TWI438964B

TWI438964B - Dielectric antenna

Info

Publication number: TWI438964B
Application number: TW100101500A
Authority: TW
Inventors: Masanori Kasai
Original assignee: Murata Manufacturing Co
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2014-05-21
Also published as: TW201214866A; EP2530783B1; CN102725909A; WO2011093154A1; CN102725909B; EP2530783A4; JP5418608B2; EP2530783A1; US9178281B2; US20120293374A1; JPWO2011093154A1

Description

介電質天線

本發明係關於介電質天線者，尤其係關於介電質天線所具備之介電質塊之材料上之改良者。

近年來，手機有日益小型化且輕量化之傾向，因此對於搭載於手機上之天線亦要求小型化且輕量化。手機中，作為天線，通常使用主體部份由介電質塊構成之介電質天線，但為對應於上述小型化且輕量化，作為使用於介電質塊之介電質材料，高介電率且低比重者較佳。

另一方面，由手機之設計性之觀點而言，天線內建型手機成為主流。天線內建型亦有助於手機之小型化。根據其而要求介電質天線係可靈活改變其介電質塊之形狀之加工性優良者，以亦可配置於手機之框體與框體內部之配線基板之間隙之狹小空間內。

如此背景下，作為介電質塊之材料，係較佳使用含介電質陶瓷之填料與樹脂之複合材料。其理由係利用如此複合材料時，介電質陶瓷提高介電質塊之介電率，其結果，可使介電質天線小型化，又，樹脂可使介電質塊輕量化，且可使介電質塊造型為自由形狀。

如上述之複合材料，作為對於本發明有趣味者，例如有日本特開2004-6316號公報(專利文獻1)所記載者。專利文獻1中，記載有含介電質無機填料與有機高分子材料之複合介電質材料，作為有機高分子材料，揭示有使用聚丙烯。

但，專利文獻1所記載之複合材料中，作為有機高分子材料，由於使用聚丙烯，因此耐熱性不優良，安裝具備由其構成之介電質塊之介電質天線時，例如可能會遇到無法適用焊料迴流步驟之問題。

因此，構成介電質塊之複合材料中，作為樹脂，亦提案有使用耐熱性優良之液晶聚合物。但，使用液晶聚合物之情形中，介電質塊射出成形時會導致拉絲，因此會遇到阻礙連續成形之問題。

為解決耐熱性之問題，且解決上述拉絲問題，例如根據日本特開2009-197209號公報(專利文獻2)，提案有在複合材料中，使用從固體相向液體相進行相轉移之吸熱峰值溫度成滿足1000Pa‧s以下之熔融粘度之溫度差不同之2種液晶聚合物。

但，使用專利文獻2所記載之材料，連續實施介電質塊之射出成形時，可知會導致成形模具上附著殘留成形材料之一部份之問題。其阻礙介電質塊之連續成形，使介電質天線製造之成品率下降，其結果，會導致介電質天線之成本上升。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2004-6316號公報

[專利文獻2]日本特開2009-197209號公報

因此，本發明之目的係欲提供一種具備由可解決如上問題之成形材料構成之介電質塊之介電質天線。

本發明係介電質天線，其具備介電質塊、設於介電質塊上之放射電極、分別電性連接於放射電極上之供電端子及接地端子，介電質塊包含有機高分子材料。

為解決上述技術性問題，本發明之特徵在於：上述有機高分子材料包含液晶聚合物與聚四氟乙烯，聚四氟乙烯之添加量相對於介電質塊之體積為2~15體積%。

本發明中，液晶聚合物其流動開始溫度為310℃以上且335℃以下較佳。此處，所謂流動開始溫度，係使用流動試驗儀(直徑1 mm×長度10 mm之分裂模具)，將2 g液晶聚合物之粉末放入圓筒內，於9.8 MPa之荷重下以4℃/分之速度升溫，擠出物之粘土達到4800Pa‧s之時點下之溫度。

又，本發明中，較佳為介電質塊進而含有介電質無機填料，該介電質無機填料之添加量相對於介電質塊之體積為45體積%以下。

上述介電質無機填料含有碳酸鈣更佳。

根據本發明，介電質塊中所含之有機高分子材料含有液晶聚合物與聚四氟乙烯，該等液晶聚合物及聚四氟乙烯兩方都具有耐熱性，因此首先可對介電質天線例如賦予可承受焊料迴流之耐熱性。

又，聚四氟乙烯藉由相對於介電質塊之體積添加2~15體積%，可不阻礙成形性，以提高有機高分子材料之脫模性之方式作用。其結果，連續實施介電質塊之射出成形時，可有利地避免成形模具上附著殘留成形材料之一部份之問題。再者，與液晶聚合物不相溶之聚四氟乙烯於介電質塊之材料中作為有機填料而起作用，熔融張力下降，因此可抑制射出成形時拉絲之產生。由此，可有效地進行介電質塊之連續成形，可提高介電質天線製造之成品率，及可期待由此之介電質天線之成本下降。

另，如上述，有機高分子材料除液晶聚合物外亦含聚四氟乙烯時，可知例如由於焊料迴流步驟之成形後之溫度上升而招致於介電質塊易產生起泡之狀況。此時，作為液晶聚合物，若使用其流動開始溫度為310℃以上且335℃以下者，則本發明者發現可抑制上述起泡。即，本發明中，作為液晶聚合物，若使用其流動開始溫度為310℃以上且335℃以下者，則可有效抑制介電質塊中起泡之產生。

又，本發明中，若介電質塊以45體積%以下之添加量進而含有介電質無機填料，則可不阻礙成形性地提高介電質塊之介電率，其結果，可謀求介電質天線之小型化。

上述介電質無機填料含碳酸鈣之情形時，可提高介電質塊之Q，提高天線效率，但可知如此碳酸鈣之含有更易產生起泡。由此，此時使用具有如前述之特定流動開始溫度之液晶聚合物係成為更有效者。

參照圖1，首先針對本發明之一實施形態之介電質天線1之結構進行說明。

介電質天線1具備構成其主體部份之例如長方體形狀之介電質塊2。

於介電質塊2上設有放射電極3。放射電極3具有於介電質塊2之主面上延伸之主要部4、從主要部4拉出且於介電質塊2之側面上延伸之第1及第2拉出部5及6。

於放射電極3上電性連接有供電端子7及接地端子8。更詳細言之，供電端子7與前述第1拉出部5連接，接地端子8與前述第2拉出部6連接。

上述放射電極3、供電端子7及接地端子8例如由將該等一體成形之金屬板構成。作為金屬板，例如係使用含磷青銅者，於必要時實施鍍金、銀或銅。

又，為製造介電質天線1，介電質塊2係藉由使用後述之成形材料之射出成形而獲得，但該射出成形時，較佳為應用將形成上述放電電極3、供電端子7及接地端子8之金屬板插入模具內之狀態下實施成形之插入成形。又，該插入成形中，上述金屬板之至少一部份亦可同時成形。另，亦可取代插入成形而應用注塑成形。

又，如上述，放射電極3不僅由金屬板連同供電端子7及接地端子8一體構成，亦可將介電質塊2成形為特定形狀後，應用鍍敷、濺鍍、蒸鍍等方法，於介電質塊2上形成放射電極3，另外準備之供電端子7及接地端子8亦可分別與放射電極3之第1及第2拉出部5及6連接。

如此之介電質天線1中，從供電端子7經由第1拉出部5向放射電極3供給高頻電流，藉此產生高頻電磁場，發送電波。另一方面，接收電波時，放射電極3中引發高頻電流，從第2拉出部6經由接地端子8向外部之RF電路傳遞。

另，介電質天線1之形狀及結構不限於圖示者。

例如放射電極3、供電電極7及接地電極8亦可設置複數組。又，為調整頻率，放射電極3、供電電極7及接地電極8之各個形狀及配置可任意改變。

又，介電質塊2亦可為長方體形狀以外之形狀，例如圓板形狀，又，亦可為在設有放射電極3之主面之相反側之主面設有孔之形狀。

又，介電質塊2亦可具有積層有複數之介電質層之積層結構。

具有如此構成之介電質天線1中，介電質塊2由含液晶聚合物及聚四氟乙烯之有機高分子材料，與介電質無機填料之複合材料構成。有機高分子材料中所含之液晶聚合物及聚四氟乙烯兩方都具有耐熱性，因此首先可對介電質天線1賦予例如可承受焊料迴流之耐熱性(例如在迴流步驟中使用無鉛焊料之情形時，最高溫度265℃之耐熱性)。另，介電質無機填料係用以提高介電質塊2之介電率而添加者，但有時亦根據介電質天線之結構而不添加。

作為液晶聚合物，係有效地使用以2-羥基-6-萘甲酸、對苯二酚、2,6-萘二羧酸、及對苯二甲酸成為構成單體者。該等構成單體之組成比率無特別限制，但例如係含以下式(I)、(II)、(III)及(IV)表示之重複結構單元，相對於該等(I)~(IV)之重複結構單元之合計，(I)之重複結構單元為40~74.8莫耳%，(II)之重複結構單元為12.5~30莫耳%，(III)之重複結構單元為12.5~30莫耳%，及(IV)之重複結構單元為0.2~15莫耳%，且(III)及(IV)所表示之重複結構單元之莫耳比滿足(III)/{(III)+(IV)}≧0.5之關係。

[化1]

(此處，(II)及(IV)中之Ar₁ 及Ar₂ 係分別獨立地選自1,4-伸苯基，或以對位連接之伸苯基數2以上之二價殘基之基)。

聚四氟乙烯以提高含有機高分子材料之成形材料之脫模性，又消除拉絲問題之方式作用。因此，連續實施介電質塊2之射出成形時，可有效避免成形模具上附著殘留成形材料之一部份之問題。該聚四氟乙烯之添加量選擇成相對於介電質塊2之體積為2~15體積%。不滿2體積%之情形時，無法發揮充分之脫模性，另一方面，超過15體積%時，會導致成形材料之流動性下降，例如導致產生填充不足之成形性之下降。

另，於有機高分子材料不含聚四氟乙烯之情形雖無問題，但有機高分子材料除液晶聚合物外亦含聚四氟乙烯時，如前述，可知例如由於焊料迴流步驟之成形後之溫度上升，而招致於介電質塊2易產生起泡之狀況。可推測到此係因液晶聚合物與聚四氟乙烯不相溶，而於該等間之界面之密接性變弱之故。

為解決該問題，本案發明者經反複研究，結果著眼於液晶聚合物之分子量或流動開始溫度是否有關聯。並且發現，使用其流動開始溫度為310℃以上335℃以下者時，可抑制上述起泡。由此，本發明中，作為液晶聚合物，使用其流動開始溫度為310℃以上335℃以下者較佳。

另，作為液晶聚合物，使用流動開始溫度不滿310℃者時，由於液晶聚合物之低分子量成份之揮發，而易產生起泡。另一方面，若流動開始溫度超過335℃，則成形時成形材料無法顯示出充分之流動性，因此會對成形物產生填充不足。

液晶聚合物例如藉由改變對其帶來之熱處理溫度，而使分子量大小產生變化，伴隨於此，亦可使流動開始溫度變化。即，若分子量增加，則流動開始溫度亦上升。

更具體說明，係為獲得液晶聚合物，而每特定量地稱量2-羥基-6-萘甲酸、對苯二酚、2,6-萘二羧酸、及對苯二甲酸，將該等混合，且添加作為觸媒之1-甲基咪唑，於室溫下攪拌15分鐘後，一面攪拌一面升溫。然後，從內溫變成145℃後，保持相同溫度攪拌1小時。

接著，一面將蒸餾之副生乙酸及未反應之無水乙酸分餾出，一面於145℃下經3小時30分鐘升溫至310℃後，於相同溫度下保溫3小時而獲得液晶聚合物。將所得之液晶聚合物冷卻至室溫，以粉碎機粉碎，獲得液晶聚合物之粉末。

將如此所得之粉末從25℃經1小時升溫至250℃後，從該相同溫度經3小時升溫至特定溫度(以下稱作「二次升溫溫度」)，接著於相同溫度下保溫3小時並固相聚合，其後，將固相聚合後之粉末冷卻。

確認如此所得之冷卻後之粉末(液晶聚合物)

二次升溫溫度為295℃時，顯示310℃之流動開始溫度。

二次升溫溫度為305℃時，顯示320℃之流動開始溫度。

二次升溫溫度為315℃時，顯示330℃之流動開始溫度。

二次升溫溫度為320℃時，顯示335℃之流動開始溫度。

為獲得期望之流動開始溫度，如上述，除控制二次升溫溫度之方法外，亦有控制賦予二次升溫溫度之時間之方法。

另，本發明中，為規定液晶聚合物，使用非分子量而係稱作流動開始溫度之因數，其理由係液晶聚合物之耐溶劑性優良，因此溶解於一般分子量測定(GPC)所使用之溶液(四氫呋喃等)中較困難，無法高精度地測定分子量。

為提高介電質塊2之介電率，構成介電質塊2之成形材料包含介電質無機填料之情形中，其添加量係以相對於介電質塊2之體積成45體積%以下之方式，即以含有成形材料之45體積%以下之量之方式選擇。藉此，可防止阻礙介電質塊2之成形性。

作為介電質無機填料，較佳為使用鈦酸鈣粉末及碳酸鈣粉末。考慮到鈦酸鈣主要係更有助於介電率之提高，碳酸鈣主要係更有助於Q之提升之點，而選擇該等之添加量或添加比率。另，碳酸鈣之添加比率相對於介電質無機填料總體為50重量%以下較佳。

可知上述介電質無機填料之添加又助長起泡之產生。尤其使用碳酸鈣作為介電質無機填料之情形中，碳酸鈣之鹼點量比鈦酸鈣低，因此介電質無機填料與液晶聚合物之密著力變弱，導致更易產生起泡。由此，如前述，作為用以抑制起泡產生之方法，規定液晶聚合物之流動開始溫度，在添加介電質無機填料尤其碳酸鈣之情形中，成為更有效且有意義者。

接著，針對用以求得本發明之範圍或較佳範圍所實施之實驗例進行說明。

[實驗例1]

實驗例1中，針對聚四氟乙烯之添加量與脫模性及成形性之關係進行說明。

首先，作為應成介電質無機填料之陶瓷粉末，準備平均粒徑1.6 μm之鈦酸鈣粉末(鹼點量：0.019 mmol/g)，及平均粒徑10.0 μm之碳酸鈣粉末(鹼點量：0.013 mmol/g)。

又，作為有機高分子材料，準備聚四氟乙烯且準備液晶聚合物。此處，作為液晶聚合物，係使用如下製作者。

以2-羥基-6-萘甲酸成55.0莫耳%，對苯二酚成22.5莫耳%，2,6-萘二羧酸成17.5莫耳%及對苯二甲酸成5.0莫耳%之方式，稱量該等液晶聚合物之構成單體，混合該等並添加作為觸媒之微量之1-甲基咪唑，於室溫下攪拌15分鐘後，一面攪拌一面升溫。然後，內溫變成145℃後，保持相同溫度攪拌1小時。

接著，一面將蒸餾之副生乙酸及未反應之無水乙酸分餾出，一面從145℃經3小時30分鐘升溫至310℃後，於相同溫度下保溫3小時而獲得液晶聚合物。將所得之液晶聚合物冷卻至室溫，以粉碎機粉碎，獲得液晶聚合物之粉末。

接著，將如此所得之粉末從25℃經1小時升溫至250℃後，從相同溫度經3小時升溫至305℃，接著於相同溫度下保溫3小時使之固相聚合，其後，將固相聚合後之粉末冷卻。

對該固相聚合後之粉末如下評估流動開始溫度。使用流動試驗儀(直徑1 mm×長度10 mm之分裂模具)，將2 g上述樹脂粉末放入圓筒內，以280℃預熱3分鐘後，於9.8 MPa之荷重下以4℃/分之速度升溫，測定擠出物之粘度達到4800Pa‧s時點之溫度，將其作為液晶聚合物之流動開始溫度。其結果，該液晶聚合物之流動開始溫度為320℃。

接著，以使上述液晶聚合物、聚四氟乙烯、鈦酸鈣粉末及碳酸鈣粉末分別成表1所示組成比率之方式稱量，接著使用雙軸擠出機，以330℃之溫度將該等熔融混練。將所得之複合材料於熔融混練時一面通過頭孔成線狀，一面由造粒機切割成直徑2 mm×長度5 mm左右之尺寸，作為射出成形用顆粒。

接著，使用上述射出成形用顆粒，為獲得介電質塊，一面賦予320℃之溫度一面實施連續射出成形，如表1所示，評估脫模性及成形性。

對於脫模性，求得進行連續成形、成形材料開始附著於模具之注數(填充數)，直至40000注為止成形材料未附著於模具時，判定脫模性良好，於表1中以「○」表示。另一方面，不滿40000注而成形材料附著於模具時，判定成形性為不良，於表1中以「×」表示。

對於成形性，未於成形物上產生填充不足時，判斷為良好，於表1中以「○」表示。另一方面，於成形物上產生填充不足時，判斷成形性不良，於表1中以「×」表示。

參照表1，如試料1~5，藉由添加2體積%以上且15體積%以下之聚四氟乙烯，而可獲得脫模性及成形性兩方良好之結果。關於脫模性，藉由添加2體積%以上之聚四氟乙烯，而於成形物之表面析出聚四氟乙烯，認為係提高脫模性。另一方面，關於成形性，由添加15體積%以下之聚四氟乙烯，認為係不導致流動性下降之故。

與此相對，聚四氟乙烯之添加量不滿2體積%之試料6及7中，脫模性不良。更詳細言之，試料6中，於2000注產生成形材料向模具之附著，試料7中，於8000注產生成形材料向模具之附著。

又，聚四氟乙烯之添加量超過15體積%之試料8中，成形性不良。此認為係作為基質之液晶聚合物之相對量減少，成形材料之流動性下降之故。試料8中，因成形性不良而無法評估脫模性。

[實驗例2]

實驗例2中，評估液晶聚合物之流動開始溫度與成形性及有無起泡之關係。

實驗例2中，作為液晶聚合物，準備分別具有如表2所示流動開始溫度之複數之種類者。此處，為獲得各種流動開始溫度之液晶聚合物，而控制前述「二次升溫溫度」。

然後，除了以使液晶聚合物、聚四氟乙烯、鈦酸鈣粉末及碳酸鈣粉末分別成72.0體積%、3.0體積%、13.2體積%及11.8體積%之組成比率之方式稱量並熔融混練外，實施與實施例1之情形相同之操作，如表2所示，評估成形性。

又，實驗例2中，如表2所示，評估起泡之有無。即，實施最高溫度達到265℃之迴流耐熱性試驗，觀察試驗後之成形物，確認起泡之有無。未確認到起泡時判定為良好，於表2中以「○」表示。另一方面，確認到起泡時判定為不良，於表2中以「×」表示。

參照表2，如試料11~14，液晶聚合物之流動開始溫度為310℃~335℃之範圍時，成形性良好，且未產生起泡。

與此相對，液晶聚合物之流動開始溫度不滿310℃之試料15中，有起泡產生。此認為係因液晶聚合物之流動開始溫度較低，由於低分子量成份之揮發，而於密著力較弱之液晶聚合物/聚四氟乙烯界面產生剝離，迴流耐熱性試驗時產生起泡。另，雖於表2中未顯示，但試料15之組成中，未添加有鈦酸鈣及碳酸鈣等之介電質無機填料之試料中，不易產生起泡。

又，液晶聚合物之流動開始溫度超過335℃之試料16中，液晶聚合物之分子量增加，成形材料之粘度增加，因此成形時無充分之流動性，成形物上產生填充不足，有成形性成不良者。試料16中，因成形性不良，而未評估起泡之有無。另，雖於表2中未顯示，但試料16之組成中，未添加有鈦酸鈣及碳酸鈣等之介電質無機填料之試料中，可獲得良好之成形性。

[實驗例3]

實驗例3中，針對介電質無機填料之添加量與成形性、介電率、Q及起泡之有無之關係進行評估。

實驗例3中，除了準備與實驗例1中使用者相同之液晶聚合物(流動開始溫度：320℃)、聚四氟乙烯、鈦酸鈣粉末及碳酸鈣粉末，將該等以成如表3所示之組成比率之方式稱量並熔融混練外，實施與實驗例1之情形相同之操作，如表3所示評估成形性。又，如表3所示，與實驗例2之情形相同，評估起泡之有無。

再者，如表3所示，評估介電率ε_r 及Q。即，製作直徑55 mm×厚度1.3 mm之試驗片，使用網路分析儀(Agilent技術公司製，「HP8510」)，利用攝動法求得3GHz下之介電率ε_r 及Q。

參照表3，含鈦酸鈣及碳酸鈣之介電質無機填料之總填充量為45體積%以下之試料21~25中，可維持成形材料充分之流動性，顯示良好之成形性。

與此相對，介電質無機填料之總填充量超過45體積%之試料26中，成形材料之流動性下降，產生填充不足，成形性變得不良。試料26中，因成形性不良而未評估ε_r 、Q及有無起泡。

又，如試料21~23及25，藉由使介電質無機填料之總填充量為5體積%以上，而可使ε_r 為4.0以上。與此相對，試料24中，由於介電質無機填料之總填充量不滿5體積%，因此ε_r 不滿4.0。

又，試料25中，作為介電質無機填料，由於不含碳酸鈣，因此Q不滿700。因此，為提高Q，提高天線效率，可知碳酸鈣之添加為有效。

1．．．介電質天線

2．．．介電質塊

3．．．放射電極

7．．．供電端子

8．．．接地端子

圖1係顯示本發明之一實施形態之介電質天線1之外觀之立體圖。

1．．．介電質天線

2．．．介電質塊

3．．．放射電極

4．．．主要部

5．．．第1拉出部

6．．．第2拉出部

7．．．供電端子

8．．．接地端子

Claims

一種介電質天線，其具備：介電質塊；設於前述介電質塊上之放射電極；及分別與前述放射電極電性連接之供電端子及接地端子；前述介電質塊包含有機高分子材料；前述有機高分子材料包含液晶聚合物與聚四氟乙烯；前述聚四氟乙烯之添加量相對於前述介電質塊之體積為2~15體積%。
如請求項1之介電質天線，其中前述液晶聚合物其流動開始溫度為310℃以上且335℃以下。
如請求項1或2之介電質天線，其中前述介電質塊進而含有介電質無機填料，前述介電質無機填料之添加量相對於前述介電質塊之體積為45體積%以下。
如請求項3之介電質天線，其中前述介電質無機填料含有碳酸鈣。