張耀坤 徐純

1 概述

5G是第5代移動通信技術(shù)，是4G后的新一代移動通信系統(tǒng)。圖1展示了通信技術(shù)發(fā)展史。隨著用戶端設(shè)備的發(fā)展和科技的進(jìn)步，現(xiàn)在傳輸消耗的數(shù)據(jù)呈幾何級增長，但是一直擁擠在與無線電頻譜相同的頻段上，使得每個單元被分配到的帶寬有限，這就導(dǎo)致了速度的下降、掉線情況的發(fā)生。終端和應(yīng)用場景的進(jìn)步改變了用戶對網(wǎng)絡(luò)的需求，同時運(yùn)營商流量經(jīng)營戰(zhàn)略發(fā)生了轉(zhuǎn)變，使得5G的發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。5G滿足了市場使用網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、傳輸延遲低的需求。對比4G，5G技術(shù)有以下幾大特點(diǎn)：

①超高速率：4G的峰值速率為1Gbit/s，5G可以達(dá)到20Gbit/s。用戶網(wǎng)絡(luò)帶寬從過去的10Mbit/s增加到100Mbit/s。在5G良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，1～3s可以下載一部1G電影。LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率的100倍左右。因此5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)無卡頓觀看高清視頻以及虛擬現(xiàn)實(shí)順暢體驗(yàn)。

②超低時延：頻譜利用率提升3倍，可以支持500km/h的移動通信，網(wǎng)絡(luò)延遲縮短至1ms，所以可以實(shí)現(xiàn)過去無法實(shí)現(xiàn)的自動駕駛、工業(yè)自動化等新興技術(shù)。

③海量的連接設(shè)備數(shù)：5G可以連接的設(shè)備數(shù)可以達(dá)到100萬臺/km2，通信設(shè)備的能量利用率提升了100倍，擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量，可以實(shí)現(xiàn)世間萬物相互連接。50人在一個地方同時上網(wǎng)，也能有100Mbps以上的速率體驗(yàn)。同時，也為物聯(lián)網(wǎng)打造打下基礎(chǔ)。未來，物聯(lián)網(wǎng)的連接規(guī)模將達(dá)到10萬億元。

“4G改變生活，5G改變社會。” 5G速率高、低延時，將極大地推動物聯(lián)網(wǎng)、AI、云游戲、VR、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能家居、自動駕駛的發(fā)展。5G的到來將給社會帶來各個方面深層次的影響，同時也給終端設(shè)備的升級帶來了全新的挑戰(zhàn)。為了適配5G高頻、傳輸速率快的特點(diǎn)，對終端設(shè)備的原材料提出了更高的要求。5G終端設(shè)備的升級對于新材料產(chǎn)業(yè)是有著巨大的提振，毫無疑問在未來一段時間內(nèi)，新材料產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展。我國目前已躋身5G技術(shù)發(fā)展的第一梯隊(duì)，在相關(guān)新材料研發(fā)應(yīng)用上，也應(yīng)當(dāng)走在前列。在中美貿(mào)易戰(zhàn)的背景下，“華為事件”給許多行業(yè)敲響了警鐘，在原材料生產(chǎn)制造上必須有自己的話語權(quán)，因此加速5G新材料國產(chǎn)化刻不容緩。

2 產(chǎn)業(yè)鏈中的主要新材料

5G的傳輸速度快，要求印刷電路板上的傳播介質(zhì)材料具有較低的介電常數(shù)和少的介電損耗；5G的電磁波覆蓋能力差，要求電子屏蔽材料得具有很強(qiáng)的電磁屏蔽能力；5G元器件的厚度薄、尺寸小，這就要求導(dǎo)熱散熱材料具有很好的導(dǎo)熱散熱性能，來滿足5G用設(shè)備長時間穩(wěn)定的運(yùn)行工作。5G要想飛速發(fā)展，必須是與之配套的新材料先行。下文針對5G產(chǎn)業(yè)鏈中的主要新材料進(jìn)行分析。

2.1 印刷電路板用樹脂材料

印刷電路板（PCB）實(shí)現(xiàn)了電子元器件電氣的相互連接，是電子設(shè)備中必不可少的核心零部件，被譽(yù)為“電子產(chǎn)品之母”。PCB廣泛應(yīng)用在計算機(jī)、通訊、消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療電子等。消費(fèi)電子、計算機(jī)、通訊是PCB 應(yīng)用最為廣泛的行業(yè)，分別對應(yīng)的PCB使用量占比為14%、27%和27%。

覆銅板是PCB的核心基材。是由金屬板層、絕緣層和導(dǎo)電層（一般為銅箔）3部分組成。表面經(jīng)過化學(xué)或電化學(xué)處理的金屬基板的一面或兩面覆以絕緣介質(zhì)層和銅箔、經(jīng)熱壓復(fù)合而成。覆銅板的主體樹脂主要有：酚醛樹脂、聚酰亞胺（PI）、聚酯（PET）、雙馬來酰亞胺三嗪（BT）、環(huán)氧樹脂（EP）、氰酸酯（CE）和聚四氟乙烯（PTFE）等。

根據(jù)使用樹脂材料的不同，可以將PCB分為硬板、軟板2種。覆銅板用FR4做基材的叫做硬板，不能彎曲，一般用在電腦主板，手機(jī)主板中。用PI做基材的覆銅板叫做柔性電路板，也被稱為FPC。這種覆銅板可以隨意彎曲，一般用在小部件中。硬板PCB除非以灌膜膠做出立體形式，否則一般情況下是以平板形式呈現(xiàn)。而FPC則是一個很好的解決方案，可以根據(jù)空間延伸方案，適應(yīng)不同產(chǎn)品的外形而設(shè)計。所以相對于硬板PCB而言，F(xiàn)PC具有配線密度高、質(zhì)量輕、厚度薄、配線空間限制較少、靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。

5G離不開大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，服務(wù)器的發(fā)展離不開PCB。大流量、傳輸速度高的目標(biāo)，對PCB的材料性能要求也越來越高。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要求PCB不僅迅速高密度化，還需要有比較好的介電性能。也就是需要該種材料在電場的作用下，擁有儲蓄靜電能的性質(zhì)，通常會用2個指標(biāo)即介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗（Df）來表示。好的介電性能要求低的介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗。電路板基板材料的性能對比詳見表1。

對于低頻的PCB基材而言，多采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板（FR—4）。而對于高頻電路而言，如果使用這些傳統(tǒng)的基材會讓信號“失真”。5G對低介電材料的介電常數(shù)要求在2.8～3.2之間，PTFE樹脂的Df可低至0.0004、Dk為2.1，是目前高分子材料中介電常數(shù)比較低的，其介電性能比較優(yōu)越，可以在高頻高速的工況下滿足5G通信基站要求。

PTFE，是四氟乙烯單體聚合得到的高分子聚合物，具有化學(xué)穩(wěn)定性良好、耐高低溫、耐腐蝕、耐候性、耐老化性、高潤滑不黏附、無毒害、不溶于任何溶劑、高度絕緣等優(yōu)異特性，主要用于生產(chǎn)電子產(chǎn)品、航空器件、醫(yī)療器械，為當(dāng)下產(chǎn)量最大、消費(fèi)增長最快的氟聚物。

在5G基站當(dāng)中，一個宏基站所需要使用的PCB板面積為4m2，按照目前PTFE高頻高速覆銅板600元/m2的均價計算，預(yù)計全球?qū)⒔ㄔO(shè)600萬個5G宏基站，預(yù)計在全球范圍內(nèi)需要使用的PTFE材料市場規(guī)模為144億元左右。我國目前PTFE年產(chǎn)能在14萬t左右，占全球總產(chǎn)能的40%，但我國以生產(chǎn)中低端PTFE產(chǎn)品為主，高端PTFE絕大部分產(chǎn)能掌握在美國、日本。我國高端PTFE材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代還需加快進(jìn)程。

2.2 液晶聚合物（LCP）

信號傳輸?shù)妮d體是天線，天線就如同公路一樣，提供的是信息交互的通道。要達(dá)到高的傳輸速度，對于天線的信號收發(fā)能力勢必要提出更高的要求。也就是說，天線的性能直接決定了通信的質(zhì)量。

過去使用的PI天線，其主要材料是以PI為主。PI材料的介電常數(shù)比較大、損耗因子比較大、可靠性也比較差，這導(dǎo)致PI材質(zhì)的天線在高頻端傳輸中，信號損耗比較嚴(yán)重，對于目前5G通信應(yīng)用已經(jīng)無法適應(yīng)。天線廠商需要尋找到適應(yīng)于高頻段的新材料，而LCP就是非常不錯的選擇。

LCP是一種新型的高分子材料，良好的熱穩(wěn)定性、介電性、耐輻射性、耐腐蝕性、電絕緣性（表2），用于速接器、線圈、開關(guān)、插座、電容器外殼等。目前LCP這種材料主要被用在生產(chǎn)電子產(chǎn)品、航天器材和軍工產(chǎn)品的配件，例如高頻率的電路基板、COF基板、多層板等。LCP材料制作的天線可以在確保高可靠性的情況之下，實(shí)現(xiàn)高頻信號的高速傳輸。LCP材料本身也有較好的電學(xué)特征，例如其可以在110GHz的射頻范圍保持恒定的介電常數(shù)；LCP軟板具有比較好熱膨脹特性和柔性性能，能更充分得利用設(shè)備內(nèi)部的空間。

對比傳統(tǒng)的PI天線，LCP具有以下優(yōu)勢：

①LCP損耗值降低：毫米波的繞射能力較差，接近直線傳播，所以傳統(tǒng)PI天線軟板對2.4G的射頻信號產(chǎn)生3dB損耗，對應(yīng)1 000倍的信號損失；頻率越高，損失越大。而LCP基材具有良好的電絕緣性，損耗值僅為2‰～4‰，相比傳統(tǒng)基材2%的電磁損耗要小10倍，可以有效降低損耗，提高通信質(zhì)量。

②LCP更小型化：LCP具有撓性，滿足多層，復(fù)雜天線的設(shè)計要求?？梢赃M(jìn)行立體結(jié)構(gòu)物應(yīng)用，可以彎折，通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，接受復(fù)雜信號。也可以同軸連接器進(jìn)行整合，減少天線占用空間，提高空間利用效率。

除LCP外，另一種天線新型FPC基材是改性聚酰亞胺（MPI）。改進(jìn)配方的聚酰亞胺天線。具備友誼的抗化學(xué)性，機(jī)械強(qiáng)度于高電阻抗等特性，廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)與航天科技。由于操作溫度較寬，表面能夠與銅更易接合。MPI價格比LCP更優(yōu)惠、良品率比LCP高，所以與LCP在5G天線材料C位上的爭奪受到熱議。詳見表3。

但在5G擴(kuò)展頻段（毫米波頻段），LCP的性能優(yōu)勢更加突出，且隨LCP產(chǎn)能擴(kuò)大、生產(chǎn)技術(shù)水平的提升，LCP原料成本仍有較大下降空間，屆時LCP仍將以絕對優(yōu)勢成為5G天線的主流基材。

根據(jù)Yole發(fā)布的5G發(fā)展路線圖：2020年前需要將通信的頻率提升至6GHz，2020年之后需要提升到30～60GHz的頻段中。MPI天線可能只是過渡，未來主力將是LCP天線。

2020年全球的LCP樹脂產(chǎn)能大約為7.6萬t/a，分別是中國1.6萬t，日本3.4萬t，美國2.6萬t。目前塞拉尼斯、寶理塑料、住友3家公司的產(chǎn)能均超過1萬t，合計占比超過50%，行業(yè)集中度非常高。

中國企業(yè)中的沃特股份薄膜級LCP正處測試階段，其技術(shù)主要源于2014年收購三星精密所得，產(chǎn)能在3 000t；普利特已研發(fā)出薄膜級樹脂，正和下游知名客戶聯(lián)合研發(fā)LCP薄膜，目前產(chǎn)能在2 500t；寧波聚嘉新材料科技有限公司已開發(fā)出薄膜級樹脂，LCP薄膜處于中試階段，產(chǎn)能在2 150t。金發(fā)科技是早在2009年就開始自主研發(fā)LCP，目前金發(fā)科技的薄膜級樹脂已經(jīng)開始小批量出口到日本，同時也和國內(nèi)的5G通信廠商共同研發(fā)相關(guān)的天線產(chǎn)品，目前產(chǎn)能在3 000t，未來計劃擴(kuò)產(chǎn)到6 000t。

2.3 導(dǎo)熱散熱材料

手機(jī)內(nèi)部的導(dǎo)熱散熱材料工作原料，主要是利用其材料特性，填充手機(jī)零部件之間的空隙，降低熱阻，來實(shí)現(xiàn)熱量快速傳輸，從而起到散熱的作用。手機(jī)內(nèi)部的處理器、電池、屏幕等零部件在工作時會產(chǎn)生熱量，溫度每升高2℃，零部件的可靠性就會下降10%，而當(dāng)溫度達(dá)到50℃時，零部件的壽命只有25℃時的一半。如果是對體積沒有特別要求的其他電子設(shè)備，還能通過外置散熱風(fēng)扇等進(jìn)行散熱，但是對于手機(jī)而言，日益薄化的設(shè)計，使得新型導(dǎo)熱散熱材料非常緊缺。

在4G時代，手機(jī)主流上是用石墨材料+金屬背板的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)散熱。生產(chǎn)導(dǎo)熱石墨的國外廠商有日本松下、日本kaneka有限公司、美國garfTech有限公司，中國有碳元科技、飛榮達(dá)、中石科技等。石墨材料行業(yè)呈現(xiàn)出壟斷競爭格局，國內(nèi)廠商仍有一席之地。在5G時代，由于手機(jī)高頻化、背板去金屬化，石墨材料+金屬背板的設(shè)計已經(jīng)不能滿足手機(jī)廠商的要求，均熱板和熱管的設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生。

從目前已發(fā)布的5G手機(jī)采用的散熱技術(shù)可以看出，“多層石墨+均熱板/熱管”的散熱方案將成為5G時代的主流。例如華為Mate20X 5G就是采用的這種均熱板方案。熱管和均熱板的散熱的工作原理，都是在其內(nèi)部充滿冷凝液，冷凝液受熱蒸發(fā)后，蒸汽在冷凝段釋放熱量。熱管/均熱板的熱導(dǎo)系數(shù)可達(dá)到石墨的10倍以上，二者的工作原理較為類似，在形態(tài)上銅管也可以做得寬一些，使得性能比較接近均熱板。

最早往這個方向研發(fā)的是臺灣廠商。目前該行業(yè)仍然以臺資企業(yè)為主，國內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)有碳元科技、中石科技、蘇州天脈導(dǎo)熱科技有限公司、深圳壘石熱管理技術(shù)有限公司等。臺灣廠商以超眾科技有限公司、雙鴻科技股份有限公司等為主，由于臺資企業(yè)起步早，研發(fā)時間長，因此在產(chǎn)品良率上要比國內(nèi)的廠商要高。部分難度大的軟管，臺灣廠商良率達(dá)到70%以上，而國內(nèi)廠商則在50%左右。

2.4 電子陶瓷材料

電子陶瓷是指通過對陶瓷的表面、晶界和尺寸結(jié)構(gòu)的精密控制，最終獲得的具有獨(dú)特電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)的陶瓷，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫高濕、抗輻射、介質(zhì)損耗正切值小、抗電強(qiáng)度和絕緣電阻值高等優(yōu)異性能。用電子陶瓷制成的濾波器，被稱為陶瓷介質(zhì)濾波器。濾波器是基站中的關(guān)鍵器件之一。不同的基站有明確的工作頻段，而濾波器就像篩子一樣，是幫助基站讓需要的頻率信號通過，過濾不需要的頻率信號從而確保收發(fā)信號的精準(zhǔn)度。

在3G、4G時代，基站濾波器主要使用的是金屬腔體的濾波器，這種濾波器技術(shù)比較成熟、價格也比較低，但是體積大且易發(fā)熱，因此不適用于5G時代的Massive MIMO技術(shù)。5G采用的Massive MIMO技術(shù)使得基站天線從4、8通道上升至了64通道，并通過調(diào)整天線陣列中天線收發(fā)單元的幅度和相位實(shí)現(xiàn)波束賦形，這就ww要求每個天線單元都需要有獨(dú)立的收發(fā)信號的能力，則每一條通道都需要配備相應(yīng)的濾波器等器件以構(gòu)成完整的電路。這就使得5G時代在對濾波器需求數(shù)量大幅提升的同時，也對濾波器的體積和重量提出了更高的要求。此時體積更小、穩(wěn)定性更強(qiáng)的陶瓷介質(zhì)濾波器應(yīng)運(yùn)而生。

與金屬腔體的濾波器相比，陶瓷介質(zhì)濾波器具有高穩(wěn)定性、高Q值的特點(diǎn)。穩(wěn)定性高意味著陶瓷介質(zhì)濾波器不容易受到外界溫度變化影響，高Q值則表示濾波器的選頻能力更好。陶瓷介質(zhì)生產(chǎn)的濾波器體積和質(zhì)量更小，損耗更低。因此未來陶瓷介質(zhì)濾波器有望占據(jù)5G時代濾波器的主要市場。國內(nèi)生產(chǎn)陶瓷介質(zhì)濾波器的廠商主要有燦勤科技有限公司、大富科技有限公司、武漢凡谷電子技術(shù)股份有限公司等。

3 結(jié)語

2019年6月6日，工業(yè)和信息化部為國內(nèi)通信運(yùn)營商發(fā)放了5G的商用牌照，我國5G發(fā)展從此拉開了帷幕。在2020年5月25日，工信部部長苗圩在“部長通道”中介紹稱，目前我國5G基站數(shù)量正保持著每周1萬座以上的增速。預(yù)計到2022年，我國年新增基站數(shù)量將達(dá)到110萬座，未來3年我國將迎來大量的5G基站建設(shè)。5G產(chǎn)業(yè)鏈上各個企業(yè)均在推動5G的發(fā)展，其中新材料行業(yè)奮勇當(dāng)先?？梢灶A(yù)見的是，5G相關(guān)的新材料產(chǎn)業(yè)在未來的很長一段時間內(nèi)都將處于上升發(fā)展期，我們期待在不久的未來，能夠?qū)崿F(xiàn)5G產(chǎn)業(yè)鏈上新材料的國產(chǎn)自主可控，真正占領(lǐng)5G時代的高地。