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5G对材料有什么特殊要求?你的低介电材料选对了吗?

发布时间:2019-11-15 阅读量:353 打印 收藏此页


2019年6月,中国批准了4个5G牌照,分别是中国移动、中国联通、中国电信和中国广电,使2019年成为中国5G元年。全球共有6个发布5G牌照的国家,中国是第5个,其他分别为美国、韩国、瑞士、英国、西班牙。2019年6月,华为Mate 20X 5G版通过认证,首批5G手机问世了!

什么是5G通讯技术?

5G为第五代移动通信技术的简称,5G通讯就是指通讯频率提高到5GHz范围。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段,24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在研发之中;而国际上主要使用28GHz进行试验。这意味着5G通讯采用毫米波波段,毫米波最大优点为传播速度快,随之带来的最大缺点就是穿透力差、衰减大。

5G通讯有什么优点?

  • 极高的速率:5G的传输速率远远大于4G传输速度100倍左右。手机用户在不到一秒时间内即可完成一部高清电影的下载。

  • 极低的时延:4G的信号时延为140毫秒,而5G的时延降低到1毫秒,比4G整整降低140倍。

  • 极大的衰减:因为5G的传播频率太高,导致信号很容易被屏蔽、很容易受到外界干扰、也很容易在传播介质中衰减。


5G对材料有什么特殊要求?

与4G通讯比较:

  • 5G的传输速度更快,要求传播介质材料的介电常数和介电损耗要小;

  • 5G的电磁波覆盖能力较差,要求材料的电磁屏蔽能力要强;

  • 5G的传输信号强度较差,要传播材料的介电常数要小,材料的电磁屏蔽能力要强;

  • 5G元器件的厚度薄、密封性有好,要求及时散热,材料导热性能要好。


综合起来5G需要:低介电、高导热和高电磁屏蔽的高分子材料。

如何选择低介电性能材料?

具体对低介电材料的性能要求包括:低介电常数、低介电损耗,并且保持恒定不变。5G对低介电材料的介电常数要求在2.8-3.2之间,远远小于4G对介电常数要求3.4-3.7之间的要求,低介电材料目前主要用于天线材料和柔性线路板材料。对于5G 的不同应用场合,对介电常数的要求也不同,5G设备要求介电常数小于3,而5G基站要求介电常数小于4即可。

获得低介电材料的方法

1、选择低介电常数树脂

根据高分子材料的极性大小可以判别材料的介电常数范围。通常,非极性树脂的ε为2.0~2.5,弱极性树脂的ε为2.5~3,中极性树脂的ε为3.0~4.0,而强极性树脂的ε大于4.0,所有纯树脂的介电常数都大于2。常见高分子材料的介电常数的大小见表1所示:

图片关键词

从1表中可以看出:

(1)纯树脂中,氟塑料的介电常数最低和最高,如果材料对强度没有要求,可以选用PTFE和PFA,具体详细介电性见表2所示。

图片关键词

(2)工程塑料中,PPO的介电常数比较低,可以用PPO/HIPS(ε=2.5左右)合金制造壳体,替代4G的常用壳体材料PC/ABS(ε=3左右)。

(3)特种工程塑料中,主要选择低介电常数的LCP。虽然LCP具有较低的介电常数,但是大多数等级的LCP还没有满足工业要求的低介电常数规格。沃特新材料在国内外首先开发出低介电常数5G专用材料,LCP低至2.7,具体见表3所示,随后日本宝理和三井也开发出介电常数2.8的LCP。

如果纯塑料的介电性能满足不了具体需求,可以进行改性。

2、对树脂进行微发泡改性

微发泡是指泡孔尺寸在0.1-10μm的发泡材料,与普通发泡材料的主要区别在于微发泡塑料制品在密度下降的同时,制品的强度不但不下降,还可能有不同程度提高。微发泡是树脂降低介电常数最有效的方法,以HDPE微发泡改性为例,制品的密度下降80%时,介电常数下降52%。如大韩化工研发的低介电和超低介电的纳米注塑PBT材料,介电常数仅为2.55~2.9,比市场上普通材料的介电常数大幅度降低。

3、与低介电常数材料复合改性

(1)添加气凝胶材料

典型的微孔材料为气凝胶材料,如纳米二氧化硅的介电常数为4,而其气凝胶的介电常数可以低到1.1左右。

其他微孔材料有空芯玻璃微珠、沸石、分子筛、硅酸钙、蛋白石和硅藻土等,其中空芯玻璃微珠的介电常数仅为1.2-2.2,缺点是熔融混炼加工过程中空芯玻璃微珠很容易破碎。

(2)添加低介电常数材料

A.添加低介电常数无机材料

最有效的降低介电常数添加剂为氮化硼和碳化硅,其中氮化硼的介电常数只有1.6,低于任何树脂的介电常数,但是复合材料的力学性能会受到很多影响。

B.共混低介电常数有机材料

常用的低介电树脂有相对介电常数为2.0(1MHz)的PTFE(聚四氟乙烯)和笼型聚半硅氧烷等,通过与这些材料共混可以明显降解材料的介电常数,而且基本不影响复合材料的性能,典型的实例有PPS/PETF、PPO/PTFE等等。

(3)选择其他低介电常数的助剂

增强改性选择低介电常数的玻璃纤维,如泰山玻璃纤维公司开发的10GHz频率条件下介电常数4.3的低介电常数玻璃纤维,远远低于10GHz频率条件下介电常数6.8的传统玻璃纤维。

其它助剂如:低介电常数的增韧剂有POE和SEBS,低介电常数的润滑剂有聚乙烯蜡,低介电常数阻燃剂含磷阻燃剂等。

低介电性能材料具体用途

低介电常数材料主要用于5G手机的天线材料、线路板材料、盖板材料、壳体材料,目前主要的低介电常数材料为PBT、PTFE、PPO、LCP和PI(或MPI)。以天线材料为例,常在两个低介电常数材料LCP和MPI之间互选。线路板材料传统为PTFE和PI,如果LCP成膜材料技术突破,竞争力会很强。壳体材料选择PPO/HIPS代替传统PC/ABS材料。

5G在发射基站上至少要比4G基站多2倍以上,5G终端接受设备天线数量由4G的4个增加到5G的8个,相信低介电常数材料的使用量要远比4G材料多。

——本文节选自《5G通讯用低介电塑料的选材与改性》

-作者:孙珍珍、王文广


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