铜加工材在5G领域的应用现状

2020-11-28刘晋龙罗奇梁董道伟

科技与创新 2020年12期

刘晋龙，罗奇梁，董道伟

铜加工材在5G领域的应用现状

刘晋龙，罗奇梁，董道伟

（江西耐乐铜业有限公司，江西鹰潭 335211）

在铜加工行业传统产能严重过剩的大环境下，5G技术的兴起推动了部分铜加工材的精深化发展，带动了部分铜加工材的转型升级。简述了传统铜加工材的应用场景，在此基础上，从通讯基站、5G设备设施、印刷电路、通讯设备几方面入手，总结了铜加工材在当前5G技术领域中的具体应用。

铜加工材；5G领域；通讯基站；印刷电路

中国在世界铜加工行业当占据着举足轻重的地位，广泛应用在制冷、建筑、电子、电力等领域。从近几年铜加工材产量来看，中国多年保持全球第一位置，国内对铜加工材的消费量多年保持增长，除了满足自身需求还出口到世界各国。尽管中国已经是铜加工和铜消费的大国，但低端产能严重过剩，高端产品依然依赖进口的局面依然存在。当前，兴起的5G技术领域正在推动部分铜加工材的精深化发展，并推动着部分铜加工材的转型升级。

1 传统铜加工材行业概述

铜加工材包含铜管、铜棒、铜杆、铜线、铜板带、铜箔等种类。在传统领域，铜加工材应用场景包括空调制冷设备、水暖卫浴、电力电缆、电子通讯行业、建筑行业等。

根据《中国铜加工材市场深度调研报告（2019版）》报道，中国已经是世界上大的铜加工生产国和消费国，在国际铜加工行业占有重要的地位，并具有较大的影响力。从生产方面来说，中国的铜加工才产量已经连续多年保持全球第一的地位，目前约占世界总产量的67%[1]。

2 铜加工材在5G领域的应用

2019年成为5G元年，在铜板带领域，国内一些高端产品走向市场，比如高导耐高温软化铜带、Type-C接口高强高导铜带、5G散热VC用高导热带材和高弹性导电合金带材。

宁波博威开发的如高强度、高导电铜合金PW160系列铜带，可以满足5G手机大电流快速充电接口的应用需求；PW49700合金铜带解决了5G手机快速散热的问题。

2018年电子通讯行业消耗铜材占中国铜总需求量的6.9%，现阶段，5G领域的建设将进一步拉动铜加工材的需求增长。铜加工材主要应用在5G通讯基站建设、5G设备设施制造、印刷电路、通讯设备等方面，具体如下。

2.1 铜加工材在通讯基站建设中的应用

在通讯基站建设中，电缆用铜带是最常见的一种铜加工材，在通讯电缆、电子电缆、射频电缆以及泄漏电缆的制作中广泛应用。其中，通讯电缆主要用于电话、电视、传真、数据以及多种电信信号的传输；电子电缆（例如CATV电缆）主要用于电能的传输与分配；射频电缆（无线电电缆）主要用于射频信号的传输，包括无线电通讯、电子设备的数据传输、广播等。

现阶段，以5G为代表的移动通讯迅速发展，成为通信领域中发展最迅速的一个分支。在这样的背景下，电缆铜带在基站建设以及移动通讯方面的得到重点应用，即制作射频电缆以及泄漏电缆。目前，中国生产制造泄漏电缆的企业数量逐年增加，电缆铜带的年均需求用量已然超过5万吨。特别是在5G通讯基站不断建设的情况下，无氧铜潜流铸造技术得到重点研发与使用，推动铜带生产不断向着大卷重、高精度和高纯度的方向发展。

2.2 铜加工材在5G设备设施中的应用

在5G设备设施的制造中，铜加工材主要应用方向为集成电路、引线框架以及真空电子器件，具体如下。

2.2.1 集成电路中铜加工材的应用

集成电路中主要利用了铜线对硅芯片中的铝线进行替代，以此作为互连线。相比于使用铝线，使用铜线能够获得至少30%的效能增益。同时，在铜线的支持下，电路的实际线尺寸可以缩减至0.12 μm，促使单个芯片中晶体管的设置数量大幅增加。在当前的技术水平下，单个芯片上集成的晶体管数目能够达200万个。有关调查显示，在2018年，中国全年集成电路产量达到了1 739.5亿块，同比增长9.7%；在2019年一、二季度，中国集成电路产量有所增长；截至2019-08，中国集成电路产量为180.4亿块，同比增长0.2%；累计来看，在2019-01—08，中国集成电路产量达到1 372.04亿块，同比增长0%[2]。可以看出，当前市场对集成电路的需求量较大，推动了铜线的需求量上涨，为铜加工材产业提供了较好的发展前景。

2.2.2 引线框架中铜加工材的应用

引线框架是集成封装电路的支承骨架，引线框架铜带为集成电路制作中的重要材料，其材料成本占具集成电路总成本的1/4～1/3。因此，必须在保证性能的基础上尽可能降低引线框架的成本。而铜合金就能够满足引线框架材料所要求的价格低、强度高、导电性及导热性好，加工性能及耐蚀性优良等要求，因此广泛使用在引线框架中，是目前铜在微电子器件中用量最多的一种材料，且近几年引线框架铜带的产量以每年约20%的幅度增加。

2.2.3 真空电子器件中铜加工材的应用

在当前的真空电子器件制作中，主要使用了高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜，应用于真空电子器件中的高频和超高频发射管、波导管、磁控管等。无线电子设备中使用的真空电子器件主要有发射管、调制器、磁控管、反射调速管、直射调速管、返波管、行波放大管、放电管等。相比于其他金属及合金材料来说，铜的抗腐蚀性、导电、导热更好，因此，在真空电子器件，特别是超高频真空电子器件的制造中得到广泛应用。例如，在厂家代号452B行波管中，共包含94件金属零件，其中材质为无氧铜的金属零件为8件，材质为黄铜、白铜等铜合金的金属零件为21件，总计占所有金属零件的31.1%；在厂家代号为1020磁控管中，共包含93件金属零件，其中材质为高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜的金属零件为16件，材质为其他铜合金的金属零件为27件，总计占所有金属零件的56.9%。

2.3 铜加工材在印刷电路中的应用

对于铜印刷电路来说，主要将电路布线图印制在铜箔上，通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路，再经过冲孔、焊接等步骤组装线路，主要应用在无线电、电视机、计算机等领域中。在印刷电路中，铜线为使用的主要铜加工材，相比于铝线来说，铜线的导电性更强，且能够大幅缩减电缆尺寸，因此有着更大的应用优势。在干燥室温条件下，铜线能够稳定存在，且其延展性更强，可以加工为更薄的铜片或更细的铜丝。在制作通印刷电路时，如果使用浸镀法，则能够促使接头焊接一次落实成为现实。在铜线的实际应用中，针对一些需要精细布置电路的场合，例如无线电、电视机、计算机等，如果使用印刷电路，则可以减少大量的布线和固定回路工作量，有着更大的应用优势。

同时，在电路的连接中还需用各种铜基钎焊材料。现阶段，印刷电路板行业全球景气度回升，相关调查数据显示，在2018年，全球PCB产值约为635.5亿美元，同比增长8.0%。预计随着5G全球范围内的建设发展以及电子产品的更新迭代，全球PCB产量有望持续增长[3]。

另外，除了铜线之外，在柔性印刷电路板的制作中，压延铜箔也得到了重点应用。在5G迅速发展的背景下，人们对智能设备以及便携式电子产品的需求量大幅增加，也推动着对柔性印刷电路板的需求量增大。相比于其他材料来说，压延铜箔的延展性更好、机械性能更强，特别是在一些特殊场合，必须使用压延铜箔，因此其应用与发展前景较好。当前，中国压延铜箔的制造处于起步阶段，更多依靠进口。为了弥补这一技术性不足，近几年，中国多个铜加工材企业展开压延铜箔制作技术的研究，例如，中铝上海铜业展开了年产0.007～0.035×650 mm的压延铜箔3 000 t的项目；山东荷泽、广源铜带有限公司展开了年产5 000～8 000 t压延铜箔的项目等。

2.4 铜加工材在通讯设备中的应用

智能手机的散热受到人们的重点关注，如果散热不足，极容易导致电子元器件损坏，不利于智能手机的安全使用。为了解决散热问题，热管技术得到了重点应用。利用铜管制作超薄热管，将其放置于智能手机中（也可以放置与电脑中），能够达到较好的散热效果，热管的基本原理为：利用腔体中的水从液体变为气体吸收热量。当气体触及到温度较低的区域时，凝结为液体释放热量；液体通过腔体内的毛细结构（吸液芯）再回流到发热区域，循环往复，将发热部位产生的热量散发掉。站在市场的角度来看，这样的设计是当前与未来手机热管理系统设计与实现的主流趋势。

在通信领域中，铜的应用典型场景还有铜板带在通讯设备散热的均热板VC的应用。其中，热管与VC之间最大的不同在于，VC的面积更大，可以覆盖更多的热源区域，可以将其视为多个热管构成的平面。由于铜的导热能力更强，因此，铜VC具有极大的应用优势。