聚四氟乙烯在5G通信領域的應用進展

湯 陽 孟慶文

(浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004)

0 前言

2019年為中國5G商用元年。作為第5代移動通信技術，5G具有比4G更好的性能，如高速高穩(wěn)定性、低延時、頻譜利用率高和擴展性好等優(yōu)勢[1-2]。高頻傳輸技術是5G無線通信的關鍵技術之一，高頻傳輸技術能夠有效地增加頻段資源的可利用率，增強5G無線通信技術對于網(wǎng)絡發(fā)展的技術需求[3]。要實現(xiàn)高頻傳輸，必須使用低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗材料,而聚四氟乙烯(PTFE)作為目前有機材料中介電常數(shù)最低的材料必將得到廣泛的應用。

1 5G通信對高頻技術的依賴

通訊分為有線通信和無線通信，如果是在實體物質(zhì)上傳播，就是有線通信，基本上用的就是銅線、光纖等線纜，統(tǒng)稱為有線介質(zhì)。在有線介質(zhì)上傳播數(shù)據(jù)，速率可以達到很高的數(shù)值。以光纖為例，在實驗室中，單條光纖最大傳輸速率已達到了26 Tbps，(1 Tbps=1 000 Gbps=1 000 000 Mbps)，是傳統(tǒng)網(wǎng)絡的26 000倍，而無線通信才是移動通信的瓶頸所在，所以5G通訊如果要實現(xiàn)高速率傳輸，重點是解決無線通信的高頻傳輸技術問題。無線通信就是利用電磁波進行通信，電波和光波都屬于電磁波，電磁波的功能特性是由它的頻率決定的。

不同頻率的電磁波有不同的屬性，因而有不同的用途，如表1所示。

表1 不同頻率電波的用途

電磁波頻率越高，波長則越短。國際上主要使用28 GHz進行5G通信技術研發(fā)，這意味著5G通訊采用毫米波波段。電磁波的波長越短，繞射能力就越差，傳播過程中電磁波的衰減也越大，意味著5G通訊的電磁波覆蓋能力和傳輸信號強度相對于4G通訊時代大幅度下降，材料方面通過調(diào)控介電性能以降低此影響[4]。

2 低介電材料在5G領域高頻傳輸技術上的應用

材料的介電性能是指在電場作用下，對靜電能的儲蓄和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)(Dk)和介質(zhì)損耗因子(Df)表示。Dk是衡量材料存儲電性能能力的指標，Dk越低，信號在介質(zhì)中傳送速率越快、能力越強。Df是衡量介電材料能量耗損大小的指標，Df越低，則信號在介質(zhì)中傳送的完整性越好。當電介質(zhì)、外加電壓及頻率一定時，介質(zhì)損耗與介電損耗正切值(tanδ)成正比，即可以用tanδ來表示介質(zhì)損耗的大小。

5G對低介電材料的介電常數(shù)要求在2.8～3.2之間。低介電常數(shù)材料主要用于5G手機的天線材料、線路板材料、蓋板材料和殼體材料，目前主要的低介電常數(shù)材料為PTFE、PPO、LCP和PI(或MPI)。以天線材料為例，常在兩個低介電常數(shù)材料LCP和MPI之間互選。傳統(tǒng)線路板材料為PTFE和PI，如果LCP成膜材料技術獲得突破，其競爭力會很強。殼體材料選擇PPO/HIPS代替PC/ABS材料[5]。表2為不同材料的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗因子。

表2 不同材料的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗因子

注：數(shù)據(jù)來源于觀研天下

3 聚四氟乙烯在5G領域的應用

3.1 聚四氟乙烯在5G領域高頻PCB中的應用

3.1.1覆銅板的分類及應用

在移動通信基站中，印刷電路板(Printed Circuit Board，簡稱PCB)覆銅板是印刷線路板的核心基材，覆銅板(Copper Clad Laminate，簡稱CCL)是由石油木漿紙或玻纖布等作增強材料，浸以樹脂，單面或雙面覆以銅箔，經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料。CCL材料是生產(chǎn)PCB的基礎材料，主要用于制作PCB，對PCB起互聯(lián)導通、絕緣和支撐的作用。

由高頻覆銅板基材加工的PCB作為最基礎的連接裝置將被廣泛使用。首先，5G基站的天線陣子需要使用PCB作為連接；其次，5G基站的濾波器等元器件將大幅增加，需要使用一塊單獨的PCB來連接這些元器件；最后，5G基站的CU(集中單元)/DU(分布單元)等部分也需要使用PCB。對高頻覆銅板材料的核心要求是低介電常數(shù)和低介電損耗因子。高速和高頻覆銅板是在玻璃纖維布基CCL的基礎上，通過使用不同類型的樹脂實現(xiàn)的，其核心要求是低介電常數(shù)和低介電損耗因子：Dk越小越穩(wěn)定，高頻、高速性能越優(yōu)；Df越小越穩(wěn)定，高頻、高速性能越優(yōu)。根據(jù)Dk與Df兩個參數(shù)將覆銅板劃分為六層，其中應用于微波與毫米波頻段的基材主要采用低介電常數(shù)樹脂(PTFE、碳氫化合物以及 PPE 樹脂)，Df值小于0.005。

一般而言，可通過樹脂材料、基板材料及基板樹脂含量來降低Dk和Df值。目前，在4G通信領域PCB中廣泛使用的大多為環(huán)氧樹脂玻璃布基覆銅板(FR-4)，但是其Df值在0.01以上。而5G領域主要為微波及毫米波應用領域，聚四氟乙烯樹脂作為目前為止發(fā)現(xiàn)的介電常數(shù)最低的高分子材料，Df值在0.002以下，在覆銅板中表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能，在高頻、高速工況下的介電損耗滿足5G通信基站要求[6]。不同基材用樹脂的對比如表3所示。

表3 不同基材用樹脂的對比

表3(續(xù))

3.1.2聚四氟乙烯高頻覆銅板的加工

目前，聚四氟乙烯高頻覆銅板的加工有以下幾種工藝[7-9]：1)聚四氟乙烯乳液多次浸漬纖維布，經(jīng)過高溫燒結，與玻纖布緊密結合得到樹脂含量較高的浸漬片，將多層浸漬片疊合起來，并在兩面覆上銅箔，進行層壓得到聚四氟乙烯覆銅板；2)將聚四氟乙烯車削膜和經(jīng)過聚四氟乙烯分散乳液浸漬的玻璃纖維布疊合得到一定厚度和樹脂含量的絕緣層，絕緣層兩面覆蓋銅箔進行層壓，制得聚四氟乙烯覆銅板；3)短玻纖混合增強聚四氟乙烯樹脂通過壓延/模壓等方法壓成片材，再覆銅箔壓制燒結成聚四氟乙烯覆銅板；4)采用陶瓷粉末改性聚四氟乙烯樹脂得到復合基板材料，再進一步層壓制作覆銅板。其中，主流工藝為多層聚四氟乙烯-玻纖布浸漬片疊合后覆銅進行層壓制得聚四氟乙烯覆銅板，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 聚四氟乙烯覆銅板生產(chǎn)工藝流程簡圖

3.1.3聚四氟乙烯高頻覆銅板的研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1)國外現(xiàn)狀

對高頻覆銅板材料的核心要求是低介電常數(shù)和低介電損耗因子。目前，主流高頻產(chǎn)品是通過使用聚四氟乙烯及碳氫化合物樹脂材料工藝實現(xiàn)的。高頻基材的主要市場份額被美國羅杰斯(Rogers)、美國泰康麗(Taconic)、美國帕克(Park Electrochemical Corp Nelco品牌)、美國伊索拉(Isola)、日本中興化成和松下電工等少數(shù)廠商占據(jù)，以上幾家企業(yè)占聚四氟乙烯覆銅板市場份額的90%以上，且市場供給相對有限。表4為國外主要聚四氟乙烯高頻覆銅板供應商及相關產(chǎn)品信息。

2)國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)掌握聚四氟乙烯高頻覆銅板生產(chǎn)技術并能穩(wěn)定提供產(chǎn)品的廠商極少，仍需大量依靠進口。國內(nèi)能生產(chǎn)聚四氟乙烯覆銅板的企業(yè)主要有廣東生益科技股份有限公司(SCGA-500系列，天線射頻電路用玻璃布增強PTFE覆銅板)、浙江華正新材料股份有限公司等少數(shù)企業(yè)。廣東生益公司較早生產(chǎn)高頻高速產(chǎn)品，并且在高頻領域，同時具備聚四氟乙烯(PTFE)和碳氫兩個系列的產(chǎn)品。目前，高速板主要在廣東生益生產(chǎn)，高頻板的主要生產(chǎn)基地為南通廠。浙江華正公司高頻板H5系列已實現(xiàn)量產(chǎn)，同時又開發(fā)了HC系列和HN 系列，PTFE 和碳氫系列產(chǎn)品種類豐富。高速板方面，公司部分產(chǎn)品已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，其他產(chǎn)品也處于客戶認證階段。從部分專利公開信息來看，南京大學、江蘇迪飛達電子有限公司等也在積極研發(fā)聚四氟乙烯高頻覆銅板[10-13]。

表4 主要聚四氟乙烯高頻覆銅板供應商及相關產(chǎn)品信息

表4(續(xù))

注：信息來源于公司網(wǎng)站公開信息

3.2 聚四氟乙烯在5G領域射頻傳輸中的應用

3.2.1射頻電纜應用

1)同軸電纜的定義

同軸電纜是指有兩個同心導體，而導體和屏蔽層又共用同一軸心的電纜。最常見的同軸電纜由絕緣材料隔離的銅線導體組成，在里層絕緣材料的外部是另一層環(huán)形導體及其絕緣體，然后整個電纜由聚氯乙烯或Teflon材料的護套包住。

2)同軸電纜的工作原理

同軸電纜由里到外分為四層：中心銅線(單股的實心線或多股絞合線)、塑料絕緣體、網(wǎng)狀導電層和電線外皮。中心銅線和網(wǎng)狀導電層形成電流回路。因為中心銅線和網(wǎng)狀導電層為同軸關系而得名。同軸電纜傳導交流電而非直流電，也就是說每秒鐘會有好幾次的電流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)。如果使用一般電線傳輸高頻率電流，這種電線就相當于一根向外發(fā)射無線電的天線，這種效應損耗了信號的功率，使得接收到的信號強度減小，同軸電纜的設計正是為了解決這個問題。中心電線發(fā)射出來的無線電被網(wǎng)狀導電層所隔離，網(wǎng)狀導電層可以通過接地的方式來控制發(fā)射出來的無線電。射頻電纜是供信號傳送用的連接線，它的使用范圍很廣，常見的使用包括有線電視線、無線電通訊設備和電子裝置的有關無線電子設備。它的優(yōu)點是可以在相對長的無中繼器的線路上支持高帶寬通信。

3.2.2聚四氟乙烯射頻電纜的種類、結構和制作

聚四氟乙烯不僅電絕緣性突出，而且在較寬的使用溫度區(qū)間及頻率范圍內(nèi)，具有低介電常數(shù)并有特別低的損耗因子、介電強度和介電常數(shù)(2.3～2.1)，并且聚四氟乙烯通過單向拉伸、雙向拉伸可進一步制作膨體聚四氟乙烯材料(e-PTFE)，介電常數(shù)可進一步降低[2]，體積電阻率和表面電阻率保持良好，并直至它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都不受溫度影響。它們具有低吸濕性，介電性能受濕度的影響很少。聚四氟乙烯塑料電性能不隨時間改變，幾乎對所有化學品和溶劑呈惰性，甚至在高溫和壓力下也能保持它們的優(yōu)異性能，特別適用于需要低衰減的數(shù)據(jù)傳輸電纜[14]。根據(jù)結構和用途的不同，聚四氟乙烯高頻電纜可以分為半剛、半柔、軋紋、低損耗穩(wěn)相電纜、測試電纜等多種型號。表5 為金信諾公司聚四氟乙烯射頻電纜的種類和結構。

表5 金信諾公司聚四氟乙烯射頻電纜的種類和結構

注：數(shù)據(jù)來源于金信諾公司官方網(wǎng)站公開信息

3.2.3聚四氟乙烯射頻電纜在5G領域的應用

基站天線系統(tǒng)的饋電網(wǎng)絡是決定天線信號接受、傳輸和發(fā)射的關鍵部件，其內(nèi)部采用實心聚四氟乙烯絕緣同軸電纜連接移相器、功分器等組件，將來自功率放大器信號的電流按一定幅度和相位分配到各個天線輻射單元中。在4G基站天線饋電系統(tǒng)中，軋紋同軸電纜采用發(fā)泡聚乙烯作為絕緣體。而由于5G基站電磁波信號頻率更高，對同軸電纜的衰減屏蔽參數(shù)提出了更高的要求，聚四氟乙烯半柔同軸電纜完全可以滿足這一要求。在5G基站建設過程中，半柔同軸電纜將全面取代軋紋同軸電纜，疊加饋線用半柔同軸電纜。半柔同軸電纜需求將隨5G基站的建設呈爆發(fā)式增長，絕緣層PTFE材料的需求也將同步增長。表6 為4G用軋紋同軸電纜與5G用半柔同軸電纜對比。

表6 4G用軋紋同軸電纜與5G用半柔同軸電纜對比

注：數(shù)據(jù)來源于金信諾公司官方網(wǎng)站公開信息

3.3 聚四氟乙烯在5G領域的其他應用

艾威爾電路(深圳)有限公司潘曉發(fā)明了一種高頻PTFE及陶瓷混壓5G毫米波雷達天線板[15]，其特點為：該天線板包括陶瓷板，陶瓷板的外部包裹固接有聚四氟乙烯塑料板，內(nèi)部中間位置嵌合固接有輻射金屬層，聚四氟乙烯塑料板的下側外端面上貼合固接有收納盒，收納盒內(nèi)底面橫向開設有滑道，滑道處通過滑輪交接有推送螺紋環(huán)，輻射金屬層的底部連接有導線且導線的末端從推送螺紋環(huán)上端穿入內(nèi)部。新型輻射金屬層依靠陶瓷板作為載體組成天線板，其中陶瓷板具有較強的抗干擾、抗雷擊能力，并且陶瓷板外圍包裹的聚四氟乙烯塑料板具有良好的耐磨損、耐腐蝕性，同時嵌合的陶瓷塊可提高聚四氟乙烯塑料板的硬度，良好地保護了作為載體的陶瓷板。

除了在高頻覆銅板、射頻線纜、雷達天線板等的應用以外，聚四氟乙烯作為絕緣介質(zhì)還被廣泛應用于5G領域的各種連接器中。

4 結語

隨著5G技術的推廣應用，聚四氟乙烯在高頻覆銅板、射頻線纜的市場需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。同時，隨著聚四氟乙烯在5G其他領域的應用研究不斷加大，將進一步帶動聚四氟乙烯的市場需求。