامس، تحافظ أغشية LCP على ثابت عازل منخفض وفقدان منخفض للعزل الكهربائي، مما يحافظ على أداء ممتاز لنقل الإشارة حتى في درجات الحرارة العالية. مواد LCP ذاتية الإطفاء ويمكن إطفائها بسرعة حتى عند تعرضها لمصدر حريق، مما يجعلها ممتازة في المكونات الإلكترونية والسيارات والفضاء وغيرها من المجالات، مما يقلل من مخاطر الحرائق الناجمة عن ارتفاع درجات الحرارة أو الأعطال الكهربائية. خطر نشوب حريق بسبب ارتفاع درجات الحرارة أو الأعطال الكهربائية.

الشكل 8 "المقاومة الحرارية لأفلام LCP من التركيب الجزيئي للكريستال السائل"

تتمتع أفلام LCP أيضًا بخصائص ممتازة في الطقس الحار والبارد. تشير الخصائص المتناوبة الباردة والساخنة إلى قدرة المادة على الحفاظ على استقرارها الفيزيائي والكيميائي عند تعرضها لتغيرات متكررة في درجات الحرارة، وتتفوق أفلام LCP في مثل هذه البيئات، حيث تقاوم بفعالية الإجهاد الميكانيكي والإجهاد وتدهور المواد الناجم عن التغيرات الحادة في درجات الحرارة.

تتميز أغشية LCP بمقاومة عالية للصدمة الحرارية، أي أن المادة لا تخضع لتغيرات كبيرة في الأبعاد أو التشقق بسبب التمدد والانكماش الحراري أثناء التسخين والتبريد السريع. تُعد هذه الخاصية مهمة للغاية بالنسبة للمعدات والمكونات التي تحتاج إلى التعرض لتقلبات متكررة في درجات الحرارة، مثل الفضاء الجوي والإلكترونيات عالية التردد. وفي الوقت نفسه، تتمتع أغشية LCP بمعامل تمدد حراري منخفض للغاية (عادةً ما يتراوح بين 10 جزء في المليون/درجة مئوية و17 جزء في المليون/درجة مئوية)، مما يسمح لها بالخضوع للدوران الساخن والبارد دون حدوث تغيرات كبيرة في الأبعاد التي تحدث مع المواد الأخرى. وهذا لا يحسن من متانة المادة فحسب، بل يمنع أيضًا حدوث مشاكل مثل تشوه المواد أو التشقق أو انفصال الطبقات البينية التي يمكن أن تحدث أثناء التحولات في درجات الحرارة.

وبالإضافة إلى ذلك، يتم تنظيم الترتيب الجزيئي لفيلم LCP بحيث لا يحدث أي إجهاد أو تدهور في الأداء بعد العديد من دورات الحرارة أو البرودة، ويتم الحفاظ على القوة الميكانيكية والخصائص الكهربائية بمرور الوقت. وهذا الأمر مهم بشكل خاص لنقل الإشارات عالية التردد والإلكترونيات الدقيقة، مما يضمن استقرارها على المدى الطويل في بيئات التشغيل القاسية.

مقارنةً بالمواد الأخرى عالية الأداء مثل البولي إيميد (PI) والبولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)، لا تتمتع أغشية LCP بمقاومة أعلى للحرارة فحسب، بل تتميز أيضاً بأداء أفضل من حيث خصائص التناوب على الحرارة والبرودة. في حين تتفوق أفلام PI في مقاومة الحرارة، إلا أنها تتمتع بمعامل تمدد حراري مرتفع، مما يجعلها عرضة لعدم استقرار الأبعاد أثناء التدوير المتكرر على الساخن والبارد. على الرغم من أن رقائق PTFE تتمتع بمقاومة كيميائية أفضل، إلا أن قوتها الميكانيكية وخصائصها الكهربائية ليست جيدة مثل تلك الخاصة بـ LCP في التطبيقات عالية التردد.

3.5 الخواص الميكانيكية الممتازة (قوة عالية ومعامل عالي)

تتمتع أغشية LCP (بوليمر البلورات السائلة) بخصائص ميكانيكية ممتازة، خاصةً القوة العالية والمعامل العالي، مما يجعلها ممتازة في التطبيقات التي تتطلب مقاومة الإجهاد الميكانيكي والأحمال العالية. يمنح التركيب الجزيئي الفريد من نوعه المادة خواص ميكانيكية قوية للغاية مع الحفاظ على خفة الوزن وثبات الأبعاد. تنتج القوة العالية لأفلام LCP عن البنية البلورية السائلة عالية الترتيب للسلاسل الجزيئية التي تشكل ترتيباً منتظماً في اتجاه الشد، مما يعطي مقاومة ممتازة للشد والكسر تحت الضغوط الميكانيكية. تتراوح قوة الشد لأفلام LCP عادةً بين 150 ميجا باسكال إلى 300 ميجا باسكال يمكن أن تصل قوة الشد لأفلام LCP عادةً إلى 150 ميجا باسكال إلى 300 ميجا باسكال، وهو ما يزيد كثيراً عن قوة الشد للعديد من البوليمرات التقليدية. ويعني ذلك أن أغشية LCP أقل عرضة للكسر أو التشوه عند تعرضها لإجهاد ميكانيكي ويمكنها مقاومة ضغوط الشد الخارجية بفعالية. على الرغم من أن مادة LCP تُظهر قوة عالية بسبب صلابتها، إلا أن مقاومتها للصدمات مناسبة أيضًا في بعض التطبيقات. كما أن قدرتها على الحفاظ على خصائص ميكانيكية مستقرة عند تعرضها لصدمات أو اهتزازات خارجية تجعلها موثوقة للغاية في الأجهزة الإلكترونية وإلكترونيات السيارات والتطبيقات الصناعية. على الرغم من قوته العالية، يتميز فيلم LCP بكثافة منخفضة (حوالي 1.4-1.6 جم/سم مكعب)، مما يجعله مادة خفيفة الوزن وعالية الأداء ومناسبة للاستخدام في المجالات ذات المتطلبات الصارمة للوزن، مثل الفضاء والإلكترونيات الاستهلاكية. يتميز غشاء LCP بمعامل عالٍ للغاية، وهو مقياس لصلابة المادة، ونتيجة لذلك، يُظهر غشاء LCP صلابة ومقاومة ممتازة للتشوه. عادةً ما يكون معامل يونج لغشاء LCP في حدود 10 جيجا باسكال. يتراوح معامل يونج لفيلم LCP عادةً بين 10 GPa و25 GPa، مما يعني أن لديه تشوه مرن قليل جدًا تحت الضغط. وتسمح هذه الخاصية بالحفاظ على درجة عالية من ثبات الشكل في الهياكل الدقيقة الأقل عرضة للانحناء أو التشوه. كما أن معامل الانثناء العالي لفيلم LCP يعني أيضًا أنه يقاوم التشوه تحت قوى الانحناء، وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب ثباتًا ميكانيكيًا ومقاومة للتعب، مثل لوحات الدوائر المطبوعة المرنة (FPCs) والهوائيات. نظرًا لمعامله العالي، يُظهر فيلم LCP الحد الأدنى من التشوه تحت الضغط، وهو أمر مهم بشكل خاص في السيناريوهات التي تتطلب دقة عالية واحتفاظًا بالأبعاد، مثل تغليف المكونات الإلكترونية ومواد الهوائي والهياكل الميكانيكية الدقيقة.

لا تُظهر أغشية LCP قوة ومعامل عاليان في درجة حرارة الغرفة فحسب، بل تحافظ أيضًا على خواصها الميكانيكية الممتازة في درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن تحافظ أغشيةLCP على قوتها ومعاملها العالي في درجات حرارة مرتفعة تزيد عن 250 درجة مئوية دون حدوث تدهور كبير بسبب زيادة درجة الحرارة. وهذا ما يجعلها مثالية للتطبيقات الميكانيكية في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، مثل المعدات الإلكترونية ذات درجات الحرارة المرتفعة ومكونات محركات السيارات. القوة في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة: تحافظ أغشية LCP على قوتها وصلابتها العالية في درجات الحرارة المنخفضة أيضاً، ويمكنها إظهار خصائص ميكانيكية جيدة حتى في درجات الحرارة القصوى، ولهذا السبب يتم استخدامها في مجموعة واسعة من المعدات الفضائية والعسكرية، خاصةً في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة والضغط العالي.

الشكل 9 يستخدم LCP في إلكترونيات الطيران بسبب قوته الميكانيكية وخصائصه الكهربائية

الجدول 2. الخصائص الرئيسية لأفلام البوليمر البلوري السائل (LCP)

4 الخلاصة

تُعد أغشية LCP مواد رائدة للتطبيقات عالية الأداء بسبب مزيجها الفريد من الخصائص. تتميز أغشية LCP بثوابت عازلة وخسائر عازلة منخفضة باستمرار، وامتصاص منخفض للغاية للماء، ومعاملات تمدد حراري منخفضة للحفاظ على سلامة الأداء حتى في البيئات القاسية. توفر أغشية LCP ثباتًا ممتازًا في الأبعاد وقوة عالية ومقاومة ممتازة لتقلبات درجات الحرارة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك لوحات الدوائر عالية التردد، والدوائر المرنة، والتغليف الإلكتروني الدقيق. توفر أغشية LCP خصائص ميكانيكية وحرارية وعزل كهربائي متوازنة مقارنةً بالمواد الأخرى عالية الأداء، مما يضمن الموثوقية في ظل الظروف القاسية. ومع استمرار الأجهزة الإلكترونية في الانتقال إلى ترددات أعلى وتصغير حجمها، ستلعب أغشية LCP دوراً رئيسياً في دعم هذه التطورات التكنولوجية.

وتُعدّ Stanford Advanced Materials (SAM) مزوداً رئيسياً لأفلام LCP عالية الجودة، حيث تدعم هذه التطبيقات الهامة بحلول مواد موثوقة.

قراءة ذات صلة:

البوليمر البلوري السائل

البوليمرات البلورية السائلة ذات السلسلة الرئيسية للتطبيقات البصرية