一种柔性传输线及其应用发明专利

专利名称：一种柔性传输线及其应用

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111540441.7

专利申请（专利权）人：广东工业大学
权利人地址：广东省广州市番禺区广州大学城外环西路100号

专利发明（设计）人：项颖,刘钊,张文慧,张志浩,郝禄国,黎钦源,彭镜辉

专利摘要：本发明公开了一种柔性传输线及其应用，所述柔性传输线包括依次层叠设置的信号层、基材层和接地层，所述信号层与基材层接触，所述信号层的材质为金、银或铜中的至少一种，所述基材层包括液晶聚合物薄膜层，所述液晶聚合物薄膜层是由包括液晶聚合物和光引发剂的原料固化而成的液晶取向膜。本发明利用液晶聚合物具有高分子排列顺向性，通过调整液晶聚合物的取向而得到介电常数不同的液晶聚合物薄膜层，进而制得不同介电常数的柔性传输线，该柔性传输线的介电损耗小，可重构，柔性可弯曲，且不同的弯曲度均不改变传输线的性能，可以适用于高频5G信号传输。

主权利要求：
1.一种柔性传输线，其特征在于：包括依次层叠设置的信号层、基材层和接地层；所述信号层与基材层接触；所述信号层的材质为铜、金或银中的至少一种；所述基材层包括液晶聚合物薄膜层；所述液晶聚合物薄膜层是由包括液晶聚合物和光引发剂的原料固化而成的液晶取向膜；所述液晶聚合物为RM257液晶；所述液晶聚合物与光引发剂的质量比为（40‑
50）:1；所述光引发剂为2‑羟基‑2‑甲基‑1‑苯基‑1‑丙酮；所述RM257液晶的结构式为：；
所述柔性传输线采用包括以下步骤的制备方法制得：S1：将液晶聚合物与光引发剂避光混合；所述避光混合的混合温度为80～120℃；
S2：将步骤S1中的产物加入在80～120℃的温度下保温的取向液晶盒中，使用2～4mW/2
cm、360～370nm的紫外光引发固化2～8min，制得所述液晶聚合物薄膜层。
2.根据权利要求1所述的柔性传输线，其特征在于：所述液晶聚合物薄膜层的厚度为
200μm‑400μm。
3.根据权利要求1所述的柔性传输线，其特征在于：所述液晶聚合物薄膜层的液晶分子的倾斜角与水平方向之间的夹角为0°90°。
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4.根据权利要求1所述的柔性传输线，其特征在于：所述信号层与接地层的厚度均为
60‑150μm。
5.根据权利要求1 4任一项所述的柔性传输线，其特征在于：所述柔性传输线为5G柔性~传输线。
6.根据权利要求5所述的柔性传输线，其特征在于：所述信号层和基材层之间还设置第一胶合层；所述基材层与接地层之间还设置第二胶合层。
7.权利要求1 4任一项所述的柔性传输线在5G通讯材料或线路板中的应用。
~ 说明书 : 一种柔性传输线及其应用技术领域[0001] 本发明涉及材料领域，具体涉及一种柔性传输线及其应用。背景技术[0002] 近年来，通信技术飞速发展，为了适应通信速率不断提高的需求，柔性电子设备的工作频段越来越高，从4G时代的几GHz频段，逐步扩展到毫米波、太赫兹波的几十、几百GHz频段，作为信号传输的关键途径，柔性电子设备中印刷电路板上的传输线是实现高频信号传输的主要部分。目前全球对高速通信应用需求日益增大，高精度、低延迟的自动驾驶、远程医疗、智慧城市等各个“5G行业”都需要研究高速度、低损耗的新型传输线。高速度、低损耗的传输线要求传输线的介质材料具有低介电常数(Dk)和低介电损耗(Df)的特征。而基于玻璃纤维环氧树脂板的传输线在高频传输中信号损耗非常严重，对于目前的高速高频通信已经完全不适用。[0003] 目前，在5G通讯技术中具有良好应用前景的材料主要包括：聚四氟乙烯(PTFE)、液晶聚合物(LCP)、改性聚苯(MPPE)以及聚酰亚胺(PI)等几类。PTFE薄膜由于弹性模量较低，难以加工成厚度较小的薄膜，再加上其线膨胀系数较高，因此不适合制作超薄线路板。此外，PTFE与金属导体等元件的粘接力较弱。MPPE表面基板介电性能优异，但实际应用中受限于其耐热性能和尺寸稳定性，在很多情况下无法满足部件的加工需求。而PI材料的介电常数比较大、损耗因子比较大、可靠性也比较差，这导致PI材质的柔性电路板(FPC)在高频端传输中，信号损耗比较严重，对于目前5G通信应用已经无法适应。而LCP具有良好的热稳定性、介电性、耐辐射性、耐腐蚀性、电绝缘性，在5G领域具有良好的应用前景。[0004] 为了解决在高频传输过程信号损耗严重的问题，现需要一种在高频传输中信号损耗较低的基材材料。发明内容[0005] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种柔性传输线。[0006] 本发明的目的之二在于提供一种柔性传输线在5G通讯材料或线路板中的应用。[0007] 为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：[0008] 本发明第一方面提供了一种柔性传输线，包括依次层叠设置的信号层、基材层和接地层，所述信号层与基材层接触；所述信号层的材质为铜、金或银中的至少一种；所述基材层包括液晶聚合物薄膜层，所述液晶聚合物薄膜层是由包括液晶聚合物和光引发剂的原料固化而成的液晶取向膜。[0009] 优选地，所述信号层的形状为长条状、片状中的至少一种；进一步优选地，所述信号层为片状。[0010] 优选地，所述信号层是由一片以上的导电金属片组成，所有的导电金属片均位于同一水平面内且所有的导电金属片均与基材层接触，可以根据实际使用需要选择导电金属片的数量。导电金属片为铜箔、金箔、银箔中的至少一种。[0011] 优选地，所述信号层、基材层和接地层通过胶黏剂压合而成。[0012] 优选地，所述柔性传输线为5G柔性传输线；进一步优选地，所述柔性传输线为可重构的5G柔性传输线。[0013] 优选地，所述固化的条件为紫外光固化；进一步优选地，所述固化的条件为在365nm的紫外光诱导下固化。[0014] 优选地，所述信号层的材质为铜、银、金中的至少一种。[0015] 优选地，所述接地层的材质为铜、银、金中的至少一种。[0016] 优选地，所述液晶聚合物包括E7液晶、5CB液晶、RM257液晶中的至少一种。进一步优选地，所述液晶聚合物包括RM257。RM257(HCCH，江苏和成)常温下是白色粉末状固体，其分子结构式如下：[0017][0018] 优选地，所述光引发剂包括2‑羟基‑2‑甲基‑1‑苯基‑1‑丙酮、1‑羟基环己基苯基甲酮中的至少一种。所述2‑羟基‑2‑甲基‑1‑苯基‑1‑丙酮也被称为1173光引发剂，其分子式如下：[0019][0020] 1‑羟基环己基苯基甲酮又称为184光引发剂。[0021] 优选地，所述液晶聚合物与光引发剂的质量比为(40‑50):1；进一步优选地，所述液晶聚合物与光引发剂的质量比为(42‑48):1；进一步优选地，所述液晶聚合物与光引发剂的质量比为(45‑48):1。[0022] 优选地，所述液晶聚合物薄膜层采用以下制备方法制备，包括如下几个步骤：[0023] S1：将液晶聚合物与光引发剂避光混合；[0024] S2：将步骤S1中的产物加入取向液晶盒内，光引发固化制得所述的液晶聚合物薄膜层。[0025] 优选地，所述避光混合的混合温度为80～120℃；进一步优选地，所述避光混合的混合温度为90～110℃；再进一步优选地，所述避光混合的混合温度为100℃。[0026] 优选地，所述步骤S1具体为：将液晶聚合物与光引发剂加入棕色试剂瓶，将棕色试剂瓶放入装有硅油的小烧杯中，将小烧杯采用水浴加热的方法加热至80～120℃，并搅拌10～30min,使其混合均匀。[0027] 优选地，所述步骤S2具体为：将步骤S1中的产物加入在80～120℃的温度下保温的2取向液晶盒中，使用2～4mW/cm 、360～370nm的紫外光引发固化2～8min，制得所述的液晶聚合物薄膜层；进一步优选地，所述步骤S2具体为：将步骤S1中的产物加入在100℃的温度2下保温的取向液晶盒中，在95℃下，使用3mW/cm 、365nm的紫外光引发固化5min，制得所述的液晶聚合物薄膜层。[0028] 优选地，所述液晶聚合物薄膜层的厚度为200～400μm；进一步优选地，所述液晶聚合物薄膜层的厚度为200～350μm；再进一步优选地，所述液晶聚合物薄膜层的厚度为200～300μm。[0029] 优选地，所述液晶聚合物的液晶分子的倾斜角与水平方向之间的夹角为0°～90°。本发明通过改变基材层中的液晶聚合物的液晶分子的排列取向得到不同介电常数的液晶聚合物薄膜层，进而得到可调节传输速度的传输线。[0030] 优选地，所述信号层与接地层的厚度均为60～150μm；进一步优选地，所述信号层与接地层的厚度均为70～130μm；再进一步优选地，所述信号层与接地层的厚度均为90～110μm。[0031] 优选地，所述信号层的宽度为0.5～1.5mm；进一步优选地，所述信号层的宽度为0.8～1.5mm；进一步优选地，所述信号层的宽度为1～1.2mm。[0032] 优选地，所述信号层和基材层之间还设置第一胶合层；所述基材层与接地层之间还设置第二胶合层。[0033] 优选地，所述第一胶合层和第二胶合层的材料均为热熔型胶黏剂。[0034] 优选地，所述热熔型胶黏剂包括聚烯烃类热熔胶、聚酯类热熔胶、聚酰胺类热熔胶、聚氨酯类热熔胶中的至少一种。[0035] 优选地，所述液晶聚合物薄膜层的介电常数为2.7～3.3。[0036] 优选地，所述柔性传输线在5‑6GHz时的插入损耗为‑0.2～‑0.3dB，[0037] 本发明第二方面提供了一种本发明第一方面提供的柔性传输线在5G通讯材料或线路板中的应用。[0038] 本发明的有益效果是：本发明利用液晶聚合物具有高分子排列顺向性，通过调整液晶聚合物的取向而得到介电常数不同的液晶聚合物薄膜层，进而制得不同介电常数的柔性传输线，该柔性传输线的介电损耗小，可重构，柔性可弯曲，且不同的弯曲度均不改变传输线的性能，可以适用于高频5G信号传输。[0039] 具体而言：[0040] 本发明通过RM257和1173光引发剂经光引发固化在取向液晶盒内形成液晶聚合物薄膜层，制得的液晶聚合物薄膜层具有取向性，通过调整液晶聚合物的分子取向可以调整液晶聚合物薄膜层的介电常数，通过调整柔性传输线的介电常数实现改变柔性传输线的传输速度的目的，进而根据不同的使用需求调整柔性传输线的性能，适用范围更广。[0041] 本发明制得的液晶聚合物薄膜层的介电损耗比PI薄膜、玻璃纤维环氧树脂的介电损耗小，可以适用于低介电损耗的高频5G信号传输线。[0042] 本发明柔性传输线的基材层中的液晶聚合物是各向异性的，可以通过对液晶聚合物的分子调控，改变其介电常数，可得到在不改变基材层中液晶聚合物材料的情况下，得到不同介电常数的可重构的柔性传输线，而目前的传输线都不能在同一基材层材料下改变其介电常数，本发明中的柔性传输线可以通过调控液晶分子的倾斜角改变基材层液晶聚合物薄膜层的介电常数，从而改变柔性传输线的性能。附图说明[0043] 图1为实施例1中的柔性传输线的剖面结构示意图。[0044] 图2为实施例3中的柔性传输线的剖面结构示意图。[0045] 图3为实施例1和实施例2中柔性传输线中的LCP不同取向的结构示意图。[0046] 图4为实施例1和实施例2中柔性传输线的输入回波损耗图。[0047] 图5为实施例1和实施例2中柔性传输线的插入损耗图。[0048] 图6为基材层为不同取向的LCP的柔性传输线的结构示意图。[0049] 图7为基材层为不同取向的LCP的柔性传输线的特性阻抗随频率的变化图。[0050] 图8为实施例1中的柔性传输线弯曲α角的结构示意图。[0051] 图9为实施例1中的柔性传输线弯曲α角后的输入回波损耗图。[0052] 图10为实施例1中的柔性传输线弯曲α角后的插入损耗图。[0053] 附图标记：[0054] 信号层101；第一胶合层102；基材层103；第二胶合层104；接地层105。具体实施方式[0055] 以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下若为有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。[0056] 实施例1[0057] 本例中的柔性传输线的剖面结构示意图如图1所示，包括依次层叠设置的信号层101、第一胶合层102、基材层103、第二胶合层104和接地层105，信号层101位于最上层，接地层105位于最下层，信号层101为铜箔，铜箔为片状，信号层101、第一胶合层102、基材层103、第二胶合层104和接地层105通过压合形成本例中的柔性传输线。基材层103是由取向平行配置的液晶盒中灌入的液晶聚合物(LCP)固化形成的液晶聚合物薄膜层，其取向方向具体见图3(a)所示。图3为柔性传输线中的LCP不同取向的结构示意图；其中，图3(a)为柔性传输线中的LCP薄膜取向平行配置时的结构示意图；信号层101的厚度为100μm；信号层101的宽度为1mm；接地层105的厚度为100μm；第一胶合层102和第二胶合层104的厚度均为10μm；液晶聚合物薄膜层的厚度为300μm；[0058] 本例中取向平行配置的LCP基材层103的按照下述方法制备：[0059] 利用摩擦取向方法，将旋涂好取向膜的玻璃基板制作成沿面取向玻璃基板，再将沿面取向玻璃基板拼成盒厚为300μm液晶盒。取4mg1173光引发剂和200mgRM257液晶倒入1ml棕色试剂瓶，将磁力搅拌机的温度设为100℃并调好转速，再将棕色试剂瓶放在装有硅油的小烧杯中放至磁力搅拌机上搅拌15min，在100℃下将混合好的样品灌入液晶盒中，降温至95℃时，利用365nm紫外光诱导固化，将液晶盒分开就得到了取向平行配置的LCP薄膜。取向平行配置是指LCP分子的取向方向平行于基材层103表面。[0060] 本例中的LCP基材层的热变形温度在270℃以上，连续使用温度达200℃以上，并且LCP基材层在浓度为90％的酸及浓度为50％的碱存在下不会受到侵蚀，因此，本例中的LCP基材层具有很好的热稳定性和耐酸碱腐蚀性能。[0061] 实施例2：[0062] 本例中的柔性传输线的结构与实施例1中的结构相同，本例与实施例1的不同之处在于：基材层103是由取向垂直配置的液晶盒中灌入的液晶聚合物(LCP)固化形成的液晶聚合物薄膜层；本例中的LCP的取向方向具体见图3(b)所示。图3(b)为柔性传输线中的LCP薄膜取向垂直配置时的结构示意图；本例中的取向垂直配置的LCP薄膜参照实施例1中的制备方法制备。取向垂直配置是指LCP分子的取向方向垂直于基材层103表面。[0063] 实施例3：[0064] 如图2中的柔性传输线的剖面示意图所示：本例中柔性传输线的结构与实施例1的不同之处在于：本例无第一胶合层102和第二胶合层104。本例中的柔性传输线与实施例1和实施例2中的柔性传输线的性能基本一致。[0065] 对比例1：[0066] 本例中的柔性传输线的结构与实施例1中的结构相同，本例与实施例1的不同之处在于：基材层103是由玻璃纤维环氧树脂形成的薄膜层。[0067] 性能测试：[0068] 采用谐振腔微扰测量法分别测试实施例1和实施例2中的液晶聚合物薄膜层和对比例1中的玻璃纤维环氧树脂形成的薄膜层的介电常数，具体测试结果为：实施例1中取向平行配置的液晶聚合物薄膜层的介电常数为2.7，实施例2中取向垂直配置的LCP的液晶聚合物薄膜层的介电常数为3.3，而对比例1中玻璃纤维环氧树脂薄膜层的介电常数为5.2，与对比例1相比，实施例1和实施例2中液晶聚合物薄膜层的介电性能更优异。[0069] 利用网络分析仪E5071的二端口测试实施例1和实施例2中的柔性传输线的传输性能输入回波损耗和插入损耗，其中，图4为实施例1和实施例2的柔性传输线的输入回波损耗(S11)图；图5为实施例1和实施例2的柔性传输线的插入损耗(S21)图。由图5可以看出：实施例1和实施例2中的柔性传输线的插入损耗S21在5‑6GHz时为‑0.2dB～‑0.3dB，而对比例1中玻璃纤维环氧树脂为基材层的柔性传输线在5‑6GHz时的插入损耗为‑8dB～‑9dB，由此可知，实施例1和实施例2中的柔性传输线的性能比对比例1更优异。[0070] 参照实施例1中的取向的LCP基材层103的制备方法和柔性传输线的结构制备测试样品，测试样品分别为：样品1：LCP分子取向方向与x轴夹角β为90°的柔性传输线；样品2：LCP分子取向方向与x轴夹角β为45°的柔性传输线；样品3：LCP分子取向方向与x轴夹角β为0°的柔性传输线；样品1～3中的LCP分子的取向方向见图6所示，其中图6(a)为样品1中的柔性传输线的示意图；图6(b)为样品2中的柔性传输线的示意图；图6(c)为样品3中的柔性传输线的示意图。然后，分别测试样品1～3中的柔性传输线的特性阻抗随频率的变化关系，具体测试方法为：利用COMSOL软件的射频模块，用有限元法进行仿真，可以仿真出在不同液晶分子预倾角情况下的特性阻抗随频率的变化关系。特性阻抗是通过仿真方法来验证的，这是对液晶聚合物薄膜层的3个不同液晶分子取向情况下的仿真数据，体现了LCP的可重构性。具体测试结果见图7所示，其中，图7(a)为样品1～3的特性阻抗随频率的实部变化图；图7(b)为样品1～3的特性阻抗随频率的虚部变化图。从图7中可以看出：含有不同取向方向的液晶聚合物薄膜层的柔性传输线具有很好的可重构性。[0071] 通过锡将实施例1中的柔性传输线两端与输入信号端焊接，在通过SMA转接口与网络分析仪连接，此时，实施例1中的柔性传输线弯曲角为α角，α角分别为0°、15°和30°，具体见图8所示，其中，图8(a)为实施例1中的柔性传输线的弯曲后的剖面示意图；图8(b)为实施例1中的柔性传输线弯曲0°的结构示意图；图8(c)为实施例1中的柔性传输线弯曲15°的结构示意图；图8(d)为实施例1中的柔性传输线弯曲30°的结构示意图；然后分别测试弯曲后的柔性传输线的输入回波损耗和插入损耗，输入回波损耗测试图见图9所示；插入损耗测试图如图10所示，由图9和图10可以看出：基材层103为LCP的柔性传输线的弯曲程度不影响传输线的性能，表明本发明中的柔性传输线具有优异的柔性且弯曲后传输线的传输性能不改变。[0072] 综上所述，本发明主要是通过改变LCP液晶聚合物的排列取向从而改变LCP基材层103的介电常数，得到可调介电常数且介电损耗更低的LCP基材层103，由LCP基材层103制成传输速度可调的可重构5G柔性传输线。本发明柔性传输线的基材层中的LCP薄膜层的介电常数为2.7～3.3，远低于玻璃纤维环氧树脂(介电常数为5.2)，介电性能更优异，在5‑6GHz时的插入损耗为‑0.2～‑0.3dB，而玻璃纤维环氧树脂为基材层103的传输线在5‑6GHz的插入损耗在‑8dB～‑9dB，本发明的传输线性能更优异。[0073] 上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-12-16

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114373580B