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滲透5G產業的先進陶瓷材料

滲透5G產業的先進陶瓷材料

編輯:轉自:材料科學與工廠技術 發布時間:2023-07-21


信息技術領域已成為提升國家科技創新實力、推動經濟社會發展和提高整體競爭重要的動力引擎。5G是開啟工業數字化和物聯網新時代的新一代基礎生產力。世界各國把搶占5G通信技術的至高點作為國家發展的重要戰略,不管是在關鍵元器件、上游材料制備還是在網絡部署等方面都開始積極布局,搶先發展先機。

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與傳統4G等通信技術相比,5G通信技術接入工作器件需滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、超高寬帶傳輸3大基礎性能要求,其制備材料則需要具有實現大規模集成化、高頻化和高頻譜效率等特點。

針對5G的要求,陶瓷有“先天優勢”。隨著陶瓷在指紋識別、無線充電等手機功能領域的逐漸普及,陶瓷材料具有無信號屏蔽、硬度高、觀感強及接近金屬材料優異散熱性等特點成為手機企業進軍5G時代的重要選擇。

01 微波介質陶瓷材料

微波介質陶瓷是5G時代最受矚目的陶瓷材料。

微波介質陶瓷(MWDC)是指應用于微波頻段(主要是UHF、SHF頻段,300MHz~300GHz)電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷。微波介電陶瓷具有介電常數高、微波損耗低、溫度系數小等優良性能,能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。微波介質陶瓷的主要材料包括氧化鋇(BaO)—二氧化鈦(TiO2)系材料、BaO—氧化銦(Ln2O3)系材料、復活鈣鈦礦系材料和鉛基鈣鈦礦系材料。

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微波介質陶瓷廣泛應用于微波諧振器、濾波器、振蕩器、電容器及微波基板等,是移動通訊、衛星通訊、全球衛星定位系統、藍牙技術及無線局域網等現代微波通訊的關鍵材料。介質諧振器和濾波器是用量最大的微波介質陶瓷器件,目前,我國是移動通信用微波介質諧振器和濾波器的最大市場。近年來,微波陶瓷器件正向片式化、微型化甚至集成化方向發展。

目前,5G基站濾波器有三種方案,即小型金屬腔體濾波器、塑料濾波器和陶瓷介質濾波器。傳統的濾波器一般由金屬同軸腔體實現,通過不同頻率的電磁波在同軸腔體濾波器中振蕩,保留達到濾波器諧振頻率的電磁波,并耗散掉其余頻率的電磁波。

陶瓷介質濾波器中的電磁波諧振發生在介質材料內部,沒有金屬腔體,因此體積較上述兩種濾波器都會更小。5G時代Massive MIMO(大規模天線技術)對天線集成化的要求較高,濾波器需要更加的小型化和集成化,為了滿足5G基站對濾波器的相關需求,更易小型化的陶瓷介質濾波器成為主流解決方案。

02 陶瓷基板

5G時代,隨著電子元器件逐步向小型化、精密化、高速化、高可靠性方向發展,以及大功率電子元器件的使用量逐步加大,快速散熱及極端溫度下的可靠性已成為封裝的關鍵問題。

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封裝基板是芯片封裝體的重要組成材料,可以分為有機、陶瓷和復合材料3種。無機陶瓷基板原材料為高化學穩定性、高耐腐蝕性、氣密性好、熱導率高及熱膨脹系數匹配的氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)和氧化鈹(BeO)等陶瓷材料。我國在Al2O3、AlN、SiC和BeO等陶瓷材料制備技術比較成熟,而且已經能夠熟練掌握陶瓷表面的薄膜金屬化工藝,但是在陶瓷表面的后膜金屬化技術方面,還比較欠缺。

03 半導體陶瓷芯片材料

在5G通信技術中,需要大量的中高頻器件,主要包含濾波器、功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關等?;衔锇雽w材料是制備這些器件的核心關鍵材料?;衔锘雽w材料主要包括砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等化合物半導體,具備禁帶寬度大、電子遷移率高、直接禁帶等性能,可以實現高頻譜效率、大頻率波處理、低延時響應等功能?;衔锇雽w材料未來將在5G、物聯網、智能汽車等應用領域得到廣泛應用。

04 壓電陶瓷材料

在5G通信產業化過程中,將伴隨著大量基站建設和終端的推廣應用。因此,需要大量高頻濾波器、信號發射器等元器件。濾波壓電材料是制造這些器件的關鍵材料。主要的濾波壓電材料包括壓電晶體材料、壓電陶瓷材料和壓電薄膜材料。壓電陶瓷材料主要包括鈣鈦結構礦(鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛)材料、鎢青銅結構材料和鉍層狀結構材料。

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▲壓電陶瓷

近年來,壓電材料在全球每年銷量按15%左右的速度增長,自2017年以來,每年全球壓電陶瓷產品銷售額約達150億美元以上。

05 納米氧化鋯手機背板

近年來,智能終端陶瓷得到快速發展并受到了市場的高度關注,主要源于精密陶瓷材料具有其他智能終端材料(如金屬、塑料)所不具備的一些優異性能和特點,并且可以滿足5G通信及無線充電的發展趨勢。

隨著步入5G時代,由于5G通信采用3GHz以上的無線頻譜,智能手機的天線結構將比4G更為復雜,信號傳輸量更大,傳輸速度更快。目前,手機外殼廣泛使用的鋁鎂合金因其對信號屏蔽作用強,無法滿足5G信號傳輸的要求,也不可進行無線充電,而陶瓷材料對信號屏蔽小,便于無線充電,天線結構易于設計。

無線充電技術主要通過磁共振、電場耦合、磁感應和微波天線傳輸技術實現。由于目前金屬機殼對電磁場有屏蔽和吸收作用,會影響無線充電的傳輸效率,所以無線充電功能不能用在金屬后蓋手機和智能手表中。

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▲三星GalaxyS10+陶瓷版手機

但是電磁波可以順利穿過陶瓷、玻璃、塑料等非金屬材料,所以智能手機和手表要實現無線充電功能,就須采用陶瓷和玻璃后蓋,塑料雖然也可使用,但易老化,質感差;可見無論是5G通信還是無線充電,陶瓷材料可以較好地解決信號傳輸問題。正因為納米氧化鋯陶瓷具備耐磨損、耐銹蝕、對皮膚不過敏、親膚性好、佩戴舒適、且外觀溫潤手感好等優點,從而更適用于智能可穿戴設備。

隨著5G商用時代到來,納米ZrO2陶瓷背板成為最佳備選材料,目前中國走在前面,全球90%以上的陶瓷背板由中國制造。

06 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,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。

參考來源:

[1]申勝飛.5G通信技術關鍵材料發展研究

[2]劉錦.微波燒結微波介質陶瓷的研究進展

[3]謝志鵬等.智能終端陶瓷的發展與應用狀況分析



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