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2020年11月02-04日
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文章正文
5G设备要轻量化/降成本/提产能,哪些材料得换?
作者:    发布于:2020-09-15 17:26:28    文字:【】【】【
摘要:4G时代,天线振子通常通过钣金或压铸工艺制造,或者PCB实现,而5G时代采用的64T64R技术需要大量的振子,传统钣金和压铸工艺无法满足5G高频对精度的要求。此外还有滤波器,以及需要通过CNC加工的板对板连接器,相比4G、3G时代基站中的一些金属解决方案,5G对材料提出很多新需求……

在中国东莞举办的2020年第三届5G终端加工产业链展览会(CMPE2020) 上,沙特基础工业公司(SABIC)首次推出针对5G基站、终端和移动设备设计的高性能材料产品组合。此外,SABIC技术专家还在本次展览会上进行了9场产品演示,着重介绍包括LNP™改性料和共聚物、ULTEM™树脂以及NORYL™树脂和低聚物在内的多种特种材料。

展会期间,SABIC特材部相关产品线的专家也接受了《电子工程专辑》的采访,详细介绍了这些材料在5G领域的采用情况,这些解决方案旨在应对热管理和射频性能等主要行业挑战,从而实现轻量化、成本降低和产能提升等优势。在SABIC展台上,也看到了许多实际应用案例。

材料

SABIC材料在5G基站天线上的解决方案示例

LNP改性料和共聚物

正如SABIC LNP产品线高级商务经理梁家凤在本次5G终端加工产业链展览会上所介绍的, LNP改性料和共聚物有助于工程师改进有源天线单元的设计效果和性能表现,从而获得定制化的介电常数(Dk)和损耗因子(Df)数值以及卓越的耐候性能。

4G时代,天线振子通常通过钣金或压铸工艺制造,或者PCB实现,而5G时代采用的64T64R技术需要大量的振子,传统钣金和压铸工艺无法满足5G高频对精度的要求。

SABIC资深市场开发经理朱景辉认为,树脂复合材料融入选择性电镀或者LDS技术,能够提供高精度、高效率和轻量化的解决方案。果然在5G时代之初,就有不少电信设备厂商实施了塑料替代的动作,包括共聚PC、改性树脂(包含LDS技术),还有电磁屏蔽塑料,现已被通信行业广泛采用。未来的趋势,大家也是尽可能用塑料取代金属或者PCB。

5G手机终端由于频段变得更高,所以无论手机外壳还是天线支架,对透波性能要求都更高,材料Dk/Df要求更高。因为5G手机是MIMO天线,在狭小的空间里面布局大量天线除了对设计有要求,对天线材料也有要求。SABIC LNP产品线高级产品经理邹琰表示,其LNP产品线可提供不同的Dk值的材料做天线,更高Dk值意味着天线尺寸可以做得更小。

NORYL树脂和低聚物

SABIC在5G终端加工产业链展览会重点推介的另一项主题产品是NORYL树脂(改性聚苯醚)。该款树脂的比重非常低,而且具有无溴无氯阻燃、水解稳定性、尺寸稳定性、耐酸性、耐碱性以及出色的介电性能。NORYL树脂目前已成功应用于包括全频GPS天线、微波天线反射罩、基带处理单元(BBU)中的冷却风扇以及毫米波雷达天线罩在内的多个5G通信应用领域。

SABIC在本次展览会上针对此类应用领域进行了全方位展示。

得益于聚苯醚树脂优异的长期耐疲劳特性及耐高温性,符合f1 耐候认证,可应用于户外恶劣环境。由低吸水率、低收缩率带来的优异的尺寸稳定性还可以降低噪音、减少振动,是大尺寸、高转速散热风扇的优选方案,已广泛应用于数据中心、5G基站和服务器的散热风扇中。

材料

Massive MIMO有源天线(AAU)是目前5G基站网络重要组成部分,它把4G时代的天线和RRU(Remote Radio Unit)整合在一起了,但是又把原来的BBU分为了CU和DU,这其实对PCB的要求更高了,因为它要更高的交换密度、更高的传输速度还有更高的频率。PCB以前高频和高速是两个不同的概念,也对应不同的应用,后期高频高速融合到一个概念。从材料来理解PCB,它的前端是CCL,常被比喻成电子工业的土地,PCB 则是在“土地”上进行的二次加工。

应用在覆铜板上的NORYL PPO低聚物

SABIC热固性材料及添加剂中国区市场开发经理孔凡旺表示, CCL所采用的NORYL PPO有着非常低的Dk和 Df,再加上低吸水率,能够满足5G时代对于高速、高频信号传播材料的要求。借助这种低聚物,开发人员可以制备高速覆铜板,使多层印刷电路板设计具有超低的插入损耗。SABIC的二酐特种树脂单体可以为聚酰亚胺薄膜制造商提供独特的性能,例如:介电性能改进和铜箔接着力等。

在手机上,则主要使用高密度互联(HDI)PCB板,它所需要的材料要求和基站有所不同。据SABIC NORYL产品线高级市场经理赖洪胜透露,目前一些5G手机厂商还在尝试,看HDI板是不是有必要做到低DK/Df。

ULTEM 树脂

SABIC高耐热工程塑料高级业务经理徐黎立介绍说,相比4G、3G时代基站中的一些金属解决方案,比如滤波器,以及需要通过CNC加工的板对板连接器,5G对材料提出很多新需求。由于5G对基站的数量需求大规模上升,原来金属或者CNC加工解决方案已经满足不了大规模生产的需求。而塑料由于可以大规模量产,在提高生产效率的同时,还能为行业带来系统性的成本降低。

SABIC ULTEM聚醚酰亚胺树脂(Polyetherimide ,简称PEI)作为拥有高达217摄氏度玻璃化温度的高性能无定形塑料,性能特征包括:优异的尺寸稳定性、红外透过性、较低的介电常数(Dk)和介电损耗(Df)、在宽泛的温度范围保持稳定以及良好的金属化能力。此类PEI树脂在5G元器件中的主要应用包括光纤连接器与光模块镜头、射频连接器以及射频滤波器组件。

连接器

举例来说,4G时代应用较广泛的是金属腔体滤波器, 5G时代电信设备厂家开始研究和采用塑料腔体滤波器的解决方案。

天线方面,4G采用无源天线较多,5G的有源天线功率、频率都大很多; 5G天线集成化程度高,相对4G时代天线重量重很多;4G天线罩一般是玻璃钢,Dk很高也很重,5G天线要求阻燃性,它对低温的强度要求很高;5G天线价格比4G天线贵很多,户外要求十年以上的寿命……所以综上所述,5G天线对材料高低温下的可靠性、减重都有非常迫切的需求,用阻燃耐候PC注塑工艺取代金属已成为一种趋势。

据SABIC高耐热工程塑料产品经理王立秋介绍,在板对板连接器方面,SABIC也有一些客户在用ULTEM材料解决方案,取代CNC的PTFE。而新近推出的高耐热及低热膨胀系数(CTE)产品,适合表面贴装技术(SMT)的组装工艺,有助于提升生产效率,可以用于生产连接器和腔体射频滤波器。

客户协作推动技术进步

SABIC特材部的专家也谈了在研发、生产以及推广新型材料和方案时, 面临的一些挑战和解决方法。

首先是ULTEM高耐热材料,SABIC是全球唯一一家供应商,生产技术门槛非常高,相应生产成本也很高,但通信领域这么大的需求量,在满足性能前提下,另一个诉求就是成本降低。化解矛盾的方法就是要和客户一起在项目启动之初,就关注产业链的建立,实现系统成本降低的目标。产能上,为了满足未来在亚太的需求增长,SABIC正在新加坡建一个新的ULTEM树脂合成工厂,预计明年下半年完成基建,届时全球会有50%的产能提升。

连接器

高耐热PEI材料应用遍布航空航天,高端医疗,高端电子及半导体,以及光通讯等领域。在3G、4G时代很多产品采用PC或者ABS,5G时代对高性能工程塑料的需求普遍在上升,行业需要更充分了解ULTEM PEI树脂这类产品的优势所在。

比如滤波器金属到塑料的替代,遇到的很大挑战是线性膨胀系数要跟金属接近。这个时候塑料要有很好的改性技术才能够达到这个要求,同时客户还要求能够电镀,而且在零下40度到120度之间高低温环境下稳定性极高的尺寸,才能不能影响信号。

在LNP产品上,需要最大限度地满足5G的应用要求,更多的挑战来自于技术的极限。目前无论从树脂本身和特种改性这几个技术方向,针对5G的应用已经到了材料技术平台的天花板,但SABIC仍在不断地在投入资源去探索一些新方法,比如填料和树脂互相作用的技术平台领域。又比如,毫米波雷达的后盖一直是用金属,但是减重一直是一个刚需,所以大家都想用塑料替代,这个塑料需要同时具有导热性和电磁屏蔽的功能,有良好的机械强度,成本也需要控制在一定水平,这就需要一些技术上的突破来实现。

聚苯醚方面,对于5G市场,NORYL产品线高级市场经理赖洪胜认为最大的挑战在于如何把技术优势发挥,拉开与对手的差距。市场上现在有很多方案,关键在于在用户看到谁是最优选择。

低聚物方面,从去年5G的元年开始,客户需求量突然的增长,导致SABIC产能经受了一定的压力,不过公司从去年到今年做出了调整,预计到今年年底的时候,产能将提高到2018年的10倍。

另外因为需求的增长,也带来很多抄袭者。热固性材料及添加剂中国区市场开发经理孔凡旺提到,希望对手能用解决方案和产品说话,而不是直接抄袭,能够尊重知识产权,因为任何一家公司花十年时间研发出来的技术,肯定不希望别人拿过去就直接用了。

据介绍,SABIC在上海的研发中心,会与主要的通信企业密切合作,充分理解客户需求后,第一时间给客户创造出适合解决方案,提供范围宽广的增值服务,其中包括材料推荐和抽样、定制化新材料开发、加工检查和设计支持、设计模拟的材料数据、为模具试验与流程故障排除提供现场技术支持等。

目前,SABIC特材部推出的各种先进材料目前已在5G通信设备与元器件制造业中得到广泛应用。



★指导单位
国家发展和改革委员会
国家商务部
国家科技部

国家科技部
国家工业和信息化部
国家工业和信息化部
★支持单位
中国汽车工业协会
中国机械工业联合会
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★组织单位
北京亚太瑞斯会展服务有限公司
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