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深入了解5G所需要的新材料

2020-04-28 來源：中國聚合物網(wǎng)

關(guān)鍵詞：5G 新材料

2013年是4G元年，而如今隨著2019年6月6日工信部正式發(fā)放5G商用牌照，5G迎來了他的時(shí)代。

在自動(dòng)化，信息化，電子化的年代，5G不會(huì)停止發(fā)展的腳步。據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，以5G基建為首的七大核心產(chǎn)業(yè)新基建，2020年的投資規(guī)模在21800億左右。IHS 預(yù)計(jì)到2035年，5G在全球創(chuàng)造的潛在銷售活動(dòng)將達(dá)12.3萬億美元，并將跨越多個(gè)產(chǎn)業(yè)部門。

那什么是5G呢？5G為第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，5G通訊就是指通訊頻率提高到5GHz范圍。我國的5G初始中頻頻段為3.3-3.6GHz和4.8-5GHz兩個(gè)頻段，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在研發(fā)之中；而國際上主要使用28GHz進(jìn)行試驗(yàn)。這意味著5G通訊接近毫米波波段，毫米波最大優(yōu)點(diǎn)為傳播速度快，隨之帶來的最大缺點(diǎn)就是穿透力差、衰減大。（注：通常將30-300GHz的頻域(波長為1～10毫米)的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。）

Q：5G通訊有什么優(yōu)點(diǎn)？

A：

極高的速率：5G的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G傳輸速度100倍左右。手機(jī)用戶在不到一秒時(shí)間內(nèi)即可完成一部高清電影的下載。

極低的時(shí)延：4G的信號(hào)時(shí)延為140毫秒，而5G的時(shí)延降低到1毫秒，比4G整整降低140倍。

極大的衰減：因?yàn)?G的傳播頻率太高，導(dǎo)致信號(hào)很容易被屏蔽、很容易受到外界干擾、也很容易在傳播介質(zhì)中衰減。

Q：與4G通訊比較，5G對(duì)材料有什么特殊要求？

A：

5G的傳輸速度更快，要求傳播介質(zhì)材料的介電常數(shù)和介電損耗要小；

5G的電磁波覆蓋能力較差，要求材料的電磁屏蔽能力要強(qiáng)；

5G的傳輸信號(hào)強(qiáng)度較差，要傳播材料的介電常數(shù)要小，材料的電磁屏蔽能力要強(qiáng)；

5G元器件的厚度薄、密封性要好，要求及時(shí)散熱，材料導(dǎo)熱性能要好。

綜合起來，5G需要：低介電、高導(dǎo)熱和高電磁屏蔽的高分子材料。

5G通訊用材料品種異常豐富，從金屬材料、陶瓷材料、工程塑料、玻璃材料、復(fù)合材料到功能材料，都有著巨大的市場(chǎng)空間。5G的布局帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，必然會(huì)推動(dòng)供給側(cè)改革，企業(yè)都面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

01 5G手機(jī)

1、5G手機(jī)天線材料-LCP與MPI

5G的驅(qū)動(dòng)無疑為智能手機(jī)天線的發(fā)展和革新帶來機(jī)會(huì)。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，手機(jī)通信使用的無線電波頻率逐漸提高。由于電磁波具有頻率越高，波長越短，越容易在傳播介質(zhì)中衰減的特點(diǎn)，頻率越高，要求天線材料的損耗越小。
最早的天線由銅和合金等金屬制成，后來隨著FPC工藝的出現(xiàn)，4G時(shí)代的天線制造材料開始采用PI膜（聚酰亞胺）。但PI在10Ghz以上損耗明顯，無法滿足5G終端的需求，憑借介子損耗與導(dǎo)體損耗更小，具備靈活性、密封性等特性，LCP（Liquid Crystal Polymer，液晶聚合物）逐漸得到應(yīng)用。但LCP造價(jià)昂貴、工藝復(fù)雜，目前MPI（Modified Polyimide，改良的聚酰亞胺）有望成為5G時(shí)代早期天線材料的主流選擇之一。

未來LCP將主要應(yīng)用到像無人駕駛等需要快速反應(yīng)的和AR、VR等需要大容量傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景。LCP可用于高頻電路基板、COF基板、多層板、IC封裝、u-BGA、高頻連接器、天線、揚(yáng)聲器基板、鏡頭模組/FPC、移相器小型投影儀等。
改性聚酰亞胺（MPI）非結(jié)晶性的材料，基本上在各種溫度下都可進(jìn)行操作，特別是在低溫壓合銅箔時(shí)，能夠容易地與銅的表面接著。其氟化物的配方被改良，在10-15GHz的超高頻甚至極高頻的信號(hào)處理上的表現(xiàn)有望媲美LCP天線，MPI可以滿足5G時(shí)代的信號(hào)處理需求，且價(jià)格較LCP更親民，故在5G發(fā)展前期，MPI有望替代部分PI，成為重要的過渡材料。

2、半導(dǎo)體材料

5G將帶來半導(dǎo)體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN的優(yōu)勢(shì)將逐步凸顯。

目前電信基站領(lǐng)域橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（LDMOS）、砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）三者占比相差不大，從未來發(fā)展趨勢(shì)來看，5G通信頻率最高可達(dá)85GHz，是GaN發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的頻段，使得GaN有望成為5G基站建設(shè)重點(diǎn)材料之一。此外，隨著氮化鎵體單晶襯底研究技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料。

3、導(dǎo)熱散熱材料

導(dǎo)熱材料主要用于解決電子設(shè)備的散熱問題，用于發(fā)熱源和散熱器的接觸界面之間，通過使用導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于空氣的熱界面材料，提高電子元器件的散熱效率。5G時(shí)代新產(chǎn)品具有 “高熱流密度、高功率、穩(wěn)定性、熱響應(yīng)、超薄”的特性，這就對(duì)導(dǎo)熱、散熱材料提出更高的要求。

導(dǎo)熱材料處于產(chǎn)業(yè)鏈中游，上游原材料包括石墨、PI膜、硅橡膠、改性塑料等，下游應(yīng)用集中在消費(fèi)電子、通信基站、動(dòng)力電池等領(lǐng)域。

4、電磁屏蔽材料

電磁波引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題日益嚴(yán)重，不僅對(duì)電子儀器、設(shè)備造成干擾和損壞，影響其正常工作，也會(huì)污染環(huán)境，危害人類健康。另外，電磁波泄露也會(huì)危及信息安全。電磁屏蔽是利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區(qū)域與外界的電磁能量傳播，其原理是屏蔽材料對(duì)電磁波進(jìn)行反射和吸收。電磁屏蔽材料解決電磁波引起的電磁干擾和電磁兼容問題。

按照材料的制備工藝劃分，電磁屏蔽材料可以分為金屬類電磁屏蔽材料、填充類復(fù)合屏蔽材料、表面敷層屏蔽材料和導(dǎo)電涂料類屏蔽材料。

5、手機(jī)后蓋材料

5G采用的大規(guī)模MIMO技術(shù)，需要在手機(jī)中新增專用天線，而金屬對(duì)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生屏蔽及干擾，所以手機(jī)后蓋去金屬化將是大勢(shì)所趨，目前手機(jī)后蓋材質(zhì)正在從金屬轉(zhuǎn)向玻璃、陶瓷和塑料，其中塑料又是其中最受青睞的材料之一，但普通注塑+噴涂的后蓋和保護(hù)套是無法滿足5G時(shí)代要求的，未來的趨勢(shì)是質(zhì)感上和體驗(yàn)上都向金屬或玻璃靠近。

目前的IMT及背蓋PC注塑+鍍膜塑膠外殼在外觀質(zhì)感上已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，塑料相關(guān)企業(yè)在保護(hù)殼的市場(chǎng)上還有很大的上升空間5G手機(jī)背板材料的選擇，需要考慮10個(gè)指標(biāo)，其中性能指標(biāo)6個(gè)，量產(chǎn)可行性指標(biāo)3個(gè)，綜合指標(biāo)1個(gè)。

隨著5G的商用，金屬手機(jī)后殼淘汰速率將進(jìn)一步加快，玻璃/陶瓷/塑料將成為三大主要原材料。

PMMA+PC復(fù)合板材原材料成本低、且易于加工、耐摔不易碎不變形；通過紋理設(shè)計(jì)和3D高壓成型可以實(shí)現(xiàn)3D玻璃效果，表面視覺質(zhì)感大大增強(qiáng)；背板兼具良好的耐磨性和韌性。

陶瓷材料結(jié)合了玻璃的外形差異化、無信號(hào)屏蔽、硬度高等性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)擁有接近于金屬材料的優(yōu)異散熱性。氧化鋯陶瓷在手機(jī)中的應(yīng)用主要是后蓋、指紋識(shí)別的貼片或可穿戴設(shè)備的外殼、鎖屏和音量鍵等小型結(jié)構(gòu)件。陶瓷作為手機(jī)外殼材料具有良好的質(zhì)感、其耐磨性好、散熱性能好，能夠很好的滿足5G通信和無線充電技術(shù)對(duì)機(jī)身材料的要求。
025G基站

1、基站天線

天線是基站的重要組成部分，由輻射單元（振子）、反射板（底板）、功率分配網(wǎng)絡(luò)（饋電網(wǎng)絡(luò)）、封裝防護(hù)（天線罩）構(gòu)成。天線是一種變換器，把傳輸線上傳播的導(dǎo)航波，變換成無界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。無論是基站還是移動(dòng)終端，天線均是用于發(fā)射和接受電磁波，基站天線性能的好壞，直接影響到移動(dòng)通信的質(zhì)量。

2、PCB

PCB（Printed Circuit Board）是承載并連接其他電子元器件的橋梁，是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的產(chǎn)品。5G時(shí)代基站用PCB會(huì)傾向于更多層的高集成設(shè)計(jì)，除了結(jié)構(gòu)變化之外，5G的數(shù)據(jù)量更大、發(fā)射頻率更大、工作的頻段也更高，這需要基站用PCB板有更好的傳輸性能和散熱性能，因此5G基站用PCB板要使用更高頻率、更高傳輸速度、耐熱性更好的電子基材。

PCB產(chǎn)業(yè)鏈由上游的銅箔、玻纖、覆銅板，中游的PCB制造以及下游的行業(yè)應(yīng)用構(gòu)成。覆銅板對(duì)PCB直接影響PCB導(dǎo)電、絕緣、支撐等功能，是PCB制造的重要基材，占PCB原材料中成本最高的。

3、濾波器

基站濾波器是射頻系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要工作原理是使發(fā)送和接收信號(hào)中特定的頻率成分通過，并極大地衰減其它頻率成分。在3G/4G時(shí)代，金屬同軸腔體憑借著較低的成本和較成熟的工藝成為了市場(chǎng)的主流選擇。5G時(shí)代受限于MassiveMIMO對(duì)大規(guī)模天線集成化的要求，陶瓷介質(zhì)濾波器在小型化、輕量化、低損耗、溫度穩(wěn)定性、性價(jià)比上存在優(yōu)勢(shì)，陶瓷濾波器逐漸成為市場(chǎng)主流。

陶瓷濾波器核心制造工藝主要包括粉體配方、壓制成型及燒結(jié)、金屬化和調(diào)試四大環(huán)節(jié)。生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)在于一致性，陶瓷粉體材料的配方、生產(chǎn)的自動(dòng)化以及調(diào)試的良率和效率都是濾波器生產(chǎn)的難點(diǎn)所在。

4G時(shí)代，基站濾波器企業(yè)主要向設(shè)備商直接供貨，而5G時(shí)代，主設(shè)備商整合天線&濾波器廠商或成趨勢(shì)，天線和濾波器整集成為一體化的AFU方案或成為5G時(shí)代AAU和小基站的發(fā)展發(fā)現(xiàn)。前期采用工藝成熟的小型化金屬濾波器，后期采用陶瓷介質(zhì)濾波器將成為大部分主設(shè)備商的選擇。

目前，各省(市、區(qū))相繼發(fā)布了支持5G發(fā)展的政策和文件，布局5G。其中，融合應(yīng)用成為各方關(guān)注重點(diǎn)，中國電信、中國移動(dòng)和中國聯(lián)通相繼發(fā)布了5G的發(fā)展規(guī)劃，并在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面也有很好的布局。目前，5G獨(dú)立組網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)正逐步成熟。

5G是下一輪信息技術(shù)革命的制高點(diǎn)，將催生萬物互聯(lián)。從互聯(lián)網(wǎng)到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到5G物聯(lián)網(wǎng)，它將帶來全新的生產(chǎn)和生活方式。以5G、人工智能、高端裝備、新材料、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為代表的科技創(chuàng)新建設(shè)，將會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長與自主創(chuàng)新提供有力的支撐。

*內(nèi)容摘自平湖市浙江工業(yè)大學(xué)新材料研究院

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