陶瓷在5G領(lǐng)域中的應用

1、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(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計，除了結構變化之外，5G的數據量更大、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。

2、基站天線(xiàn)

  天線(xiàn)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（天線(xiàn)罩）構成。天線(xiàn)是一種變換器，把傳輸線(xiàn)上傳播的導航波，變換成無(wú)界媒介中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。無(wú)論是基站還是移動(dòng)終端，天線(xiàn)均是用于發(fā)射和接受電磁波，基站天線(xiàn)性能的好壞，直接影響到移動(dòng)通信的質(zhì)量。

3、濾波器

  基站濾波器是射頻系統的關(guān)鍵組成部分，主要工作原理是使發(fā)送和接收信號中特定的頻率成分通過(guò)，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(zhù)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對大規模天線(xiàn)集成化的要求，陶瓷介質(zhì)濾波器在小型化、輕量化、低損耗、溫度穩定性、性?xún)r(jià)比上存在優(yōu)勢，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、金屬化和調試四大環(huán)節。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)主要向設備商直接供貨，而5G時(shí)代，主設備商整合天線(xiàn)&濾波器廠(chǎng)商或成趨勢，天線(xiàn)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。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備商的選擇。

二、5G時(shí)代下的陶瓷材料

5g具有毫米波的高頻段，其信號傳輸容易受到干擾。另外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電需求的不斷增加，傳統金屬材料越來(lái)越容易受到干擾，這使得陶瓷等非金屬材料在5g時(shí)代逐漸涌現。

一般來(lái)說(shuō)，陶瓷可分為普通陶瓷和高級陶瓷。高級陶瓷是以高純度、超細合成或精選的無(wú)機化合物為原料再加工而成的。

  先進(jìn)陶瓷具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光性等一系列優(yōu)良性能，廣泛應用于國防、化工、電子、機械、航空航天、生物醫學(xué)等領(lǐng)域。

  根據特性和用途的分類(lèi)，高級陶瓷可分為結構陶瓷和功能陶瓷，結構陶瓷具有部分熱等化學(xué)功能；功能陶瓷具有電子、磁性、光學(xué)、聲學(xué)等特性，同時(shí)還具有相互轉化的功能，約占高級陶瓷市場(chǎng)份額的70%。

  由于5g具有毫米波的高頻段，其信號傳輸容易受到干擾。另外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)充電需求的不斷增加，傳統金屬材料越來(lái)越容易受到干擾，這使得陶瓷等非金屬材料在5g時(shí)代逐漸涌現。

  一般來(lái)說(shuō)，陶瓷可分為普通陶瓷和高級陶瓷。高級陶瓷是以高純度、超細合成或精選的無(wú)機化合物為原料再加工而成的。先進(jìn)陶瓷具有高硬度、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光性等一系列優(yōu)良性能，廣泛應用于國防、化工、電子、機械、航空航天、生物醫學(xué)等領(lǐng)域。

  根據特性和用途的分類(lèi)，高級陶瓷可分為結構陶瓷和功能陶瓷，結構陶瓷具有部分熱等化學(xué)功能；功能陶瓷具有電子、磁性、光學(xué)、聲學(xué)等特性，同時(shí)還具有相互轉化的功能，約占高級陶瓷市場(chǎng)份額的70%。

  從工業(yè)應用來(lái)看，電子產(chǎn)業(yè)是功能陶瓷產(chǎn)業(yè)最大的終端應用市場(chǎng)，電子陶瓷是功能陶瓷最大的應用領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率達80%。

  電子陶瓷產(chǎn)業(yè)的上游包括電子陶瓷的基本粉體和其他配方粉體；中游包括電子陶瓷材料和元件；下游包括3C、通信、汽車(chē)等市場(chǎng)。

  生產(chǎn)工藝主要包括上游粉末原料→漿料→成型→燒結→加工。從成本構成來(lái)看，原材料、成型燒結和后處理的比例分別約為30%、20%和35%。

  上游陶瓷粉體的產(chǎn)能主要集中在歐美日工廠(chǎng)手中。前三大電子陶瓷粉生產(chǎn)企業(yè)占比高達51%。至于電子陶瓷的另一重要非金屬原料納米氧化鋯，前三位的制造商占31%，分別是法國圣戈班，日本第一稀有元素，日本東曹。

  從下游供應商格局來(lái)看，全球電子陶瓷供應商同樣集中在歐、美、日廠(chǎng)中，日本、美國及歐洲廠(chǎng)市占分別為 50%、30%、10%。以中國廠(chǎng)而言，生產(chǎn)粉末材料主要廠(chǎng)商有國瓷材料、東方鋯業(yè)等，陶瓷產(chǎn)品供應商則有三環(huán)集團、比亞迪電子等。

  憑藉硬度高、耐磨損、斷裂韌性高等優(yōu)點(diǎn)，陶瓷材料下游應用范圍廣，涵蓋 3C、機械、光通訊、化工、醫療、航空、汽車(chē)等七大領(lǐng)域。未來(lái)在 5G 高頻需求之下，為高Q、低損耗特性的陶瓷市場(chǎng)打開(kāi)新的成長(cháng)機遇，陶瓷天線(xiàn)、LTCC、陶瓷濾波器等產(chǎn)品將陸續推向 5G 市場(chǎng)。

  以陶瓷天線(xiàn)為例，與PCB天線(xiàn)相比，陶瓷天線(xiàn)具有較高的介電常數，可以有效減小天線(xiàn)尺寸，提高內部空間利用效率，使手機更輕。

  低溫共燒陶瓷技術(shù)是一種多層陶瓷微波材料技術(shù)。其集成電子元件模塊具有靈活性強、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、損耗低、小型化等優(yōu)點(diǎn)。此外，LTCC優(yōu)異的介電性能使其成為5g高頻天線(xiàn)的最佳解決方案。

  隨著(zhù)頻率的增加，電磁波傳播過(guò)程中的衰減也會(huì )增加，金屬天線(xiàn)的導體損耗較大，毫米波段天線(xiàn)的輻射效率大大降低。相比之下，LTCC制造的高頻通信模塊具有高Q、大電流、耐高溫、導熱性好等特點(diǎn)，更適合5g高頻天線(xiàn)。

三、5G技術(shù)下的新材料？

  2013年是4G元年，2019年6月6日工信部正式頒發(fā)5g商用許可證，5g迎來(lái)了他的時(shí)代。在自動(dòng)化、信息和電子時(shí)代，5g不會(huì )停止發(fā)展。據統計，以5g基礎設施建設為龍頭的七大核心產(chǎn)業(yè)新基礎設施建設，2020年投資規模約為21800億。IHS預計，到2035年，5g將為全球帶來(lái)12.3萬(wàn)億美元的潛在銷(xiāo)售活動(dòng)，并將跨越多個(gè)工業(yè)部門(mén)。

  什么是5g？5g是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)。5g通信是指通信頻率增加到5GHz。我國首個(gè)5g中頻頻段為3.3-3.6ghz和4.8-5ghz，24.75-27.5ghz和37-42.5ghz的高頻段正在研制中，而28ghz則主要用于全球測試。這意味著(zhù)5g通信接近毫米波段。毫米波最大的優(yōu)點(diǎn)是傳播速度快，最大的缺點(diǎn)是穿透性差，衰減大。（注：在30-300ghz的頻域（波長(cháng)1-10毫米）中的電磁波通常稱(chēng)為毫米波。它們位于微波和遠紅外線(xiàn)重疊的波長(cháng)范圍內，因此它們具有兩種光譜的特性。）

Q5G通訊有什么優(yōu)點(diǎn)？

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(hù)在不到一秒時(shí)間內即可完成一部高清電影的下載。

極低的時(shí)延：4G的信號時(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(zhì)中衰減。

Q與4G通訊比較，5G對材料有什么特殊要求？

A5G的傳輸速度更快，要求傳播介質(zhì)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(shí)散熱，材料導熱性能要好。

綜合起來(lái)，5G需要：低介電、高導熱和高電磁屏蔽的高分子材料。

  5g通信材料品種極其豐富，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(zhù)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)供給側改革。企業(yè)面臨著(zhù)機遇和挑戰。

四、5G手機

1、5G手機天線(xiàn)材料-lcp與mpi

    5G的驅動(dòng)無(wú)疑為智能手機天線(xiàn)的發(fā)展和革新帶來(lái)機會(huì )。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，手機通信使用的無(wú)線(xiàn)電波頻率逐漸提高。由于電磁波具有頻率越高，波長(cháng)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(xiàn)材料的損耗越小。 

  最早的天線(xiàn)由銅和合金等金屬制成，后來(lái)隨著(zhù)FPC工藝的出現，4G時(shí)代的天線(xiàn)制造材料開(kāi)始采用PI膜（聚酰亞胺）。但PI在10Ghz以上損耗明顯，無(wú)法滿(mǎn)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(jià)昂貴、工藝復雜，目前MPI（Modified Polyimide，改良的聚酰亞胺）有望成為5G時(shí)代早期天線(xiàn)材料的主流選擇之一。

  未來(lái)LCP將主要應用于無(wú)人駕駛、快速響應、AR、VR等需要大容量傳輸的應用場(chǎng)景。LCP可用于高頻電路板、COF基板、多層板、IC封裝、u-bga、高頻連接器、天線(xiàn)、揚聲器基板、透鏡模塊/FPC、移相器小型投影儀等。

  改性聚酰亞胺（MPI）非晶態(tài)材料可以在幾乎任何溫度下工作，特別是銅箔在低溫下壓制時(shí)，很容易粘附在銅表面。改進(jìn)了氟化物公式，在10-15ghz超高頻甚至超高頻信號處理方面的性能有望與LCP天線(xiàn)相媲美。MPI可以滿(mǎn)足5g時(shí)代的信號處理要求，價(jià)格比LCP更人性化。因此，在5g發(fā)展初期，MPI有望取代部分PI，成為重要的過(guò)渡材料。

2、半導體材料   

      5G將帶來(lái)半導體材料革命性的變化，隨著(zhù)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(yōu)勢將逐步凸顯。

目前電信基站領(lǐng)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(lái)發(fā)展趨勢來(lái)看，5G通信頻率最高可達85GHz，是GaN發(fā)揮優(yōu)勢的頻段，使得GaN有望成為5G基站建設重點(diǎn)材料之一。此外，隨著(zhù)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、導熱散熱材料  

導熱材料主要用于解決電子設備的散熱問(wèn)題，用于發(fā)熱源和散熱器的接觸界面之間，通過(guò)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(shí)代新產(chǎn)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。

導熱材料處于產(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，下游應用集中在消費電子、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(wèn)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(huì )污染環(huán)境，危害人類(lèi)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域與外界的電磁能量傳播，其原理是屏蔽材料對電磁波進(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(wèn)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(lèi)電磁屏蔽材料、填充類(lèi)復合屏蔽材料、表面敷層屏蔽材料和導電涂料類(lèi)屏蔽材料。

5、手機后蓋材料  

5G采用的大規模MIMO技術(shù)，需要在手機中新增專(zhuān)用天線(xiàn)，而金屬對信號會(huì )產(chǎn)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(zhì)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(wú)法滿(mǎn)足5G時(shí)代要求的，未來(lái)的趨勢是質(zhì)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(guān)質(zhì)感上已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，塑料相關(guān)企業(yè)在保護殼的市場(chǎng)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(gè)指標，其中性能指標6個(gè)，量產(chǎn)可行性指標3個(gè)，綜合指標1個(gè)。

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

 PMMA+PC復合板材原材料成本低、且易于加工、耐摔不易碎不變形；通過(guò)紋理設計和3D高壓成型可以實(shí)現3D玻璃效果，表面視覺(jué)質(zhì)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(wú)信號屏蔽、硬度高等性能優(yōu)勢，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(zhì)感、其耐磨性好、散熱性能好，能夠很好的滿(mǎn)足5G通信和無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)對機身材料的要求。

目前，各?。ㄊ?、區）相繼出臺了支持5g發(fā)展的政策和文件，其中融合應用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通相繼發(fā)布5g發(fā)展規劃，在應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面都有較好的布局。目前5g產(chǎn)業(yè)正逐步走向獨立生態(tài)化、網(wǎng)絡(luò )化。

5g是下一輪信息技術(shù)革命的制高點(diǎn)，它將催生萬(wàn)物互聯(lián)互通。從互聯(lián)網(wǎng)到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)再到5g物聯(lián)網(wǎng)，將帶來(lái)新的生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)為代表的科技創(chuàng )新建設，將為經(jīng)濟增長(cháng)和自主創(chuàng )新提供有力支撐。

聲      明：文章內容轉載自5G 材料論壇、平湖市浙江工業(yè)大學(xué)新材料研究院，僅作分享，如有侵權，請聯(lián)系小編刪除，謝謝