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5G时代,氟材料有潜可挖
2020年13期 发行日期:2020-07-01
作者:■北京国化新材料中心 肖潇

  2019年被称为“5G元年”。我国是5G通信技术发展较快的国家,在该产业的部分领域已经走在世界前沿。国内三大运营商在2019年11月正式推出5G套餐,意味着5G三大应用场景中的增强大带宽场景(eMBB)在我国从预研状态成功落地。
  5G时代的大幕已经徐徐拉开,应用于5G通信的新材料的研究热度也早已升温。氟材料因具有极强的化学稳定性,在高频条件下具有良好的低介电性能、低损耗因子等优势,将在5G时代发挥重要的作用。


5G通信技术优势明显


  相比于传统通信技术,5G通信技术作为最新一代通信技术,安全性、覆盖性、灵活性都有了极大的提高。5G通信技术是在4G技术的基础之上发展起来的,频谱覆盖范围广,是一项综合性技术。其在产业化和技术应用的过程中,表现出以下特点:
  一是联网设备急剧扩大。网络基站方面,5G网络基站的运行数目将是4G网络数目的4倍左右。2019年我国4G宏基站约300万个,因此5G网络基站需求数目将达到1200万个。
  二是网络消耗能源降低。5G通信技术不仅要支持人与人之间信息的快速传输,而且要支持大规模物联网之间的传输应用。万物互联体的最大瓶颈是能耗,能耗过高将导致物联网产品不能稳定持续工作,降低用户体验感。因此,低功耗将是5G网络发展的主要特点之一。
  三是具有高频率、高传输速率。5G所需要的频率相对于4G提高了10倍左右,能够在500km/h的速度下保证用户体验。相对于4G网络,5G通信技术的传输速率将提升10~100倍,峰值传输速率将不低于20Gbit/s。
  四是低延迟性。4G网络时延为(20~30)ms,而5G网络时延将低至1ms。


5G时代极具潜力的氟材料

  作为一种新的通讯技术,5G技术对现有通讯材料提出了更高要求。氟材料由于具有一些特殊的性质,在这一升级换代的过程中潜力巨大。
  1.高频印刷电路板(PCB)
  PCB是5G核心系统的支撑元件,提供5G核心网及终端集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑。高频PCB是指电磁频率较高的特种电路板,由于5G技术可用的电磁波段均为3GHz以上的高频乃至毫米波段,因此5G时代对于高频PCB的需求量是巨大的。
  填充树脂材料是影响高频PCB板性能的关键材料之一。作为PCB上游原材料之一,特殊树脂作为填充材料,起着粘合和提升板材性能的作用。5G时代基站用PCB会倾向于更多层的高集成设计,这对PCB及覆铜板基材本身提出了新的要求。相比4G,除了结构变化之外,5G的数据量更大、发射频率更高、工作频段也更广,这需要基站用PCB板有更好的传输性能和散热性能,意味着5G基站用PCB板要使用更高频率、更高传输速度、耐热性更好的基材。
  目前PCB产业界光伏使用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4。该材料成本较低,但其介电常数高达4.2~4.8以上,介质损失因素大于0.0015,难以满足高频应用需求,在5G时代必将被取代。在目前高速高频化的趋势下,其衍生替代品种类超过130种,其中聚四氟乙烯(PTFE)是目前最有潜力的替代品。因为对于基站PCB而言,最为重要的指标是介电特性、信号传送速率和耐热性。PTFE基板在前两个指标中都具有最佳性能,是目前为止发现的介电性能最好的有机材料。PTFE优异的介电性能有利于信号完整快速传输。从这一角度而言,PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。但它也存在加工性能、耐热性及成本等方面的局限性。在4G时代,PTFE板材仅在少量关键部位使用,随着5G高频、高速趋势的进一步发展,预计未来5G基站对PTFE材料的使用将大幅提升。
  2.电子化学品
  大规模集成化需要将大量晶体管组合到单一芯片的集成电路中,利用有限的空间实现复杂的芯片指令。5G时代,大规模集成化是必然趋势。以5G 终端之一的手机为例,5G 手机的频段数高达91 个以上,每个频段仅射频前端模块就需要9 个运算芯片。要把如此大数量的芯片集成在空间有限的手机射频芯片内,器件原材料需要实现大规模集成化,需要芯片设计、晶圆生产、芯片生产等各环节同时满足大规模集成化的需求,比如大的晶圆尺寸、优化的器件结构等。芯片的升级换代意味着市场对芯片制造过程中必需的电子化学品有大量需求,而含氟电子化学品早已成为众多电子化学品中的重要一员。
  电子级氢氟酸、电子级氟化铵和电子级缓冲蚀刻液(BOE)等含氟电子化学品主要用于芯片制造过程中的湿法清洗和蚀刻,不同微电子生产企业对电子级氢氟酸要求的标准不同,目前主要由日本、美国企业控制生产技术和市场。
  含氟特种气体包括氟气、六氟化硫(SF6)、六氟化钨(WF6)、氟氮混合气、四氟化碳(CF4)和三氟化氮(NF3)等,广泛运用于半导体行业的蚀刻和清洗,其中蚀刻气体包括NF3、SF6、CF4、C2F6、C3F8等,而SF6、NF3、CF4、C2F6、c-C4F8等则常被用来清洗CVD的反应腔。
  此外,包括PFA、ETFE在内的多种含氟树脂在芯片制造过程中也被大量应用。由于氟树脂具有极强的化学稳定性,能忍受高温、强酸等极端环境,并且不会与溶剂发生反应,使得多种氟树脂成为芯片制造过程中储存容器、运输管道和支架的良好材质。它们保障了制造过程中电子化学品的高纯度,避免了因为反应容器发生溶解、侵蚀而对电子化学品造成的污染,从而降低了晶圆的缺陷率。
  3.高速传输线缆
  随着5G通信技术的不断发展,相应高频低介电材料的需求也日益增长。氟材料绝缘性优异,不易被高频电波干扰,含氟聚合物在高频条件下具有良好的低介电性能、低损耗因子,能够为数据中心、信号发射塔及个人电子设备提供超高频和高速性能。
  值得一提的是,5G基站用于连接RRU射频处理单元和天线系统,以及天线系统内部馈电网络之间的同轴电缆,其绝缘层通常由聚四氟乙烯制成,从而在传输高频电磁波信号时,具有信号传输损耗小、抗干扰能力强的优点。根据根据相关机构的统计,2018年全球移动通信用射频同轴电缆市场规模达65亿美元,而我国射频同轴线缆约占全球50%,对应4G时代我国移动通信用射频同轴电缆市场规模约为200亿元。由于5G时代基站数量是4G的1.5~2倍,单个基站的天线数量是4G时代的1.5~2倍,由此推断5G时代射频同轴线缆用量约为4G时代的3倍,预计5G通信用射频同轴线缆对应PTFE市场规模将达到70亿~80亿元。
  4.天线防护罩
  天线罩的作用是保护天线系统免受外部环境的影响(如风雪、阳光、生物等),延长天线寿命,同时需要保证电磁波的透过性,因此天线罩材料应满足介电性能、力学性能、耐候性、工艺性和重量等要求。5G技术由于具有频率高、波长短的特点,导致电磁波衰减非常快速,意味着5G基站部署中需要增加天线系统的安装密度,同时尽可能使用非信号屏蔽性保护材料,以确保信号能完美地覆盖有效范围。
  氟塑料如PTFE、PVDF等具有优良的耐候性、阻燃性、防水防污性以及突出的电气性能,能有效防止材料因热胀冷缩而发生形变,保障防护罩的密封性。而且氟塑料由于介电常数低,使得透波性能更加优异,能保障通信稳定,可满足5G通讯对材料高频低损的要求。
  5.氟化冷却液
  5G时代,互联网行业的发展速度将进一步加快,与之对应的是同步增长的海量数据,以及我国数据中心难以忽视的能耗危机。根据绿色和平与华北电力大学联合发布的《点亮绿色云端:中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》报告:2018年全国的数据中心总用电量为1608.89亿Kw·h,比上海市2018年全社会用电量(1567亿Kw·h)还多,相当于三峡大坝的全年发电量。
  数据中心的能耗分IT设备能耗、空调能耗和供电能耗三部分。其中,空调设备主要用于给数据中心散热。根据绿色网格组织(TGG)在2007年所做的测算,当时的数据中心耗费在空调设备和供电设备上的电能普遍超过了IT设备本身的耗电。为了节约散热成本,减少数据中心空调设备的能耗,浸没式液冷就成了当前业内重要的解决方案。该方案的关键之一就是绝缘冷却液,即把整台服务器浸在液体里循环冷却,利用绝缘冷却液代替风冷。目前数据中心行业应用最广泛的浸没式冷却液为氟化冷却液,其主要成分是全氟聚醚。根据3M公司的测算,氟化冷却液可以降低数据中心97%的能源成本,节省10倍的空间。可见,这一氟材料在数据爆发的5G时代潜力无限。


国际氟化工巨头纷纷布局


  作为在钛白科技、氟产品及特殊化学品领域拥有全球领先地位的化学公司,科慕在5G市场的布局主要围绕高性能氟聚合物TeflonTM。这一材料介电常数低、介电损耗小,主要应用于5G通信高速线缆、半导体、PCB和天线组件。
  大金工业株式会社是高质量高端氟化学产品生产商,在通信材料方面的主要技术有氟材料和特殊功能性填料的混合技术、含氟或非氟添加剂与非氟材料的功能添加技术、氟材料与氟材料或非氟材料的合成技术等三项。具体的应用案例包括5G高速传输线上的氟材料应用、基站天线PCB板和毫米波雷达上的氟材料应用、户外通讯设备上氟碳涂层的应用,以及光学用途的氟材料应用等。
  昊华科技的子公司晨光院的特色产品是PTFE树脂,在5G领域的布局主要是围绕同轴线缆绝缘层材料用PTFE。
  全球领先的玻璃、化工和高科技材料生产商AGC已宣布扩大Fluon+EA-2000氟化树脂的产能。公开资料显示,这一产品主要用作5G高速高频印刷电路板的材料。
  此外,还有多个氟化工企业已为5G应用布局,我国正成长为氟材料需求增长最快的市场之一。

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