新材料在5G通信中的机遇展望

王明

新材料、仪器仪表、大数据

  • 2019-08-14
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随着5G的到来,高Q值、选频特性好、工作频率稳定性好、插入损耗小的滤波器材料成为主流的需求,而微波介质陶瓷刚好满足这些特性。

  摘要:随着5G移动通信技术的发展,工信部在今年6月6日正式向国内四大网络运营商发布了5G商用牌照,我国进入了5G商业应用的元年。目前来看,5G已经打破了信息传输的空间限制,手机下载一部1G的电影只要3秒,无人驾驶汽车反应速度精准到毫秒,解放军总医院的医生在3000公里外为帕金森患者植入脑起搏器……此刻,通信设备上游原材料的发展是5G商业化规模应用的前提和保障,本文对新材料在5G通信中的机遇做了展望。

  微波介质陶瓷构成的滤波器预计市场规模超过629.3亿元

  在3G和4G时代,金属同轴腔体滤波器由于其成本低,技术成熟的优点,是最为主流的滤波器类型,但其尺寸较大。在高端射频器件领域,陶瓷介质谐振滤波器因为插入损耗小、高抑制、高Q值(品质因数)、温度漂移特性好,功率容量和无源互调性能优,被认为是该领域的发展方向。

  随着5G的到来,高Q值、选频特性好、工作频率稳定性好、插入损耗小的滤波器材料成为主流的需求,而微波介质陶瓷刚好满足这些特性。而且受限于大规模天线技术对集成化的要求,更容易小型化的陶瓷介质滤波器是主流的解决方案。

  而从市场潜力角度观察,5G单基站滤波器用量将是4G的FDD制式的16倍,TDD制式的8倍。小型化的单通道滤波器价格是4G的三分之一,基站单扇区的滤波器的价值量达到4G的3.6倍,为3200元。而单基站扇区数为3个。并且5G频段高,基站覆盖范围小,未来5G基站总数有可能达到4G的1.5倍。工信部在今年年中公布,全国4G基站已达437万个,所以,陶瓷介质滤波器的国内总市场规模将超过629.3亿元。

  第三代半导体材料有望弯道超车

  宽禁带半导体碳化硅和氮化镓是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料之后发展起来的第三代半导体材料。其可在高温和强辐照的环境下保持原有的N型和P型的导电性能,各性能参数见表1。

表1 各种半导体材料的性能参数

(来源:《新材料产业》)

  5G通信系统对移动通信基站的带宽要求达1GHz,而传统的Si-LDMOS(硅基横向扩散金属氧化物半导体)技术已经无法满足。第三代半导体材料碳化硅和氮化镓是基于大宽带、高效率、小体积、轻质量、低成本需求的解决方案。法国市场研究与战略咨询公司Yole认为未来五年,全球碳化硅功率半导体的年复合增长率将达到29%;全球射频氮化镓的年复合增长率将达到22.9%,市场规模达到13亿美元。

  LDMOS技术从1995年诞生以来,占领了几乎全球所有的2G和3G市场份额,出货量的走高使得生产成本迅速下降,形成了难以打破的技术垄断格局,其主要被飞思卡尔公司、荷兰恩智浦公司和德国英飞凌公司等3家欧美企业把控,我国半导体材料企业难以有所作为。但是,目前氮化镓技术在全球移动通信基站的应用还处于起步阶段,而中科院半导体所、西安电子科技大学、中国电科13所、55所等科研院所已经在氮化硅衬底氮化镓铝/氮化镓异质结构材料研制方面取得一定进展。所以,我国很有希望在氮化镓技术的全球竞争格局中实现弯道超车,占有一席之地。

  高端多层陶瓷电容器材料被日企垄断

  多层陶瓷电容器是电子信息产业的基础元器件之一,为了满足5G通信大容量、高速度的需求,多层陶瓷电容器材料将朝着高频、低功耗、小型、高储能密度方向发展。

  但是目前高端产品几乎被日本企业垄断,日本企业掌握相关的超高温陶瓷粉末生产技术和工艺,在陶瓷粉末全球市场占据超过70%的份额。而在该领域,我国主要以中小企业居多,关键技术工艺落后,在陶瓷粉末纯度、颗粒大小和形状方向无法达到要求,没能形成有力的竞争。也因陶瓷粉末原料占多层陶瓷电容器成本的30%-65%,在2017年,多层陶瓷电容器被迫多次高幅度涨价,下游企业叫苦不迭。

  聚碳酸酯有机玻璃复合材料将部分取代金属手机盖板

  5G对手机外壳的信号传输能力提出了更高的要求,具有信号屏蔽作用的金属后盖将被淘汰,塑料、玻璃、陶瓷材质份额将会上升。聚碳酸酯有机玻璃通过纹理设计和3D高压成型可实现3D玻璃效果,其成型工艺简单,节约能源,生产效率高,成本低,符合无线充电无屏蔽的需求,并且有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)具有高硬度和耐候性,聚碳酸酯具有抗冲击性和良好的成型性能的特点。

  目前,聚碳酸酯有机玻璃复合材料的生产厂家较少,如:TEIJIN、kuraray、Sumitomo Chemical等,聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯原料产能集中在国外化工巨头手中。

  LCP和MPI材料将成为新型天线传输线

  LCP(Liquid Crystal Polymer)是一种新型的高分子材料,在加热状态一般会变成液晶形态,所以也被成为液晶聚合物。MPI(Modified Polyimide)是传统聚酰亚胺薄膜的改性材料。它们具有低吸湿、低介电常数及低介电损失的特性,将成为新型天线传输线。

  LCP材料制造难度较大,良率低导致生产成本较高,所以MPI将和LCP材料在5G时代共存,中低频采用MPI,高频采用LCP。

  结语

  随着5G时代的到来,新材料行业迎来了巨大机遇,微波介质陶瓷构成的滤波器将在5G基站中大量应用,国内市场规模预计会超过629.3亿元;宽禁带第三代半导体碳化硅和氮化镓材料有望实现弯道超车;高端多层陶瓷电容器材料被日企垄断,国产厂商需要突破陶瓷粉末制备技术和工艺;金属手机盖板会被淘汰,聚碳酸酯有机玻璃复合材料将部分取代;LCP和MPI材料将成为新型天线传输线。

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