新材料在5G通信领域中的应用及展望

王海峰

近年来，国际电信联盟（ITU）在5G通信发展方向以及技术发展梳理等方面进行了系统研究，提出未来“IMT—2020系统”的总体框架、5G技术发展目标、5G技术涵盖范围以及后续研究方向，并对外发布了《IMT—2020工作计划》。韩国成立“5G技术论坛”，发表了5G论坛白皮书和5G服务路线图2022；我国成立“IMT—2020（5G）推进组”并发表5G概念白皮书和5G愿景与需求白皮书。2018年，国际通信标准化机构（3GPP）正式批准第5代通信第一阶段全功能标准化。

我国对5G技术的发展非常重视。2018年，我国在长三角地区建立了国内最大的5G外场技术试验网，该试验网于2019年率先开始商用，该试验网覆盖范围预计在2020年将成为我国首批商用5G地区。为了全面推进5G技术在通信领域的推广，我国的华为技术有限公司已经作好了5G芯片的研发准备工作，并计划于2019年9月份在市场上推出5G手机。据悉，中兴通讯股份有限公司将在2019年推出5G手机。同样，国外通信企业也不示弱，美国的高通公司也将在2019年推出5G手机。可见，5G移动通信技术将成为未来国内外移动通信领域的研究热点，并且其研究的方向也将不断顺应移动通信应用的需求。随着5G移动通信技术的发展，带来的不仅仅是移动通信速度的大幅提升，还有媒体类业务、物联网和移动互联网业务的高速发展，而上游环节5G移动通信技术原材料的发展，势必会给5G市场注入勃勃生机。

1 新型手机电路材料——微波介质陶瓷

微波介质陶瓷是5G移动通信技术发展的关键材料之一。所谓微波介质陶瓷，是一种介质材料，能够应用于300MHz～30GHz的微波频率电路，实现多种功能的陶瓷材料，微波介质陶瓷是5G移动通信技术中关键部件微波介质滤波器和谐振器的关键材料[3]。微波介质陶瓷是一种高技术含量的陶瓷材料，作为5G移动通信技术发展的关键材料，微波介质陶瓷具有多重优势，如较高的介电常数、较小的温度系数、以及介电损耗低，这些性能上的优势，使得微波介质陶瓷能够应用于多种微波元器件的制造中，同时能够达到微波元器件的电路形状更小、集成程度更高、制备成本更低、以及更加可靠。微波介质陶瓷材料包括的种类很丰富，主要有以下几种：

首先是氧化钡（BaO）—二氧化钛（TiO2）系微波介质陶瓷。这种微波介质陶瓷是为电容器用介质材料而开发的。后来研究者们通过研究发现BaO—TiO2系具有压电性这一优点，进而在工业上逐步得以应用。BaO—TiO2系微波介质陶瓷的介电性能随着陶瓷中TiO2含量的改变而发生变化，尤其是四钛酸钡（BaTi4O9）、九钛酸钡（Ba2Ti9O20）这2种BaO—TiO2系微波介质陶瓷，由于其具有更加适合应用的微波介电性能，而备受从业者的喜爱。由于Ba2Ti9O20微波介质陶瓷具有优良的谐振频率和良好的温度系数，从而在微波介质谐振器材料领域备受青睐。

其次是BaO—镧系氧化物（Ln2O3）—TiO2系微波介质陶瓷。该种微波介质陶瓷含有镧系元素镧（La）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）等，介电常数介于80～90之间，由于其介电常数较高，所以能够应用于小型微波通信器件领域。当镧系元素为La、Pr、Nd时，由于其温度系数为正，当镧系元素为Sm、Eu、Gd时，由于其温度系数为负，进而可以产生温度补偿效应。所以，通过调整BaO—Ln2O3—TiO2系微波介质陶瓷的组分比例，就能制备得到频率温度系数为零的微波介质陶瓷。目前，混合镧系组份为Ba—Nd—Sm—Ti的微波介质陶瓷比较流行，该种微波介质陶瓷的介电常数介于100～210之间，损耗较小谐振频率和温度系数都较低。还可以通过改性手段进一步优化BaO—Ln2O3—TiO2系微波介质陶瓷的性能，如利用置换的方式，引入铋（Bi）、铅（Pb）、锶（Sr）、铝（Al）、锌（Zn）等离子，或者通过加入氧化铋、氧化钛和氧化镁等金属氧化物类添加剂的方法，进行改性。并且有研究指出，BaO—Ln2O3—TiO2系微波介质陶瓷的晶体结构为类钙钛矿钨青铜结构。

第3种是复合钙钛矿系微波介质陶瓷。从微波介电性能的角度考虑，移动通信用微波介质陶瓷要求材料具有中介电常数、高品质因数和近零的谐振频率温度系数。中介高Q微波陶瓷体系中MTiO3—LnA1O3具有优异的微波性能和钙钛矿结构的可调性，所以近年来对该体系微波介质陶瓷的研究日益增多。这类钙钛矿结构微波介质陶瓷具有中介电常数（45左右），品质因数Q×f高（40 000 GHz左右），谐振频率温度系数可调等优点，但其烧结温度在1500℃以上。这样使得能耗高，如果能够降低烧成温度，就可以降低烧成成本。而降低陶瓷烧结温度最常见一种方法即采用掺杂烧结助剂来实现，但这一方法会引入杂质，使得陶瓷性能的不可控因素增加，因此本发明通过离子取代的方法来降低该类陶瓷的烧结温度，希望在保持优异的介电性能的同时降低损耗及其烧结温度。在专利领域，关于复合钙钛矿系微波介质陶瓷的研究也较多。CN 102491734A公开了一种中介高Q微波介质陶瓷及其制备方法，该方案的产品组成表达式为x C a O—y （ m L a2O3—n L n2O3）—z（pMgO—qTiO2），其中Ln=La、Nd、Sm；CN105399422A公开了一种STLA微波介质陶瓷材料及其制备方法与应用，该STLA微波介质陶瓷材料主要晶体结构为钙钛矿结构，其化学表达式aSrO—bTiO2—cCaO—d/2Ln2O3—e/2Al2O3，其中Ln为稀土La、Nd和Sm中的至少一种。其制备方法为：按照主晶相结构式的化学计量比取碳酸锶、二氧化钛、碳酸钙、稀土氧化物以及氧化铝，砂磨使混合均匀；然后喷雾干燥，预烧；粉碎，不添加或添加改性添加剂，再次砂磨使混合均匀；喷雾造粒，过筛，压制成型；最后烧结，得到STLA微波介质陶瓷材料；CN105272213A公開了一种高介低损微波介质陶瓷材料及其制备方法，材料化学通式为（Na0.5+yLn0.5）（Ti1—xCx）O3，Ln=La或Nd或Sm，其中0.01≤x≤0.04，0.05≤y≤0.12，C的组成为VW，V代表价态高于4价的Nb，W代表价态低于或等于4价且平均离子半径接近于Ti4+的单个离子或复合离子，V和M同时取代或单独取代；CN109437901A公开了一种钙钛矿结构的微波介质陶瓷及其制备方法，陶瓷的化学组成为（1-x）Ca1—z（Li0.5Sm0.5）zTiO3—xLa1-ySmyAlO3，其中0.1≤x≤0.6，0≤y≤1，0≤z≤0.4，制备方法包括：将钙源、锂源、钐源和钛源混合并进行一次破碎，进行焙烧，得Ca1—z（Li0.5Sm0.5）zTiO3/2）将Ca1-z（Li0.5Sm0.5）zTiO3与铝源以及稀土金属源混合并进行一次破碎，进行焙烧，之后二次破碎并压制，烧结成瓷，得到所述陶瓷，通过该方法得到的微波介质陶瓷相对介电常数可调，损耗低，谐振频率温度系数可调。

第4种是铅基钙钛矿系微波介质陶瓷。铅基钙钛矿系微波介质陶瓷主要是指（Pb1—xCax）ZrO3系组成的微波介质陶瓷材料，并且其中ZrO3具有多种不同金属氧化物的其他表现形式。微波频率时，铅基钙钛矿系微波介质陶瓷的介电常数和Q值较高，并且频率温度系数接近零。少数铅基钙钛矿系微波介质陶瓷的主晶相为钙钛矿结构，多数铅基钙钛矿系微波介质陶瓷的主晶相为烧绿石相，烧绿石相结构的铅基钙钛矿系微波介质陶瓷的微波介电性能较差，小Q值。研究显示，铅基钙钛矿系列微波介质陶瓷材料的介电常数随含铅量的增加而增加，并且这种增加属于明显增加。

2 第3代半导体材料

5G手机材料领域的不断发展，推动了第3代半导体材料产业的前进。第3代半导体材料主要指碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）。根据拓墣产业研究院的统计数据，2018年，全球碳化硅基板的产值远远高于氮化镓基板的产值。拓墣产业研究院同时表示，相较目前主流的硅晶圆（Si），第3代半导体材料SiC与GaN具有耐高电压的明显优势，同时其也具有较好的耐高温性能，并且可以在高频状态下进行工作。这些优点，使得第3代半导体材料相对于传统的硅晶圆材料，既缩小了芯片面积，有使得电路设计得以简化，系统各个部件的体积明显得以减小此外，SiC与GaN的禁带宽度较宽，氮化镓的禁带宽度为3.49eV，还具有较大的临界场强、热导率、流子饱和速率等。作为移动通信材料而言，SiC与GaN材料的性能相较传统的Si和镓（Ga）、砷（As）等材料，其宽禁带的优势使得其更加适用于作为高频电子器件以及短波长光电子器件的半导体材料[4]。

传统的在硅衬底上设计的电路只适用于进行逻辑控制，随着5G移动通信技术的发展，在5G手机材料领域，市场对于半导体基板的需求是在能够满足逻辑控制的同时，还可以适用于高频率且高输出运作的功率元件，如场效应晶体管（FET）等，因此第3代半导体材料制备的基板，由于其性能优势，能够同时适合快速逻辑运算和高速通信的特点。现在市面上已经可以见到硅与氮化镓层依次叠加的结构而成的半导体材料，并且还出现了复合硅基板，其能够在同一个平面上同时具有硅和第3代半导体材料层两种半导体区，分别在2种半导体区域内设计电路能够同时具备高速通信及快速逻辑运算的特点，复合硅基板及基于该复合硅基板形成的芯片在发光二级管（Light Emitting Diode，LED）、LCOS、HEMT等领域具有较好的应用前景。

常规的制备第1代和第2代半导体材料的工艺为采用金属辅助化学刻蚀工艺，通过贵金属纳米粒子的催化，可用氢氟酸和氧化剂，如过氧化氢、硝酸铁、高锰酸钾等的混合溶液，对Si和砷化镓（GaAs）等半导体材料进行刻蚀，从而加工出各种大深宽比的微孔、纳米线和微纳结构。由于以Si为代表的第一代半导体纳米材料和以GaAs为代表的第2代半导体纳米材料的带隙均小于1.5eV，低于刻蚀液中氧化剂的氧化还原电势，因此无须施加外部物理场即可被刻蚀加工出各类微结构。但是，第3代半导体材料的带隙一般均大于3eV，远高于刻蚀液中氧化剂的氧化还原电势，使得传统刻蚀工艺无法定向加工第3代半导体材料。为了方便、快捷并且低成本的制备第3代半导体材料，许多工艺应运而生。技术重点主要是关注如何实现第3代半导体材料所需的微纳结构，高效地在第3代半导体材料上加工出规则的纳米线、纳米孔和纳米槽等高、深、宽比微结构，实现第3代半导体材料各类微结构的高效可控加工，提高操控的简便性、加工效果需要一致稳定，适用于大批量生产。

值得一提的是GaN材料。在5G手机中，半导体材料在LED芯片中得到了广泛应用。目前为止，制备高亮度、高可靠性的LED芯片成为行业的主流发展方向，同时也成为工程技术人员必须面临的技术挑战。氮化镓材料是第3代半导体材料中应用最广泛的材料之一，是制备发光二级管的重要材料。氮化镓材料是属于六角纤锌矿结构中的一种材料，具有耐高温、禁带宽度大等优点。氮化镓材料是制备LED外延片的重要材料。LED外延片可以通过MOCVD设备在蓝宝石衬底、Si衬底等衬底上生长制备，但是由于生长过程中晶格失配等原因很难得到完美的GaN晶体，生长制备的LED外延片具有位错密度大、缺陷多等缺点。减少缺陷制备更加完美的外延片是工业生长中不断追求的目标。LED作为一种能发光的半导体电子元件，同时作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用。LED外延片是LED中的重要组成部分，现有的GaN基LED包括衬底和层叠在衬底上的外延层，外延层包括依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，N型层中产生的电子和P型层中产生的空穴，载电场力的作用下向多量子阱层迁移，并在多量子阱层中发生辐射复合发光。氮化镓材料具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，使GaN基LED受到越来越多的关注和研究。P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光，衬底用于为外延材料提供生长表面；衬底的材料通常选择蓝宝石，N型半导体层等的材料通常选择GaN，蓝宝石和GaN为异质材料，两者之间存在较大的晶格失配，缓冲层用于缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配。外延片进行芯片工艺形成的正装芯片或者倒装芯片中，N型半导体层中的电子是沿与外延片的层叠方向垂直的方向进行迁移。为了避免正装芯片或者倒裝芯片的正向电压过高，N型半导体层通常会比较厚。但是这样在N型半导体层中重掺Si等N型掺杂剂时容易引入较多的缺陷和杂质，而引入的缺陷和杂质会影响到N型半导体层中电子的扩展，导致电子在N型半导体层中的分布不均匀，降低LED的发光效率。为了实现电子在N型半导体层中分布的均匀性和一致性，一般会引入电流扩展层改善这种状况，如在N型半导体层和有源层之间设置低掺Si的GaN层。

3 多层陶瓷电容器

多层陶瓷电容器（MLCC）材料在5G技术支撑下飞速发展，已经成为电子设备中必不可少的零部件原材料，对移动互联网通信技术以及人类社会的信息交互方式产生了极其深远的影响，促进了物联网产业的更新换代，强化了人与人、人与物以及物与物的智能互联。5G移动通信技术的发展，对多层陶瓷电容器材料的性能提出了更高、更严格的要求。多层陶瓷电容器材料将逐渐向高频化、低功耗、小型化和高储能密度技术方向发展，以迎接5G时代的到来[5]。

多层陶瓷电容器材料随着电子产品性能的提高，需要在容量和可靠性等方面具有更多的优势。并且，现今社会生活需要移动通信装置和电子设备的体积更小，相应地，多层陶瓷电容器材料也应更加轻薄，体积更小型化。韩国三星电机株式会社研发除了一种多层陶瓷电容器，多层陶瓷电容器的主体包括第1内电极和第2内电极，第1内电极和所述第2内电极设置有介于它们之间的介电层；第1连接电极，穿过主体连接到所述第1内电极；第2连接电极，穿过主体连接到第2内电极；第一外电极，设置在主体的一个表面上并连接到第1连接电极；以及第2外电极，设置在主体的一个表面上，与第1外电极分开并且连接到所述第2连接电极，其中，第一外电极和所述第2外电极各自包括：第1电极层，设置在主体上并包括陶瓷；以及第2电极层，设置在第1电极层上并且具有比第1电极层的陶瓷含量小的陶瓷含量。漏电流小、绝缘电阻高的多层陶瓷电容器材料，因其具有较好的隔直流特性，受到人们越来越多的关注。降低多层陶瓷电容器材料的损耗性，能够减少其在耦合电路中的信号衰减，进而提高能量传递的有效性，并且降低功率损耗能够减少电容器产生的热量，延长电容器的使用寿命。

4 新型手机外壳材料

随着智慧手机的出现，手机外壳作为每个手机必不可少的组成构件，其材料的发展也受到人们的关注。手机外壳可以防止硬物对手机屏幕或机身造成的划痕，还可以避免手机跌落导致的磕碰甚至破损等问题。近年来，手机外壳材料产生了很大的变化，出现了多种新材料。

首先聚碳酸酯材料。聚碳酸酯材料也属于手机外观配件中常见的一种材料。聚碳酸酯材料的制备，是通过纳米钻石烯水溶液为原料，与碳酸钙充分混合后再与聚碳酸酯粉体进行共混改性，即得聚碳酸酯材料，其中，纳米钻石烯添加量可以是质量分数为2%～10%聚碳酸酯粉体，碳酸钙与纳米钻石烯的质量比为15～18∶4～5。通过聚碳酸酯材料制备得到的手机壳，耐化学腐蚀性提高，硬度提高，耐磨性提高，导热性能好，可以提高手机的运行速度，延长手机的使用寿命，手机在受到外力冲击时不易变形，手机外壳的韧性好，但是具有长时间使用容易落灰，不易清理，同时长期暴露的情况下容易氧化、变色影响手机美观的缺点。

其次是含有二氧化锆涂层的材料。这种材料由以下质量份的原料组成：顺丁橡胶40～60份，聚酰亚胺纤维10～20份，聚乙烯醇5～10份，石蜡0.5～0.8份，磷酸三甲酚酯0.6～1.4份，纳米氧化钙0.5～1.0份，马来酸酐0.1～0.3份，丙烯酸甲酯0.6～1.2份，轻质碳酸钙0.2～0.6份，硅烷偶联剂0.05～0.12份，二氧化锆0.5～1.0份。通过在顺丁橡胶中添加聚酰亚胺纤维，可以进一步提高顺丁橡胶的透气性，同时各部分原料通过密炼融合，结合稳定，用以制备手机外壳，具有较高的硬度，较好的耐磨性，同时可以有效散热，避免造成热量聚集，影响和手机的正常使用。

第3种是改性三元乙丙橡胶材料。这种材料通过改性三元乙丙橡胶材料、丁苯橡胶、环氧树脂、古马隆树脂、聚碳酸酯、硅灰石、纳米碳酸钙、碳酸镁、偏笨三甲酸三辛酯、2，6—二叔丁基—4—甲基苯酚、过氧化二异丙苯、邻苯二甲酸、抗应力开裂剂、润滑剂、阻燃剂、发泡剂等以一定的比例进行混合制备得到的改性三元乙丙橡胶材料，具有硬度高、耐磨性和耐热性好的优点，但是由于材料主要原料为橡胶，制备的外壳有一定的粘性，容易吸附灰尘、粉末，手感较差。

最后是陶瓷材料。这也是现今最时尚的手机外观配件材料。传统的手机外壳材料是塑料和金属材料。随着手机轻量化技术的发展，以及人们对手机外形的需求更加丰富，陶瓷材料作为一种传统材料，在手机的外观配件中也受到关注，被更多地尝试着运用在这一领域。

5 新型手机天线材料——LCP材料

液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer，LCP）是一种新型的高分子材料，在一定的加热状态下一般会变成液晶的形式，因此而得名液晶聚合物。这类材料具有优异的耐热性能和成型加工性能。聚合方法以熔融缩聚为主，全芳香族LCP多辅以固相缩聚以制得高分子量产品。非全芳香族LCP塑胶原料常采用一步或二步熔融聚合制取产品。近年连续熔融缩聚制取高分子量LCP的技术得到发展。液晶芳香族聚酯在液晶态下由于其大分子链是取向的，它有异常规整的纤维状结构，性能特殊，制品强度很高，并不亚于金属和陶瓷。拉伸强度和弯曲模量可超过10年来发展起来的各种热塑性工程塑料。机械性能、尺寸稳定性、光学性能、电性能、耐化学药品性、阻燃性、加工性良好，耐热性好，热膨胀系数较低。采用的单体不同，制得的液晶聚酯的性能、加工性和价格也不同。选择的填料不同、填料添加量的不同也都影响它的性能。

近年来，LCP的应用蓬勃发展，在许多高值及高端领域可看到LCP的相关产品，其中又以LCP薄膜的发展最受瞩目。LCP薄膜主要为FPC行业高频产品用材料，因其具有低吸湿、低介电常数及低介电损失的特性，成为行业内替代聚酰亚胺（PI）薄膜的主要产品。5G移动通信这一高速通信时代的来临，使得LCP材料成为了提升信号传输速度必不可少的材料。

LCP材料具有高分子排列顺向性，加工制膜后LCP材料的分子流动特性受加工方法影响。最早投入LCP膜材制作开发的Superex（Foster—Miller）公司，用旋转模头调控不同方向剪切力，以调控分子排列顺向性。日本Kuraray公司通过透过吹膜制作过程中吹胀方法，进一步调控MD/TD方向的薄膜特性；Primatec（Japan Gore—Tex）则采用可透过双轴延伸二次加工方式来增加TD方向分子排列特性。

为了改进液晶聚合物的耐热稳定性，可以在液晶聚酯组合物找那个添加2，2—亚甲基—双（4，6—二—叔丁基苯基）辛基亚磷酸酯作为稳定剂。然而该聚酯组合物在被制成模制品，或在用填料进行复配，或模塑期间长期经受高温，由于稳定剂发生分解，同时液晶聚酯内部发生交联反应，导致模塑制品中出现了黑色杂质的问题。在此基础上，可以在已制备好的液晶聚酯中混入亚磷酸二苯酯，再混入磨碎的玻璃，然后在390℃下使用双螺杆挤出机造粒，即在双螺杆挤出机中用填料进行复配时添加亚磷酸二苯酯作为稳定剂得到液晶聚酯树脂组合物，以克服上述缺点。然而亚磷酸二苯酯的沸点仅有218～219℃，在390℃的加工温度下势必会剧烈挥发甚至分解，这将导致亚磷酸二苯酯快速脱离体系，因而很难发挥其作为稳定剂的积极作用。LCP薄膜需求量日益增长，日常使用中常接触到高温、日晒、潮湿等环境，因此需要LCP材料具有较好的耐候性、耐热性以及良好的力学性能。这仍属于研究者们亟待解决的一个难点。

6 总结与展望

微波介质陶瓷材料是5G手机技术快速发展的关键材料。由于微波信号具有频率高、波长短、信息容量大，以及方向性、穿透性和吸收力强等特点，被大范围应用在谐振器、滤波器等微波元器件中。5G时代的到来对微波介质陶瓷材料提出了新挑战，具体包括提高微波介质陶瓷材料的选频特性，加快信息传输速度、降低电极之间的耦合效应，以及提高微波介质陶瓷材料的温度稳定性。第3代半导体材料碳化硅和氮化镓属于宽禁带半导体材料，在高温和强外界能量输入下，仍可以维持N型或P型半导体的原有导电性能，从而使元器件可以苛刻条件下正常工作。多层陶瓷电容器的发展方向主要集中在制备原料由贵金属转为一般金属，提高电容器的容量和电压，降低产品体积，实现产品的功能多样化。陶瓷手机外观配件的可塑性強，可以根据用户需求实现图案的个性化定制，但仍需进一步提高陶瓷手机壳体的耐磨损性和耐腐蚀性，简化陶瓷配件的生产工艺。LCP材料具有优异的耐热性能和成型加工性能，提高LCP材料的可加工性以及降低成本是未来的研究热点。

5G移动通信技术由于其高速率传输、低时延性等优点，势必会为移动通信的发展注入不可或缺的活力。5G移动通信技术会为以用户为中心的信息生态系统，以及5G智慧手机的发展提供强有力的技术支撑，进而带动5G手机材料不断刷新人们对传统手机材料的观念。

参考文献

[1] 王莹，毛烁.5G的发展方向和应用趋势[J].热门技术，2018（10）：20—26.

[2] 田元锁，张黎明.5G通信信号处理系统的设计与实现[J].电子产品世界，2018（1）：33—36.

[3] 杨辉， 张启龙，王家邦，等.微波介质陶瓷及器件的研究进展[J].硅酸盐学报，2003，31（10）： 965—973.

[4] 黄晓强，李涛.5G移动通信时代的半导体产业机会[J].集成电路应用，2016，33（12）：69—73.

[5] 张启龙，杨辉，王家邦，等.多层片式陶瓷电容器容量命中率的研究[J].材料科学与工程学报，2003，21（1）：72-75.