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专家观点 | 5G与新材料

江厦智库    观点    专家观点 | 5G与新材料

 

作者简介:

付耀耀,博士,中国科学院宁波材料所智库中心主管,江厦智库《中国新基建与5G智慧城市》课题组专家。

 

5G与新材料

新材料

新材料产业与新基建之间是互相依存、互相推动的关系。一方面表现在,新材料是高端制造的基础,新基建同样也离不开新材料的支撑,如芯片、光纤、数据中心、航空航天、新能源汽车等;另一方面,新基建也为新材料这类流程制造业带来了数字化转型的机遇,5G、智能制造、工业互联网等新一代产业技术,可以和传统生产制造进行融合,实现人、装置、产品在产业链内的“互联互通”,可大幅提升安全生产、流程控制、工艺优化、供应链管理等方面的效率。

新材料产业与新基建之间是互相依存、互相推动的关系。一方面表现在,新材料是高端制造的基础,新基建同样也离不开新材料的支撑。如芯片、光纤、数据中心、航空航天、新能源汽车等背后都需要新材料提供基础性的支持。新基建所提出的新需求,也将进一步刺激我国新材料产业加快升级,促进一批新科技成果转化,提升我国新材料产业在高端领域的供给能力。

另一方面,新基建也为新材料这类流程制造业带来了数字化转型的机遇。5G、智能制造、工业互联网等新一代产业技术,可以和传统生产制造进行融合,实现人、装置、产品在产业链内的“互联互通”,可大幅提升安全生产、流程控制、工艺优化、供应链管理等方面的效率。新基建设施的完善,可以为新材料产业的发展带来新的机遇。

一、5G与新材料

5G为第五代移动通信技术的简称,信号采用的频率更高、波长更短,已经接近毫米波波段。毫米波最大优点为传播速度快,随之带来的最大缺点就是穿透力差、衰减大。所以与传统通信时代不同,5G通信需要建设更多的基站,同时也对设备的材料性能提出了更高的要求。

具体表现为:5G的传输速度更快,要求传播介质材料的介电常数和介电损耗要小;5G的信号波长更短,电磁波覆盖能力较差,要求材料的电磁屏蔽能力要强;5G元器件的厚度薄、密封性好,要求及时散热,材料导热性能要好。综合起来看,5G需要:低介电、高导热和高电磁屏蔽的材料。5G通讯用材料品种异常丰富,从金属材料、陶瓷材料、工程塑料、玻璃材料、复合材料到功能材料,都有着巨大的市场空间。5G的布局带动了整个产业链的发展,必然会推动供给侧改革,企业都面临着机遇和挑战。

(一)5G时代下的天线材料

5G时代来临,通信处理的信息量与日俱增,天线是实现这一跨越提升不可或缺的组件。5G通信所用的无线电波频率高,波长短,容易在传播介质中衰减,因此要求天线材料具备低损耗、小尺寸、高导热、高集成的特点。

最早的天线由铜和合金等金属制成,后来随着柔性电路板制造工艺的出现,4G时代的天线制造材料开始采用聚酰亚胺(PI)膜作为绝缘基材。但PI在高频波段损耗明显,无法满足5G终端的需求,凭借介质损耗与导体损耗更小,具备灵活性、密封性等特性,液晶聚合物(LCP)逐渐得到应用。但LCP工艺复杂、良率低,所以导致造价昂贵,目前改良的聚酰亚胺(MPI)有望成为5G时代早期天线材料的主流选择之一。

改性聚酰亚胺(MPI)非结晶性的材料,基本上在各种温度下都可进行操作,特别是在低温压合铜箔时,能够容易地与铜的表面接着。其氟化物的配方被改良,在10-15GHz的超高频甚至极高频的信号处理上的表现有望媲美LCP天线,MPI可以满足5G时代的信号处理需求,且价格较LCP更亲民,故在5G发展前期,MPI有望替代部分PI,成为重要的过渡材料。

(二)5G时代下的半导体材料

移动通信的发展史,也是一部半导体材料的发展史。半导体材料是微电子行业发展的基础,第一代半导体材料以硅(Si)为主导,目前95%的半导体器件和99%以上的集成电路都是以硅材料为基础;20世纪90年代以来,随着光纤通讯和互联网的高速发展,促进了以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料的发展需求,其成为制造高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料;第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等,因其禁带宽度较大,又被称为宽禁带半导体材料。其具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点,因此也被业内誉为微电子产业的“新发动机”。

 

射频功率放大器是发射系统中的主要部分,重要性不言而喻。4G时代的基站中以前采用的射频功率放大器主要基于(横向扩散金属氧化物半导体)LDMOS技术,但LDMOS器件在物理上已经遇到极限,极限频率不超过3.5GHz,已经不能满足5G时代高频器件的材料需求。以GaN、SiC等为代表的第三代半导体材料,可承受更高的工作电压,意味着其功率密度、工作温度更高,因而具有适合高频率、支持宽带宽等特点。

(三)5G时代下的电磁屏蔽材料

随着现代通信技术的发展,电磁波引起的电磁干扰问题日益严重,不但会影响电子设备的正常工作,同时也会因电磁污染而影响人类健康,并且电磁波泄露也会造成潜在的信息泄露的风险。电磁屏蔽材料,通过对电磁波的反射和吸收,实现对信号的阻隔或衰减。按照材料的制备工艺划分,电磁屏蔽材料可以分为金属类电磁屏蔽材料、填充类复合屏蔽材料、表面敷层屏蔽材料、导电涂料类屏蔽材料。

电磁波在屏蔽材料内传播时的衰减主要是基于电磁波的反射和吸收:

(1)电磁波传播到屏蔽体表面时,由于空气与屏蔽体界面处波阻抗发生突变,电磁波产生了反射;

(2)电磁波通过金属材料时,金属材料会由于感应电动势形成涡流,涡流磁场与原来磁场方向相反、相互抵消,从而实现屏蔽作用,也就是吸收损耗;

(3)在屏蔽体内未衰减掉的电磁波,传播到屏蔽体另一表面时,遇到阻抗突变的金属-空气界面再次发生反射,重新返回屏蔽体内后产生多次反射。

在5G时代,随着电磁波频率的增加,吸收损耗所占的比例随之增加,而反射损耗所占的比例随之减少。因此,对于高频电磁波,主要利用高电导率的金属材料产生涡流,用以对外来电磁波产生抵消作用。对于低频电磁波,通常可以采用具有高磁导率的材料,使磁力线限制在屏蔽体内部,防止电磁波扩散。

基站外壳一般是铝合金压铸件,为了实现整体的电磁辐射防护,还需要在压铸件的接缝处用导电硅胶条密封,使壳体形成一个连续的导电体,来防止电磁波泄漏造成的辐射。对于5G高频通信而言,导电硅胶条的电磁屏蔽性能至关重要,材料的导电性越强,涡流效应也就越明显。因而,提高密封硅胶条的导电性能,是提高壳体电磁屏蔽性能的关键。除了导电性以外,导电硅胶条还需要满足基站集成商对拉伸强度、撕裂强度、断裂伸长率、压缩永久形变、耐极端户外环境的要求。

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2021年1月25日 10:45
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