5G通信技术关键材料发展研究

2021-01-13焦丹丹卢大威

黑龙江科学 2021年10期

焦丹丹,张松,姜颖 ,卢大威

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150001； 2.哈尔滨对俄高端技术转移孵化中心，哈尔滨 150001；3.中国龙江森林工业集团有限公司，哈尔滨 150001)

信息技术对于当代人们的日常生活与工作产生的改变和影响是非常巨大的，多种电子设备的普及和智能手机的大范围应用进一步丰富了人们的娱乐生活并为日常工作提供了很大便捷。在这种时代背景下，5G通信技术作为一种信息传输速度更快、信号传递与接收更为稳定的先进技术，其应用能够大幅度提高智能手机的性能与价值。很多新型材料的研究与应用为5G通信技术的实现奠定了坚实的基础，有关智能设备生产企业及工作人员应更好地掌握这些关键材料的性能要求和应用优势。

1 5G通信技术对关键材料性能的要求

5G通信技术以高信息传输速率和稳定的信号发射与接收功能作为主要优势，在未来网络通信行业市场中占据了很高的发展地位，而5G通信技术高性能的实现必然是建立在关键材料各方面要求更高的基础上，如全频谱接入、高频段乃至毫米波传输和超高宽带传输等功能都对关键材料的性能要求非常严格，目前该技术对关键材料的性能要求主要集中在以下几个方面：

1.1 大规模集成化要求

集成化要求是指在有限的空间内可能提高电子元件的结构精密度和功能多样性，而大规模集成化则需要实现在单一芯片内包含大量的晶体管组合，这就对用于制作芯片和相关结构的原材料其加工精度与微度级别要求非常高。

1.2 高频化要求

5G通信技术采用的是5GHz以上的高频电磁波段乃至毫米波段，可以有效避开目前大部分通信线路所使用的3GHz以下的频段，这样便可以实现对大容量数据的快速传输。而高频的传输则需要应用金属-氧化物-半导体(MOS)栅级材料，实现对电磁波信号功率的放大，使其能够到达在更高的频率波段要求范围内。

1.3 高频谱效率的要求

智能手机的快速发展为5G通信网络在移动互联网应用市场开拓了平台，但也要求5G基站的频率峰值要保证在20Gb/s以上，因此需要使用电子迁移率较高的材料。

2 5G通信技术关键材料的发展

2.1 器件材料

5G通信技术的器件材料主要包括芯片材料和信号传输线路的介质材料等。目前大部分5G智能手机中采用的都是高频射频芯片，大量应用了半导体材料作为核心材料，实现滤波、放大功率、降低噪声和控制射频开关等功能。常用的化合物半导体材料包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和砷化镓(GaAs)等，它们普遍具有电子迁移率高的特点，适用于高频谱效应和延时响应等通信传输功能。另外，这些材料还可以在智能化设备、物联网技术和射频技术的相关领域进行应用研究。而通信电路的介质材料大多采用的是微波介质陶瓷，其组成成分为氧化钡(BaO)和二氧化钛(TiO2)等，主要依靠的是其温度系数小、信号传输过程中损耗率较低等特点。

2.2 天线材料

天线是5G通信基站实现信息能量转换、电磁波信号接收与发射等基础功能的重要结构。依据5G通信技术对其较高的性能要求，目前普遍应用的材料是3d选择性电镀塑料振子和树脂材料、铜箔以及油墨等基础材料。另外，无论是在5G通信基站还是智能手机端的应用，天线的长度都是在进行设计的过程中需要重点考虑的问题。目前在基站方面采用的是“天线+芯片”的集成化技术，而在智能手机上则采用了LDS天线激光镭射在手机外壳上的方式降低天线的占用体积。

2.3 光纤传输材料

光纤传输要求构成通信传输线路的材料应具备损耗率低、频带宽以及抗干扰能力强等优势，同时导电性和散热性等基本性能也要达到通信传输材料的标准要求。目前在制作光纤传输线路时主要采用的是石英砂和高纯四氯化硅等材料，而在制备相应光纤光缆的过程中还需要进行表面涂覆和拉丝等工艺流程，确保光纤光缆的质量以及信号传输效率达到更高的水平。

2.4 封装材料

封装材料主要应用于对5G通信器材和相关设备的封装与制作，因此对于关键材料的要求主要集中在应具备较高的导热性、耐热性和绝缘性等特点。同时部分封装材料被应用于制作电子元器件的基板、设备的外壳以及电缆电线的绝缘层等，因此这些封装材料本身应具备较好的化学稳定性和高强度的机械性能，这样才能保证5G通信器材和相关设备的使用更加安全与稳定。