5G产业链主要新材料研究进展

张耀坤 徐纯

1 概述

5G是第5代移动通信技术，是4G后的新一代移動通信系统。图1展示了通信技术发展史。随着用户端设备的发展和科技的进步，现在传输消耗的数据呈几何级增长，但是一直拥挤在与无线电频谱相同的频段上，使得每个单元被分配到的带宽有限，这就导致了速度的下降、掉线情况的发生。终端和应用场景的进步改变了用户对网络的需求，同时运营商流量经营战略发生了转变，使得5G的发展成为当务之急。5G满足了市场使用网络传输速率快、传输延迟低的需求。对比4G，5G技术有以下几大特点：

①超高速率：4G的峰值速率为1Gbit/s，5G可以达到20Gbit/s。用户网络带宽从过去的10Mbit/s增加到100Mbit/s。在5G良好的网络环境下，1～3s可以下载一部1G电影。LTE蜂窝网络数据传输速率的100倍左右。因此5G网络可以实现无卡顿观看高清视频以及虚拟现实顺畅体验。

②超低时延：频谱利用率提升3倍，可以支持500km/h的移动通信，网络延迟缩短至1ms，所以可以实现过去无法实现的自动驾驶、工业自动化等新兴技术。

③海量的连接设备数：5G可以连接的设备数可以达到100万台/km2，通信设备的能量利用率提升了100倍，扩充网络容量，可以实现世间万物相互连接。50人在一个地方同时上网，也能有100Mbps以上的速率体验。同时，也为物联网打造打下基础。未来，物联网的连接规模将达到10万亿元。

“4G改变生活，5G改变社会。” 5G速率高、低延时，将极大地推动物联网、AI、云游戏、VR、智慧城市、智慧医疗、智能家居、自动驾驶的发展。5G的到来将给社会带来各个方面深层次的影响，同时也给终端设备的升级带来了全新的挑战。为了适配5G高频、传输速率快的特点，对终端设备的原材料提出了更高的要求。5G终端设备的升级对于新材料产业是有着巨大的提振，毫无疑问在未来一段时间内，新材料产业将快速发展。我国目前已跻身5G技术发展的第一梯队，在相关新材料研发应用上，也应当走在前列。在中美贸易战的背景下，“华为事件”给许多行业敲响了警钟，在原材料生产制造上必须有自己的话语权，因此加速5G新材料国产化刻不容缓。

2 产业链中的主要新材料

5G的传输速度快，要求印刷电路板上的传播介质材料具有较低的介电常数和少的介电损耗；5G的电磁波覆盖能力差，要求电子屏蔽材料得具有很强的电磁屏蔽能力；5G元器件的厚度薄、尺寸小，这就要求导热散热材料具有很好的导热散热性能，来满足5G用设备长时间稳定的运行工作。5G要想飞速发展，必须是与之配套的新材料先行。下文针对5G产业链中的主要新材料进行分析。

2.1 印刷电路板用树脂材料

印刷电路板（PCB）实现了电子元器件电气的相互连接，是电子设备中必不可少的核心零部件，被誉为“电子产品之母”。PCB广泛应用在计算机、通讯、消费电子、汽车、医疗电子等。消费电子、计算机、通讯是PCB 应用最为广泛的行业，分别对应的PCB使用量占比为14%、27%和27%。

覆铜板是PCB的核心基材。是由金属板层、绝缘层和导电层（一般为铜箔）3部分组成。表面经过化学或电化学处理的金属基板的一面或两面覆以绝缘介质层和铜箔、经热压复合而成。覆铜板的主体树脂主要有：酚醛树脂、聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）、双马来酰亚胺三嗪（BT）、环氧树脂（EP）、氰酸酯（CE）和聚四氟乙烯（PTFE）等。

根据使用树脂材料的不同，可以将PCB分为硬板、软板2种。覆铜板用FR4做基材的叫做硬板，不能弯曲，一般用在电脑主板，手机主板中。用PI做基材的覆铜板叫做柔性电路板，也被称为FPC。这种覆铜板可以随意弯曲，一般用在小部件中。硬板PCB除非以灌膜胶做出立体形式，否则一般情况下是以平板形式呈现。而FPC则是一个很好的解决方案，可以根据空间延伸方案，适应不同产品的外形而设计。所以相对于硬板PCB而言，FPC具有配线密度高、质量轻、厚度薄、配线空间限制较少、灵活度高等优点。

5G离不开大规模数据中心的建设，服务器的发展离不开PCB。大流量、传输速度高的目标，对PCB的材料性能要求也越来越高。为了实现这一目标，要求PCB不仅迅速高密度化，还需要有比较好的介电性能。也就是需要该种材料在电场的作用下，拥有储蓄静电能的性质，通常会用2个指标即介电常数（Dk）和介质损耗（Df）来表示。好的介电性能要求低的介电常数和低的介质损耗。电路板基板材料的性能对比详见表1。

对于低频的PCB基材而言，多采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板（FR—4）。而对于高频电路而言，如果使用这些传统的基材会让信号“失真”。5G对低介电材料的介电常数要求在2.8～3.2之间，PTFE树脂的Df可低至0.0004、Dk为2.1，是目前高分子材料中介电常数比较低的，其介电性能比较优越，可以在高频高速的工况下满足5G通信基站要求。

PTFE，是四氟乙烯单体聚合得到的高分子聚合物，具有化学稳定性良好、耐高低温、耐腐蚀、耐候性、耐老化性、高润滑不黏附、无毒害、不溶于任何溶剂、高度绝缘等优异特性，主要用于生产电子产品、航空器件、医疗器械，为当下产量最大、消费增长最快的氟聚物。

在5G基站当中，一个宏基站所需要使用的PCB板面积为4m2，按照目前PTFE高频高速覆铜板600元/m2的均价计算，预计全球将建设600万个5G宏基站，预计在全球范围内需要使用的PTFE材料市场规模为144亿元左右。我国目前PTFE年产能在14万t左右，占全球总产能的40%，但我国以生产中低端PTFE产品为主，高端PTFE绝大部分产能掌握在美国、日本。我国高端PTFE材料严重依赖进口，国产替代还需加快进程。

2.2 液晶聚合物（LCP）

信号传输的载体是天线，天线就如同公路一样，提供的是信息交互的通道。要达到高的传输速度，对于天线的信号收发能力势必要提出更高的要求。也就是说，天线的性能直接决定了通信的质量。

过去使用的PI天线，其主要材料是以PI为主。PI材料的介电常数比较大、损耗因子比较大、可靠性也比较差，这导致PI材质的天线在高频端传输中，信号损耗比较严重，对于目前5G通信应用已经无法适应。天线厂商需要寻找到适应于高频段的新材料，而LCP就是非常不错的选择。

LCP是一种新型的高分子材料，良好的热稳定性、介电性、耐辐射性、耐腐蚀性、电绝缘性（表2），用于速接器、线圈、开关、插座、电容器外壳等。目前LCP这种材料主要被用在生产电子产品、航天器材和军工产品的配件，例如高频率的电路基板、COF基板、多层板等。LCP材料制作的天线可以在确保高可靠性的情况之下，实现高频信号的高速传输。LCP材料本身也有较好的电学特征，例如其可以在110GHz的射频范围保持恒定的介电常数；LCP软板具有比较好热膨胀特性和柔性性能，能更充分得利用设备内部的空间。

对比传统的PI天线，LCP具有以下优势：

①LCP损耗值降低：毫米波的绕射能力较差，接近直线传播，所以传统PI天线软板对2.4G的射频信号产生3dB损耗，对应1 000倍的信号损失；频率越高，损失越大。而LCP基材具有良好的电绝缘性，损耗值仅为2‰～4‰，相比传统基材2%的电磁损耗要小10倍，可以有效降低损耗，提高通信质量。

②LCP更小型化：LCP具有挠性，满足多层，复杂天线的设计要求。可以进行立体结构物应用，可以弯折，通过多层结构设计，接受复杂信号。也可以同轴连接器进行整合，减少天线占用空间，提高空间利用效率。

除LCP外，另一种天线新型FPC基材是改性聚酰亚胺（MPI）。改进配方的聚酰亚胺天线。具备友谊的抗化学性，机械强度于高电阻抗等特性，广泛应用于微电子工业与航天科技。由于操作温度较宽，表面能够与铜更易接合。MPI价格比LCP更优惠、良品率比LCP高，所以与LCP在5G天线材料C位上的争夺受到热议。详见表3。

但在5G扩展频段（毫米波频段），LCP的性能优势更加突出，且随LCP产能扩大、生产技术水平的提升，LCP原料成本仍有較大下降空间，届时LCP仍将以绝对优势成为5G天线的主流基材。

根据Yole发布的5G发展路线图：2020年前需要将通信的频率提升至6GHz，2020年之后需要提升到30～60GHz的频段中。MPI天线可能只是过渡，未来主力将是LCP天线。

2020年全球的LCP树脂产能大约为7.6万t/a，分别是中国1.6万t，日本3.4万t，美国2.6万t。目前塞拉尼斯、宝理塑料、住友3家公司的产能均超过1万t，合计占比超过50%，行业集中度非常高。

中国企业中的沃特股份薄膜级LCP正处测试阶段，其技术主要源于2014年收购三星精密所得，产能在3 000t；普利特已研发出薄膜级树脂，正和下游知名客户联合研发LCP薄膜，目前产能在2 500t；宁波聚嘉新材料科技有限公司已开发出薄膜级树脂，LCP薄膜处于中试阶段，产能在2 150t。金发科技是早在2009年就开始自主研发LCP，目前金发科技的薄膜级树脂已经开始小批量出口到日本，同时也和国内的5G通信厂商共同研发相关的天线产品，目前产能在3 000t，未来计划扩产到6 000t。

2.3 导热散热材料

手机内部的导热散热材料工作原料，主要是利用其材料特性，填充手机零部件之间的空隙，降低热阻，来实现热量快速传输，从而起到散热的作用。手机内部的处理器、电池、屏幕等零部件在工作时会产生热量，温度每升高2℃，零部件的可靠性就会下降10%，而当温度达到50℃时，零部件的寿命只有25℃时的一半。如果是对体积没有特别要求的其他电子设备，还能通过外置散热风扇等进行散热，但是对于手机而言，日益薄化的设计，使得新型导热散热材料非常紧缺。

在4G时代，手机主流上是用石墨材料+金属背板的设计来实现散热。生产导热石墨的国外厂商有日本松下、日本kaneka有限公司、美国garfTech有限公司，中国有碳元科技、飞荣达、中石科技等。石墨材料行业呈现出垄断竞争格局，国内厂商仍有一席之地。在5G时代，由于手机高频化、背板去金属化，石墨材料+金属背板的设计已经不能满足手机厂商的要求，均热板和热管的设计应运而生。

从目前已发布的5G手机采用的散热技术可以看出，“多层石墨+均热板/热管”的散热方案将成为5G时代的主流。例如华为Mate20X 5G就是采用的这种均热板方案。热管和均热板的散热的工作原理，都是在其内部充满冷凝液，冷凝液受热蒸发后，蒸汽在冷凝段释放热量。热管/均热板的热导系数可达到石墨的10倍以上，二者的工作原理较为类似，在形态上铜管也可以做得宽一些，使得性能比较接近均热板。

最早往这个方向研发的是台湾厂商。目前该行业仍然以台资企业为主，国内已经实现量产的企业有碳元科技、中石科技、苏州天脉导热科技有限公司、深圳垒石热管理技术有限公司等。台湾厂商以超众科技有限公司、双鸿科技股份有限公司等为主，由于台资企业起步早，研发时间长，因此在产品良率上要比国内的厂商要高。部分难度大的软管，台湾厂商良率达到70%以上，而国内厂商则在50%左右。

2.4 电子陶瓷材料

电子陶瓷是指通过对陶瓷的表面、晶界和尺寸结构的精密控制，最终获得的具有独特电学、光学、磁学等性质的陶瓷，具有较高的机械强度、耐高温高湿、抗辐射、介质损耗正切值小、抗电强度和绝缘电阻值高等优异性能。用电子陶瓷制成的滤波器，被称为陶瓷介质滤波器。滤波器是基站中的关键器件之一。不同的基站有明确的工作频段，而滤波器就像筛子一样，是帮助基站让需要的频率信号通过，过滤不需要的频率信号从而确保收发信号的精准度。

在3G、4G时代，基站滤波器主要使用的是金属腔体的滤波器，这种滤波器技术比较成熟、价格也比较低，但是体积大且易发热，因此不适用于5G时代的Massive MIMO技术。5G采用的Massive MIMO技术使得基站天线从4、8通道上升至了64通道，并通过调整天线阵列中天线收发单元的幅度和相位实现波束赋形，这就ww要求每个天线单元都需要有独立的收发信号的能力，则每一条通道都需要配备相应的滤波器等器件以构成完整的电路。这就使得5G时代在对滤波器需求数量大幅提升的同时，也对滤波器的体积和重量提出了更高的要求。此时体积更小、稳定性更强的陶瓷介质滤波器应运而生。

与金属腔体的滤波器相比，陶瓷介质滤波器具有高稳定性、高Q值的特点。稳定性高意味着陶瓷介质滤波器不容易受到外界温度变化影响，高Q值则表示滤波器的选频能力更好。陶瓷介质生产的滤波器体积和质量更小，损耗更低。因此未来陶瓷介质滤波器有望占据5G时代滤波器的主要市场。国内生产陶瓷介质滤波器的厂商主要有灿勤科技有限公司、大富科技有限公司、武汉凡谷电子技术股份有限公司等。

3 结语

2019年6月6日，工业和信息化部为国内通信运营商发放了5G的商用牌照，我国5G发展从此拉开了帷幕。在2020年5月25日，工信部部长苗圩在“部长通道”中介绍称，目前我国5G基站数量正保持着每周1万座以上的增速。预计到2022年，我国年新增基站数量将达到110万座，未来3年我国将迎来大量的5G基站建设。5G产业链上各个企业均在推动5G的发展，其中新材料行业奋勇当先。可以预见的是，5G相关的新材料产业在未来的很长一段时间内都将处于上升发展期，我们期待在不久的未来，能够实现5G产业链上新材料的国产自主可控，真正占领5G时代的高地。