新材料在5G通信領域中的應用及展望

王海峰

近年來，國際電信聯盟（ITU）在5G通信發展方向以及技術發展梳理等方面進行了系統研究，提出未來“IMT—2020系統”的總體框架、5G技術發展目標、5G技術涵蓋范圍以及后續研究方向，并對外發布了《IMT—2020工作計劃》。韓國成立“5G技術論壇”，發表了5G論壇白皮書和5G服務路線圖2022；我國成立“IMT—2020（5G）推進組”并發表5G概念白皮書和5G愿景與需求白皮書。2018年，國際通信標準化機構（3GPP）正式批準第5代通信第一階段全功能標準化。

我國對5G技術的發展非常重視。2018年，我國在長三角地區建立了國內最大的5G外場技術試驗網，該試驗網于2019年率先開始商用，該試驗網覆蓋范圍預計在2020年將成為我國首批商用5G地區。為了全面推進5G技術在通信領域的推廣，我國的華為技術有限公司已經作好了5G芯片的研發準備工作，并計劃于2019年9月份在市場上推出5G手機。據悉，中興通訊股份有限公司將在2019年推出5G手機。同樣，國外通信企業也不示弱，美國的高通公司也將在2019年推出5G手機。可見，5G移動通信技術將成為未來國內外移動通信領域的研究熱點，并且其研究的方向也將不斷順應移動通信應用的需求。隨著5G移動通信技術的發展，帶來的不僅僅是移動通信速度的大幅提升，還有媒體類業務、物聯網和移動互聯網業務的高速發展，而上游環節5G移動通信技術原材料的發展，勢必會給5G市場注入勃勃生機。

1 新型手機電路材料——微波介質陶瓷

微波介質陶瓷是5G移動通信技術發展的關鍵材料之一。所謂微波介質陶瓷，是一種介質材料，能夠應用于300MHz～30GHz的微波頻率電路，實現多種功能的陶瓷材料，微波介質陶瓷是5G移動通信技術中關鍵部件微波介質濾波器和諧振器的關鍵材料[3]。微波介質陶瓷是一種高技術含量的陶瓷材料，作為5G移動通信技術發展的關鍵材料，微波介質陶瓷具有多重優勢，如較高的介電常數、較小的溫度系數、以及介電損耗低，這些性能上的優勢，使得微波介質陶瓷能夠應用于多種微波元器件的制造中，同時能夠達到微波元器件的電路形狀更小、集成程度更高、制備成本更低、以及更加可靠。微波介質陶瓷材料包括的種類很豐富，主要有以下幾種：

首先是氧化鋇（BaO）—二氧化鈦（TiO2）系微波介質陶瓷。這種微波介質陶瓷是為電容器用介質材料而開發的。后來研究者們通過研究發現BaO—TiO2系具有壓電性這一優點，進而在工業上逐步得以應用。BaO—TiO2系微波介質陶瓷的介電性能隨著陶瓷中TiO2含量的改變而發生變化，尤其是四鈦酸鋇（BaTi4O9）、九鈦酸鋇（Ba2Ti9O20）這2種BaO—TiO2系微波介質陶瓷，由于其具有更加適合應用的微波介電性能，而備受從業者的喜愛。由于Ba2Ti9O20微波介質陶瓷具有優良的諧振頻率和良好的溫度系數，從而在微波介質諧振器材料領域備受青睞。

其次是BaO—鑭系氧化物（Ln2O3）—TiO2系微波介質陶瓷。該種微波介質陶瓷含有鑭系元素鑭（La）、鐠（Pr）、釹（Nd）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）等，介電常數介于80～90之間，由于其介電常數較高，所以能夠應用于小型微波通信器件領域。當鑭系元素為La、Pr、Nd時，由于其溫度系數為正，當鑭系元素為Sm、Eu、Gd時，由于其溫度系數為負，進而可以產生溫度補償效應。所以，通過調整BaO—Ln2O3—TiO2系微波介質陶瓷的組分比例，就能制備得到頻率溫度系數為零的微波介質陶瓷。目前，混合鑭系組份為Ba—Nd—Sm—Ti的微波介質陶瓷比較流行，該種微波介質陶瓷的介電常數介于100～210之間，損耗較小諧振頻率和溫度系數都較低。還可以通過改性手段進一步優化BaO—Ln2O3—TiO2系微波介質陶瓷的性能，如利用置換的方式，引入鉍（Bi）、鉛（Pb）、鍶（Sr）、鋁（Al）、鋅（Zn）等離子，或者通過加入氧化鉍、氧化鈦和氧化鎂等金屬氧化物類添加劑的方法，進行改性。并且有研究指出，BaO—Ln2O3—TiO2系微波介質陶瓷的晶體結構為類鈣鈦礦鎢青銅結構。

第3種是復合鈣鈦礦系微波介質陶瓷。從微波介電性能的角度考慮，移動通信用微波介質陶瓷要求材料具有中介電常數、高品質因數和近零的諧振頻率溫度系數。中介高Q微波陶瓷體系中MTiO3—LnA1O3具有優異的微波性能和鈣鈦礦結構的可調性，所以近年來對該體系微波介質陶瓷的研究日益增多。這類鈣鈦礦結構微波介質陶瓷具有中介電常數（45左右），品質因數Q×f高（40 000 GHz左右），諧振頻率溫度系數可調等優點，但其燒結溫度在1500℃以上。這樣使得能耗高，如果能夠降低燒成溫度，就可以降低燒成成本。而降低陶瓷燒結溫度最常見一種方法即采用摻雜燒結助劑來實現，但這一方法會引入雜質，使得陶瓷性能的不可控因素增加，因此本發明通過離子取代的方法來降低該類陶瓷的燒結溫度，希望在保持優異的介電性能的同時降低損耗及其燒結溫度。在專利領域，關于復合鈣鈦礦系微波介質陶瓷的研究也較多。CN 102491734A公開了一種中介高Q微波介質陶瓷及其制備方法，該方案的產品組成表達式為x C a O—y （ m L a2O3—n L n2O3）—z（pMgO—qTiO2），其中Ln=La、Nd、Sm；CN105399422A公開了一種STLA微波介質陶瓷材料及其制備方法與應用，該STLA微波介質陶瓷材料主要晶體結構為鈣鈦礦結構，其化學表達式aSrO—bTiO2—cCaO—d/2Ln2O3—e/2Al2O3，其中Ln為稀土La、Nd和Sm中的至少一種。其制備方法為：按照主晶相結構式的化學計量比取碳酸鍶、二氧化鈦、碳酸鈣、稀土氧化物以及氧化鋁，砂磨使混合均勻；然后噴霧干燥，預燒；粉碎，不添加或添加改性添加劑，再次砂磨使混合均勻；噴霧造粒，過篩，壓制成型；最后燒結，得到STLA微波介質陶瓷材料；CN105272213A公開了一種高介低損微波介質陶瓷材料及其制備方法，材料化學通式為（Na0.5+yLn0.5）（Ti1—xCx）O3，Ln=La或Nd或Sm，其中0.01≤x≤0.04，0.05≤y≤0.12，C的組成為VW，V代表價態高于4價的Nb，W代表價態低于或等于4價且平均離子半徑接近于Ti4+的單個離子或復合離子，V和M同時取代或單獨取代；CN109437901A公開了一種鈣鈦礦結構的微波介質陶瓷及其制備方法，陶瓷的化學組成為（1-x）Ca1—z（Li0.5Sm0.5）zTiO3—xLa1-ySmyAlO3，其中0.1≤x≤0.6，0≤y≤1，0≤z≤0.4，制備方法包括：將鈣源、鋰源、釤源和鈦源混合并進行一次破碎，進行焙燒，得Ca1—z（Li0.5Sm0.5）zTiO3/2）將Ca1-z（Li0.5Sm0.5）zTiO3與鋁源以及稀土金屬源混合并進行一次破碎，進行焙燒，之后二次破碎并壓制，燒結成瓷，得到所述陶瓷，通過該方法得到的微波介質陶瓷相對介電常數可調，損耗低，諧振頻率溫度系數可調。

第4種是鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷。鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷主要是指（Pb1—xCax）ZrO3系組成的微波介質陶瓷材料，并且其中ZrO3具有多種不同金屬氧化物的其他表現形式。微波頻率時，鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷的介電常數和Q值較高，并且頻率溫度系數接近零。少數鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷的主晶相為鈣鈦礦結構，多數鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷的主晶相為燒綠石相，燒綠石相結構的鉛基鈣鈦礦系微波介質陶瓷的微波介電性能較差，小Q值。研究顯示，鉛基鈣鈦礦系列微波介質陶瓷材料的介電常數隨含鉛量的增加而增加，并且這種增加屬于明顯增加。

2 第3代半導體材料

5G手機材料領域的不斷發展，推動了第3代半導體材料產業的前進。第3代半導體材料主要指碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）。根據拓墣產業研究院的統計數據，2018年，全球碳化硅基板的產值遠遠高于氮化鎵基板的產值。拓墣產業研究院同時表示，相較目前主流的硅晶圓（Si），第3代半導體材料SiC與GaN具有耐高電壓的明顯優勢，同時其也具有較好的耐高溫性能，并且可以在高頻狀態下進行工作。這些優點，使得第3代半導體材料相對于傳統的硅晶圓材料，既縮小了芯片面積，有使得電路設計得以簡化，系統各個部件的體積明顯得以減小此外，SiC與GaN的禁帶寬度較寬，氮化鎵的禁帶寬度為3.49eV，還具有較大的臨界場強、熱導率、流子飽和速率等。作為移動通信材料而言，SiC與GaN材料的性能相較傳統的Si和鎵（Ga）、砷（As）等材料，其寬禁帶的優勢使得其更加適用于作為高頻電子器件以及短波長光電子器件的半導體材料[4]。

傳統的在硅襯底上設計的電路只適用于進行邏輯控制，隨著5G移動通信技術的發展，在5G手機材料領域，市場對于半導體基板的需求是在能夠滿足邏輯控制的同時，還可以適用于高頻率且高輸出運作的功率元件，如場效應晶體管（FET）等，因此第3代半導體材料制備的基板，由于其性能優勢，能夠同時適合快速邏輯運算和高速通信的特點。現在市面上已經可以見到硅與氮化鎵層依次疊加的結構而成的半導體材料，并且還出現了復合硅基板，其能夠在同一個平面上同時具有硅和第3代半導體材料層兩種半導體區，分別在2種半導體區域內設計電路能夠同時具備高速通信及快速邏輯運算的特點，復合硅基板及基于該復合硅基板形成的芯片在發光二級管（Light Emitting Diode，LED）、LCOS、HEMT等領域具有較好的應用前景。

常規的制備第1代和第2代半導體材料的工藝為采用金屬輔助化學刻蝕工藝，通過貴金屬納米粒子的催化，可用氫氟酸和氧化劑，如過氧化氫、硝酸鐵、高錳酸鉀等的混合溶液，對Si和砷化鎵（GaAs）等半導體材料進行刻蝕，從而加工出各種大深寬比的微孔、納米線和微納結構。由于以Si為代表的第一代半導體納米材料和以GaAs為代表的第2代半導體納米材料的帶隙均小于1.5eV，低于刻蝕液中氧化劑的氧化還原電勢，因此無須施加外部物理場即可被刻蝕加工出各類微結構。但是，第3代半導體材料的帶隙一般均大于3eV，遠高于刻蝕液中氧化劑的氧化還原電勢，使得傳統刻蝕工藝無法定向加工第3代半導體材料。為了方便、快捷并且低成本的制備第3代半導體材料，許多工藝應運而生。技術重點主要是關注如何實現第3代半導體材料所需的微納結構，高效地在第3代半導體材料上加工出規則的納米線、納米孔和納米槽等高、深、寬比微結構，實現第3代半導體材料各類微結構的高效可控加工，提高操控的簡便性、加工效果需要一致穩定，適用于大批量生產。

值得一提的是GaN材料。在5G手機中，半導體材料在LED芯片中得到了廣泛應用。目前為止，制備高亮度、高可靠性的LED芯片成為行業的主流發展方向，同時也成為工程技術人員必須面臨的技術挑戰。氮化鎵材料是第3代半導體材料中應用最廣泛的材料之一，是制備發光二級管的重要材料。氮化鎵材料是屬于六角纖鋅礦結構中的一種材料，具有耐高溫、禁帶寬度大等優點。氮化鎵材料是制備LED外延片的重要材料。LED外延片可以通過MOCVD設備在藍寶石襯底、Si襯底等襯底上生長制備，但是由于生長過程中晶格失配等原因很難得到完美的GaN晶體，生長制備的LED外延片具有位錯密度大、缺陷多等缺點。減少缺陷制備更加完美的外延片是工業生長中不斷追求的目標。LED作為一種能發光的半導體電子元件，同時作為一種高效、環保、綠色新型固態照明光源，正在被迅速廣泛地得到應用。LED外延片是LED中的重要組成部分，現有的GaN基LED包括襯底和層疊在襯底上的外延層，外延層包括依次層疊在襯底上的低溫緩沖層、高溫緩沖層、N型層、多量子阱層、電子阻擋層和P型層，N型層中產生的電子和P型層中產生的空穴，載電場力的作用下向多量子阱層遷移，并在多量子阱層中發生輻射復合發光。氮化鎵材料具有良好的熱導性能，同時具有耐高溫、耐酸堿、高硬度等優良特性，使GaN基LED受到越來越多的關注和研究。P型半導體層用于提供進行復合發光的空穴，N型半導體層用于提供進行復合發光的電子，有源層用于進行電子和空穴的輻射復合發光，襯底用于為外延材料提供生長表面；襯底的材料通常選擇藍寶石，N型半導體層等的材料通常選擇GaN，藍寶石和GaN為異質材料，兩者之間存在較大的晶格失配，緩沖層用于緩解襯底和N型半導體層之間的晶格失配。外延片進行芯片工藝形成的正裝芯片或者倒裝芯片中，N型半導體層中的電子是沿與外延片的層疊方向垂直的方向進行遷移。為了避免正裝芯片或者倒裝芯片的正向電壓過高，N型半導體層通常會比較厚。但是這樣在N型半導體層中重摻Si等N型摻雜劑時容易引入較多的缺陷和雜質，而引入的缺陷和雜質會影響到N型半導體層中電子的擴展，導致電子在N型半導體層中的分布不均勻，降低LED的發光效率。為了實現電子在N型半導體層中分布的均勻性和一致性，一般會引入電流擴展層改善這種狀況，如在N型半導體層和有源層之間設置低摻Si的GaN層。

3 多層陶瓷電容器

多層陶瓷電容器（MLCC）材料在5G技術支撐下飛速發展，已經成為電子設備中必不可少的零部件原材料，對移動互聯網通信技術以及人類社會的信息交互方式產生了極其深遠的影響，促進了物聯網產業的更新換代，強化了人與人、人與物以及物與物的智能互聯。5G移動通信技術的發展，對多層陶瓷電容器材料的性能提出了更高、更嚴格的要求。多層陶瓷電容器材料將逐漸向高頻化、低功耗、小型化和高儲能密度技術方向發展，以迎接5G時代的到來[5]。

多層陶瓷電容器材料隨著電子產品性能的提高，需要在容量和可靠性等方面具有更多的優勢。并且，現今社會生活需要移動通信裝置和電子設備的體積更小，相應地，多層陶瓷電容器材料也應更加輕薄，體積更小型化。韓國三星電機株式會社研發除了一種多層陶瓷電容器，多層陶瓷電容器的主體包括第1內電極和第2內電極，第1內電極和所述第2內電極設置有介于它們之間的介電層；第1連接電極，穿過主體連接到所述第1內電極；第2連接電極，穿過主體連接到第2內電極；第一外電極，設置在主體的一個表面上并連接到第1連接電極；以及第2外電極，設置在主體的一個表面上，與第1外電極分開并且連接到所述第2連接電極，其中，第一外電極和所述第2外電極各自包括：第1電極層，設置在主體上并包括陶瓷；以及第2電極層，設置在第1電極層上并且具有比第1電極層的陶瓷含量小的陶瓷含量。漏電流小、絕緣電阻高的多層陶瓷電容器材料，因其具有較好的隔直流特性，受到人們越來越多的關注。降低多層陶瓷電容器材料的損耗性，能夠減少其在耦合電路中的信號衰減，進而提高能量傳遞的有效性，并且降低功率損耗能夠減少電容器產生的熱量，延長電容器的使用壽命。

4 新型手機外殼材料

隨著智慧手機的出現，手機外殼作為每個手機必不可少的組成構件，其材料的發展也受到人們的關注。手機外殼可以防止硬物對手機屏幕或機身造成的劃痕，還可以避免手機跌落導致的磕碰甚至破損等問題。近年來，手機外殼材料產生了很大的變化，出現了多種新材料。

首先聚碳酸酯材料。聚碳酸酯材料也屬于手機外觀配件中常見的一種材料。聚碳酸酯材料的制備，是通過納米鉆石烯水溶液為原料，與碳酸鈣充分混合后再與聚碳酸酯粉體進行共混改性，即得聚碳酸酯材料，其中，納米鉆石烯添加量可以是質量分數為2%～10%聚碳酸酯粉體，碳酸鈣與納米鉆石烯的質量比為15～18∶4～5。通過聚碳酸酯材料制備得到的手機殼，耐化學腐蝕性提高，硬度提高，耐磨性提高，導熱性能好，可以提高手機的運行速度，延長手機的使用壽命，手機在受到外力沖擊時不易變形，手機外殼的韌性好，但是具有長時間使用容易落灰，不易清理，同時長期暴露的情況下容易氧化、變色影響手機美觀的缺點。

其次是含有二氧化鋯涂層的材料。這種材料由以下質量份的原料組成：順丁橡膠40～60份，聚酰亞胺纖維10～20份，聚乙烯醇5～10份，石蠟0.5～0.8份，磷酸三甲酚酯0.6～1.4份，納米氧化鈣0.5～1.0份，馬來酸酐0.1～0.3份，丙烯酸甲酯0.6～1.2份，輕質碳酸鈣0.2～0.6份，硅烷偶聯劑0.05～0.12份，二氧化鋯0.5～1.0份。通過在順丁橡膠中添加聚酰亞胺纖維，可以進一步提高順丁橡膠的透氣性，同時各部分原料通過密煉融合，結合穩定，用以制備手機外殼，具有較高的硬度，較好的耐磨性，同時可以有效散熱，避免造成熱量聚集，影響和手機的正常使用。

第3種是改性三元乙丙橡膠材料。這種材料通過改性三元乙丙橡膠材料、丁苯橡膠、環氧樹脂、古馬隆樹脂、聚碳酸酯、硅灰石、納米碳酸鈣、碳酸鎂、偏笨三甲酸三辛酯、2，6—二叔丁基—4—甲基苯酚、過氧化二異丙苯、鄰苯二甲酸、抗應力開裂劑、潤滑劑、阻燃劑、發泡劑等以一定的比例進行混合制備得到的改性三元乙丙橡膠材料，具有硬度高、耐磨性和耐熱性好的優點，但是由于材料主要原料為橡膠，制備的外殼有一定的粘性，容易吸附灰塵、粉末，手感較差。

最后是陶瓷材料。這也是現今最時尚的手機外觀配件材料。傳統的手機外殼材料是塑料和金屬材料。隨著手機輕量化技術的發展，以及人們對手機外形的需求更加豐富，陶瓷材料作為一種傳統材料，在手機的外觀配件中也受到關注，被更多地嘗試著運用在這一領域。

5 新型手機天線材料——LCP材料

液晶聚合物（Liquid Crystal Polymer，LCP）是一種新型的高分子材料，在一定的加熱狀態下一般會變成液晶的形式，因此而得名液晶聚合物。這類材料具有優異的耐熱性能和成型加工性能。聚合方法以熔融縮聚為主，全芳香族LCP多輔以固相縮聚以制得高分子量產品。非全芳香族LCP塑膠原料常采用一步或二步熔融聚合制取產品。近年連續熔融縮聚制取高分子量LCP的技術得到發展。液晶芳香族聚酯在液晶態下由于其大分子鏈是取向的，它有異常規整的纖維狀結構，性能特殊，制品強度很高，并不亞于金屬和陶瓷。拉伸強度和彎曲模量可超過10年來發展起來的各種熱塑性工程塑料。機械性能、尺寸穩定性、光學性能、電性能、耐化學藥品性、阻燃性、加工性良好，耐熱性好，熱膨脹系數較低。采用的單體不同，制得的液晶聚酯的性能、加工性和價格也不同。選擇的填料不同、填料添加量的不同也都影響它的性能。

近年來，LCP的應用蓬勃發展，在許多高值及高端領域可看到LCP的相關產品，其中又以LCP薄膜的發展最受矚目。LCP薄膜主要為FPC行業高頻產品用材料，因其具有低吸濕、低介電常數及低介電損失的特性，成為行業內替代聚酰亞胺（PI）薄膜的主要產品。5G移動通信這一高速通信時代的來臨，使得LCP材料成為了提升信號傳輸速度必不可少的材料。

LCP材料具有高分子排列順向性，加工制膜后LCP材料的分子流動特性受加工方法影響。最早投入LCP膜材制作開發的Superex（Foster—Miller）公司，用旋轉模頭調控不同方向剪切力，以調控分子排列順向性。日本Kuraray公司通過透過吹膜制作過程中吹脹方法，進一步調控MD/TD方向的薄膜特性；Primatec（Japan Gore—Tex）則采用可透過雙軸延伸二次加工方式來增加TD方向分子排列特性。

為了改進液晶聚合物的耐熱穩定性，可以在液晶聚酯組合物找那個添加2，2—亞甲基—雙（4，6—二—叔丁基苯基）辛基亞磷酸酯作為穩定劑。然而該聚酯組合物在被制成模制品，或在用填料進行復配，或模塑期間長期經受高溫，由于穩定劑發生分解，同時液晶聚酯內部發生交聯反應，導致模塑制品中出現了黑色雜質的問題。在此基礎上，可以在已制備好的液晶聚酯中混入亞磷酸二苯酯，再混入磨碎的玻璃，然后在390℃下使用雙螺桿擠出機造粒，即在雙螺桿擠出機中用填料進行復配時添加亞磷酸二苯酯作為穩定劑得到液晶聚酯樹脂組合物，以克服上述缺點。然而亞磷酸二苯酯的沸點僅有218～219℃，在390℃的加工溫度下勢必會劇烈揮發甚至分解，這將導致亞磷酸二苯酯快速脫離體系，因而很難發揮其作為穩定劑的積極作用。LCP薄膜需求量日益增長，日常使用中常接觸到高溫、日曬、潮濕等環境，因此需要LCP材料具有較好的耐候性、耐熱性以及良好的力學性能。這仍屬于研究者們亟待解決的一個難點。

6 總結與展望

微波介質陶瓷材料是5G手機技術快速發展的關鍵材料。由于微波信號具有頻率高、波長短、信息容量大，以及方向性、穿透性和吸收力強等特點，被大范圍應用在諧振器、濾波器等微波元器件中。5G時代的到來對微波介質陶瓷材料提出了新挑戰，具體包括提高微波介質陶瓷材料的選頻特性，加快信息傳輸速度、降低電極之間的耦合效應，以及提高微波介質陶瓷材料的溫度穩定性。第3代半導體材料碳化硅和氮化鎵屬于寬禁帶半導體材料，在高溫和強外界能量輸入下，仍可以維持N型或P型半導體的原有導電性能，從而使元器件可以苛刻條件下正常工作。多層陶瓷電容器的發展方向主要集中在制備原料由貴金屬轉為一般金屬，提高電容器的容量和電壓，降低產品體積，實現產品的功能多樣化。陶瓷手機外觀配件的可塑性強，可以根據用戶需求實現圖案的個性化定制，但仍需進一步提高陶瓷手機殼體的耐磨損性和耐腐蝕性，簡化陶瓷配件的生產工藝。LCP材料具有優異的耐熱性能和成型加工性能，提高LCP材料的可加工性以及降低成本是未來的研究熱點。

5G移動通信技術由于其高速率傳輸、低時延性等優點，勢必會為移動通信的發展注入不可或缺的活力。5G移動通信技術會為以用戶為中心的信息生態系統，以及5G智慧手機的發展提供強有力的技術支撐，進而帶動5G手機材料不斷刷新人們對傳統手機材料的觀念。

參考文獻

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