5G 通讯用低介电塑料的选材与改性

近两年，5G成为中美两国贸易争端上的热点问题，2019年6月以美国打压华为达到两国5G博弈顶峰。

 

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Mate20X5G版通过认证，首批5G手机问世了！

 

 

一、什么是5G通讯技术？

 

我们每天使用的手机是靠电磁波传递信号的，手机信号的传递速度大小和传播能力高低，都与电磁波的传播频率有关。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。

 

二、5G通讯有什么优点？

 

正是因为5G网络的电磁波频率高，所以5G通讯主要有如下突出特点：

 

极高的速率：5G的传输速率远远大于4G传输速度100倍左右，5G网络已成功在28千兆赫(GHz)波段下达到了1Gbps的传输速率，预计未来5G网络的传输速率可达10Gbps，这意味着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。对于人与人之间进行信息交流，4G通讯140毫秒的时延是可以接受的，但是如果这个时延用于无人驾驶的设备之间信息交流就很难满足要求，反应慢1毫秒就可能车毁人亡，因此只有5G的低时延很重要。

 

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，因此要求材料的电磁波屏蔽性能要高，要求传递介质的介电性能要高。同时，高速的5G信号传播能力比4G弱，为此相应要增加5G基站和天线的数量。

 

三、5G对材料有什么特殊要求？

 

针对5G的上述三大特点，对5G设备中使用的高分子材料提出了特殊的要求，对器件原材料也提出更高的性能和升级的需求。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。

 

5G通讯需要用到的三大特殊性能高分子材料本文暂且只介绍低介电性能材料。

 

四、如何选择低介电性能材料？

 

由于5G通信工作在非常高频的区域，所以对器件的材料提出了低介电常数和介电损耗的要求。5G极高的速率、极低的时延、极大的衰减，需要材料的低介电性能，包括低介电常数和介电损耗。随着材料介电性能提高、信号传输速度提高，电磁波信号延迟减小、电磁波信号传输损失减少。

 

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。

 

什么是介电常数？介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数。介电常数的大小，除了与材料本身结构和极性有关外，还与频率大小相关，频率越大介电常数就越大；比如LCP的介电常数在1KHz下为3.6、在10MHz下为3.8、在1GHz下为4.3。因为5G的传输频率很大，所以介电常数增大明显，已经对信号传输造成很大影响，所有要求介电常数要小。

 

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：

 

 

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2所示。

 

（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%。如浙江中科恒泰新材料有限公司开发的PMI结构泡沫塑料，介电常数仅为1.05-1.13，比纯PI的2.0有大幅度降低。

 

 

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。

 

五、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。