LCP、MPI、3D玻璃、高频基材、石墨膜……等，都是5G行业可能大量应用的关键材料。下面让我们一起解读一下5G关键材料解析：PCB、MPI、LCP等。


今年工信部正式宣布向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电颁发5G商用牌照，标志着中国进入了5G商用元年。


今年小米正式发布了“小米MIX3 5G”，并在发布会现场通过 5G网络拨通了首个视频电话。华为则发布了首款5G折叠屏手机HUAWEI Mate X，基于柔性屏的外折叠屏幕，可以进行双屏交互。这一切预示着5G时代近在眼前，无论是5G基站的建设，还是终端手机的设计，对材料的选择将迎来一次大颠覆。


哪些材料会受到5G时代的青睐？又是谁在提前布局？


5G行业可能大量应用的关键材料



滤波器关键材料


微波介质陶瓷



在3G/4G时代，金属同轴滤波器是市场的主流选择。传统应用的滤波器一般由金属同轴腔体实现，是通过不同频率的电磁波在同轴腔体滤波器中振荡，达到滤波器谐振频率的电磁波得以保留，其余频率的电磁波则在振荡中耗散掉的作用。金属同轴腔体成本低、工艺成熟而得到广泛应用。




应对无线环境干扰愈加复杂的情况，陶瓷介质谐振滤波器迅速发展。随着移动通信网络的发展，商用的无线频段变得非常密集，导致普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题，所以采用陶瓷介质材料来制作腔体滤波器解决上述问题。




5G时代，陶瓷介质滤波器有望成为主流。5G时代，受限于Massive MIMO（大规模天线技术）对大规模天线集成化的要求，滤波器需更加小型化和集成化，在限定腔体尺寸的情况下，由于自身材料的损耗，上述两种滤波器无法取得很高的Q值，导致各项性能指标都受到了限制。




陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在介质材料内部，没有金属腔体，因此体积较上述两种滤波器都会更小。



PCB关键材料


高频基材



在射频器件中，需要使用许多不同类型的高频电路，包括功率放大器，需要适当的电路材料。


填充树脂材料是影响高频PCB板性能的关键材料之一。作为PCB上游原材料之一，特殊树脂作为填充材料，起着粘合和提升板材性能的作用。5G时代基站用PCB会倾向于更多层的高集成设计，这对PCB及覆铜板基材本身提出了新的要求。


相比4G，5G的数据量更大、发射频率更大、工作的频段也更高，这需要基站用PCB板有更好的传输性能和散热性能，这意味着5G基站用PCB板要使用更高频率、更高传输速度、耐热性更好的基材。


目前PCB优选聚四氟乙烯（PTFE）作为填充树脂材料，填充聚四氟乙烯以及用玻璃织物或金属陶瓷增强的聚四氟乙烯，可以降低复合材料的冷流性及线膨胀系数，提高耐磨性及导热性，而且也降低了制品的成本。


未来5G时代，对于PCB板的要求更高。较为主流的高频基材包括包括聚四氟乙烯树脂（PTFE）、环氧树脂（EP）、双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）、热固性氰酸脂树脂（CE）、热固性聚苯醚树脂（PPE）和聚酰亚胺树脂（PI），由此衍生出的覆铜板种类超过130种。它们有一个共同的特性, 就是基板材料所用的树脂的介电常数、介质损失因素都是很低的或较低的。


高频PCB产业各环节主要供应商


全球各种高速高频化基板材料的生产厂家


第三代半导体材料


SiC、GaN


第三代半导体以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等宽频半导体原料为主，具有较大的频宽宽度，较高的击穿电压(breakdown voltage)，耐压与耐高温性能良好，因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频元件。


4G 时代，智能手机一般采取1发射2接收架构，预测5G时代，智能手机将采用2发射4接收方案，未来有望演进为8接收方案。


在手机无线通信应用中，目前射频功率放大器绝大部分采用GaAs材料。GaN由于价格昂贵、供电电压高、需要提高散热设计等问题，短期内难以撼动GaAs材料的地位。


4G基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频功率放大器需求量为12个；5G基站，预计64T64R将成为主流方案，对应的功率放大器需求量高达192个，数量将大幅增长。目前基站用功率放大器主要为LDMOS技术，但是LDMOS技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。


5G基站GaN射频功率放大器将成为主流技术，逐渐侵占LDMOS 的市场，GaN能较好的适用于大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）。GaN的优点是禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），因此工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强。


未来，SiC衬底的GaN功率元件，在5G基站将得到更多的应用。


手机天线材料


LCP和MPI


LCP（液晶聚合物材料）作为一种新材料，非常适用于微波、毫米波设备，具有很好的应用前景。LCP主要生产商包括Du Pont、Ticona、住友、宝理塑料、东丽等。


未来5G时代，多层LCP天线非常适用于高频段，有望成为手机天线的首选材料。严格意义上，“LCP天线”应称之为采用LCP为基材的FPC软板，并承载部分天线功能。


传统FPC 电路板基材主要是聚酰亚胺（PI），而“LCP 天线”是采用LCP 作为基材的FPC电路板。


应用案例：iPhone X首次规模使用LCP天线

iPhoneX中使用2个LCP天线，iPhone8/8Plus也使用1个局部基于LCP软板的天线模组，均用于提高终端天线的高频高速性能，减小组件的空间占用。


此外，iPhone X的单根LCP天线价值约为4-5美元，两根合计8-10美元，而iPhone7的独立PI天线单机价值约为0.4美元，从PI天线到LCP天线单机价值提升约20倍。


iPhone X首度规模使用LCP天线意义重大，可解读为苹果为5G提前布局与验证。



LCP树脂主要厂商


LCP的生产厂家较少，供货稳定度上存在一定问题。手机生产厂商的议价能力相对较弱，LCP不仅良率较低，且价格居高不下。改良的聚酰亚胺（MPI）将在5G时代初期与LCP共存。


未来，预测在5G时代MPI与LCP天线分别负责10-15GHz以下与mmWave(27GHz)，而在4G与5G过渡期时的中与低阶手机可能仍维持PI天线或改采MPI天线。后期，LCP供应稳定后，将完全取代MPI成为主流材料。


外壳材料


3D玻璃、陶瓷、PC、PMMA


5G时代，手机外壳将从金属转向玻璃和树脂等不易受电波影响的材料。此前，常用的金属是铝，它的质感比塑料等材质更好，但缺点是会屏蔽信号。


手机高端机型：3D玻璃、陶瓷受青睐。


3D玻璃具有轻薄、透明度更高、抗指纹性强、防眩光、耐刮伤等优点。虽然未来手机前后盖都可能使用玻璃材料，但仍需采用金属中框。


陶瓷耐磨性好、散热性能优秀、质感舒适，使其在手机外壳上受到欢迎。但是陶瓷的良品率低、成本高，短期只适合部分高端手机应用，难以推广开来。


美国特殊玻璃生产商康宁公司（Corning）开发了“大猩猩玻璃（Gorilla Glass）”制造的外壳背板。这是一种不易损伤和破碎的手机用玻璃。相比铝和不锈钢材料，玻璃对高频电波的穿透性更好，能提高无线充电的效率。苹果iPhone X等机型已经采用了这种背板。康宁透露已经收到“很多来自5G手机的洽购”，显示出强劲势头。小米MIX系列则推出了陶瓷机身。


手机中低端机型：PC/PMMA复合材料成首选。这种材料原本作光学薄膜（或板材）使用，因仿玻璃的需要引入到手机外壳领域。


PC/PMMA复合板材是将PMMA和PC通过共挤制得，包括PMMA层和PC层。PMMA层加硬后能达到4H以上的铅笔硬度，保证了产品的耐刮擦性能，而PC层能确保其具有足够的韧性，保证了整体的冲击强度。


在追求高性价比的中端手机市场，低成本的仿玻璃塑胶手机后盖便成了华为、OPPO、vivo等品牌手机厂商的首选方案。预计在5G时代，PC/PMMA复合材料将与玻璃平分秋色，占据50%左右的手机外壳市场。


电磁屏蔽材料


导电塑料、导电硅胶等



毫米波穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此5G对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。


目前，广泛应用的电磁屏蔽器件主要有导电布、导电橡胶、导电泡棉、导电涂料、吸波材料、金属屏蔽器、导电屏蔽胶带等。



导热散热材料


导热硅脂、凝胶、石墨膜


在5G时代，手机的数据传输量大增，可能导致手机过热的风险持续提升。目前主要的手机导热散热材料包括高导热石墨烯膜、印刷式导热垫片、导热凝胶、导热硅胶片、导热绝缘胶、导热石墨片、导热相变材料、导热硅脂等。以下是几种主流的散热方式：


高导热石墨烯膜是一种超薄散热材料，可有效地降低发热源的热密度，达到大面积快速传热、大面积散热，并消除单点高温的现象。高导热石墨烯膜体积小，由于具轻量化优势，在现行散热方案中属不增加终端产品重量的设计方式，高导热石墨烯膜质地柔软，极佳加工性及使用性，本身也不会产生额外的电磁波干扰。


导热凝胶散热，和电脑的处理器和散热器中间的那种硅脂层是一个原理，其作用是让处理器散发的热量能够更快地传递到散热器上，从而散发出去。


液冷热管散热，就是将一个充满液体的导热铜管顶点覆盖在手机处理器上，处理器运算产生热量时，热管中的液体就吸收热量气化，这些气体会通过热管到达手机顶端的散热区域降温凝结后再次回到处理器部分，周而复始从而进行有效散热。


来源：率捷咨询、化塑汇等