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電子工業(yè)正從含鉛焊接系統(tǒng)轉(zhuǎn)向無鉛焊接系統(tǒng)。這一變化提高了新型無鉛焊料熔化和流動的加工溫度，致使電子配件中采用的多種傳統(tǒng)聚合材料無法滿足要求。因此，如VICTREX PEEK（聚芳醚酮）聚合材料等耐高溫性聚合材料在應(yīng)用無鉛焊料的制造工藝中的重要性顯得日益突出。本文從無鉛焊接工藝的角度對 VICTREX PEEK 聚合材料與其它熱塑性材料的性能進(jìn)行了比較，并對其介電性能等進(jìn)行了分析，同時列舉了一些成功的應(yīng)用實例。從中可以看出，VICTREX PEEK是一種理想的挑戰(zhàn)無鉛焊接工藝和電子技術(shù)苛刻要求的高性能聚合材料。

無鉛焊接工藝和電子技術(shù)的挑戰(zhàn)

隨著 RoHS(2002/95/EC) 等指令的頒布實施，包括鉛、汞、鎘、六價鉻在內(nèi)的重金屬在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已受到限制。正是由于這種法規(guī)上的推動，目前電子工業(yè)正從含鉛焊料系統(tǒng)轉(zhuǎn)向無鉛焊料系統(tǒng)。據(jù)估計，到 2008 年，無鉛焊接在全球電子生產(chǎn)行業(yè)中的應(yīng)用比例將超過50%。這種轉(zhuǎn)變提高了新型無鉛焊料熔化和流動的加工溫度，致使電子配件中采用的多種傳統(tǒng)聚合材料無法達(dá)到要求。無鉛焊接工藝溫度比傳統(tǒng)的錫鉛焊接溫度高得多（無鉛焊接系統(tǒng)為 260℃ ~300℃，而錫鉛焊接系統(tǒng)只有 230℃）。而且在無鉛工藝中，高溫暴露時間也比傳統(tǒng)工藝長。

電子設(shè)備的電路板上有多種利用表面貼裝技術(shù)裝配的配件，如信號繼電器、電容器、移動電話備用電池、連接器、電訊同軸接頭等。其中很多配件都是采用了聚合材料作為外殼或配件的一部分。此類應(yīng)用中涉及多種聚合材料，其耐熱性能完全可以達(dá)到傳統(tǒng)錫鉛焊料工藝的要求。但是，由于無鉛焊料的應(yīng)用提高了加工溫度，因而對所用熱塑性塑料的耐熱性（熔化溫度和熱變形溫度）都提出了更高要求。例如，由于無鉛焊接工藝在整個焊面需要采用更高的溫度，所以，薄膜貼片電容器介電層中使用的 PP 和 PET 等耐熱性較低的絕緣材料就被 PPS 等耐熱性更高的材料所取代。

除耐熱性以外，電子配件中使用的聚合材料還需達(dá)到許多其他的要求。這包括：室溫和高溫環(huán)境下的高機械性能（如抗張強度、蠕變性、韌性和沖擊強度）是至關(guān)重要的因素；介電性能在高頻（高于1 GHz）無線傳輸?shù)膽?yīng)用中尤為重要；聚合材料的尺寸穩(wěn)定性必須盡可能接近與之配合的金屬或者其他聚合材料，以確保系統(tǒng)的可靠性。聚合材料所具備的性能只有達(dá)到了上述所提到的所有苛刻要求，才能滿足當(dāng)今高性能電子產(chǎn)品的需要。

滿足無鉛焊接工藝要求

圖１比較了電子應(yīng)用中經(jīng)常使用的各種聚合材料的熔化溫度和熱變形溫度（HDT）。如前所述，熔化溫度和熱變形溫度（HDT）一般都應(yīng)高于無鉛焊接工藝的加工溫度范圍（260℃～ 300℃）。而像PBT、PA66 等耐高溫性能較差的材料，甚至 PPS都無法達(dá)到無鉛焊接工藝對耐高溫性能的要求。因為在這樣的溫度下，此類材料會熔化。雖然 LCP 的熔化溫度很高，完全符合無鉛焊接工藝對溫度的要求，但其熱變形溫度（HDT）卻差強人意，一旦出現(xiàn)任何相關(guān)載荷時，就會危及應(yīng)用本身。相比較之下，VICTREX PEEK 聚合材料的熔化溫度和熱變形溫度（HDT）都超出了無鉛焊接工藝的溫度范圍。

圖１ 電子應(yīng)用中各種聚合材料的熔化溫度和熱變形溫度

對于需要采用無鉛焊接工藝的配件來說，除了聚合材料的溫度特性以外，所用聚合材料的抗張強度（代表聚合材料機械性能的主要指標(biāo)）、高溫下的釋氣性能和含水量也必須在考慮之列。表 1 基于這三種性能對各種玻纖填充熱塑性塑料進(jìn)行了比較。從表中可看出，VICTREX PEEK 聚合材料具有最高的抗張強度和最低的釋氣水平。由于材料中所含水份在高加工溫度下可能轉(zhuǎn)化為水蒸汽，而高含水量可能會對可靠性造成負(fù)面影響。因此，低吸水性材料是最佳選擇。VICTREX PEEK 聚合材料的吸水水平比 PBT 和 PA66 低得多，但卻比 PPS 和 LCP 要高。

表1 電子應(yīng)用中常用的各種玻纖填充聚合材料的性能比較

為了做進(jìn)一步的比較，我們把幾種材料在高溫下的機械性能進(jìn)行對比。圖2所示為 30% 玻纖填充 VICTREX PEEK (90GL30)、60% 玻纖填充 VICTREX PEEK (90GL60) 和 30% 玻纖填充 PPS 的彎曲模量變化。

圖2 按 DMTA法測量的玻纖填充 VICTREX PEEK 和玻纖填充 PPS 的彎曲模量比較

低溫下，90GL30 的彎曲模量與 30% 玻纖填充 PPS 相當(dāng)，大約為 10GPa。但是，PPS 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg) 卻比 VICTREX PEEK 聚合材料低很多（兩者分別為 87℃ 和 143℃），因此，PPS 與 Tg 相關(guān)的性能在溫度顯著較低時就會下降；當(dāng)溫度高于 100℃ 左右、低于 Tg 時，90GL30 相對于 PPS 來說具有明顯的優(yōu)勢；當(dāng)高于 Tg、低于 250℃ 左右的 PPS 熔化溫度時，二者的模量基本相似。而達(dá)到了這個溫度，就不能再考慮使用 PPS 了；超過該溫度，直到 300℃、甚至 300℃ 以上時，90GL30 均表現(xiàn)良好。由于部件在相對較高溫度條件下進(jìn)行回流焊操作時必須使其保持一定程度的剛性，因此在這一點上VICTREX PEEK明顯勝于PPS。

對于更高的機械性能需求，90GL60可予以滿足。因為90GL60 在整個溫度范圍內(nèi)都具有極高的模量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 90GL30 和 PPS + 30% GF，其200℃ 左右時的模量與室溫下的 PPS 相近，而且彎曲模量的下降模式與 90GL30 極為相似。得益于其較高的玻纖填料含量，90GL60 的彎曲模量始終保持在一個比 90GL30 更高的水平。

另外，我們還對在無鉛焊接工藝設(shè)備的配件中應(yīng)用 VICTREX PEEK 聚合材料的可能性進(jìn)行了實驗和研究。將 VICTREX PEEK 450G 試驗條在工業(yè)無鉛焊料加工機的錫爐中放置一個月。焊料由錫 (96.5%)、銀 (3%) 和銅 (0.5%) 構(gòu)成，溫度為 260℃。在浸入前后對拉伸模量、抗張強度和伸長率進(jìn)行了測量。實驗結(jié)果見表2。

從試驗結(jié)果可以看出，抗張強度增大、伸長率卻降低了。高溫下試樣退火是造成這種結(jié)果的主要原因。但是這種性能上的變化非常有限，因此完全可以使用這種材料制造焊接和回流設(shè)備中的相關(guān)配件（如焊爪和濕處理齒輪）。不過，對于這種特定的用途， 仍需對其實施進(jìn)一步的測試。

應(yīng)用實例

1、電池墊片

在當(dāng)今的中高端移動電話中，備用電池被廣泛地用來維持主電池從移動電話上取下時，移動電話的計時和記憶功能所需的最低電力。圖 3 是備用電池的截面圖，箭頭所指的部分是用 VICTREX PEEK 聚合材料制造的墊片。備用電池直接安裝在移動電話的電路板上。過去，常采用手工焊接和人工插接工藝進(jìn)行安裝。為了提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)在多采用自動焊接工藝。鑒于其他材料無法滿足要求，這種應(yīng)用規(guī)定使用 VICTREX PEEK 聚合材料。之所以規(guī)定使用這種材料，是因為該材料滿足無鉛焊接工藝的耐熱性和對兩個電極室中電解質(zhì)的耐化學(xué)性要求，以及滿足組裝過程中保持機械完整性的耐應(yīng)力性能要求。另外，由于墊片非常?。ㄔ谀承O端情況下僅為 0.2 mm），材料的加工性能顯得非常重要。這對許多聚合材料來說無疑是一個挑戰(zhàn)，但對 VICTREX PEEK 聚合材料來說，其良好的薄壁模塑充填性能可以確保墊片的完美成型。

圖3 移動電話備用電池的橫面截圖，箭頭所指的淺灰色部件是VICTREX PEEK墊片

2、模塑連接裝置

模塑互連組件 (MID) 是用于制造傳感器、天線、MEMS、LED 封裝等電子裝置的一種新興技術(shù)。此項技術(shù)具有降低成本、增加設(shè)計靈活性和配件集成等優(yōu)勢。許多 MID 都是通過無鉛焊接工藝安裝在電路板和系統(tǒng)上的，所以需要使用耐高溫材料。其他要求還包括良好的電氣性能、耐化學(xué)性及加工性等。

MID 所采用的模塑技術(shù)通常為二次注塑，即在兩次連續(xù)注射中注塑兩種不同的聚合材料。對于二次注塑工藝來說，兩種不同聚合材料之間是否具有良好的粘接強度尤其重要。因此我們研究和比較了包括 VICTREX PEEK 在內(nèi)的多種聚合材料的粘接強度。結(jié)果表明，VICTREX PEEK 聚合材料與 ABS 具有相對較好的粘接強度，與聚醚酰亞胺（PEI）的粘接強度為中偏下，具體情況取決于材料的注射順序。從我們對 MID 應(yīng)用的初步考察來看，VICTREX PEEK 的性能足以滿足這些應(yīng)用的要求。不過，這個觀點的有效性尚需得到進(jìn)一步的證實。

表2 浸入無鉛焊料前后 VICTREX PEEK 450G 的機械性能比較

3、揚聲器振動膜

隨著移動電話逐漸發(fā)展成為多媒體裝置，對其揚聲器的性能提出了更高的要求。為了改善音頻的回放品質(zhì)，揚聲器的輸入功率正不斷提高。由于供給揚聲器97% 的電能以熱的形式加以釋放，因而大功率揚聲器的工作溫度在全功率狀態(tài)下可高達(dá) 260～270℃，這就產(chǎn)生了無鉛焊接工藝之外的另一項耐高溫要求。由于制造工藝牽涉到化學(xué)物質(zhì)（如有機溶劑），材料還需要具有耐化學(xué)性。不管是耐高溫性，還是耐化學(xué)性，VICTREX PEEK都能滿足要求。另外，振動膜一般通過聚合材料薄膜的熱塑性成型進(jìn)行制造。試驗表明，與某些其他高溫聚合材料（如聚酰亞胺）相比，無定形 VICTREX PEEK 薄膜（APTIV薄膜）的加工周期要短許多。

4、連接器

VICTREX PEEK 聚合材料已成功地應(yīng)用于電子裝置中各種連接器的應(yīng)用之中。同軸電纜連接器就是其中之一（見圖 4）。

圖4 用 VICTREX PEEK 材料制成的同軸電纜連接器外殼

這種連接器主要用于在高頻環(huán)境下傳輸大量數(shù)據(jù)。由于無鉛焊料的要求，耐熱性仍是一個重要指標(biāo)。另外，由于部件需要在反復(fù)插拔時保持尺寸穩(wěn)定性，因此，高耐久性是需要重點考慮的另一要素。

裝置在高頻環(huán)境條件下運行時，包括介電常數(shù)和耗散因子在內(nèi)的聚合材料的介電性能越發(fā)重要。通常，低介電常數(shù)對高頻無線相關(guān)應(yīng)用來說非常理想，而對某些環(huán)境來說（例如汽車），高溫下介電常數(shù)的穩(wěn)定性也是個需重點考慮的因素。圖 5 顯示了各類 VICTREX PEEK 薄膜（包括已填充和未填充兩種）在低溫和高溫下的介電常數(shù)。從中可以看出，結(jié)晶 VICTREX PEEK 薄膜（未填充）在室溫條件下、在較寬頻率范圍內(nèi)都具有非常低的介電常數(shù)。當(dāng)溫度升高到 200℃ 時，該值略微增大；礦物填充 VICTREX PEEK 薄膜 (TL40) 在室溫和高溫下具有相對良好的介電常數(shù)。其在室溫下介電常數(shù)值幾乎與未填充結(jié)晶 VICTREX PEEK 薄膜的介電常數(shù)一樣低（10MHz ～10GHz 的頻率范圍內(nèi)約為 3.5），而在200℃下 的介電常數(shù)值也維持在了大致相同的水平（10MHz 到～10GHz 的頻率范圍內(nèi)約為 3.6 ~ 3.8）。

圖5 填充和未填充的各類VICTREX PEEK 薄膜在各種頻率和溫度條件下測得的介電常數(shù)

耗散因子對高頻應(yīng)用來說同樣重要。圖 6 顯示了 VICTREX PEEK 薄膜在各種頻率和溫度下的耗散因子。耗散因子在室溫下很低，但是，當(dāng)工作溫度升高到 Tg以上時，耗散因子則顯著提高，達(dá)到 0.07～0.08，這要比室溫下高得多。室溫下，礦物填充 VICTREX PEEK 薄膜 (TL20) 的耗散因子水平與未填充結(jié)晶 VICTREX PEEK 薄膜的相似，但在整個溫度范圍內(nèi)保持了更良好的穩(wěn)定性（頻率不超過 10GHz 時無顯著增加）。對于要求穩(wěn)定介電性能的高溫應(yīng)用來說，這是一個重要的優(yōu)勢。

圖6 填充和未填充的各類 VICTREX PEEK 薄膜在各種頻率和溫度條件下測得的耗散因子

VICTREX PEEK 聚合材料在連接器上的另一種潛在應(yīng)用是 FPC 連接器的外殼材料。隨著移動設(shè)備尺寸不斷變小，F(xiàn)PC 連接器的運行空間也相應(yīng)減小，這樣，更薄的剖面和間距已成為聚合材料所面臨的重大挑戰(zhàn)。VICTREX PEEK 聚合材料有著極高的熔接線強度和沖擊強度，這是其優(yōu)勢所在。此外，實驗表明，VICTREX PEEK 聚合材料完全可用來填充壁厚僅為 0.1mm 的配件?；赩ICTREX PEEK 聚合材料所具有的出色流動性和極佳的機械性能，我們有理由相信，這種材料完全有可能達(dá)到下一代 FPC 連接器工藝的要求。

結(jié)論

隨著 RoHS指令的落實，對電子配件所采用的需要適應(yīng)無鉛焊料工藝的聚合材料的要求也發(fā)生了改變，尤其是耐熱性能比以前高出許多。焊料工藝溫度已經(jīng)從傳統(tǒng)含鉛焊料的 230℃ 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o鉛焊料的 260℃～300℃；配件尺寸日益縮小需要更薄壁厚的設(shè)計，因此要求材料具有更好的加工性能和機械強度；對于工藝中涉及腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的相關(guān)配件來說，還需要具有耐化學(xué)性；而對于操作溫度較高的某些應(yīng)用來說，材料還必須具有較高的連續(xù)使用溫度 (CUT)。電子電器產(chǎn)品的這些苛刻要求，無疑對聚合物材料提出了挑戰(zhàn)。

對于上述挑戰(zhàn)，VICTREX PEEK 聚合材料可以從容應(yīng)對。因為VICTREX PEEK 聚合材料在耐熱性（熔融溫度和熱變形溫度）、抗張強度、釋氣和吸水性，以及耐化學(xué)性、介電性能及對其他塑料和金屬的附著力等方面具有其他高性能聚合材料無法比擬的綜合優(yōu)勢，而且該聚合材料在焊接條件下與無鉛焊料具有良好的適應(yīng)性。事實證明，VICTREX PEEK 聚合材料有利于幫助 OEM 應(yīng)對無鉛焊料工藝、日益提高的應(yīng)用和工藝要求所帶來的重大材料難題，可以稱得上是一種制造焊接設(shè)備配件和其他相關(guān)電子硬件的理想候選材料。(end)