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防起泡特性优良的“LAPEROS® LCP”的开发


防起泡特性优良的“LAPEROS® LCP”的开发



前言

液晶聚合物(LCP)是熔融时展现出液晶性的热塑性芳香族聚酯的总称。

LCP具有刚直不易弯曲的分子结构,而且与普通高分子材料不同,LCP分子链之间的缠结很少。

由于具有刚直的分子骨架,微弱的剪切力即可使分子朝流动方向取向,注射成型时的流动阻力较小,展现出超高流动性。此外,由于固化时会原封不动地保持熔融时的结构,分子重新排列导致的体积变化较小,具有卓越的高尺寸精度。另外,由于LCP成型时产生的气体较少,固化速度快,具有降低模具的维护频度,适合快速成型等显著优点。

LCP不仅具有高流动性和高尺寸精度,还展现出了高耐热性,在小型化、表面贴装(SMT)化不断发展的智能手机等连接器市场中获得了广泛的应用。另外,近年来在汽车领域、家电和OA领域,为了满足高尺寸精度、高耐热的要求,LCP的探讨和采用也呈增长态势。

本公司一方面在努力提高“LAPEROS® LCP”的性能和质量,另一方面也在研究能够最大限度发挥其性能的成型加工法。本文将介绍关于起泡的最新见解。



1. LCP的起泡现象及其原因

使用LCP成型加工时,起泡是很常见的缺陷。所谓起泡,如图1所示,指的是由于加热,成型品表面出现鼓胀的现象。


图1 : 成型品表面发生的起泡(左)及其断面(右)

由于LCP常用于表面贴装的电子元件,加热回流焊后产品表面鼓胀起泡是很严重的问题。起泡有很多种原因,如图2所示,包括LCP的分解气体、成型中卷入的气体、表层/芯层的层间剥离等,需要根据原因采取相应的对策。



图2 : LCP起泡原因分类

在材料方面,使用热稳定性较高,产生气体较少的材料尤为重要。LAPEROS为了满足客户的要求,推出了包括超高耐热品级在内的丰富的品级阵容。更重要的是,成型条件和模具等的形状设计对起泡也有很大的影响。图3展示了喷嘴和主流道的组合。由此可知当喷嘴和主流道的直径差较大,注射速度较快时,会产生类似图3右侧照片的蛇形喷射纹。喷射纹在LCP成型品中会导致层结构不稳定,使起泡恶化。

表1显示了各主流道直径下,起泡发生率与注射速度的条件相关性。末端径(D-end)3mm的主流道即使在300mm/s的高速注射条件下也不会发生起泡,而末端直径7mm的情况下100mm/s就会发生起泡。因此,通过优化主流道直径,可以在更宽的工艺窗口内做选择,实现稳定的成型。



图3 : LCP成型的主流道设计示例

表1 : 各主流道直径下起泡发生率与注射速度的相关性

材料

主流道直径

注射速度(mm/s)

50

100

150

200

250

300

LAPEROS® E471i

φ3

0

0

0

0

0

0

φ5

0

0

0

0

80

 

φ7

0

100

       
  喷嘴直径 :φ1.5mm 单位 :%


2.厚度变化导致的起泡及其评估方法

如上所述,本公司为了解决LCP成型加工过程中的起泡问题,开发了高耐热品级的同时,不断探讨和验证喷嘴和主流道对起泡的影响,并对其形状设计进行优化。尽管如此,起泡问题并没有完全解决。

图4显示了LCP的典型应用―DDR连接器。大多数情况下,为了降低连接器的重量通常会选择减薄产品的厚度。在这种厚度不均的成型品中,肉厚部分容易发生起泡,其倾向随形状、成型条件和材料的不同而有很大的差异。本公司着眼于成型品内部厚度变化,制作了如图5所示的模具并对起泡现象进行评估。在该模具中,从薄到厚的厚度变化(段差)可以任意改变,在验证不同厚度对起泡影响的同时,还可以评估起泡与成型条件的相关性以及不同材料的倾向差异。

 

图4 : DDR连接器

图5 : 本公司用于评估的成型品

对使用上述模具的成型品进行回流焊后的起泡评估结果如表2所示。对于LAPEROS E463i、E473i品级而言,注射速度和段差越大越容易发生起泡。但是在这两个品级中,起泡的发生率却存在很大的差异,E463i即使是在段差0.4mm、注射速度300mm/s的情况下也不会出现起泡,而E473i在段差为0.3mm、注射速度为200mm/s这样相对较低的段差和注射速度下就开始出现起泡。不同品级的材料即使是在同样的形状和成型条件下,起泡的发生倾向也大不相同,所以需要在理解不同材料特性的前提下选择合适的材料。



表2 : 不同段差和注射速度下,回流焊后的起泡发生率

LAPEROS® E463i

LAPEROS® E473i

E463i

注射速度(mm/s)

段差

(mm)

100

200

300

400

0.5

0

10

40

80

0.4

0

0

20

0

0.3

0

0 0 0

0.2

0

0 0 0

E473i

注射速度(mm/s)

段差

(mm)

100

200

300

400

0.5

30

100

100

100

0.4

10

100

100

100

0.3

0

30 100 100

0.2

0

0 0 0
单位 :% 单位 :%

图6显示了段差部分树脂的填充动作。在不易发生“起泡”的材料中,即使是在段差形成的流动扩张部分,树脂也会沿着模腔完成填充,对形状变化有很高的响应性。另一方面,容易发生起泡的材料,在流动扩张部分,树脂的膨胀不充分,树脂呈直线形流动。树脂呈直线形流动的情况下,段差部分的填充较慢,在模腔其他部分流入一定量的树脂之后此处才会被填充。如图7所示,在容易发生起泡的材料中,即使是在填充末期,段差部分依然会有部分空隙。这个空隙在树脂完全填充后会形成不稳定的界面,该界面经过热处理,容易出现剥离和起泡。



图6 : 段差部分的填充动作



图7 : 容易发生起泡的材料中,段差部分的填充(填充末期)



3.抑制起泡的LAPEROS® LCP材料

段差中不稳定界面的形成由扩张流动的大小决定,而材料的离模膨胀特性会对其造成很大的影响。离模膨胀特性根据聚合物的种类、填料种类的不同存在很大的差异,在选择品级时应该考虑这一点。本公司根据这一见解,开发了抑制因厚度急剧变化发生起泡的品级。表3显示了两种开发中的具备优良防起泡特性的新型材料的部分物性。经验证,两种材料与以往的材料相比,抑制起泡的效果均获得了大幅度提升,能够期待这两款材料对生产效率有极大的提升。今后我们将继续对开发材料进行采样研究,进一步降低起泡发生率。


表3 : 具备优良防起泡特性的LAPEROS® LCP的部分物性

项目

试验方法

单位

开发材料1 开发材料2 E463i E473i

低翘曲

高强度

低起泡

低翘曲

高流动

低起泡

低翘曲

低各向异性

低翘曲

高流动

熔融粘度

ISO 11443

Pa · s

41

34

40

25

弯曲强度

ISO 178

MPa

160

140

130

160

弯曲模量

ISO 178

MPa

12,100

11,000

10,600

11,000

弯曲断裂应变

ISO 178

%

3.1

3.5

3.1

2.8

DTUL (1.82MPa)

ISO 75-1,2

246

243

255

250

起泡发生率

本公司方法

%

2

<1

9

54



结语

综上所述,为了最大限度地发挥“LAPEROS® LCP”的优点,需要选择适当的品级和成型加工方式。本文介绍了本公司对于段差处发生起泡的见解,不过造成起泡缺陷的原因有很多种,最重要的是根据观察的现象找到真正的原因。

本公司在提供更易成型的高品质树脂材料的同时,对于成型加工也会提供适当的建议和技术支持。




【相关信息】

 • CAE技术在预测回流工序中变形的应用

 • 超高流动性低翘曲品级 E477i

 • LAPEROS® LCP成型条件




 物性目录:

SMT对应的低翘曲性品级(本文所述)
▼E463i  ▼E473i
其他的低翘曲,耐热性和高流动性品级(本文没述)
▼HA475  ▼S475

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2019/11/26