宮學(xué)源

一代移動(dòng)通信技術(shù)，引發(fā)一代數(shù)字行業(yè)變革。第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）在全民矚目下拉開商業(yè)化的帷幕，大有徹底變革工業(yè)、醫(yī)療、教育、交通等各行各業(yè)之趨勢(shì)，帶來的商業(yè)價(jià)值十分可期。未來可見時(shí)間里，5G行業(yè)有望以萬億美元級(jí)的投資，拉動(dòng)下游十萬億美元級(jí)的經(jīng)濟(jì)增長。2020年以來，為進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量、恢復(fù)因新冠疫情帶來的經(jīng)濟(jì)損失，以5G建設(shè)為代表的“新基建”得到了政府、商業(yè)各層面的高度關(guān)注，相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅猛。由此帶來的上游新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展與投資機(jī)遇，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文主要簡述了5G大帶寬、低延遲等特性帶來的上游新材料需求，并分析了當(dāng)前形勢(shì)下5G新材料的投資機(jī)遇。

1 5G新基建提升行業(yè)價(jià)值鏈，對(duì)上游新材料提出新需求

從1G到4G，以10年為一周期的移動(dòng)通信技術(shù)革命，每一次都徹底改變了人類的生產(chǎn)生活方式，塑造起龐大的數(shù)字商業(yè)帝國。與前4代移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G在用戶體驗(yàn)速率、連接設(shè)備數(shù)量、時(shí)延方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，有望給VR/AR、無人駕駛、智慧城市和工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)帶來全新變革。根據(jù)2015年國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）發(fā)布的《5G愿景》，5G主要性能和特點(diǎn)如下：①極高的速率：5G基站峰值速率達(dá)到10～20Gbps，用戶體驗(yàn)速率達(dá)到100Mbps～1Gbps；②極多的連接：連接設(shè)備數(shù)量可達(dá)100萬/km2；③極低的時(shí)延：網(wǎng)絡(luò)時(shí)延由4G時(shí)代的10ms降低到5G時(shí)代的1ms；④較大的衰減：信號(hào)容易被屏蔽、受到外界干擾、也容易在傳播介質(zhì)中衰減。

1.1 5G商用推動(dòng)價(jià)值鏈上下游齊飛

在《5G愿景》中，ITU-R正式定義了5G的3大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶eMBB、海量的機(jī)器間通信mMTC、超高可靠和超低時(shí)延通信uRLLC（如圖1所示）。從3大應(yīng)用場(chǎng)景的發(fā)展順序上看，第1階段（2019-2021年）以大帶寬（eMBB）應(yīng)用為主，強(qiáng)調(diào)人與人之間的數(shù)據(jù)連接；第2階段（2021-2023年）大連接（mMTC）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸成熟，突出人與機(jī)器之間的連接；第3階段（2023年-長期）低時(shí)延（uRLLC）工業(yè)控制類應(yīng)用獲得突破，真正實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景。截至2021年初，5G產(chǎn)業(yè)正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高潮期，驅(qū)動(dòng)力主要來自政府科技經(jīng)濟(jì)政策，應(yīng)用場(chǎng)景則主要集中在第1階段eMBB。

隨著5G商用的逐步推進(jìn)，上游供應(yīng)鏈及下游應(yīng)用端都將出現(xiàn)眾多商業(yè)機(jī)會(huì)（見圖2）。據(jù)中國信通院估計(jì)，2030年5G直接貢獻(xiàn)經(jīng)濟(jì)總量、增加量分別約6萬億元、3萬億元；間接貢獻(xiàn)經(jīng)濟(jì)總量、增加量分別約11萬億元、4萬億元。在可見的未來，eMBB標(biāo)準(zhǔn)將推動(dòng)AR/VR等家庭娛樂以及遠(yuǎn)程教育和云辦公等場(chǎng)景的發(fā)展，并帶動(dòng)終端設(shè)備及內(nèi)容的爆發(fā)；mMTC、uRLLC標(biāo)準(zhǔn)逐漸成熟，5G大連接、低時(shí)延的特性將徹底釋放車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧醫(yī)療、智能工廠等場(chǎng)景的爆發(fā)[1]。

從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上看，5G產(chǎn)業(yè)主要包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、電信運(yùn)營商、網(wǎng)絡(luò)配套服務(wù)商、終端應(yīng)用6大板塊。其中，對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)具有重大影響的包含2大板塊：一是接入網(wǎng)版塊，主要包括基站主設(shè)備、基站核心部件等；二是終端應(yīng)用板塊，主要包括消費(fèi)電子設(shè)備、智能汽車、VR/AR、直播、智慧醫(yī)療和智能工廠等。從基建結(jié)構(gòu)上看，5G新基建主要分為5G基建建設(shè)和終端設(shè)備生產(chǎn)2大部分。其中，5G基站建設(shè)主要包括網(wǎng)絡(luò)搭建、基站建設(shè)等；終端設(shè)備主要包括智能手機(jī)、VR/AR、平板電腦等。

1.2 5G新基建對(duì)上游材料提出新需求

根據(jù)香農(nóng)公式（見圖3），一個(gè)通信系統(tǒng)的信道容量（類比數(shù)據(jù)傳輸量）可通過增加覆蓋、增加信道、增加帶寬和增加信噪比等多種方式進(jìn)行提升。與4G相比，5G面對(duì)連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠等技術(shù)場(chǎng)景，亟需在無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)鏈接領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。對(duì)此，業(yè)界提出了毫米波（mmWave）、大規(guī)模天線陣列（massive MIMO）、網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NFV）/切片、基于濾波的正交頻分復(fù)用（F-OFDM）和邊緣計(jì)算等解決方案，旨在解決通信容量不足、裝置能耗高和用戶體驗(yàn)速率過低等問題[2]。

從eMBB、mMTC和低時(shí)延uRLLC標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，業(yè)界針對(duì)5G技術(shù)需求特征給出的一系列解決方案，給上游基站建設(shè)和下游終端設(shè)備提出了新要求，由此給新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了新風(fēng)口、新機(jī)遇?？傮w來看，上游基站建設(shè)帶來的新材料機(jī)遇主要包括光模塊/光纖材料和射頻前端材料。其中，光模塊/光纖材料需求主要包括磷化銦（半導(dǎo)體激光器）、四氯化硅（光纖預(yù)制棒）等；射頻前端材料需求則主要包括塑料振子、化合物半導(dǎo)體、介質(zhì)濾波器和PTFE覆銅板等（見圖4、圖5）。

在終端設(shè)備方面，5G帶來的新材料機(jī)遇主要包括天線材料、射頻器件材料和熱管理材料（見圖5）。其中，天線材料需適應(yīng)5G信號(hào)頻率高、易衰減的特點(diǎn)，因此介電常數(shù)和介電損耗要小；射頻器件需滿足載波聚合、Massive MIMO等技術(shù)需求，濾波器、功率放大器（PA）帶來射頻材料需求量迅猛增長；熱管理材料要解決5G終端設(shè)備空間局促、熱量大的問題，因此散熱效率必須更高、器件厚度必須進(jìn)一步降低。

2 5G關(guān)鍵新材料發(fā)展迅猛，產(chǎn)業(yè)需求持續(xù)增長

為滿足5G技術(shù)特性，上游新材料供應(yīng)鏈做出了許多適應(yīng)性的調(diào)整，產(chǎn)品種類及需求量與4G時(shí)代相比已發(fā)生了許多變化。尤其是基站核心零部件以及5G終端相關(guān)新材料，發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛，產(chǎn)業(yè)需求持續(xù)增長。本文選取化合物半導(dǎo)體、高頻覆銅板、天線材料、陶瓷介質(zhì)濾波器和熱管理材料5種新材料做簡要概述。

2.1 化合物半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體主要包括砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）（見圖6），其具備大禁帶寬度、高電子遷移率等特性，可以滿足高頻譜效率、大頻率波處理、低延時(shí)響應(yīng)等技術(shù)場(chǎng)景需求，是制備5G核心零部件的關(guān)鍵材料。其中，InP主要用于光模塊的制作，GaAs、GaN主要用于射頻前端器件的制備。從4G的2/4/8TR天線到5G的16/32/64/128TR天線，Massive MIMO技術(shù)正在帶動(dòng)射頻前端器件數(shù)量大幅增加，射頻材料發(fā)展也迎來了新機(jī)遇。目前，4G基站射頻材料主要采用硅（Si）基LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）和GaAs，但LDMOS無法滿足3GHz以上頻段的使用，GaAs也可能成為有源天線的過渡性技術(shù)。為了更好的滿足5G的高功率、高頻段和高效率等要求，GaN有望成為5G時(shí)代射頻的主流材料。據(jù)Yole預(yù)計(jì)，2023年GaN射頻器件在基站中的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到5.2億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到22.8%。

2.2 高頻覆銅板

印刷電路板（PCB）是支撐各類元器件并實(shí)現(xiàn)電氣連接的載體，其在計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、通信、醫(yī)療和汽車領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。覆銅板則是PCB的基板，以往普遍由銅箔、玻璃纖維布、樹脂以及其他填充材料構(gòu)成。5G時(shí)代，MassiveMIMO技術(shù)推動(dòng)天線振子數(shù)量急劇增加，而天線振子需要集成在PCB中，因此5G基站對(duì)PCB的需求也隨之增加。5G時(shí)代，PCB需滿足數(shù)據(jù)海量、高頻、高速傳輸?shù)男枨?，因而?duì)覆銅板材料的介電性能提出了更高要求。介電性能通常用介電常數(shù)Dk和介電損耗因子Df衡量，兩個(gè)數(shù)值越小材料的介電性越好。在各類樹脂材料中，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂的Df低至0.0004、Dk低至2.1，是滿足5G高頻覆銅板需求的理想材料。目前，中國PTFE產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能的40%以上達(dá)到10萬t量級(jí)，但主要以中低端產(chǎn)品為主，高端產(chǎn)品極度依賴美國（羅杰斯、伊索拉等）和日本（三菱瓦斯、日立化成等），國產(chǎn)替代需求急迫。

2.3 天線材料

天線包括基站射頻天線和終端射頻天線，是基站和手機(jī)中用于收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵元件，其性能直接決定了通信質(zhì)量。其中，基站射頻天線的核心零部件是天線振子，4G時(shí)代多以金屬鈑金為主，5G時(shí)代將逐漸過渡為塑料天線振子，以實(shí)現(xiàn)高速高頻的場(chǎng)景需求。未來，無論是基站射頻天線還是終端射頻天線，液晶高分子聚合物（LCP）都將成為天線主流材料。LCP是一種芳香族熱塑性聚酯類新型高分子材料，具有良好的熱穩(wěn)定性、耐輻射性、耐腐蝕性，其介電常數(shù)Dk在2.9～3.1之間，可以在幾乎全射頻范圍內(nèi)保持恒定，介電損耗為1.5‰，能夠有效降低信號(hào)損失、提高通信質(zhì)量。據(jù)Strategy Analytics預(yù)測(cè)，2025年全球5G手機(jī)出貨量將達(dá)到15億臺(tái)。據(jù)此推測(cè)，2025年全球僅手機(jī)對(duì)LCP原材料的總需求在10億美元以上。目前，全球LCP產(chǎn)能主要由日本寶理塑料、住友化學(xué)和美國塞拉尼斯、蘇威等掌握，中國LCP產(chǎn)能僅占世界總產(chǎn)能的20%左右，國產(chǎn)化需求十分顯著。

2.4 陶瓷介質(zhì)濾波器

陶瓷介質(zhì)濾波器采用低介電損耗陶瓷粉體等制成，將此類陶瓷材料制成片狀，2面涂銀作為電極，經(jīng)過直流高壓極化后就具有壓電效應(yīng)。在5G時(shí)代，以陶瓷介質(zhì)濾波器或陶瓷波導(dǎo)濾波器，替代金屬腔體濾波器成為基站濾波器的主流選擇。由于MassiveMIMO對(duì)大規(guī)模天線集成化的要求，處理的連續(xù)帶寬更寬至100MHz，濾波器設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅提升，濾波器需更加輕量化、小型化和集成化，因此在限定腔體尺寸的情況下，及占用sub-6GHz頻段濾波器，陶瓷介質(zhì)濾波器相比金屬腔體濾波器具有Q值較高，高抑制、插入損耗小、溫度漂移特性好，在功率容量和無源互調(diào)性能有明顯的優(yōu)勢(shì)。陶瓷介質(zhì)濾波器在5G時(shí)期中低頻段成為主流選擇[2]。5G時(shí)代，濾波器市場(chǎng)空間=基站數(shù)×單基站濾波器用量×單通道濾波器價(jià)格。據(jù)此測(cè)算，5G時(shí)期國內(nèi)濾波器市場(chǎng)空間超過400億元，全球市場(chǎng)超過800億元。目前，中國相關(guān)企業(yè)已掌握陶瓷介質(zhì)濾波器制造工藝，5G基站建設(shè)帶來的市場(chǎng)空間值得期待。

2.5 熱管理材料

隨著5G技術(shù)逐漸走向成熟，智能手機(jī)對(duì)散熱管理的需求大幅提升，主要表現(xiàn)為以下幾方面：①5G手機(jī)射頻前端支持的頻段數(shù)量大幅增加，需采用Massive MIMO技術(shù)以增強(qiáng)信號(hào)接收能力，天線數(shù)量和射頻器件數(shù)量遠(yuǎn)超4G手機(jī)；②5G手機(jī)芯片處理能力有望達(dá)到4G手機(jī)的5倍以上，手機(jī)發(fā)熱密度絕對(duì)值將是4G手機(jī)的2倍以上；③5G信號(hào)穿透能力變?nèi)?，手機(jī)機(jī)身材質(zhì)逐漸向陶瓷和聚合物轉(zhuǎn)變，加之5G手機(jī)越來越緊湊，導(dǎo)致散熱能力越來越弱。目前，電子器件使用的散熱技術(shù)主要包括石墨散熱、金屬背板、邊框散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱等導(dǎo)熱材料，以及熱管、均熱板（VC）等導(dǎo)熱器件。其中，導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱硅脂、石墨片和金屬片主要在中小型電子產(chǎn)品使用，熱管和VC則主要用在筆記本、電腦、服務(wù)器等中大型電子設(shè)備中使用。為有效解決5G帶來功耗問題，目前手機(jī)散熱已逐漸升級(jí)為“石墨+熱管”或“石墨+VC”等綜合解決方案（見圖7）。

3 5G新材料投資機(jī)會(huì)淺析

自2019年開始，各大運(yùn)營商緊鑼密鼓地籌備5G基站建設(shè)工作。據(jù)2021年1月工信部發(fā)布的《2020年通信業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，中國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，按照適度超前原則，新建5G基站超60萬個(gè)，全部已開通5G基站超過71.8萬個(gè)。隨著疫情的進(jìn)一步緩解和經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勢(shì)恢復(fù)，未來3年中國5G建設(shè)和投資將迎來高峰期。預(yù)計(jì)到2022年，中國年新增基站數(shù)量將達(dá)到110萬座，5G基站年投資規(guī)模將達(dá)到1 504萬元，運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支出將在2023年左右達(dá)到近3 180億元的峰值。

在可見的未來，中國將持續(xù)保持世界最大5G市場(chǎng)的地位，5G新基建將給供應(yīng)鏈上游新材料產(chǎn)業(yè)帶來新機(jī)遇。如前所述，基站射頻器件材料（包括化合物材料、陶瓷介質(zhì)濾波器、天線振子）和終端設(shè)備材料（包括熱管理材料、電磁屏蔽材料、背板材料）領(lǐng)域?qū)⒈３指咚僭鲩L態(tài)勢(shì)，技術(shù)革新、產(chǎn)品升級(jí)換代的頻率將加快，此中不乏適合一二級(jí)市場(chǎng)的投資機(jī)會(huì)。為把握5G新基建浪潮中的上游新材料投資機(jī)會(huì)，建議關(guān)注如下幾方面：一是產(chǎn)品性能是否足夠好，滿足5G高介電、高頻率、高導(dǎo)熱的應(yīng)用需求，未來5G基站和終端設(shè)備將會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能更加敏感；二是關(guān)注國產(chǎn)替代進(jìn)程，5G新基建是面向萬物互聯(lián)時(shí)代、人工智能時(shí)代最關(guān)鍵的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，科技供應(yīng)鏈安全問題至關(guān)重要，已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代的領(lǐng)域要關(guān)注頭部企業(yè)進(jìn)程；三是關(guān)注技術(shù)成熟度以及產(chǎn)品在終端設(shè)備廠商的驗(yàn)證進(jìn)度，在合理時(shí)間切入布局。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.009

參考文獻(xiàn)

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