5G發展背后的新材料

2013年是4G元年，而如今隨著2019年6月6日工信部正式發放5G商用牌照，5G迎來了他的時代。在自動化，信息化，電子化的年代，5G不會停止發展的腳步。據統計測算，以5G基建為首的七大核心產業新基建，2020年的投資規模在21800億左右。IHS 預計到2035年，5G在全球創造的潛在銷售活動將達12.3萬億美元，并將跨越多個產業部門。

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那什么是5G呢？5G為第五代移動通信技術的簡稱，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兩個頻段，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高頻頻段正在研發之中；而國際上主要使用28GHz進行試驗。這意味著5G通訊接近毫米波波段，毫米波最大優點為傳播速度快，隨之帶來的最大缺點就是穿透力差、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，它位于微波與遠紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點。）
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Q、5G通訊有什么優點？
A、極高的速率：5G的傳輸速率遠遠大于4G傳輸速度100倍左右。手機用戶在不到一秒時間內即可完成一部高清電影的下載。

極低的時延：4G的信號時延為140毫秒，而5G的時延降低到1毫秒，比4G整整降低140倍。

極大的衰減：因為5G的傳播頻率太高，導致信號很容易被屏蔽、很容易受到外界干擾、也很容易在傳播介質中衰減。

Q、與4G通訊比較，5G對材料有什么特殊要求？
A、5G的傳輸速度更快，要求傳播介質材料的介電常數和介電損耗要??；

5G的電磁波覆蓋能力較差，要求材料的電磁屏蔽能力要強；

5G的傳輸信號強度較差，要傳播材料的介電常數要小，材料的電磁屏蔽能力要強；

5G元器件的厚度薄、密封性要好，要求及時散熱，材料導熱性能要好。

綜合起來，5G需要：低介電、高導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、復合材料到功能材料，都有著巨大的市場空間。5G的布局帶動了整個產業鏈的發展，必然會推動供給側改革，企業都面臨著機遇和挑戰。

 一、5G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）、功率分配網絡（饋電網絡）、封裝防護（天線罩）構成。天線是一種變換器，把傳輸線上傳播的導航波，變換成無界媒介中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。無論是基站還是移動終端，天線均是用于發射和接受電磁波，基站天線性能的好壞，直接影響到移動通信的質量。



2、PCB   
PCB（Printed Circuit Board）是承載并連接其他電子元器件的橋梁，是現代電子信息產業中不可缺少的產品。5G時代基站用PCB會傾向于更多層的高集成設計，除了結構變化之外，5G的數據量更大、發射頻率更大、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產業鏈由上游的銅箔、玻纖、覆銅板，中游的PCB制造以及下游的行業應用構成。覆銅板對PCB直接影響PCB導電、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的關鍵組成部分，主要工作原理是使發送和接收信號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的主流選擇。5G時代受限于MassiveMIMO對大規模天線集成化的要求，陶瓷介質濾波器在小型化、輕量化、低損耗、溫度穩定性、性價比上存在優勢，陶瓷濾波器逐漸成為市場主流。

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、金屬化和調試四大環節。生產技術難點在于一致性，陶瓷粉體材料的配方、生產的自動化以及調試的良率和效率都是濾波器生產的難點所在。

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

   一、5G手機   
1、5G手機天線材料-LCP與MPI
5G的驅動無疑為智能手機天線的發展和革新帶來機會。隨著網絡的發展，手機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，越容易在傳播介質中衰減的特點，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，4G時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）逐漸得到應用。但LCP造價昂貴、工藝復雜，目前MPI（Modified Polyimide，改良的聚酰亞胺）有望成為5G時代早期天線材料的主流選擇之一。

未來LCP將主要應用到像無人駕駛等需要快速反應的和AR、VR等需要大容量傳輸的應用場景。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）非結晶性的材料，基本上在各種溫度下都可進行操作，特別是在低溫壓合銅箔時，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處理上的表現有望媲美LCP天線，MPI可以滿足5G時代的信號處理需求，且價格較LCP更親民，故在5G發展前期，MPI有望替代部分PI，成為重要的過渡材料。

2、半導體材料   
5G將帶來半導體材料革命性的變化，隨著通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設備需要支持高頻性能的射頻器件，GaN的優勢將逐步凸顯。

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

3、導熱散熱材料  
導熱材料主要用于解決電子設備的散熱問題，用于發熱源和散熱器的接觸界面之間，通過使用導熱系數遠高于空氣的熱界面材料，提高電子元器件的散熱效率。5G時代新產品具有 “高熱流密度、高功率、穩定性、熱響應、超薄”的特性，這就對導熱、散熱材料提出更高的要求。

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導熱材料處于產業鏈中游，上游原材料包括石墨、PI膜、硅橡膠、改性塑料等，下游應用集中在消費電子、通信基站、動力電池等領域。

4、電磁屏蔽材料  
電磁波引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題日益嚴重，不僅對電子儀器、設備造成干擾和損壞，影響其正常工作，也會污染環境，危害人類健康。另外，電磁波泄露也會危及信息安全。電磁屏蔽是利用屏蔽材料阻隔或衰減被屏蔽區域與外界的電磁能量傳播，其原理是屏蔽材料對電磁波進行反射和吸收。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、填充類復合屏蔽材料、表面敷層屏蔽材料和導電涂料類屏蔽材料。

5、手機后蓋材料  
5G采用的大規模MIMO技術，需要在手機中新增專用天線，而金屬對信號會產生屏蔽及干擾，所以手機后蓋去金屬化將是大勢所趨，目前手機后蓋材質正在從金屬轉向玻璃、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+噴涂的后蓋和保護套是無法滿足5G時代要求的，未來的趨勢是質感上和體驗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感上已經有了質的飛躍，塑料相關企業在保護殼的市場上還有很大的上升空間5G手機背板材料的選擇，需要考慮10個指標，其中性能指標6個，量產可行性指標3個，綜合指標1個。

隨著5G的商用，金屬手機后殼淘汰速率將進一步加快，玻璃/陶瓷/塑料將成為三大主要原材料。

PMMA+PC復合板材原材料成本低、且易于加工、耐摔不易碎不變形；通過紋理設計和3D高壓成型可以實現3D玻璃效果，表面視覺質感大大增強；背板兼具良好的耐磨性和韌性。

陶瓷材料結合了玻璃的外形差異化、無信號屏蔽、硬度高等性能優勢，同時擁有接近于金屬材料的優異散熱性。氧化鋯陶瓷在手機中的應用主要是后蓋、指紋識別的貼片或可穿戴設備的外殼、鎖屏和音量鍵等小型結構件。陶瓷作為手機外殼材料具有良好的質感、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對機身材料的要求。

目前，各省(市、區)相繼發布了支持5G發展的政策和文件，布局5G。其中，融合應用成為各方關注重點，中國電信、中國移動和中國聯通相繼發布了5G的發展規劃，并在應用和產業發展方面也有很好的布局。目前，5G獨立組網產業生態正逐步成熟。

5G是下一輪信息技術革命的制高點，將催生萬物互聯。從互聯網到移動互聯網再到5G物聯網，它將帶來全新的生產和生活方式。以5G、人工智能、高端裝備、新材料、新能源等戰略性新興產業為代表的科技創新建設，將會對經濟增長與自主創新提供有力的支撐。
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