5G低損耗材料暗藏玄機

根據(jù)GSMA Intelligence預測，5G移動用戶和企業(yè)采用將出現(xiàn)顯著增長。截至2022年底，消費者連接數(shù)量已超過10億，2023年將增加至15億左右，到2025年底將達到20億。由此可見，與3G和4G相比，5G是發(fā)展最快的一代技術。

我國已建成全球規(guī)模最大、技術最先進的5G網(wǎng)絡，截至今年3月底累計建成5G基站超過264萬個，5G網(wǎng)絡已經(jīng)覆蓋全國所有地級市、縣城城區(qū)，5G移動電話用戶已達到6.2億部，5G共建共享基站超過150萬個，對建設集約、高效綠色低碳網(wǎng)絡發(fā)揮了重要作用。在應用層面，5G典型場景融入國民經(jīng)濟97大類中的40余類，規(guī)?；瘧酶采w礦山、港口等場景。

雖然目前6G已處于研發(fā)階段，但正式推出恐怕要到2030年以后。所以，5G還在持續(xù)創(chuàng)新和演進，同時也為6G愿景和技術方向夯實基礎。如果像IDTechEx預測的那樣，到2033年，5G消費類移動服務帶來的營收將增長到約8400億美元，這也就意味著2030年以后5G仍將扮演重要的角色。

5G移動服務收入（單位：百萬美元）

在功耗方面，5G比4G提升了一到兩個量級，因此迫切需要低損耗材料的加持。IDTechEx指出，低損耗材料在5G中的應用是一個隱藏在眾目睽睽之下的價值18億美元的市場，而重要的驅動力則是5G用戶終端設備（CPE）。

從5G智能手機說起

大多數(shù)人一定認為，低損耗材料在5G設備中的應用首先是智能手機。畢竟，低損耗材料是實現(xiàn)智能手機先進5G封裝天線（AiP）不可或缺的一部分，蘋果等知名智能手機制造商一直討論在他們在旗艦手機中為5G天線選擇哪種低損耗材料。

與4G通信相比，5G接入需滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、超高寬帶傳輸三大基礎性能要求，其制備材料需要具有實現(xiàn)大規(guī)模集成化、高頻化和高頻譜效率等特點。蘋果從iPhoneX開始使用兩組液晶聚合物（LCP）天線取代改性聚酰亞胺（MPI），引發(fā)了安卓系的踴躍跟進。

隨著5G固定無線接入（FWA）部署不斷增加，無需鋪設光纖或電纜就可以為家庭和企業(yè)提供無線互聯(lián)網(wǎng)接入。在光纖或電纜安裝過于昂貴或困難的地方，F(xiàn)WA能夠以與有線寬帶連接相當?shù)乃俣冉尤敫咚倩ヂ?lián)網(wǎng)。

5G生態(tài)

雖然有基于4G/LTE的固定無線技術，但它無法與有線寬帶的速度匹配，且在經(jīng)濟上也不可行。5G技術的興起使這種情況發(fā)生了變化。預計下一代5G FWA產(chǎn)品將提供與光纖寬帶連接媲美的數(shù)據(jù)傳輸速率，而沒有光纖安裝的復雜性。

5G FWA性能的提高部分源于毫米波5G頻段（大于24GHz）的預期使用，以及大規(guī)模MIMO和波束成形等先進天線技術。據(jù)IDTechEx預測，到2033年，5G FWA總收入將達到近3000億美元。

為什么要降低信號損耗？

5G網(wǎng)絡最具革命性的優(yōu)勢是依賴高頻5G技術，即利用26GHz到40GHz頻譜的毫米波5G。在如此高頻率下，許多技術和設備都面臨著挑戰(zhàn)。高頻信號會導致顯著的傳輸損耗，需要更高的功率和更高效的電源，而且會產(chǎn)生更多的熱量。

因此，傳輸損耗是5G應用中天線設計和射頻（RF）集成電路（IC）的痛點。對于低頻5G，即sub-6GHz 5G，由于高數(shù)據(jù)傳輸速度，也必須降低信號損耗。

毫米波5G的挑戰(zhàn)、趨勢和創(chuàng)新

隨著毫米波5G的未來崛起，低損耗材料將迅速增長，并發(fā)揮越來越重要的作用。從低損耗材料的前景看，有五個衡量其性能的關鍵因素：介電常數(shù)（Dk）、耗散因子（Df）、吸濕性、成本和可制造性。

低損耗材料不僅可用作基板或PCB板，還可以用于先進封裝。其中一個強勁趨勢是AiP，隨著毫米波頻率的提高，天線元件的尺寸將縮小，陣列將安裝到封裝中。這種集成還有助于縮短RF路徑，從而最大限度地減少傳輸損耗。AiP需要針對基板（及重布線層）、電磁干擾（EMI）屏蔽、塑封底部填充（MUF）等的低損耗材料。

低損耗材料的范圍

5G設備看好的低損耗材料有哪些？

·低損耗熱固性材料：熱固性材料主導了3G/4G網(wǎng)絡設備市場。然而，高介電常數(shù)和耗散因子限制了它們在毫米波5G中的使用。關鍵材料供應商的戰(zhàn)略和研發(fā)工作旨在減少這些材料的介電常數(shù)和耗散因子。

聚四氟乙烯（PTFE）：是用于高頻應用的最常見材料之一，如汽車雷達系統(tǒng)、高速/高頻（HS/HF）板和連接器。

液晶聚合物（LCP）：是一種高性能特種工程塑料，已用于制造智能手機天線的柔性板。該市場將繼續(xù)增長，并擴展到其他應用領域。主要生產(chǎn)商包括Du Pont、Ticona、住友、寶理塑料、東麗等。

低溫共燒陶瓷（LTCC）：LTCC的低耗散因子和寬范圍介電常數(shù)將加速基于LTCC的組件的使用，如緊湊型高頻濾波器。

其他：為了優(yōu)化5G系統(tǒng)的性能，將使用一種非常多樣化的材料，例如碳氫化合物、聚苯醚（PPE或PPO）和玻璃。這些替代材料將占據(jù)5G材料市場的很大份額。

針對5G相關設備的低損耗材料的十年預測涵蓋頻率為sub-6GHz 5G和毫米波5G。細分市場包括用于基礎設施、智能手機和CPE的低損耗材料。天線板材、波束成形IC重布線層以及先進封裝用途的低損耗材料預測面積如下圖所示。

按頻率、細分市場和材料類型劃分的低損耗材料

根據(jù)材料面積和價格趨勢預測，到2031年，低損耗材料總市場將超過1.1億美元，2026年至2031年的年均增長率為28%。

降低傳輸損耗需要材料、設計和部署創(chuàng)新

從頻段開始，sub-6GHz（3.5-7GHz）和毫米波（＞24GHz）波段是5G覆蓋頻譜的兩個新波段。數(shù)據(jù)顯示，實際上53%的5G商業(yè)/預商業(yè)服務是基于sub-6GHz的頻率，毫米波僅占市場的不到10%。

sub-6GHz頻段是一個受歡迎的選擇，因為它在提供出色的數(shù)據(jù)吞吐量和合理的價格之間找到了平衡。另外，由于短信號傳輸的性質和非視距（NLOS）問題（需要更多的基站），毫米波過于昂貴，無法大規(guī)模實施。

按頻率劃分的5G商用/預商用服務（2022）

由于5G承諾的許多特性，如1ms延遲，將需要毫米波操作，因此需要開發(fā)新材料、新設備設計和新的網(wǎng)絡部署策略來克服上述挑戰(zhàn)。例如，毫米波器件需要具有低介電常數(shù)和低損耗材料，以防止大量傳輸損耗。為此，業(yè)界正在開發(fā)一種將RF組件與天線緊密集成的新封裝策略。

RF組件與天線緊密集成的新封裝

不過，隨著設備越來越緊湊，電源和熱管理變得越發(fā)重要。除了設備設計，網(wǎng)絡部署策略也是應對功耗挑戰(zhàn)的關鍵研究領域。例如，利用各種技術，如可重新配置的智能表面或中繼器，研究建立異構智能電磁（EM）環(huán)境。

5G開放式無線接入網(wǎng)絡（Open RAN）是一種供應商中立的方法，采用標準化設計，為電信運營商提供了一種基于具有標準化互操作性的分類RAN組件構建網(wǎng)絡的替代方式，包括使用非專有的白盒硬件、來自不同供應商的開源軟件和開放接口。Open RAN也被視為減少對愛立信、華為和諾基亞“三巨頭”依賴的策略，但在采用低損耗材料方面不會受到影響。

2022年9月，NTT DOCOMO建立了第一個5G Open RAN，更多電信運營商也制定了路線圖，在不久的將來使用Open RAN部署5G網(wǎng)絡。憑借其高吞吐量和超低延遲，5G可以進入各種高價值領域，如3D機器人控制、數(shù)字孿生、遠程醫(yī)療等。5G功能可以與AR/VR結合，在游戲、教育和制造業(yè)中推出各種應用。此外，5G C-V2X（萬物互聯(lián)）也在快速發(fā)展。

5G FWA和CPE挑戰(zhàn)和低損耗材料的機會

重要的是，5G FWA的實施需要CPE，包括住宅和企業(yè)設備，以連接5G接入單元，并在建筑內創(chuàng)建高速Wi-Fi網(wǎng)絡。CPE與基站的可比性較低，而更類似于Wi-Fi中繼器。CPE從5G基站接收5G蜂窩信號，然后將其轉換為Wi-Fi信號，以使建筑內的筆記本電腦等設備連接到5G網(wǎng)絡。很明顯，對于5G和FWA網(wǎng)絡未來向家庭和企業(yè)擴展CPE不可或缺。

雖然5G FWA聽起來前景可觀，但現(xiàn)實應用中仍面臨挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)是毫米波5G無線傳輸面臨的高傳輸損耗降低了其覆蓋面積。此外，毫米波5G信號容易受雨水和樹葉等環(huán)境因素的干擾。雖然先進天線技術可以緩解這些問題，但實施成本往往很高，這對于5G FWA等商業(yè)部署有限的技術來說并不可取。顯然，毫米波5G固有的高傳輸損耗阻礙了5G FWA的全球安裝和傳播。

2028年5G CPE低損耗材料需求

為了降低5G CPE的傳輸損耗，需要在CPE的PCB和RF組件中廣泛使用低損耗材料。雖然一些sub-6GHz 5G CPE已使用了現(xiàn)有介電材料（如環(huán)氧樹脂層壓板），但其性能不足以滿足毫米波5G CPE的要求，而要廣泛實現(xiàn)5G FWA也需要更高的數(shù)據(jù)速度。

現(xiàn)有材料也不太適合RF組件的小型化，而小型化是CPE的必需。這為新興的熱塑性塑料和陶瓷搶占市場份額提供了絕佳的機會。

不過，新興的低損耗材料也面臨挑戰(zhàn)，雖然供應商希望使用超低損耗材料來提高CPE性能，但這些材料也相當昂貴。這可能會使供應商在家庭或企業(yè)安裝5G CPE時遇到麻煩。

盡管如此，三星、諾基亞和華為等眾多主要5G供應商都推出了自己的CPE，因為未來幾年，隨著數(shù)百萬潛在的CPE安裝，5G FWA可能會發(fā)展成為一個價值數(shù)千億美元的市場。5G CPE的安裝數(shù)量更接近5G智能手機，使用的材料更接近小型基站，低損耗材料有望成為主要應用。

從5G到6G都需要低損耗材料

推動5G和6G低損耗材料市場增長的主要應用領域是5G CPE。隨著5G頻率的上升，以LCP為代表的低損耗材料及其產(chǎn)品的滲透率將逐漸提升。

6G將可能使用太赫茲（THz）頻段，其傳輸能力可能比5G提升100倍，網(wǎng)絡延遲也可能從毫秒降到微秒級。6G通信用的材料品種將異常豐富，包括天線材料、導熱散熱材料、高頻覆銅板基材、電磁屏蔽材料等，低損耗材料也將在相關領域發(fā)揮更重要的作用。