DE112015004703B4

DE112015004703B4 - Magnetodielektrisches substrat, schaltungsmaterial und anordnung, die dieses aufweist

Info

Publication number: DE112015004703B4
Application number: DE112015004703.4T
Authority: DE
Inventors: Murali Sethumadhavan; Allen F. Horn III; Karl Sprentall; Michael White
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2024-08-14
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: JP6417040B2; KR20170063958A; DE112015004703T5; KR101836324B1; WO2016061289A1; TWI663896B; TW201630481A; GB2545832B; CN107077941A; US20160113113A1; GB2545832A; CN107077941B; JP2018502438A; US9596755B2; GB201704400D0

Abstract

Magnetodielektrisches Substrat (10), umfassend:eine duroplastische Polymermatrix umfassend ein Polybutadien, ein Polyisopren, ein Polyimid oder eine Kombination, umfassend mindestens eines der vorstehenden Elemente; undmehrere Hexaferrit-Teilchen, die in der Polymermatrix dispergiert sind, die zur Bereitstellung des magnetodielektrischen Substrats (10) geeignet sind,wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen in dem magnetodielektrischen Substrat (10) in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-% basierend auf dem Gesamtvolumen des magnetodielektrischen Substrats (10) vorhanden sind und Sr, Ba, Co, Ni, Zn, V, Mn oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen,das Folgendes aufweisteine magnetische Feldkonstante von mehr als oder gleich 2,5 bei 0 bis 500 MHz,einen magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 bei 0 bis 500 MHz,eine dielektrische Konstante von 1,5 bis 8 bei 0 bis 500 MHz,ein Verhältnis der dielektrischen Konstante zu der magnetischen Feldkonstante von 1 bis 2 undeine Schälfestigkeit gegenüber Kupfer von 540 g/cm bis 1.260 g/cm [entspricht 3 bis 7 pli], die gemäß IPC-Prüfverfahren 650, 2.4.9 gemessen wird.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein magnetodielektrisches Substrat, das in Anwendungen wie metallgekapselten Materialien für Schaltkreise, Antennen und dergleichen nützlich ist.
Neuere Designs und Herstellungstechniken haben elektronische Komponenten zu immer kleineren Abmessungen getrieben, zum Beispiel Komponenten wie Spulen an elektronischen integrierten Schaltkreischips, elektronische Schaltkreise, elektronische Packages, Module und Gehäuse, UHF-, VHF- und Mikrowellenantennen. Ein Ansatz zur Reduzierung der Größe von elektronischen Komponenten war die Verwendung von magnetodielektrischen Materialien als Substrate. Insbesondere wurden Ferrite, Ferroelektrika und Multiferroika als funktionelle Materialien mit verbesserten Mikrowelleneigenschaften weitgehend untersucht. Allerdings sind diese Materialien insofern nicht vollkommen zufriedenstellend, als sie nicht die gewünschte Bandbreite bereitstellen können oder nicht die gewünschte mechanische Leistung für eine bestimmte Anwendung aufweisen können. Die Entwicklung von Materialien mit ausreichendem Flammschutz war besonders schwierig, da die teilchenförmigen metallischen Füllstoffe, die verwendet wurden, um die gewünschten magnetodielektrischen Eigenschaften zu verleihen, brennbar sind. Solche Füllstoffe sind ferner unter Bedingungen von hoher Feuchtigkeit nicht stabil, selbst wenn sie von der Polymermatrix umgeben sind.
Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf im Stand der Technik an magnetodielektrischen Materialien zur Verwendung in dielektrischen Substraten mit optimalen magnetischen und dielektrischen Eigenschaften bei Frequenzen, die größer als 100 Megahertz (MHz) sind, während sie gleichzeitig optimale thermomechanische und elektrische Eigenschaften zur Schaltkreisherstellung aufweisen. Insbesondere besteht weiterhin ein Bedarf an magnetodielektrischen Substraten mit einer oder mehreren Eigenschaften geringe dielektrische und magnetische Verluste, ein geringer Energieverbrauch, elektrische oder magnetische Felder mit geringer Vorspannung, Flammschutz und anderen verbesserten mechanischen Eigenschaften. Es wäre ein weiterer Vorteil, wenn die Materialien leicht verarbeitbar und mit bestehenden Fertigungsprozessen integrierbar wären. Es wäre noch ein weiterer Vorteil, wenn die thermomechanischen und elektrischen Eigenschaften über die Lebenszeit der Substrate unter Bedingungen von Wärme und Feuchtigkeit stabil wären.
Aus der CN 103 304 186 A ist ein magnetodielektrisches Substrat bekannt, das eine duroplastische Polymermatrix und mehrere Hexaferrit-Teilchen umfasst, die in der Polymermatrix dispergiert sind. Dadurch werden die magnetische Feldkonstante und der magnetische Verlust eingestellt.
KURZE BESCHREIBUNG
In einer Ausführungsform umfasst ein magnetodielektrisches Substrat eine dielektrische Polymermatrix und mehrere Hexaferrit-Teilchen, die in der Polymermatrix in einer Menge und einer Art dispergiert sind, die zur Bereitstellung eines magnetodielektrischen Substrats mit einer magnetischen Feldkonstante von mehr als oder gleich 2,5 bei 0 bis 500 MHz oder 3 bis 8 bei 0 bis 500 MHz, einem magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 bei 0 bis 500 MHz oder 0,001 bis 0,05 bei über 0 bis 500 MHz und einer dielektrischen Konstante von 1,5 bis 8 oder 2,5 bis 8 bei 0 bis 500 MHz geeignet sind.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen des magnetodielektrischen Substrats das Dispergieren von mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, das Bilden einer Schicht aus der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und den dispergierten Teilchen und Härten der Polymermatrixzusammensetzung.
In einer Ausführungsform umfasst ein Schaltungsmaterial eine leitfähige Schicht und ein magnetodielektrisches Substrat, das auf der leitfähigen Schicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmaterials das Dispergieren von mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, das Bilden einer Schicht aus der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und den dispergierten Teilchen, das Anordnen der gebildeten Schicht auf einer leitfähigen Schicht und das Härten der Polymermatrixzusammensetzung.
In einer Ausführungsform umfasst eine Antenne ein magnetodielektrisches Substrat.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine RF-Komponente ein magnetodielektrisches Substrat.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird auf die beispielhaften nicht einschränkenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei ähnliche Elemente in den beiliegenden Figuren ähnlich nummeriert sind. Es zeigen:

1 eine Ausführungsform einer Schnittansicht eines magnetodielektrischen Substrats mit einer gewebten Verstärkung;
2 eine Ausführungsform einer Schnittansicht eines einzeln gekapselten Schaltungsmaterials, welches das magnetodielektrische Substrat aus 1 umfasst;
3 eine Ausführungsform einer Schnittansicht eines doppelt gekapselten Schaltungsmaterials, welches das magnetodielektrische Substrat aus 1 umfasst;
4 eine Ausführungsform einer Schnittansicht des metallgekapselten Schaltungslaminats aus 3 mit einem strukturierten Bereich;
5 eine Grafik, die Werte der dielektrischen Konstante (e') gegenüber der Frequenz für Beispiel 1 bis 6 darstellt;
6 eine Grafik, die Werte des dielektrischen Verlustes (e' tan delta) gegenüber der Frequenz für Beispiel 1 bis 6 darstellt;
7 eine Grafik, die Werte der magnetischen Feldkonstante (u') gegenüber der Frequenz für Beispiel 1 bis 6 darstellt; und
8 eine Grafik, die Werte des magnetischen Verlustes (u' tan delta) gegenüber der Frequenz für Beispiel 1 bis 6 darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Magnetodielektrische Substrate mit optimalen magnetischen, dielektrischen und physikalischen Eigenschaften bei Frequenzen unter 500 MHz sind für die Schaltungsfertigung überaus wünschenswert. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass magnetodielektrische Substrat, die magnetische Füllstoffe wie Eisenteilchen umfassen, zu Substraten führten, die entweder entflammbar waren, in Feuchtigkeit oder bei Temperaturveränderungen nicht stabil waren, selbst wenn sie sich innerhalb der Substrate befanden oder hohe magnetische Verlustwerte aufwiesen. Die vorliegenden Erfinder haben überraschenderweise ein magnetodielektrisches Substrat entdeckt, das mehrere Hexaferrit-Teilchen umfassen kann, die bei Frequenzen von 0 bis 500 MHz ohne signifikante Erhöhung des Wirbelstrom-Leistungsverlustes betrieben werden konnten. Zum Beispiel kann ein magnetodielektrisches Substrat, das mehrere Hexaferrit-Teilchen umfasst, eine magnetische Feldkonstante (auch als magnetische Permeabilität bekannt) von mehr als oder gleich 1,5, wobei diese im Bereich von 0 bis 500 MHz gemessen wird, und einen-magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1, wobei dieser im Bereich von 0 bis 500 MHz gemessen wird, und wahlweise übereinstimmende dielektrische Eigenschaften aufweisen (zum Beispiel kann die dielektrische Konstante e', dividiert durch die magnetische Feldkonstante u', kleiner als oder gleich 3 oder kleiner als oder gleich 2 oder kleiner als oder gleich 2,2 sein). Das magnetodielektrische Substrat, das den magnetischen Füllstoff umfasst, kann überraschenderweise eine verbesserte Entflammbarkeit und/oder Stabilität zeigen, wenn es in einem Schaltkreis verwendet wird. Die Verwendung von spezifischen dielektrischen Polymeren ermöglicht, dass die Materialien problemlos verarbeitet werden und Schaltungsfertigungsbedingungen standhalten können.
Wie durch die verschiedenen Figuren und den begleitenden Text dargestellt und beschrieben, umfasst das magnetodielektrische Substrat eine Polymermatrixzusammensetzung, die mehrere magnetische Teilchen, insbesondere Hexaferrit-Teilchen umfasst, die darin angeordnet sind, und wahlweise eine Verstärkungsschicht.
Die magnetodielektrische Schicht und das Substrat umfassen eine Polymermatrixzusammensetzung, insbesondere eine duroplastische Polymermatrixzusammensetzung. Das duroplastische Polymer in der Zusammensetzung kann Polybutadien, Polyisopren, ein Epoxid, ein Phenolpolymer, ein Polyester (wie diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen DOLPHON, SYNTHITE, DOLFEX und HI-THERM bekannt sind, von John C. Dolph Co., Monmouth Junction, New Jersey, USa), ein Polyimid, ein Silikon (wie diejenigen, die von Wacker erhältlich sind), ein Bismaleimidtriazin-(BT)-Harz, ein Benzoxazin, ein Polystyrol, ein Poly((C_1-4-alkylmethacrylat), Poly((C_1-4-alkylacrylat), ein allylierter Poly(arylenether), oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Polymere umfasst, umfassen. Andere duroplastische Polymere, die verwendet werden können, schließen diejenigen ein, die derart modifiziert sind, dass sie duroplastisch sind, zum Beispiel sind Flüssigkristallpolymere im Allgemeinen thermoplastische Polymere, jedoch können sie durch Funktionalisierung oder in Verbindung mit einem Duroplast wie einem Epoxid auch als Duroplaste verwendet werden. Das Epoxid kann ein cycloaliphatischer Epoxidtyp, ein Diglycidylether von Bisphenol A, ein Kresol-Novolak, ein Phenolepoxid, ein Bismaleimidtriazinepoxid, eine Cyanateesterepoxid-Mischung oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen.
Das Polymer der Polymermatrixzusammensetzung kann ein duroplastisches Polybutadien und/oder Polyisopren umfassen. Wie hier verwendet, beinhaltet der Ausdruck „duroplastisches Polybutadien und/oder Polyisopren“ Homopolymere und Copolymere, die Einheiten umfassen, die von Butadien, Isopren oder Mischungen davon abgeleitet sind. Einheiten, die von anderen copolymerisierbaren Monomeren abgeleitet sind, können ebenfalls in dem Polymer vorhanden sein, zum Beispiel in Form von Pfropfen. Copolymerisierbare Monomere schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf vinylaromatische Monomere, zum Beispiel substituierte und unsubstituierte monovinylaromatische Monomere wie Styrol, 3-Methylstyrol, 3,5-Diethylstyrol, 4-n-Propylstyrol, alpha-Methylstyrol, alpha-Methylvinyltoluol, para-Hydroxystyrol, para-Methoxystyrol, alpha-Chlorstyrol, alpha-Bromstyrol, Dichlorstyrol, Dibromstyrol, tetra-Chlorstyrol und dergleichen; und substituierte und unsubstituierte divinylaromatische Monomere wie Divinylbenzol, Divinyltoluol und dergleichen. Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden copolymerisierbaren Monomere umfassen, können ebenfalls verwendet werden. Duroplastische Polybutadiene und/oder Polyisoprene schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Butadien-Homopolymere, Isopren-Homopolymere, butadien-vinylaromatische Copolymere wie Butadien-Styrol, isopren-vinylaromatische Copolymere wie Isopren-Styrol-Copolymere.
Die duroplastischen Polybutadien- und/oder Polyisoprenpolymere können auch modifiziert sein. Zum Beispiel können die Polymere hydroxylterminiert, methacrylatterminiert, carboxylatterminiert oder dergleichen sein. Später umgesetzte Polymere wie epoxid-, maleinsäureanhydrid- oder urethanmodifizierte Polymere von Butadien- oder Isoprenpolymeren können verwendet werden. Die Polymere können auch vernetzt sein, zum Beispiel durch divinylaromatische Verbindungen wie Divinylbenzol, z. B. ein Polybutadien-Styrol, das mit Divinylbenzol vernetzt ist. Polymere werden von Herstellern, zum Beispiel Nippon Soda Co., Tokyo, Japan, und Cray Va-Iley Hydrocarbon Specialty Chemicals, Exton, PA, USA, allgemein als „Polybutadiene“ eingestuft. Mischungen von Polymeren können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel eine Mischung eines Polybutadien-Homopolymers und eines Poly(butadien-Isopren)-Copolymers. Kombinationen, die ein syndiotaktisches Polybutadien umfassen, können ebenfalls nützlich sein.
Das duroplastische Polybutadien- und/oder Polyisoprenpolymer kann bei Raumtemperatur flüssig oder fest sein. Das flüssige Polymer kann ein durchschnittliches Molekulargewicht (Mn) von mehr als oder gleich 5.000 Gramm pro Mol (g/Mol) basierend auf Polycarbonatstandards aufweisen. Das flüssige Polymer kann ein Mn von weniger als 5.000 g/Mol, insbesondere 1.000 bis 3.000 g/Mol aufweisen. Duroplastische Polybutadiene und/oder Polyisoprene mit mindestens 90 Gewichtsprozent (Gew.-%) 1,2-Addition können nach der Härtung aufgrund der großen Anzahl von anhängigen Vinylgruppen, die zur Vernetzung verfügbar sind, eine größere Vernetzungsdichte aufweisen.
Das Polybutadien und/oder Polyisopren können in der Polymerzusammensetzung in einer Menge von bis zu 100 Gew.-%, insbesondere bis zu 75 Gew.-% basierend auf der Polymermatrixzusammensetzung insgesamt, genauer 10 bis 70 Gew.- %, noch genauer 20 bis 60 oder 70 Gew.-% basierend auf der Polymermatrixzusammensetzung insgesamt vorhanden sein.
Andere Polymere, die mit dem duroplastischen Polybutadien und/oder Polyisopren gemeinsam härten können, können für eine spezifische Eigenschaft oder Verarbeitungsmodifikationen hinzugefügt werden. Zum Beispiel kann zur Verbesserung der Stabilität der Spannungsfestigkeit und mechanischen Eigenschaften des elektrischen Substratmaterials im Laufe der Zeit ein niedermolekulares Ethylen-Propylen-Elastomer in den Systemen verwendet werden. Wie hier verwendet, ist ein Ethylen-Propylen-Elastomer ein Copolymer, Terpolymer oder anderes Polymer, das primär Ethylen und Propylen umfasst. Ethylen-Propylen-Elastomere können weiter als EPM-Copolymere (d. h. Copolymere von Ethylen- und Propylen-Monomeren) oder EPDM-Terpolymere (d. h. Terpolymere von Ethylen, Propylen und Dienmonomere) eingestuft werden. Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerkautschuke, insbesondere mit gesättigten Hauptketten, wobei eine Unsättigung jenseits der Hauptkette zur Ermöglichung der Vernetzung verfügbar ist. Flüssige Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerkautschuke, in denen das Dien Dicyclopentadien ist, können verwendet werden.
Die Molekulargewicht der Ethylen-Propylen-Kautschuke können ein durch Viskosität bestimmtes, durchschnittliches Molekulargewicht von 10.000 g/Mol (Mv) aufweisen. Der Ethylen-Propylen-Kautschuk kann einen Ethylen-Propylen-Kautschuk mit einem Mv von 7.200 g/Mol, der von Lion Copolymer, Baton Rouge, LA, USA, unter der Handelsbezeichnung TRILENE™ CP80 erhältlich ist, einen flüssigen Ethylen-Propylen-Dicyclopentadien-Terpolymerkautschuk mit einem Mv von 7.000 g/Mol, der von Lion Copolymer unter der Handelsbezeichnung TRILENE™ 65 erhältlich ist, und ein flüssiges Ethylen-Propylen-Ethyliden-Norbomen-Terpolymer mit einem Mv von 7.500 g/Mol, das von Lion Copolymer unter der Handelsbezeichnung TRILENE™ 67 erhältlich ist, aufweisen.
Der Ethylen-Propylen-Kautschuk kann in einer Menge vorhanden sein, die zum Aufrechterhalten der Stabilität der Eigenschaften des Substratmaterials im Laufe der Zeit, insbesondere der Spannungsfestigkeit und mechanischen Eigenschaften, geeignet ist. Typischerweise betragen solche Mengen bis zu 20 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Polymermatrixzusammensetzung, insbesondere 4 bis 20 Gew.-%, genauer 6 bis 12 Gew.-%.
Eine andere Art von gemeinsam härtbarem Polymer ist ein ungesättigtes polybutadien- oder polyisoprenhaltiges Elastomer. Dieser Bestandteil kann ein willkürliches oder Blockcopolymer primär von 1,3-Additionsbutadien oder -isopren mit einem ethylenisch ungesättigten Monomer, zum Beispiel einer vinylaromatischen Verbindung wie Styrol oder alpha-Methylstyrol, ein Acrylat oder Methacrylat wie ein Methylmethacrylat oder Acrylnitril sein. Das Elastomer kann ein festes, thermoplastisches Elastomer sein, das ein lineares oder Pfropf-Blockcopolymer mit einem Polybutadien- oder Polyisoprenblock und einem thermoplastischen Block umfasst, der aus einem monovinylaromatischen Monomer wie Styrol oder alpha-Methylstyrol abgeleitet sein kann. Blockcopolymere dieser Art schließen Styrol-Butadien-Styrol-Triblock-Copolymere ein, zum Beispiel diejenigen, die von Dexco Polymers, Houston, TX, USA, unter der Handelsbezeichnung VECTOR 8508M™, von Enichem Elastomers America, Houston, TX, USA, unter der Handelsbezeichnung SOL-T-6302™, und diejenigen von Dynasol Elastomers unter der Handelsbezeichnung CALPRENE™ 401 erhältlich sind und Styrol-Butadien-Diblock-Copolymere und gemischte Triblock- und Diblock-Copolymere, die Styrol und Butadien enthalten, zum Beispiel diejenigen, die von Kraton Polymers(Houston, TX, USA) unter der Handelsbezeichnung KRATON D1118 erhältlich sind. KRATON D1118 ist ein gemischtes styrol- und butadienhaltiges Diblock-/Triblock-Copolymer, das 33 Gew.-% Styrol enthält.
Das fakultative polybutadien- oder polyisoprenhaltige Elastomer kann ferner ein zweites Blockcopolymer umfassen, das dem oben beschriebenen ähnlich ist, außer dass der Polybutadien- oder Polyisoprenblock hydriert ist, sodass ein Polyethylen-Block (im Falle von Polybutadien) oder ein Ethylen-Propylen-Copolymerblock (im Falle von Polyisopren) gebildet wird. Bei Verwendung mit dem oben beschriebenen Copolymer können Materialien mit einer größeren Härte erzeugt werden. Ein zweites Blockcopolymer dieser Art ist KRATON GX1855 (im Handel von Kraton Polymers erhältlich, wobei angenommen wird, dass es eine Mischung eines 1,2-Butadien-Styrol-Blockcopolymer mit hohem Ethylengehalt und eines Styrol-(Ethylen-Propylen)-Styrol-Blockcopolymers ist.
Der ungesättigte polybutadien- oder polyisoprenhaltige Elastomerbestandteil kann in der Polymermatrixzusammensetzung in einer Menge von 2 bis 60 Gew.-% in Bezug auf das Gesamtgewicht der Polymermatrixzusammensetzung, spezifisch 5 bis 50 Gew.-%, spezifischer 10 bis 40 oder 50 Gew.-% vorhanden sein.
Wieder andere gemeinsam härtbare Polymere, die zwecks spezifischer Eigenschaften oder Verarbeitungsmodifikationen hinzugefügt werden können, schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Homopolymere oder Copolymere von Ethylen wie Polyethylen und Ethylenoxid-Copolymere, Naturkautschuk, Norbomenpolymere wie Polydicyclopentadien, hydrierte Styrol-Isopren-Styrol-Copolymere und Butadien-Acrylnitril-Copolymere, ungesättigte Polyester und dergleichen. Die Mengen dieser Copolymere sind im Allgemeinen geringer als 50 Gew.-% des Gesamtpolymers in der Polymermatrixzusammensetzung.
Durch freie Radikale härtbare Monomere können für eine spezifische Eigenschaft oder Verarbeitungsmodifikationen, beispielsweise zur Erhöhung der Vernetzungsdichte des Systems nach der Härtung ebenfalls hinzugefügt werden. Monomere, die geeignete Vernetzungsmittel sein können, schließen zum Beispiel di, tri- oder höher ethylenisch ungesättigte Monomere wie Divinylbenzol, Triallylcyanurat, Diallylphthalat und multifunktionelle Acrylatmonomere (z. B. SARTOMER™-Polymere, die von Sartomer USA, Newtown Square, PA, USA, erhältlich sind) oder Kombinationen davon ein, die alle im Handel erhältlich sind. Das Vernetzungsmittel, sofern benutzt, kann in der Polymermatrixzusammensetzung gegebenenfalls in einer Menge von bis zu 20 Gew.-%, spezifisch 1 bis 15 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Gesamtpolymers in der Polymermatrixzusammensetzung vorhanden sein.
Ein Härtungsmittel kann zu der Polymermatrixzusammensetzung zugegeben werden, um die Härtungsreaktion von Polyenen mit olefinischen reaktiven Stellen zu beschleunigen. Härtungsmittel können organische Peroxide umfassen, zum Beispiel Dicumylperoxid, t-Butylperbenzoat, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexan, α,α-Di- bis(t-butylperoxy)diisopropylbenzol, 2,5-Dimethyl-2,5-di(t-butylperoxy)hexyn-3 oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Initiatoren, zum Beispiel 2,3-Dimethyl-2,3-diphenylbutan kann verwendet werden. Härtungsmittel oder Initiatoren können an sich oder in Kombination verwendet werden. Die Menge des Härtungsmittels kann 1,5 bis 10 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Polymers in der Polymermatrixzusammensetzung betragen.
Das Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann carboxyfunktionalisiert sein. Eine Funktionalisierung kann mittels einer polyfunktionellen Verbindung erzielt werden, die in dem Molekül sowohl (i) eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung oder eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindung als auch ii) mindestens einen einer Carboxygruppe, einschließlich einer Carbonsäure, eines -anydrids, -amids, -esters oder -säurehalogenids aufweist. Eine spezifische Carboxygruppe ist eine Carbonsäure oder ein -ester. Zu Beispielen von polyfunktionellen Verbindungen, die eine funktionelle Carbonsäuregruppe bereitstellen können, gehören Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure und Zitronensäure. Insbesondere können Polybutadiene, die mit Maleinsäureanhydrid adduziert sind, in der duroplastischen Zusammensetzung verwendet werden. Geeignete maleinisierte Polybutadienpolymere sind im Handel beispielsweise von Cray Valley unter den Handelsbezeichnungen RICON 130MA8, RICON 130MA13, RICON 130MA20, RICON 131MA5, RICON 131MA10, RICON 131MA17, RICON 131MA20 und RICON 156MA17 erhältlich. Geeignete maleinisierte Polybutadien-Styrol-Copolymere sind im Handel zum Beispiel von Sartomer unter der Handelsbezeichnung RICON 184MA6 erhältlich. RICON 184MA6 ist ein Butadien-Styrol-Copolymer, das mit Maleinsäureanhydrid mit einem Styrolgehalt von 17 bis 27 Gew.-% und Mn 9.900 g/Mol basierend auf Polycarbonatstandards adduziert ist.
Die relativen Mengen der verschiedenen Polymere in der Polymermatrixzusammensetzung, zum Beispiel des Polybutadien- oder Polyisoprenpolymers und anderer Polymere kann von der jeweils verwendeten leitfähigen Metallschicht, den gewünschten Eigenschaften der Schaltungsmaterialien und der kupferkaschierten Laminate und ähnlichen Überlegungen abhängen. Zum Beispiel kann die Verwendung eines Poly(arylenethers) eine erhöhte Bindungsfestigkeit an der leitfähigen Metallschicht, zum Beispiel Kupfer bereitstellen. Die Verwendung eines Polybutadien- oder Polyisoprenpolymers kann die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen der Laminate beispielsweise dann erhöhen, wenn diese Polymere carboxyfunktionalisiert sind. Die Verwendung eines elastomeren Blockcopolymers kann dazu dienen, die Bestandteile der Polymermatrix miteinander kompatibel zu machen. Die Bestimmung der geeigneten Mengen jedes Bestandteils kann ohne unnötige Versuche je nach den gewünschten Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung erfolgen.
Das magnetodielektrische Substrat umfasst ferner magnetische Teilchen, bevorzugt Hexaferrit-Teilchen. Wie im Stand der Technik bekannt, sind Hexaferrite magnetische Eisenoxide mit einer hexagonalen Struktur, die Al, Ba, Bi, Co, Ni, Ir, Mn, Mg, Mo, Nb, Nd, Sr, V, Zn, Zr oder eine Kombination umfassen kann, die eines oder mehrere der vorstehenden Elemente umfasst. Andere Arten von Hexaferriten schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Ferrite vom M-Typ wie BaFe₁₂O₁₉ (BaM oder Bariumferrit), SrFe₁₂O₁₉ (SrM oder Strontiumferrit), und Kobalt-Titan-substituiertes M-Ferrit, Sr- oder BaFe_12-2XCo_XTi_XO₁₉ (CoTiM), Ferrite vom Z-Typ (Ba₃Me₂Fe₂₄O₄₁) wie Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ (CO₂Z), Ferrite vom Y-Typ (Ba₂Me₂Fe₁₂O₂₂) wie Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂ (CO₂Y) oder Mg₂Y, Ferrite vom W-Typ (BaMe₂Fe₁₆O₂₇) wie BaCo₂Fe₁₆O₂₇ (Co₂W), Ferrite vom X-Typ (Ba₂Me₂Fe₂₈O₄₆) wie Ba₂Co₂Fe₂₈O₄₆ (CO₂X) und Ferrite vom U-Typ (Ba₄Me₂Fe₃₆O₆₀) wie Ba₄Co₂Fe₃₆O₆₀ (CO₂U), wobei in den vorstehenden Formeln Me ein +2-Ion ist und Ba durch Sr substituiert sein kann. Spezifische Ferrite umfassen Ba und Co, wahlweise zusammen mit einem oder mehreren anderen zweiwertigen Kationen (substituierten oder dotierten). Die erfindungsgemäßen Hexaferrit-Teilchen umfassen Sr, Ba, Co, Ni, Zn, V, Mn oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente, bevorzugt Ba und Co, umfasst. Die magnetischen Teilchen können ferromagnetische Teilchen wie Ferrit, Ferritlegierung, Kobalt, Kobaltlegierung, Eisen, Eisenlegierung, Nickel, Nickellegierung oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorstehenden magnetischen Materialien umfasst. Die magnetischen Teilchen umfassen erfindungsgemäß Hexaferrit und können bevorzugt Magnetit (Fe₃O₄) und MFe₂O₄ umfassen, wobei M mindestens eines von Co, Ni, Zn, V und Mn, insbesondere Co, Ni und Mn umfasst. Die magnetischen Teilchen können ferromagnetische Kobaltcarbidteilchen (wie Co₂C- und Co₃C-Phasen) umfassen, zum Beispiel Bariumkobalt-Hexaferrit vom Z-Typ (Co₂Z-Ferrit).
Magnetische Teilchen sind im Handel von einer Reihe von Lieferanten erhältlich, einschließlich Spherotech, Inc. aus Illinois; Trans-Tech, Inc. aus Maryland; und Spectrum Magnetics, LLC aus Delaware, USA.
Die magnetischen Teilchen sind erfindungsgemäß in dem magnetodielektrischen Substrat in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-% oder oder 15 bis 45 Vol.-% jeweils basierend auf dem Gesamtgewicht des magnetodielektrischen Substrats vorhanden sein.
Die magnetischen Teilchen können oberflächenbehandelt sein, um die Dispersion in das Polymer zu unterstützen, zum Beispiel mit einem oberflächenaktiven Stoff, einem organischen Polymer oder einem Silan oder anderen anorganischen Material. Zum Beispiel können die Teilchen mit einem oberflächenaktiven Stoff wie Oleylaminölsäure oder dergleichen beschichtet sein. Das Silan kann Phenylsilan, Trichlor(phenyl)silan, Tris(trimethylsiloxy)phenylsilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltris(betamethoxyethoxy)silan, Vinylbenzylaminoethylaminopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltriethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltriethoxysilan, γ-Aminopropy-Itrimethoxysilan, γ-Aminopropyltriethoxysilan, N-β-(Aminoethyl)-γ- aminopropyltrimethoxysilan, N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-γ-aminopropy-Itrimethoxysilan, N-Phenyl-γ-aminopropyltriethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, γ-Mercaptopropyltriethoxysilan, 3-(Triethoxysilyl)propylsuccinylanhydrid, 3-Chlorpropyl-methoxysilan, Vinyltrichlorsilan oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen. Das Silan kann Phenylsilan umfassen. Das Silan kann ein substituiertes Phenylsilan umfassen, zum Beispiel, die in der US-Patentschrift 4,756,971 beschrieben sind. Die Silane können in von 0,01 bis 2 Gewichtsprozent oder 0,1 bis 1 Gewichtsprozent basierend auf dem Gesamtgewicht der magnetischen Teilchen vorhanden sein. Die magnetischen Teilchen können mit SiO₂, Al₂O₃, MgO, Silber oder einer Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Elemente umfasst, beschichtet sein. Die magnetischen Teilchen könne durch eine basenkatalysierte Sol-Gel-Technik, eine Nass- und Trockenbeschichtungstechnik mittels Polyetherimid (PEI) oder eine Nass- und Trockenbeschichtungstechnik mittels Polyetheretherketon (PEEK) beschichtet werden.
Die Form der magnetischen Teilchen kann unregelmäßig oder regelmäßig, zum Beispiel kugelförmig, eiförmig, flockenförmig und dergleichen sein. Die magnetischen Teilchen können magnetische Nanoteilchen und/oder Teilchen in Mikrometergröße umfassen. Die magnetischen Teilchen können einen D₅₀-Massenwert von 10 Nanometern (nm) bis 10 Mikrometern, insbesondere 100 nm bis 5 Mikrometer, genauer 1 bis 5 Mikrometern aufweisen. Die magnetischen Teilchen können Nanoteilchen sein und können einen D₅₀-Massenwert von 1 bis 900 nm, insbesondere 1 bis 100 nm, ganz bevorzugt 5 bis 10 nm aufweisen. Die magnetischen Teilchen können einen D₅₀-Massenwert von 1 bis 10 Mikrometern, insbesondere 2 bis 5 Mikrometern aufweisen.
Die magnetischen Teilchen können magnetische Flocken umfassen. Die magnetischen Flocken können eine maximale laterale Abmessung von 5 bis 800 Mikrometern, insbesondere 10 bis 500 Mikrometern, und eine Dicke von 100 Nanometern bis 20 Mikrometern, insbesondere 500 nm bis 5 Mikrometern aufweisen, wobei ein Verhältnis der lateralen Abmessung zur Dicke größer als oder gleich 5, bevorzugt größer oder gleich 10 sein kann.
Das magnetodielektrische Substrat kann ferner wahlweise einen teilchenförmigen dielektrischen Füllstoff aufweisen, der zum Einstellen der dielektrischen Konstante, des Verlustfaktors, des Wärmeausdehnungskoeffizienten und anderer Eigenschaften des magnetodielektrischen Substrats ausgewählt ist. Der dielektrische Füllstoff kann zum Beispiel Titandioxid (Rutil und Anatase), Bariumtitanat, Strontiumtitanat, Siliciumdioxid (einschließlich amorphem Quarzglas), Korund, Wollastonit, Ba₂Ti₉O₂₀, feste Glaskugeln, Kunstglas oder hohle Keramikkugeln, Quarz, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxidtrihydrat, Magnesiumoxid, Glimmer, Talke, Nanotone, Magnesiumhydroxid oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen. Ein einziger sekundärer Füllstoff oder eine Kombination von sekundären Füllstoffen kann verwendet werden, um ein gewünschtes Gleichgewicht von Eigenschaften bereitzustellen.
Wahlweise können die dielektrischen Füllstoffe mit einer siliciumhaltigen Beschichtung, zum Beispiel einem organofunktionellen Alkoxysilan-Haftvermittler oberflächenbehandelt sein. Ein Zirkonat- oder Titanat-Haftvermittler kann verwendet werden. Solche Haftvermittler können die Dispersion des Füllstoffs in der Polymermatrix verbessern und die Wasserabsorption des fertigen Verbundschaltungssubstrats reduzieren. Der Füllstoffbestandteil kann 70 bis 30 Vol.-% amorphes Quarzglas basierend auf dem Gewicht des Füllstoffs als sekundären Füllstoff umfassen.
Die Polymermatrixzusammensetzung kann wahlweise auch ein Flammschutzmittel enthalten, das nützlich ist, um das magnetodielektrische Substrat gegenüber Flammen beständig zu machen. Das Flammschutzmittel kann halogeniert oder unhalogeniert sein. Das Flammschutzmittel kann in dem magnetodielektrischen Substrat in einer Menge von 0 bis 30 Vol.-% basierend auf dem Volumen des magnetodielektrischen Substrats vorhanden sein.
Das Flammschutzmittel kann anorganisch sein und kann in Form von Teilchen vorhanden sein. Das anorganische Flammschutzmittel kann ein Metallhydrat mit zum Beispiel einem volumengemittelten Teilchendurchmesser von 1 bis 500 nm, insbesondere 1 bis 200 nm oder 5 bis 200 nm oder 10 bis 200 nm umfassen; als Alternative kann der volumengemittelte Teilchendurchmesser 500 nm bis 15 Mikrometer, zum Beispiel 1 bis 5 Mikrometer betragen. Das Metallhydrat kann ein Hydrat eines Metalls wie Mg, Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu, Ni oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen. Hydrate von Mg, Al oder Ca können verwendet werden, zum Beispiel Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Calciumhydroxid, Eisenhydroxid, Zinkhydroxid, Kupferhydroxid und Nickelhydroxid, und Hydrate von Calciumaluminat, Gipsdihydrat, Zinkborat und Bariummetaborat. Verbundstoffe dieser Hydrate können verwendet werden, zum Beispiel ein Hydrat, das Mg und Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu und/oder Ni enthält. Ein Verbundmetallhydrat kann die Formel MgM_x(QH)_y aufweisen, wobei M Ca, Al, Fe, Zn, Ba, Cu oder Ni ist, x 0,1 bis 10 ist und y 2 bis 32 ist. Die Flammschutzteilchen können beschichtet oder anderweitig behandelt sein, um die Dispersion und andere Eigenschaften zu verbessern.
Organische Flammschutzmittel können zusätzlich zu oder als Alternative zu den anorganischen Flammschutzmitteln verwendet werden. Zu Beispielen von anorganischen Flammschutzmitteln gehören Melamincyanurat, Melaminpolyphosphat von feiner Teilchengröße, verschiedene andere phosphorhaltige Verbindungen wie aromatische Phosphinate, Diphosphinate, Phosphonate, Phosphate, Polysilsesquioxane, Siloxane und halogenierte Verbindungen wie Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure (HET-Säure), Tetrabromphthalsäure und Dibromoneopentylglycol. Ein Flammschutzmittel (wie ein bromhaltiges Flammschutzmittel) kann in einer Menge von 20 phr (Teilen pro hundert Teilen Harz) bis 60 phr, bevorzugt 30 bis 45 phr basierend auf dem Gesamtgewicht des Harzes vorhanden sein. Zu Beispielen von bromierten Flammschutzmitteln gehören Saytex BT93W (Ethylenbistetrabromphthalimid), Saytex 120 (Tetradecabromodiphenoxybenzol) und Saytex 102 (Decabromodiphenyloxid). Das Flammschutzmittel kann in Kombination mit einem Synergisten verwendet werden, zum Beispiel kann ein halogeniertes Flammschutzmittel in Kombination mit einem Synergisten wie Antimontrioxid verwendet werden und ein phosphorhaltiges Flammschutzmittel kann in Kombination mit einer stickstoffhaltigen Verbindung wie Melamin verwendet werden.
Das magnetodielektrische Substrat kann über den Bereich von 0 bis 500 MHz eine magnetische Feldkonstante von mehr als oder gleich 1,5 oder bei jeweils 0 bis 500 MHz von mehr als oder gleich 2,5, insbesondere 3 bis 8 aufweisen. Das magnetodielektrische Substrat kann einen magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 oder weniger als oder gleich 0,05 oder 0,001 bis 0,05, jeweils bei über 0 bis 500 Mhz, aufweisen.
Das magnetodielektrische Substrat kann eine dielektrische Konstante (auch als die dielektrische Permeabilität bekannt) von mehr als oder gleich 1,5 oder mehr als oder gleich 2,5 oder 1,5 bis 8 oder 3 bis 8 oder 3,5 bis 8 oder 6 bis 8, jeweils bei 0 bis 500 MHz aufweisen. In einer Ausführungsform stimmen die magnetische Feldkonstante und die dielektrische Konstante überein, das heißt, sind gleich, oder stimmen innerhalb von 20 % oder innerhalb von 10 % oder innerhalb von 5 % miteinander überein. Das magnetodielektrische Substrat kann jeweils bei über von 0 bis 500 MHz einen dielektrischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 oder weniger oder gleich 0,05 oder 0,001 bis 0,05 oder 0,01 bis 0,05 aufweisen. In einer Ausführungsform stimmen der magnetische Verlust und der dielektrische Verlust überein, das heißt, sind gleich, oder stimmen innerhalb von 20 % oder innerhalb von 10 % oder innerhalb von 5 % miteinander überein. In einer Ausführungsform ist die dielektrische Konstante e', dividiert durch die magnetische Feldkonstante u', geringer oder gleich 3 (e'/u' < 3), bevorzugt geringer als oder gleich 2(e'/u' < 2), besonders bevorzugt geringer als oder gleich 2,2 (e'/u' < 2,2), wobei e'/u' größer als oder gleich 1 sein kann).
Vorzugsweise stimmen die magnetische und die dielektrische Konstante und der magnetische und der dielektrische Verlust überein, das heißt, sind gleich, oder stimmen innerhalb von 20 % oder innerhalb von 10 % oder innerhalb von 5 % miteinander überein. Die magnetodielektrischen Eigenschaften können mittels einer koaxialen Luftlinie mit einer Nicholsson-Ross-Extraktion aus den Streuparametern ge-, messen werden, die mittels eines Vektornetzwerk-Analysiergeräts gemessen werden.
Das magnetodielektrische Substrat kann eine verbesserte Entflammbarkeit aufweisen. Zum Beispiel kann das magnetodielektrische Substrat bei 1,6 mm eine Einstufung von UL94 VI oder V0 aufweisen.
Im Gegensatz zu anderen Materialien, zum Beispiel denjenigen, die Hochtemperatur-Thermoplasten oder Eisenteilchen enthalten, kann das magnetodielektrische Substrat den Prozessen, die bei der Herstellung von Schaltkreise angewendet werden, einschließlich Laminieren, Ätzen, Schweißen, Bohren und dergleichen, problemlos standhalten.
Die Kupferhaftfestigkeit kann im Bereich von 540 g/cm bis 1.260 g/cm [entspricht 3 bis 7 pli (Pfunde pro linearem Zoll)], insbesondere 720 g/cm bis 1.080 g/cm [entspricht 4 bis 6 pli] liegen, wie sie laut dem IPC-Prüfverfahren 650, 2.4.9, gemessen wird.
Ein beispielhaftes magnetodielektrisches Substrat 10 ist in 1 dargestellt. Das magnetodielektrische Substrat 10 umfasst die Polymermatrix, die magnetischen Teilchen und die fakultative Verstärkungsschicht 300, wie oben beschrieben. Die Verstärkungsschicht 300 kann eine gewebte Schicht, eine Vliesschicht sein oder nicht verwendet werden. Das magnetodielektrische Substrat 10 weist eine erste planare Oberfläche 12 und eine zweite planare Oberfläche 14 auf. Wenn eine Verstärkungsschicht 300 und/oder eine magnetische Schicht vorhanden ist, kann das magnetodielektrische Substrat 10 einen ersten dielektrischen Schichtabschnitt 16, der sich auf einer Seite der Verstärkungsschicht befindet, und einen zweiten dielektrischen Schichtabschnitt 18 aufweisen, der sich auf einer zweiten Seite der Verstärkungsschicht 300 und/oder der magnetischen Schicht befindet.
Ein beispielhaftes Schaltungsmaterial, welches das magnetodielektrische Substrat 10 aus 1 umfasst, ist in 2 dargestellt, wobei eine leitfähige Schicht 20 auf einer planaren Oberfläche 14 des magnetodielektrischen Substrats 10 angeordnet ist, um ein einfach kaschiertes Schaltungsmaterial 50 zu bilden. Wie hierin und in der gesamten Offenbarung verwendet, bezieht sich „angeordnet“ darauf, dass die Schichten einander teilweise oder vollständig abdecken. Eine Zwischenschicht, zum Beispiel eine Klebeschicht, kann zwischen der leitfähigen Schicht 20 und dem magnetodielektrische Substrat 10 vorhanden sein (nicht dargestellt). Das magnetodielektrische Substrat 10 umfasst die Polymermatrix, ein magnetisches Teilchen und eine fakultative Verstärkungsschicht 300.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, wobei ein doppelt kaschiertes Schaltungsmaterial 50 das magnetodielektrische Substrat 10 aus 1 umfasst, das zwischen zwei leitfähigen Schichten 20 und 30 angeordnet ist. Eine oder beide leitfähigen Schichten 20 und 30 können in Form eines Schaltkreises (nicht dargestellt) vorliegen, um eine doppelt kaschierten Schaltkreis zu bilden. Ein Klebstoff (nicht dargestellt) kann auf einer oder beiden Seiten der Schicht 100 verwendet werden, um die Haftung zwischen dem Substrat und der bzw. den leitfähigen Schicht(en) zu erhöhen. Zusätzliche Schichten können hinzugefügt werden, sodass eine mehrschichtige Schaltung resultiert.
Nützliche leitfähige Schichten für die Bildung der Schaltungsmaterialien schließen zum Beispiel Edelstahl, Kupfer, Gold, Silber, Aluminium, Zink, Zinn, Blei, Übergangsmetalle und Legierungen ein, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfassen. Es gibt keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich der Dicke der leitfähigen Schicht, noch sind Einschränkungen in Bezug auf die Form, Größe oder Textur der Oberfläche der leitfähigen Schicht vorhanden. Die leitfähige Schicht kann eine Dicke von 3 bis 200 Mikrometern, bevorzugt 9 bis 180 Mikrometern aufweisen. Wenn zwei oder mehrere leitfähige Schichten vorhanden sind, kann die Dicke der zwei Schichten gleich oder verschieden sein. Die leitfähige Schicht 20, 30 kann eine Kupferschicht umfassen. Zu geeigneten leitfähigen Kupferschichten gehören eine dünne Schicht eines leitfähigen Metalls wie eine Kupferfolie, die derzeit bei der Bildung von Schaltungen verwendet werden, zum Beispiel galvanisierte Kupferfolien. Die Kupferfolie kann einen quadratischen Mittenrauwert (RMS) von weniger als oder gleich 2 Mikrometern, insbesondere weniger als oder gleich 0,7 Mikrometern aufweisen, wobei die Rauheit unter Verwendung eines Veeco Instruments WYCO Optical Profiler anhand des Verfahrens der Weißlichtinterferometrie gemessen wird.
4 stellt ein doppelt kaschiertes Schaltungsmaterial 50 mit der leitfähigen Schicht 30 dar, die durch Ätzen, Fräsen oder ein beliebiges anderes geeignetes Verfahren strukturiert wird.. Das Schaltungsmaterial 50 kann ferner eine Signalleitung umfassen, die ein zentraler Signalleiter eines Koaxialkabels sein kann, wobei zum Beispiel ein Zuführstreifen oder ein Mikrostreifen in Signalkommunikation mit dem leitfähigen Element 30 angeordnet sein kann. Ein Koaxialkabel kann mit einer Erdungsummantelung versehen sein, die um die zentrale Signalleitung angeordnet ist, wobei die Erdungsummantelung in elektrischer Erdungskommunikation mit der leitfähigen Erdungsschicht 20 angeordnet sein kann.
Während die Verstärkungsschicht 300 in 1 bis 4 durch eine Wellenlinie mit einer „Liniendicke“ dargestellt ist, ist es klar, dass eine solche Darstellung allgemeinen veranschaulichenden Zwecken dient und den Schutzumfang der hierin offenbarten Ausführungsformen nicht einschränken soll. Die Verstärkungsschicht 300 kann ein gewebtes oder Vliesfasermaterial sein, das einen Kontakt zwischen dem magnetodielektrischen Substrat 10 durch Poren in der Verstärkungsschicht 300 ermöglicht. Somit kann das magnetodielektrische Substrat 10 strukturell makroskopisch entlang einer Ebene kontinuierlich sein und die Verstärkungsschicht 300 kann mindestens teilweise strukturell makroskopisch entlang einer Ebene kontinuierlich sein. Wie hier verwendet, beinhaltet der Ausdruck „mindestens teilweise strukturell entlang einer Ebene makroskopisch kontinuierlich“ sowohl eine feste Schicht als auch eine Faserschicht (wie eine gewebte oder Vliesschicht), die makroskopische Poren aufweisen kann. Wie hier verwendet, beziehen sich die Ausdrücke „erste dielektrische Schicht“ und „zweite dielektrische Schicht“ auf die Regionen auf jeder Seite der magnetischen Verstärkungsschicht 300 und schränken die verschiedenen Ausführungsformen nicht auf zwei separate Schichten ein. Die Verstärkungsschicht 300 kann eine Materialeigenschaft aufweisen, die eine magnetische Anisotropie entlang einer Ebene beinhaltet.
Die verschiedenen hier verwendeten Materialien und Gegenstände, einschließlich der magnetodielektrischen Substrat, magnetischen Verstärkungsschichten, Schaltungsmaterialien und elektronischen Vorrichtungen, welche die Schaltungsmaterialien umfassen, können durch Verfahren gebildet werden, die im Stand der Technik allgemein bekannt sind. Zum Beispiel kann das magnetodielektrische Substrat direkt auf die Verstärkungsschicht gegossen werden oder die Verstärkungsschicht kann beschichtet, zum Beispiel tauchbeschichtet, sprühbeschichtet, umkehrwalzenbeschichtet, mittels Rakel-über-Walze, Rakel-über-Platte beschichtet, rakelbeschichtet, verlaufbeschichtet oder dergleichen mit einer Lösung oder Mischung beschichtet werden, welche die dielektrische Polymermatrixzusammensetzung, den dielektrischen Füllstoff, magnetische Teilchen und fakultative Zusatzstoffe umfasst. Als Alternative wird die Verstärkungsschicht in dem Laminierungsprozess zwischen der ersten und der zweiten magnetodielektrischen Schicht angeordnet und unter Wärme und Druck laminiert. Wenn die Verstärkungsschicht faserartig ist, fließt das Substrat in die faserartige magnetische Verstärkungsschicht und imprägniert diese. Eine Klebeschicht kann zwischen der faserartigen magnetischen Verstärkungsschicht und dem magnetodielektrischen Substrat angeordnet werden.
Insbesondere kann das magnetodielektrische Substrat durch direktes Gießen, beispielsweise auf die Verstärkungsschicht gebildet werden oder ein magnetodielektrisches Substrat kann hergestellt werden, das auf die Verstärkungsschicht laminiert werden kann, falls eine vorhanden ist. Das magnetodielektrische Substrat kann basierend auf der ausgewählten Matrixpolymerzusammensetzung hergestellt werden. Zum Beispiel kann das härtbare Matrixpolymer mit einer ersten Trägerflüssigkeit gemischt werden. Die Mischung kann eine Dispersion von Polymerteilchen in der ersten Trägerflüssigkeit, das heißt, eine Emulsion von flüssigen Tröpfchen des Polymers oder eines monomeren oder oligomeren Vorläufers des Polymers in der ersten Trägerflüssigkeit oder eine Lösung des Polymers in der ersten Trägerflüssigkeit umfassen. Falls das Polymer eine Flüssigkeit ist, dann kann keine erste Trägerflüssigkeit notwendig sein. Die Mischung kann magnetische Teilchen umfassen.
Die Wahl der ersten Trägerflüssigkeit, falls vorhanden, kann auf dem jeweiligen Polymer und der Form basieren, in der das Polymer in das magnetodielektrische Substrat eingeführt werden soll. Falls das Polymer als eine Lösung eingeführt werden soll, kann ein Lösungsmittel für das jeweilige härtbare Polymer als die Trägerflüssigkeit gewählt werden, zum Beispiel wäre N-Methylpyrrolidon (NMP) eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Lösung eines Polyimids. Falls das härtbare Polymer als eine Dispersion eingeführt werden soll, dann kann die Trägerflüssigkeit eine Flüssigkeit umfassen, in der das Polymer nicht löslich ist, z. B. wäre Wasser eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Dispersion von Polymerteilchen und wäre eine geeignete Trägerflüssigkeit für eine Emulsion von Polyamidsäure oder eine Emulsion von Butadienmonomer.
Der dielektrische Füllstoffbestandteil und/oder die magnetischen Teilchen können wahlweise in einer zweiten Trägerflüssigkeit dispergiert oder mit der ersten Trägerflüssigkeit (oder flüssigem härtbaren Polymer, wenn kein erster Träger verwendet wird) gemischt sein. Die zweite Trägerflüssigkeit kann die gleiche Flüssigkeit oder kann eine andere Flüssigkeit als die erste Trägerflüssigkeit sein, die mit der ersten Trägerflüssigkeit mischbar ist. Falls zum Beispiel die erste Trägerflüssigkeit Wasser ist, kann die zweite Trägerflüssigkeit Wasser oder einen Alkohol umfassen. Die zweite Trägerflüssigkeit kann Wasser umfassen.
Die Füllstoffdispersion kann ein oberflächenaktiver Stoff in einer Menge umfassen, die zum Modifizieren der Oberflächenspannung der zweiten Trägerflüssigkeit geeignet ist, um zu ermöglichen, dass die zweite Trägerflüssigkeit die Borsilicat-Mikrokügelchen benetzt. Zu Beispielen von Verbindungen oberflächenaktiver Stoffe gehören ionische oberflächenaktive Stoffe und nichtionische oberflächenaktive Stoffe. TRITON X-100™ hat sich als ein oberflächenaktiver Stoff zur Verwendung in wässrigen Füllstoffdispersionen erwiesen. Die Füllstoffdispersion kann 10 bis 70 Vol.-% Füllstoff und 0,1 bis 10 Vol.-% des oberflächenaktiven Stoffes umfassen, wobei der Rest die zweite Trägerflüssigkeit umfasst.
Die Kombination des härtbaren Polymers und der ersten Trägerflüssigkeit (falls verwendet) und der Füllstoffdispersion in der zweiten Trägerflüssigkeit kann zur Bildung einer Gussmischung kombiniert werden. Die Gussmischung kann 10 bis 60 Vol.-% der kombinierten härtbaren Polymerzusammensetzung und des Füllstoffs und 40 bis 90 Vol.-% kombinierte erste und zweite Trägerflüssigkeit umfassen. Die relativen Mengen des Polymers und des Füllstoffbestandteils in der Gussmischung kann ausgewählt sein, um die gewünschten Mengen in der endgültigen Zusammensetzung wie unten beschrieben bereitzustellen.
Die Viskosität der Gussmischung kann durch Zugabe eines Viskositätsmodifizierers eingestellt werden, der auf Grundlage seiner Kompatibilität in einer bestimmten Trägerflüssigkeit oder Mischung von Trägerflüssigkeiten ausgewählt ist, um eine Trennung, das heißt Sedimentbildung oder Flotation des Hohlkugel-Füllstoffs aus dem dielektrischen Verbundmaterial zu verzögern und ein dielektrisches Verbundmaterial mit einer Viskosität bereitzustellen, die mit einer herkömmlichen Laminierausrüstung kompatibel ist. Viskositätsmodifizierer, die zur Verwendung in wässrigen Gussmischungen geeignet sind, schließen zum Beispiel Polyacrylsäureverbindungen, pflanzliche Gummistoffe und cellulosebasierte Verbindungen ein. Zu spezifischen Beispielen von geeigneten Viskositätsmodifizierern gehören Polyacrylsäure, Methylcellulose, Polyethylenoxid, Guargummi, Johannisbrotkernmehl, Natriumcarboxymethylcellulose, Natriumalginat und Gummitragacant. Die Viskosität der viskositätseingestellten Gussmischung kann von Anwendung zu Anwendung ferner erhöht werden, d. h. über die minimale Viskosität hinaus erhöht werden, um das dielektrische Verbundmaterial an die ausgewählte Laminiertechnik anzupassen. Die viskositätseingestellte Gussmischung kann, gemessen bei Raumtemperatur (zum Beispiel bei 23 bis 25 °C) eine Viskosität von 10 bis 100.000 Centipoise (cP); insbesondere 100 cP bis 10.000 cP aufweisen.
Als Alternative kann der Viskositätsmodifizierer ausgelassen sein, falls die Viskosität der Trägerflüssigkeit ausreichend ist, um eine Gießmischung bereitzustellen, die sich während des Zeitraums von Interesse nicht trennt. Insbesondere kann die Verwendung eines Viskositätsmodifizierers im Falle von extrem kleinen Teilchen, zum Beispiel Teilchen mit einem äquivalenten sphärischen Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometern nicht notwendig sein.
Eine Schicht der viskositätseingestellten Gussmischung kann auf eine Verstärkungsschicht gegossen werden oder kann tauchbeschichtet werden. Das Gießen kann zum Beispiel durch Tauchbeschichtung, Verlaufbeschichtung, Umkehrwalzenbeschichtung, Rakel-über Walze-, Rakel-über-Platten-Beschichtung, Rakelbeschichtung und dergleichen erfolgen. Gleichermaßen kann die viskositätseingestellte Gussmischung auf eine Oberfläche gegossen werden, die frei von einer Verstärkungsschicht ist.
Die Trägerflüssigkeit und Verarbeitungshilfsmittel, d. h. das Tensid und der Viskositätsmodifizierer, können von der Gussschicht zum Beispiel durch Verdampfung und/oder durch thermische Zersetzung entfernt werden, um ein magnetodielektrisches Substrat des Polymers und wahlweise einen Füllstoff und/oder magnetische Teilchen zu konsolidieren. Die Schicht der Polymermatrix und wahlweise der Füllstoff und/oder die magnetischen Teilchen können ferner zum Härten des Polymers erwärmt werden. Das magnetodielektrische Substrat kann gegossen und danach teilweise gehärtet werden („B-staged“). Solche B-staged Schichten können gelagert und anschließend zum Beispiel in Laminierungsprozessen verwendet werden.
Ein einfach kaschiertes Schaltungsmaterial kann durch Gießen oder Laminieren des magnetodielektrischen Substrats auf die fakultative Verstärkungsschicht und Kleben oder Laminieren einer leitfähigen Schicht an eine planare Oberfläche des magnetodielektrischen Substrats gebildet werden. Ein doppelt kaschiertes Schaltungsmaterial kann durch Gießen oder Laminieren des magnetodielektrischen Substrats auf die fakultative Verstärkungsschicht und gleichzeitiges oder aufeinanderfolgendes Aufbringen eines ersten und eines zweiten leitfähigen Elements auf die planaren Oberflächen des magnetodielektrischen Substrats gebildet werden. Die fakultative Verstärkungsschicht und/oder das magnetodielektrische Substrat können die magnetischen Teilchen umfassen und/oder die magnetischen Teilchen können in einer Schicht vorhanden sein, die sich zwischen der Verstärkungsschicht und einem Abschnitt des magnetodielektrischen Substrats befindet. Eine Laminierung kann bei einer Temperatur und für einen Zeitraum ausgeführt werden, die zur Härtung (oder Vollendung der Härtung) des härtbaren Matrixpolymers wirksam sind.
Die leitfähige Schicht kann durch Anordnen der leitfähigen Schicht in der Gussform vor dem Formen, durch Laminieren der leitfähigen Schicht auf das magnetodielektrische Substrat, durch direktes Laserstrukturieren oder durch Kleben der leitfähigen Schicht an das magnetodielektrische Substrat über eine Klebeschicht aufgebracht werden. Das Laminieren kann das Anordnen eines magnetodielektrischen Substrats zwischen einer oder zwei Lagen von beschichteten oder unbeschichteten leitfähigen Schichten (eine Zwischenschicht kann zwischen mindestens einer leitfähigen Schicht und dem magnetodielektrischen Substrat angeordnet sein) nach sich ziehen, um eine geschichtete Struktur zu bilden. Als Alternative kann die leitfähige Schicht in direktem Kontakt mit dem magnetodielektrischen Substrat oder der fakultativen Zwischenschicht, insbesondere ohne intervenierende Schicht sein, wobei eine fakultative Zwischenschicht weniger als oder gleich 10 % der Dicke der Gesamtdicke des gesamten magnetodielektrischen Substrats betragen kann. Die geschichtete Struktur kann dann in einer Presse, zum Beispiel einer Vakuumpresse unter einem Druck und bei einer Temperatur und für eine Zeitdauer angeordnet sein, die zum Verbinden der Schichten und Bilden eines Laminats geeignet sind. Die Laminierung und Härtung kann durch einen einstufigen Prozess, zu Beispiel unter Verwendung einer Vakuumpresse erfolgen oder können durch einen mehrstufigen Prozess erfolgen. In einem einstufigen Prozess kann die geschichtete Struktur in einer Presse angeordnet, auf einen Laminierdruck gebracht werden (z. B. 150 bis 400 Pfund pro Quadratzoll (psi) (1 bis 2,8 MPa) und auf eine Laminiertemperatur erwärmt werden (z. B. 260 bis 390 Grad Celsius (°C)). Die Laminiertemperatur und der -druck können für die gewünschte Einweichzeit, d. h. 20 Minuten aufrechterhalten und danach (während sie immer noch unter Druck stehen) auf weniger als oder gleich 150 °C abgekühlt werden.
Falls vorhanden, kann die Zwischenschicht einen Polyfluorkohlenstofffilm, der zwischen der leitfähigen Schicht und dem magnetodielektrischen Substrat angeordnet sein kann, und eine fakultative Schicht aus mikroglasverstärktem Fluorkohlenstoffpolymer umfassen, das zwischen dem Polyfluorkohlenstofffilm und der leitfähigen Schicht angeordnet sein kann. Die Schicht aus mikroglasverstärktem Fluorkohlenstoffpolymer kann die Haftung der leitfähigen Schicht an dem magnetodielektrischen Substrat erhöhen. Das Mikroglas kann in einer Menge von 4 bis 30 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Schicht vorhanden sein. Das Mikroglas kann ein längstes Längenmaß von weniger als oder gleich 900 Mikrometern, insbesondere weniger als oder gleich 500 Mikrometer aufweisen. Das Mikroglas kann Mikroglas des Typs sein, der im Handel von Johns-Manville Corporation aus Denver, Colorado, USA, erhältlich ist. Der Polyfluorkohlenstofffilm umfasst ein Fluorpolymer (wie Polytetrafluorethylen (PTFE), ein fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer (wie Teflon FEP) und ein Copolymer mit einem Tetrafluorethylen-Grundgerüst mit einer voll fluorierten Alkoxyseitenkette (wie Teflon PFA).
Die leitfähige Schicht kann durch Laser-Direkt-Strukturierung aufgebracht werden. Hier kann das magnetodielektrische Substrat einen Laser-Direkt-Strukturierungs-Zusatzstoff umfassen und die Laser-Direkt-Strukturierung kann die Verwendung eines Lasers, um die Oberfläche des Substrats zu bestrahlen, das Bilden einer Spur des Laser-Direkt-Strukturierungs-Zusatzstoffs und das Aufbringen eines leitfähigen Metalls auf die Spur umfassen. Der Laser-Direkt-Strukturierungs-Zusatzstoff kann ein Metalloxidteilchen (wie Titanoxid und Kupferchromoxid) umfassen. Der Laser-Direkt-Strukturierungs-Zusatzstoff kann ein spinellbasiertes anorganisches Metalloxidteilchen wie Spinellkupfer umfassen. Das Metalloxidteilchen kann zum Beispiel mit einer Zusammensetzung beschichtet sein, die Zinn und Antimon umfasst (zum Beispiel 50 bis 99 Gew.-% Zinn und 1 bis 50 Gew.-% Antimon, basierend auf dem Gesamtgewicht der Beschichtung). Der Laser-Direkt-Strukturierungs-Zusatzstoff kann 2 bis 20 Teile des Zusatzstoffs basierend auf 100 Teilen der jeweiligen Zusammensetzung umfassen. Die Bestrahlung kann mit einem YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 Nanometern mit einer Ausgangsleistung von 10 Watt, einer Frequenz von 80 kHz und einer Rate von 3 Metern pro Sekunde ausgeführt werden. Das leitfähige Metall kann unter Anwendung eines Plattierungsprozesses in einem stromlosen Plattierungsbad, das beispielsweise Kupfer umfasst, aufgebracht werden.
Als Alternative kann die leitfähige Schicht durch adhäsives Aufbringen der leitfähigen Schicht aufgebracht werden. In einer Ausführungsform ist die leitfähige Schicht der Schaltkreis (die metallisierte Schicht eines anderen Schaltung), zum Beispiel eine Flex-Schaltung. Zum Beispiel kann eine Klebeschicht zwischen einer oder beiden der leitfähigen Schicht(en) und dem magnetodielektrischen Substrat angeordnet sein. Die Klebeschicht kann einen Poly(arylenether) und ein carboxyfunktionalisiertes Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer umfassen, das Butadien, Isopren oder Butadien- und Isopreneinheiten und null bis weniger als oder gleich 50 Gew.-% gemeinsam härtbare Monomereinheiten umfasst, wobei die Zusammensetzung der Klebeschicht nicht die gleiche ist wie die Zusammensetzung der Substratschicht. Die Klebeschicht kann in einer Menge von 2 bis 15 Gramm pro Quadratmeter vorhanden sein. Der Poly(arylenether) kann carboxyfunktionalisierten Poly(arylenether) umfassen. Der Poly(arylenether) kann das Reaktionsprodukt eines Poly(arylenethers) und eines cyclischen Anhydrids oder das Reaktionsprodukt eines Poly(arylenethers) und von Maleinsäureanhydrid sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann ein carboxyfunktionalisiertes Butadien-Styrol-Copolymer sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann ein Reaktionsprodukt eines Polybutadien- oder Polyisoprenpolymers und eines cyclischen Anhydrids sein. Das carboxyfunktionalisierte Polybutadien- oder Polyisoprenpolymer kann ein maleinisiertes Polybutadien-Styrol- oder maleinisiertes Polyisopren-Styrol-Copolymer sein. Andere Verfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, können zum Aufbringen der leitfähigen Schicht, wenn die jeweiligen Materialien und Form des Schaltungsmaterials es zulassen, angewendet werden, zum Beispiel Galvanisierung, chemische Dampfphasenabscheidung, Laminierung oder dergleichen.
Ein mehrstufiger Prozess, der für duroplastische Materialien wie Polybutadien und/oder Polyisopren geeignet ist, kann einen Peroxidhärtungsschritt bei Temperaturen von 150 bis 200 °C umfassen und der teilweise gehärtete Stapel kann dann einer Elektronenstrahl-Bestrahlungshärtung (E-Strahl-Härtung) bei hoher Energie oder einem Hochtemperatur-Härtungsschritt unter einer inerten Atmosphäre unterzogen werden. Die Anwendung einer zweistufigen Härtung kann dem resultierenden Laminat einen ungewöhnlich hohen Vernetzungsgrad verleihen. Die Temperatur, die in der zweiten Stufe angewendet wird, kann 250 bis 300 °C oder die Zersetzungstemperatur des Polymers sein. Diese Hochtemperaturhärtung kann in einem Ofen ausgeführt werden, kann jedoch auch in einer Presse, nämlich als eine Fortsetzung des anfänglichen Laminierungs- und Härtungsschrittes ausgeführt werden. Die jeweiligen Laminierungstemperaturen und -drücke hängen von der jeweiligen Klebstoffzusammensetzung und der Substratzusammensetzung ab und können von einem Durchschnittsfachmann ohne unnötige Versuche problemlos ermittelt werden.
Die Schalkreismaterialien und Schaltkreise können in elektronischen Vorrichtungen wie Spulen auf elektronischen integrierten Schaltkreischips, elektronischen Schaltkreise, elektronischen Packages, Modulen und Gehäusen, Transducern und UHF-, VHF- und Mikrowellenantennen für viele verschiedene Anwendungen, zum Beispiel elektrische Antriebsanwendungen, Datenspeicherung und Mikrowellenkommunikation verwendet werden. Die Schaltkreisanordnung kann in Anwendungen verwendet werden, indem ein externes Gleichstrom-Magnetfeld angelegt wird. Außerdem kann bzw. können die magnetischen Schicht(en) mit sehr guten Ergebnissen (Größe und Bandbreite) in allen Antennenkonstruktionen über den Frequenzbereich von 10 bis 800 MHz verwendet werden. Darüber hinaus kann das Anlegen eines externen Magnetfeldes die magnetische Permeabilität der magnetischen Schicht(en) und somit die Resonanzfrequenz des Bereichs „feinabstimmen“. Das magnetodielektrische Substrat kann in einer Radiofrequenz-(RF)-Komponente verwendet werden.
BEISPIELE
Beispiel 1 bis 6
Magnetodielektrische Substrat, die ein magnetisches Teilchen und ein thermoplastisches Polymer umfassten, wurden über einen Bereich von Frequenzen wie unten beschrieben geprüft.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 1 (ein Vergleichsbeispiel) umfasst 40 Vol.-% magnetische Fe-Teilchen in einem duroplastischen Polybutadien/Polyisopren-Material wie oben beschrieben ((R04000 ohne dielektrischen Füllstoff oder Glastuch von Rogers Corporation) und ist in 5 bis 8 durch die Rauten dargestellt.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 2 (ein Vergleichsbeispiel) umfasst 40 Vol.-% Nickelzinkferrit-Teilchen in einem duroplastischen Polybutadien/Polyisopren-Material wie oben beschrieben ((R04000 ohne dielektrischen Füllstoff oder Glastuch von Rogers Corporation) und ist in 5 bis 8 durch Quadrate dargestellt.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 3 (ein Vergleichsbeispiel) umfasst Co-Ba-Hexaferrit-Teilchen in einem duroplastischen Polymer aus hochdichtem Polyethylen ohne dielektrischen Füllstoff oder Glastuch und ist in 5 bis 8 durch Dreiecke dargestellt.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 4 (ein Vergleichsbeispiel) umfasst 40 Vol.-% Nickelzinkferrit-Teilchen in einem duroplastischen Polybutadien/Polyisopren-Material wie oben beschrieben ((R04000 ohne dielektrischen Füllstoff oder Glastuch von Rogers Corporation) und ist in 5 bis 8 durch die Kreuzchen dargestellt.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 5 (ein erfinderisches Beispiel) umfasst 40 Vol.-% Co-Ba-Hexaferrit-Teilchen in einem duroplastischen Polybutadien/Polyisopren-Material wie oben beschrieben (R04000 ohne dielektrischen Füllstoff oder Glastuch von Rogers Corporation) und ist in 5 bis 8 durch die Kreuzchen mit einem vertikalen Strich dargestellt.
Das magnetodielektrische Substrat aus Beispiel 6 (ein erfinderisches Beispiel) ist eine zweite Probe des magnetodielektrischen Substrats aus Beispiel 5 und ist in 5 bis 8 durch die Kreise dargestellt.
5 zeigt, dass Beispiel 1 bis 6 alle eine dielektrische Konstante (e') von mehr als 1,5, insbesondere mehr als 4 aufweisen. 5 zeigt ferner, dass Beispiel 2, 3, 5 und 6 bei Frequenzen von 0 bis 500 MHz eine dielektrische Konstante von 4 bis 8 aufweisen. Beispiel 2, 3, 5 und 6 weisen wünschenswerterweise dielektrische Konstanten auf, die innerhalb des Dreifachen des Wertes der magnetischen Feldkonstante (insbesondere e'/u' < 2,2) über dem Frequenzbereich von 100 bis 500 MHz liegen, wohingegen Beispiel 1 und 4 dielektrische Konstanten aufweisen, die größer als das Dreifache der magnetischen Feldkonstante über dem Frequenzbereich von 100 bis 500 MHz sind.
6 zeigt, dass Beispiel 2, 3, 5 und 6 im Vergleich zu Beispiel 1 und 4, die nicht wünschenswerterweise hohe dielektrische Verlustwerte von mehr als 0,2 bei 0 bis 500 MHz aufweisen, einen signifikant besseren dielektrischen Verlust (e' tan delta, „e'tand“) aufweisen. Beispiel 2, 3, 5 und 6 weisen jeweils einen dielektrischen Verlust von weniger als 0,1 bei 0 bis 500 MHz auf und Beispiel 3, 5 und 6 weisen jeweils einen dielektrischen Verlust von weniger als 0,05 bei 0 bis 500 MHz auf.
Die magnetische Feldkonstante (u') gegenüber der Frequenz für die magnetodielektrischen Substrat aus Beispiel 1 bis 6 sind in 7 dargestellt. Die magnetische Feldkonstante ist für alle Beispiele größer als 1,5.
Die magnetischen Verlustwerte (u' tan delta, „u'tand“) gegenüber der Frequenz sind in 8 dargestellt. Die besten magnetischen Verlustwerte von 0 bis 500 MHz sind für Beispiel 1, 3, 5 und 6 zu beobachten (die Datenpunkte für Beispiel 1, 3, 5 und 6 stimmen im Allgemeinen mit der Grafik bei 0 bis 500 MHz überein). Jedes dieser Beispiele weist einen magnetischen Verlust von weniger als 0,1 bei 0 bis 500 MHz auf.
Beispiel 3, 5 und 6 weisen daher die beste Kombination von magnetischen und dielektrischen Eigenschaften auf. Neben dem relativ geringfügigen magnetischen Verlust wurde ferner herausgefunden, dass die Materialien aus Beispiel 1 hoch entflammbar waren. Die Materialien aus Beispiel 4 und 5 haben zwar eine Kombination von magnetischen und dielektrischen Eigenschaften, haben jedoch aus Herstellungssicht Nachteile, da die thermoplastischen Polymere Defekten aufgrund von Laminierung und insbesondere während der Schaltungsfertigung unterliegen. Die Materialien aus Beispiel 5 und 6 halten andererseits der Schaltkreisfertigung und anderen Herstellungsprozessen stand, einschließlich des Laminierens, Ätzens, Bohrens, Schweißens und dergleichen.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient für Beispiel 5 und 6 wurde mit 16,5 bis 17 × 10^-6 Metern pro Meter Kelvin (m/mK) in der x-y-Richtung und 40 × 10^-6 m/mK in der z-Richtung über einen Temperaturbereich von 0 bis 200 °C ermittelt.
Nachstehend sind einige Ausführungsformen des vorliegenden magnetodielektrischen Substrats dargelegt.
Ausführungsform 1: Ein magnetodielektrisches Substrat, umfassend: eine duroplastische Polymermatrix und mehrere Hexaferrit-Teilchen, die in der Polymermatrix in einer Menge und einer Art dispergiert sind, die zur Bereitstellung des magnetodielektrischen Substrats mit einer magnetischen Feldkonstante von mehr als oder gleich 2,5 bei 0 bis 500 MHz oder 3 bis 8 bei 0 bis 500 MHz einem magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 bei 0 bis 500 MHz oder 0,001 bis 0,05 bei über 0 bis 500 MHz; und einer dielektrischen Konstante von 1,5 bis 8 oder 2,5 bis 8 bei 0 bis 500 MHz geeignet sind.
Ausführungsform 2: Das magnetodielektrische Substrat aus Ausführungsform 1, wobei das magnetodielektrische Substrat ferner mindestens einen dielektrischen Verlust von weniger als 0,01 oder weniger als 0,005 über 0 bis 500 MHz, eine Einstufung von UL94 VI, die bei einer Dicke von 1,6 mm gemessen wird und eine Schälfestigkeit an Kupfer von 540 g/cm bis 1.260 g/cm [entspricht 3 bis 7 pli], die gemäß dem IPC-Prüfverfahren 650, 2.4.9 gemessen wird, aufweist.
Ausführungsform 3: Das magnetodielektrisches Substrat nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen in dem magnetodielektrischen Substrat in einer Menge von 5 bis 60 Vol.-% oder 10 bis 50 Vol.-% oder 15 bis 45 Vol.-% basierend auf dem Gesamtvolumen des magnetodielektrischen Substrats vorhanden sind.
Ausführungsform 4: Das magnetodielektrische Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei der Duroplast Polybutadien, Polyisopren, ein Epoxid; ein Phenolpolymer; einen Polyester; ein Polyimid; ein Silikon; ein Bismaleimidtriazin-(BT)-Harz; ein Benzoxazin; ein Polystyrol; ein Poly((C_1-4-Alkylmethacrylat), ein Poly(C_1-4-Alkylacrylat); einen allylierten Poly(arylenether) oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der vorstehenden Polymere umfasst; genauer kann der Duroplast Polybutadien, Polyisopren, Polyetherimid, Polyimid, Polyamidimid oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst; noch genauer kann der Duroplast Polybutadien, Polyisopren oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst.
Ausführungsform 5: Das magnetodielektrische Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das magnetodielektrische Substrat ein Polybutadien und/oder ein Polyisopren; wahlweise einen Ethylen-Propylen-Flüssigkautschuk mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von weniger als oder gleich 50.000 g/Mol, wie durch Gel-Permeations-Chromatographie basierend auf Polycarbonatstandards gemessen, wahlweise einen dielektrischen Füllstoff und wahlweise ein Flammschutzmittel umfasst.
Ausführungsform 6: Magnetodielektrisches Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen Sr, Ba, Co, Ni, Zn, V, Mn oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen.
Ausführungsform 7: Magnetodielektrisches Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen Ba und Co umfassen.
Ausführungsform 8: Das magnetodielektrische Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen eine organische Polymerbeschichtung, eine Tensidbeschichtung, eine Silanbeschichtung oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, insbesondere eine Silanbeschichtung; insbesondere kann die Silanbeschichtung Phenylsilan, Trichlor(phenyl)silan, Tris(trimethylsiloxy)phenylsilan, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltris(betamethoxyethoxy)silan, Vinylbenzylaminoethylaminopropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltriethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, γ-Methacryloxypropy-Itriethoxysilan, γ-Aminopropyltrimethoxysilan, γ-Aminopropyltriethoxysilan, N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilän, N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltriethoxysilan, N-Phenyl-γ-aminopropyltrimethoxysilan, N-Phenyl-γ-aminopropyltriethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, γ-Mercaptopropyltriethoxysilan, 3-(Triethoxysilyl)propylsuccinylanhydrid, 3-Chlorpropylmethoxysilan, Vinyltrichlorsilan oder eine Kombination umfassen, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst; insbesondere kann das Silan Phenylsilan oder ein substituiertes Phenylsilan, insbesondere Phenylsilan umfassen.
Ausführungsform 9: Das magnetodielektrische Substrat nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, ferner umfassend eine Faserverstärkungsschicht, die gewebte oder Vliesfasern umfasst.
Ausführungsform 10: Das magnetodielektrisches Substrat nach Ausführungsform 9, wobei die Fasern Glasfasern, Ferritfasern, Ferritlegierungsfasern, Kobaltfasern, Kobaltlegierungsfasern, Eisenfasern, Eisenlegierungsfasern, Nickelfasern, Nickellegierungsfasern, Polymerfasern, umfassend teilchenförmiges Ferrit, eine teilchenförmige Ferritlegierung, teilchenförmiges Kobalt, eine teilchenförmige Kobaltlegierung, teilchenförmiges Eisen, eine teilchenförmige Eisenlegierung, teilchenförmiger Nickel, eine teilchenförmige Nickellegierung oder eine Kombination, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen.
Ausführungsform 11: Das magnetodielektrisches Substrat nach einer der Ausführungsformen 9 bis 10, wobei die Fasern Polymerfasern oder Glasfasern umfassen.
Ausführungsform 12: Ein Verfahren zum Herstellen des magnetodielektrischen Substrats nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren das Dispergieren von mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung; Bilden einer Schicht aus der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und den dispergierten Teilchen und Härten der Polymermatrixzusammensetzung zur Bildung des magnetodielektrischen Substrats umfasst.
Ausführungsform 13: Das Verfahren nach Ausführungsform 12, ferner umfassend das Imprägnieren der Faserverstärkungsschicht mit der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und der dispergierten Teilchen, um die Schicht zu bilden und teilweise Härten der Polymermatrixzusammensetzung der Schicht, um ein Prepreg bereitzustellen.
Ausführungsform 14: Ein Schaltungsmaterial, umfassend eine leitfähige Schicht und das magnetodielektrische Substrat nach einer der Ausführungsformen 1 bis 11, das auf der leitfähigen Schicht angeordnet ist.
Ausführungsform 15: Das Schaltungsmaterial nach Ausführungsform 14, wobei die leitfähige Schicht Kupfer ist.
Ausführungsform 16: Ein Verfahren zum Herstellen des Schaltungsmaterials nach Ausführungsform 14 oder 15, wobei das Verfahren das Dispergieren von mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, Bilden einer Schicht aus der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und den dispergierten Teilchen auf einer leitfähigen Schicht und Härten der Polymermatrixzusammensetzung umfasst.
Ausführungsform 17: Das Verfahren nach Ausführungsform 16, wobei das Härten durch Laminieren erfolgt.
Ausführungsform 18: Das Verfahren nach Ausführungsform 16 oder 17, wobei das Bilden das Imprägnieren der Faserverstärkungsschicht mit der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung und der dispergierten Teilchen; und teilweise Härten der Polymermatrixzusammensetzung der Schicht, um ein Prepreg bereitzustellen, bevor das Prepreg auf der leitfähigen Schicht angeordnet ist, umfasst.
Ausführungsform 19: Eine Schaltung, umfassend das Schaltungsmaterial nach einer der Ausführungsformen 14 bis 18.
Ausführungsform 20: Ein Verfahren zum Herstellen der Schaltung nach Ausführungsform 19, ferner umfassend das Strukturieren der leitfähigen Schicht.
Ausführungsform 21: Eine Antenne, umfassend die Schaltung nach Ausführungsform 19 oder 20.
Ausführungsform 22: Eine RF-Komponenten, umfassend das magnetodielektrische Substrat nach einer der Ausführungsformen 1 bis 11.
Wie hier verwendet, beinhaltet der Ausdruck „Schicht“ planare Filme, Lagen und dergleichen sowie andere dreidimensionale nicht planare Formen. Eine Schicht kann ferner makroskopisch kontinuierlich oder nicht kontinuierlich sein. Die Verwendung der Ausdrücke „ein“, „einer“, „eine“ bezeichnet keine Einschränkung der Menge, sondern bezeichnet die Gegenwart mindestens eines der genannten Elemente. „Oder“ bedeutet „und/oder“. Hierin offenbarte Bereiche schließen die genannten Endpunkte ein und sind unabhängig kombinierbar. „Kombination“ schließt Gemische, Mischungen, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen ein. Ferner bedeutet „Kombinationen, umfassend mindestens eines oder mehrere der vorstehenden Elemente“, dass die Liste jedes Element einzeln sowie auch Kombinationen von zwei oder mehreren Elementen der Liste und Kombinationen mindestens eines Elements der Liste mit ähnlichen Elementen, die nicht genannt sind, einschließt. Die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und so weiter sollen hierin keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit bezeichnen, sondern werden verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „im Wesentlichen gleich“, dass die zwei Vergleichswerte plus oder minus 10 % voneinander, vorzugsweise plus oder minus 5 % voneinander, bevorzugt plus oder minus 1 % voneinander betragen.

Claims

Magnetodielektrisches Substrat (10), umfassend: eine duroplastische Polymermatrix umfassend ein Polybutadien, ein Polyisopren, ein Polyimid oder eine Kombination, umfassend mindestens eines der vorstehenden Elemente; und mehrere Hexaferrit-Teilchen, die in der Polymermatrix dispergiert sind, die zur Bereitstellung des magnetodielektrischen Substrats (10) geeignet sind, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen in dem magnetodielektrischen Substrat (10) in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-% basierend auf dem Gesamtvolumen des magnetodielektrischen Substrats (10) vorhanden sind und Sr, Ba, Co, Ni, Zn, V, Mn oder eine Kombination, die eines oder mehrere der vorstehenden Elemente umfasst, umfassen, das Folgendes aufweist eine magnetische Feldkonstante von mehr als oder gleich 2,5 bei 0 bis 500 MHz, einen magnetischen Verlust von weniger als oder gleich 0,1 bei 0 bis 500 MHz, eine dielektrische Konstante von 1,5 bis 8 bei 0 bis 500 MHz, ein Verhältnis der dielektrischen Konstante zu der magnetischen Feldkonstante von 1 bis 2 und eine Schälfestigkeit gegenüber Kupfer von 540 g/cm bis 1.260 g/cm [entspricht 3 bis 7 pli], die gemäß IPC-Prüfverfahren 650, 2.4.9 gemessen wird.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach Anspruch 1, wobei das magnetodielektrische Substrat (10) ferner mindestens eines von Folgendem umfasst einen dielektrischen Verlust von weniger als 0,01 über 0 bis 500 MHz; eine Einstufung von UL94 VI, die bei einer Dicke von 1,6 mm gemessen wird; und die dielektrische Konstante von 3 bis 8 bei 0 bis 500 MHz.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen in dem magnetodielektrischen Substrat (10) in einer Menge von 15 bis 45 Vol.-% basierend auf dem Gesamtvolumen des magnetodielektrischen Substrats (10) vorhanden sind.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymermatrix 1,2-Polybutadien, Polyisopren, Polybutadien-Polyisopren-Copolymere, Polyetherimid, Polyimid, Polyamidimid oder eine Kombination umfasst, die mindestens eines der vorstehenden Elemente umfasst.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Polymermatrix das Polybutadien und/oder das Polyisopren, wahlweise einen Ethylen-Propylen-Flüssigkautschuk mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von weniger als oder gleich 50.000 g/Mol, wie sie durch Gel-Permeations-Chromatographie basierend auf Polycarbonatstandards gemessen wird, umfasst.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen Ba und Co umfassen.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Hexaferrit-Teilchen eine Silanbeschichtung umfassen.
Magnetodielektrisches Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Faserverstärkungsschicht, die gewebte oder Vliesfasern umfasst.
Verfahren zum Herstellen des magnetodielektrischen Substrats (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren Folgendes umfasst - Dispergieren der mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, um eine dispergierte Zusammensetzung zu bilden; - Bilden einer Schicht (100) aus der dispergierten Zusammensetzung und - Härten der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, um das magnetodielektrische Substrat (10) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend das Imprägnieren einer Faserverstärkungsschicht mit der dispergierten Zusammensetzung; und teilweise Härten der Polymermatrixzusammensetzung der Schicht (100), um ein Prepreg bereitzustellen.
Schaltungsmaterial (50) umfassend ein magnetodielektrisches Substrat (10) nach Anspruch 1 und eine leitfähige Schicht (20, 30), die auf dem magnetodielektrischen Substrat (10) angeordnet ist, wobei die leitfähige Schicht (20, 30), wahlweise Kupfer, umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsmaterials (50) gemäß Anspruch 11, ferner umfassend: - Dispergieren der mehreren Hexaferrit-Teilchen in einer härtbaren Polymermatrixzusammensetzung, um eine dispergierte Zusammensetzung zu bilden, - Bilden einer Schicht (100) aus der dispergierten Zusammensetzung, - Anordnen der Schicht (100) auf einer leitfähigen Schicht (20, 30) und . - Härten der härtbaren Polymermatrixzusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend das Strukturieren der leitfähigen Schicht (20, 30).
RF-Komponente mit magnetodielektrischem Substrat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Antenne mit Schaltungsmaterial (50) gemäß Anspruch 11, wobei die leitfähige Schicht (20, 30) strukturiert ist und das Schaltungsmaterial (50) hergestellt ist mit dem Verfahren gemäß Anspruch 12.