陶瓷在5G領(lǐng)域中的應(yīng)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(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。

2、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。

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。

二、5G時(shí)代下的陶瓷材料

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

一般來說，陶瓷可分為普通陶瓷和高級(jí)陶瓷。高級(jí)陶瓷是以高純度、超細(xì)合成或精選的無機(jī)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(dǎo)電、絕緣、磁性、透光性等一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、化工、電子、機(jī)械、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

  根據(jù)特性和用途的分類，高級(jí)陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化的功能，約占高級(jí)陶瓷市場(chǎng)份額的70%。

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

  一般來說，陶瓷可分為普通陶瓷和高級(jí)陶瓷。高級(jí)陶瓷是以高純度、超細(xì)合成或精選的無機(jī)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(dǎo)電、絕緣、磁性、透光性等一系列優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、化工、電子、機(jī)械、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

  根據(jù)特性和用途的分類，高級(jí)陶瓷可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化的功能，約占高級(jí)陶瓷市場(chǎng)份額的70%。

  從工業(yè)應(yīng)用來看，電子產(chǎn)業(yè)是功能陶瓷產(chǎn)業(yè)最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)，電子陶瓷是功能陶瓷最大的應(yīng)用領(lǐng)域，市場(chǎng)占有率達(dá)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(jié)→加工。從成本構(gòu)成來看，原材料、成型燒結(jié)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手中。前三大電子陶瓷粉生產(chǎn)企業(yè)占比高達(dá)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(guó)圣戈班，日本第一稀有元素，日本東曹。

  從下游供應(yīng)商格局來看，全球電子陶瓷供應(yīng)商同樣集中在歐、美、日廠中，日本、美國(guó)及歐洲廠市占分別為 50%、30%、10%。以中國(guó)廠而言，生產(chǎn)粉末材料主要廠商有國(guó)瓷材料、東方鋯業(yè)等，陶瓷產(chǎn)品供應(yīng)商則有三環(huán)集團(tuán)、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(yīng)用范圍廣，涵蓋 3C、機(jī)械、光通訊、化工、醫(yī)療、航空、汽車等七大領(lǐng)域。未來在 5G 高頻需求之下，為高Q、低損耗特性的陶瓷市場(chǎng)打開新的成長(zhǎng)機(jī)遇，陶瓷天線、LTCC、陶瓷濾波器等產(chǎn)品將陸續(xù)推向 5G 市場(chǎng)。

  以陶瓷天線為例，與PCB天線相比，陶瓷天線具有較高的介電常數(shù)，可以有效減小天線尺寸，提高內(nèi)部空間利用效率，使手機(jī)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(qiáng)、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高頻天線的最佳解決方案。

  隨著頻率的增加，電磁波傳播過程中的衰減也會(huì)增加，金屬天線的導(dǎo)體損耗較大，毫米波段天線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(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，更適合5g高頻天線。

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(jù)統(tǒng)計(jì)，以5g基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為龍頭的七大核心產(chǎn)業(yè)新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，2020年投資規(guī)模約為21800億。IHS預(yù)計(jì)，到2035年，5g將為全球帶來12.3萬億美元的潛在銷售活動(dòng)，并將跨越多個(gè)工業(yè)部門。

  什么是5g？5g是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱。5g通信是指通信頻率增加到5GHz。我國(guó)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(cè)試。這意味著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(zhǎng)1-10毫米）中的電磁波通常稱為毫米波。它們位于微波和遠(yuǎn)紅外線重疊的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，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(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？

A5G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(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)面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

四、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(zhǎng)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)用于無人駕駛、快速響應(yīng)、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、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(hào)處理方面的性能有望與LCP天線相媲美。MPI可以滿足5g時(shí)代的信號(hào)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。

目前，各省（市、區(qū)）相繼出臺(tái)了支持5g發(fā)展的政策和文件，其中融合應(yīng)用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通相繼發(fā)布5g發(fā)展規(guī)劃，在應(yīng)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(dú)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(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)為代表的科技創(chuàng)新建設(shè)，將為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和自主創(chuàng)新提供有力支撐。

聲      明：文章內(nèi)容轉(zhuǎn)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(quán)，請(qǐng)聯(lián)系小編刪除，謝謝