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5G发展背后的新材料

2013年是4G元年,而如今随着2019年6月6日工信部正式发放5G商用牌照,5G迎来了他的时代。在自动化,信息化,电子化的年代,5G不会停止发展的脚步。据统计测算,以5G基建为首的七大核心产业新基建,2020年的投资规模在21800亿左右。IHS 预计到2035年,5G在全球创造的潜在销售活动将达12.3万亿美元,并将跨越多个产业部门。



那什么是5G呢?5G为第五代移动通信技术的简称,5G通讯就是指通讯频率提高到5GHz范围。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在研发之中;而国际上主要使用28GHz进行试验。这意味着5G通讯接近毫米波波段,毫米波最大优点为传播速度快,随之带来的最大缺点就是穿透力差、衰减大。(注:通常将30-300GHz的频域(波长为1~10毫米)的电磁波称毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。)



Q

5G通讯有什么优点?
A

极高的速率:5G的传输速率远远大于4G传输速度100倍左右。手机用户在不到一秒时间内即可完成一部高清电影的下载。

极低的时延:4G的信号时延为140毫秒,而5G的时延降低到1毫秒,比4G整整降低140倍。

极大的衰减:因为5G的传播频率太高,导致信号很容易被屏蔽、很容易受到外界干扰、也很容易在传播介质中衰减。

Q

与4G通讯比较,5G对材料有什么特殊要求?
A

5G的传输速度更快,要求传播介质材料的介电常数和介电损耗要小;

5G的电磁波覆盖能力较差,要求材料的电磁屏蔽能力要强;

5G的传输信号强度较差,要传播材料的介电常数要小,材料的电磁屏蔽能力要强;

5G元器件的厚度薄、密封性好,要求及时散热,材料导热性能要好。



综合起来,5G需要:低介电、高导热和高电磁屏蔽的高分子材料。








5G通讯用材料品种异常丰富,从金属材料、陶瓷材料、工程塑料、玻璃材料、复合材料到功能材料,都有着巨大的市场空间。5G的布局带动了整个产业链的发展,必然会推动供给侧改革,企业都面临着机遇和挑战。

   一、5G基站   
1、基站天线

天线是基站的重要组成部分,由辐射单元(振子)、反射板(底板)、功率分配网络(馈电网络)、封装防护(天线罩)构成。天线是一种变换器,把传输线上传播的导航波,变换成无界媒介中传播的电磁波,或者进行相反的变换。无论是基站还是移动终端,天线均是用于发射和接受电磁波,基站天线性能的好坏,直接影响到移动通信的质量。

2、PCB   

PCB(Printed Circuit Board)是承载并连接其他电子元器件的桥梁,是现代电子信息产业中不可缺少的产品。5G时代基站用PCB会倾向于更多层的高集成设计,除了结构变化之外,5G的数据量更大、发射频率更大、工作的频段也更高,这需要基站用PCB板有更好的传输性能和散热性能,因此5G基站用PCB板要使用更高频率、更高传输速度、耐热性更好的电子基材。

PCB产业链由上游的铜箔、玻纤、覆铜板,中游的PCB制造以及下游的行业应用构成。覆铜板对PCB直接影响PCB导电、绝缘、支撑等功能,是PCB制造的重要基材,占PCB原材料中成本最高的。

3、滤波器  

基站滤波器是射频系统的关键组成部分,主要工作原理是使发送和接收信号中特定的频率成分通过,并极大地衰减其它频率成分。在3G/4G时代,金属同轴腔体凭借着较低的成本和较成熟的工艺成为了市场的主流选择。5G时代受限于MassiveMIMO对大规模天线集成化的要求,陶瓷介质滤波器在小型化、轻量化、低损耗、温度稳定性、性价比上存在优势,陶瓷滤波器逐渐成为市场主流。

陶瓷滤波器核心制造工艺主要包括粉体配方、压制成型及烧结、金属化和调试四大环节。生产技术难点在于一致性,陶瓷粉体材料的配方、生产的自动化以及调试的良率和效率都是滤波器生产的难点所在。

4G时代,基站滤波器企业主要向设备商直接供货,而5G时代,主设备商整合天线&滤波器厂商或成趋势,天线和滤波器整集成为一体化的AFU方案或成为5G时代AAU和小基站的发展发现。前期采用工艺成熟的小型化金属滤波器,后期采用陶瓷介质滤波器将成为大部分主设备商的选择。





   一、5G手机   
1、5G手机天线材料-LCP与MPI

5G的驱动无疑为智能手机天线的发展和革新带来机会。随着网络的发展,手机通信使用的无线电波频率逐渐提高。由于电磁波具有频率越高,波长越短,越容易在传播介质中衰减的特点,频率越高,要求天线材料的损耗越小。

最早的天线由铜和合金等金属制成,后来随着FPC工艺的出现,4G时代的天线制造材料开始采用PI膜(聚酰亚胺)。但PI在10Ghz以上损耗明显,无法满足5G终端的需求,凭借介子损耗与导体损耗更小,具备灵活性、密封性等特性,LCP(Liquid Crystal Polymer,液晶聚合物)逐渐得到应用。但LCP造价昂贵、工艺复杂,目前MPI(Modified Polyimide,改良的聚酰亚胺)有望成为5G时代早期天线材料的主流选择之一。

未来LCP将主要应用到像无人驾驶等需要快速反应的和AR、VR等需要大容量传输的应用场景。LCP可用于高频电路基板、COF基板、多层板、IC封装、u-BGA、高频连接器、天线、扬声器基板、镜头模组/FPC、移相器小型投影仪等。

改性聚酰亚胺(MPI)非结晶性的材料,基本上在各种温度下都可进行操作,特别是在低温压合铜箔时,能够容易地与铜的表面接着。其氟化物的配方被改良,在10-15GHz的超高频甚至极高频的信号处理上的表现有望媲美LCP天线,MPI可以满足5G时代的信号处理需求,且价格较LCP更亲民,故在5G发展前期,MPI有望替代部分PI,成为重要的过渡材料。

2、半导体材料   

5G将带来半导体材料革命性的变化,随着通讯频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件,GaN的优势将逐步凸显。

 目前电信基站领域横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)三者占比相差不大,从未来发展趋势来看,5G通信频率最高可达85GHz,是GaN发挥优势的频段,使得GaN有望成为5G基站建设重点材料之一。此外,随着氮化镓体单晶衬底研究技术趋于成熟,下一步的发展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料。

3、导热散热材料  

导热材料主要用于解决电子设备的散热问题,用于发热源和散热器的接触界面之间,通过使用导热系数远高于空气的热界面材料,提高电子元器件的散热效率。5G时代新产品具有 “高热流密度、高功率、稳定性、热响应、超薄”的特性,这就对导热、散热材料提出更高的要求。

导热材料处于产业链中游,上游原材料包括石墨、PI膜、硅橡胶、改性塑料等,下游应用集中在消费电子、通信基站、动力电池等领域。

4、电磁屏蔽材料  

电磁波引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题日益严重,不仅对电子仪器、设备造成干扰和损坏,影响其正常工作,也会污染环境,危害人类健康。另外,电磁波泄露也会危及信息安全。电磁屏蔽是利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播,其原理是屏蔽材料对电磁波进行反射和吸收。电磁屏蔽材料解决电磁波引起的电磁干扰和电磁兼容问题。

按照材料的制备工艺划分,电磁屏蔽材料可以分为金属类电磁屏蔽材料、填充类复合屏蔽材料、表面敷层屏蔽材料和导电涂料类屏蔽材料。

5、手机后盖材料  

5G采用的大规模MIMO技术,需要在手机中新增专用天线,而金属对信号会产生屏蔽及干扰,所以手机后盖去金属化将是大势所趋,目前手机后盖材质正在从金属转向玻璃、陶瓷和塑料,其中塑料又是其中最受青睐的材料之一,但普通注塑+喷涂的后盖和保护套是无法满足5G时代要求的,未来的趋势是质感上和体验上都向金属或玻璃靠近。

 目前的IMT及背盖PC注塑+镀膜塑胶外壳在外观质感上已经有了质的飞跃,塑料相关企业在保护壳的市场上还有很大的上升空间5G手机背板材料的选择,需要考虑10个指标,其中性能指标6个,量产可行性指标3个,综合指标1个。

随着5G的商用,金属手机后壳淘汰速率将进一步加快,玻璃/陶瓷/塑料将成为三大主要原材料。

PMMA+PC复合板材原材料成本低、且易于加工、耐摔不易碎不变形;通过纹理设计和3D高压成型可以实现3D玻璃效果,表面视觉质感大大增强;背板兼具良好的耐磨性和韧性。

陶瓷材料结合了玻璃的外形差异化、无信号屏蔽、硬度高等性能优势,同时拥有接近于金属材料的优异散热性。氧化锆陶瓷在手机中的应用主要是后盖、指纹识别的贴片或可穿戴设备的外壳、锁屏和音量键等小型结构件。陶瓷作为手机外壳材料具有良好的质感、其耐磨性好、散热性能好,能够很好的满足5G通信和无线充电技术对机身材料的要求。







目前,各省(市、区)相继发布了支持5G发展的政策和文件,布局5G。其中,融合应用成为各方关注重点,中国电信、中国移动和中国联通相继发布了5G的发展规划,并在应用和产业发展方面也有很好的布局。目前,5G独立组网产业生态正逐步成熟。

5G是下一轮信息技术革命的制高点,将催生万物互联。从互联网到移动互联网再到5G物联网,它将带来全新的生产和生活方式。以5G、人工智能、高端装备、新材料、新能源等战略性新兴产业为代表的科技创新建设,将会对经济增长与自主创新提供有力的支撑。


文章来源:平湖市浙江工业大学新材料研究院


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