Substrats PET et nouveaux FPC.
Le PET, un matériau polymère linéaire formé par la polycondensation de l'acide téréphtalique et du glycol éthylique, domine depuis longtemps le marché des FPC de milieu et bas de gamme grâce à son processus de synthèse mature, son faible coût de fabrication et sa flexibilité de base. Ses caractéristiques principales peuvent être résumées comme "adéquates, mais pas exceptionnelles".
En termes de propriétés chimiques et mécaniques, la PET chaîne moléculaire contient une structure en anneau benzénique, offrant un certain degré de résistance chimique (tolérance aux acides faibles, bases, solvants courants et alcools). Sa résistance à la traction est d'environ 50-70 MPa, et son allongement à la rupture est d'environ 150%-200%, ce qui le rend adapté aux applications de flexion à basse fréquence (comme les câbles de clavier flexible et les circuits internes des jouets électroniques).
Cependant, la chaîne moléculaire manque de modification par des groupes rigides, ce qui la rend sujette à des fissures de fatigue après une flexion prolongée et incapable de supporter les "millions de plis" requis pour les téléphones à écran pliable. En ce qui concerne les performances thermiques, la température de transition vitreuse (Tg) du PET n'est que de 70-80°C (la température à laquelle le matériau passe d'un état dur et cassant à un état flexible), sa température de décomposition thermique est d'environ 350°C, et sa résistance à la température à court terme est seulement de 120°C.
Lorsque les FPC sont exposés à des températures élevées (comme dans le compartiment moteur d'une voiture ou à l'intérieur d'un dispositif de charge rapide), le substrat PET a tendance à ramollir et à se déformer, ce qui entraîne une réduction de l'espacement des lignes et des courts-circuits de signal. Par conséquent, il n'est pas adapté aux environnements à haute température.
En termes de performances électriques, le PET a une constante diélectrique (Dk) d'environ 3,3-3,8 et une perte diélectrique (Df) d'environ 0,01-0,02 à une fréquence de 1 MHz, ce qui est suffisant pour la transmission de signaux à basse fréquence comme la 2G/3G. Cependant, à mesure que les fréquences augmentent jusqu'aux ondes millimétriques 5G (au-dessus de 24 GHz), la constante diélectrique fluctue davantage, la perte diélectrique grimpe à plus de 0,05, et l'atténuation du signal dépasse 30%, ne répondant pas aux exigences de "faible perte" des communications à haute fréquence.
Parce que les substrats PET ne coûtent qu'un tiers à un cinquième des nouveaux substrats et offrent une faible difficulté de traitement (facilement découpés, pressés et soudés), ils sont principalement utilisés dans des applications à faible performance. Cela inclut les circuits flexibles dans les télécommandes et les bracelets de montres électroniques dans l'électronique grand public bas de gamme, les connecteurs flexibles pour les machines à laver et les climatiseurs dans les appareils électroménagers, et les supports de circuits flexibles à faible coût pour des capteurs simples comme les capteurs de température et d'humidité.
Le cœur de la recherche et du développement de nouveaux substrats est de répondre aux lacunes du PET en matière de résistance à haute température, de haute fréquence et de haute fiabilité. Actuellement, les types principaux incluent le PI modifié, le LCP, le PEN et le verre ultra-fin, chacun optimisé pour des applications spécifiques.
Parmi eux, le PI (polyimide) est lui-même un substrat FPC traditionnel de milieu à haut de gamme, mais le nouveau PI améliore encore ses performances grâce au "dopage de charges inorganiques" (comme l'alumine, le nitrure de bore) ou à la "modification par copolymérisation" (introduction d'atomes de fluor, chaînes de siloxane) : en termes de performances thermiques, le Tg est augmenté à 250-320°C, et la limite supérieure de résistance à la température à court terme atteint 280°C, ce qui peut supporter l'environnement à haute température du compartiment moteur de voiture (150-200°C) et des équipements de charge rapide (180°C) ; en termes de performances électriques, la constante diélectrique est réduite à 2,8-3,2, et la perte diélectrique est stabilisée à 0,008-0,015, ce qui peut être adapté à la transmission de signaux dans la bande de fréquence Sub-6GHz 5G (3,5 GHz) ; en termes de propriétés mécaniques, la résistance à la traction atteint 150-200 MPa, et la durée de vie en fatigue de pliage dépasse 500 000 cycles, ce qui peut être utilisé pour le "circuit de la zone de charnière" des téléphones mobiles à écran pliable.
Le LCP est un polymère à cristaux liquides composé de polyesters aromatiques. Ses chaînes moléculaires présentent un arrangement ordonné, ce qui le rend naturellement adapté aux applications à haute fréquence.
Ses propriétés électriques incluent une constante diélectrique de seulement 2,9-3,2 (avec des fluctuations de moins de 5%) à 100 GHz, une perte diélectrique aussi faible que 0,002-0,004, et un taux d'atténuation du signal inférieur à 5%, ce qui en fait le seul substrat viable pour les antennes à ondes millimétriques 5G et les FPC pour les équipements de communication par satellite. En ce qui concerne la stabilité thermique et environnementale, son Tg varie de 140 à 300°C, sa température de décomposition thermique dépasse 400°C, et son taux d'absorption d'eau n'est que de 0,02% (bien inférieur à celui du PET, qui est de 0,3%).
Ses performances électriques restent pratiquement stables dans des environnements humides et à haute température, ce qui le rend adapté aux stations de base extérieures et aux équipements aérospatiaux. Cependant, ses inconvénients incluent une grande difficulté de traitement (nécessitant un moulage par injection à haute température à 300-350°C) et un coût 8 à 10 fois supérieur à celui du PET, limitant son utilisation aux applications haut de gamme et haute fréquence.
Le PEN a une structure chimique similaire à celle du PET, mais l'anneau benzénique dans la chaîne moléculaire est remplacé par un anneau naphtalène (qui est plus rigide), ce qui permet d'améliorer les performances tout en maîtrisant les coûts. En termes de performances thermiques, il offre un Tg de 120-130°C et une résistance à la température à court terme de 180°C, ce qui le rend adapté aux applications où le PET n'est pas approprié (comme l'électronique de cabine automobile et les circuits d'éclairage LED flexibles).
En termes de résistance mécanique et aux intempéries, il offre une résistance à la traction de 80-100 MPa et une résistance au vieillissement UV trois fois supérieure à celle du PET, permettant son utilisation dans des circuits flexibles pour des modules photovoltaïques extérieurs. À la moitié du coût du PI amélioré, il est un choix de premier ordre pour remplacer le PET dans les applications de milieu de gamme.
Le verre ultra-fin est un substrat inorganique non métallique. En l'amincissant à 10-100 μm, il devient flexible, brisant le plafond de performance des substrats organiques. En termes de résistance thermique et aux intempéries, il offre une limite de température dépassant 600°C, une résistance aux rayures et une résistance à la corrosion chimique (y compris la résistance aux acides et alcalis forts), ce qui le rend adapté aux environnements extrêmes (comme les équipements de contrôle industriel et les engins spatiaux).
En termes de performances électriques, il offre une constante diélectrique de 3,8-4,0 (stable à haute fréquence), une perte diélectrique de 0,005-0,008, et une résistance à l'isolation cinq fois supérieure à celle du PET, ce qui le rend adapté aux circuits flexibles à haute tension. Cependant, ses inconvénients incluent une grande fragilité (nécessitant un rayon de pliage supérieur à 5 mm) et un coût deux à trois fois supérieur à celui du LCP. Actuellement, il est uniquement utilisé pour les circuits d'affichage dans les écrans pliables et les dispositifs médicaux haut de gamme.
D'un point de vue industriel, le PET et les nouveaux substrats ne sont pas des substituts, mais plutôt complémentaires et coexistants. La limite de survie du PET se concentre sur des scénarios de "faible coût, faible performance, température ambiante et basse fréquence", tels que l'électronique grand public bas de gamme et les circuits simples des appareils électroménagers. Il ne peut pas être complètement remplacé à court terme car son avantage en termes de coût est inégalé par les nouveaux substrats, et ces scénarios n'ont pas d'exigences de performance excessivement élevées.
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