5G材料之争：谁被淘汰，又是谁的时代？导热材料将呈几何似增长！

2019年6月6日，工信部正式宣布向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电颁发5G商用牌照，这也标志着我国进入了5G商用元年。

CIME2021深圳国际导热散热材料展2021年8月23-25日

5G早已被多个国家上升为国家战略。为了争夺5G全球领先地位，美国甚至动用政治手段封杀、打压有潜力的通信企业。美国制裁中兴、限制华为、拒绝中国移动背后的逻辑，亦是如此。

中国和美国同处于5G建设部署的第一梯队。未来，中国和美国都是最有能力抢占5G全球领先地位的国家。除了贸易之外，5G也是双方绕不过去的战场。中国的底气在哪里呢？

1、中国是全球最大的单一通信市场

我国有超过15亿的移动电话用户，虽然5G三大应用场景人与人通信仅为其中一部分，但5G商用最初的场景主要围绕人与人通信。当前4G时代，我国已经建立起了全球最大的4G无线网络，并支撑起了国内庞大的移动互联网应用。移动支付、共享单车等已经作为中国的“新四大发明”推向全球。

2、中国有全球最大的无线通信网络

工业和信息化部的数据显示，截至2019年一季度末，我国的移动电话基站总数为662万个，其中3/4G基站占比超过75%。与我国国土面积相差无几的美国拥有的基站总数仅相当中国的十分之一，其中的3/4G基站更仅有不到30万个。可以说，中国有着无处不在的网络覆盖。

有统计测算显示，因5G基站的覆盖范围有限，故所需的基站总数将是4G基站总数的1.2-1.5倍左右。

3、中国有全球最强的通信设备商

全球最大的通信设备中共有四个，分别为华为、爱立信、中兴和诺基亚，占据着全球超过80%的市场份额。华为和中兴属于国内企业，爱立信和诺基亚都属于欧洲企业。在5G核心专利中，华为占比最高，达49.5%。美国在芯片方面领先，但中国的发展速度也很快。

4、中国有最强大的政策支持

我国当然对5G给予了特别的关照。国家发改委还向运营商提供了频谱占用费“头三年减免，后三年逐步到位”的优惠政策。初步估算，中国移动、中国电信和中国联通三大运营商将会因此节省上百亿元人民币的开支。未来5G建设和发展过程中将涉及基站建设用地、用电等一系列具体需求，相信从中央到地方将会给出具体支持政策。

主要国家和经济体5G 商用进度

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5G 行业可能大规模应用的关键材料

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0 1滤波器关键材料——微波介质陶瓷

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在射频器件中，滤波器是核心部件，其主要作用是使发送和接收信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。

在3G/4G时代，金属同轴滤波器是市场的主流选择。传统应用的滤波器一般由金属同轴腔体实现，是通过不同频率的电磁波在同轴腔体滤波器中振荡，达到滤波器谐振频率的电磁波得以保留，其余频率的电磁波则在振荡中耗散掉的作用。金属同轴腔体成本低、工艺成熟而得到广泛应用。

为应对无线环境干扰愈加复杂的情况，陶瓷介质谐振滤波器迅速发展。随着移动通信网络的发展，商用的无线频段变得非常密集，导致普通金属腔体滤波器不能实现高抑制的系统兼容问题，所以采用陶瓷介质材料来制作腔体滤波器解决上述问题。

5G时代，陶瓷介质滤波器有望成为主流。5G时代，受限于Massive MIMO（大规模天线技术）对大规模天线集成化的要求，滤波器需更加小型化和集成化，在限定腔体尺寸的情况下，由于自身材料的损耗，上述两种滤波器无法取得很高的Q值，导致各项性能指标都受到了限制。陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在介质材料内部，没有金属腔体，因此体积较上述两种滤波器都会更小。

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0 2 PCB关键材料——高频基材

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在射频器件中，需要使用许多不同类型的高频电路，包括功率放大器，需要适当的电路材料。

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、发射频率更大、工作的频段也更高，这需要基站用 PCB 板有更好的传输性能和散热性能，这意味着 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优选聚四氟乙烯（PTFE）作为填充树脂材料，填充聚四氟乙烯以及用玻璃织物或金属陶瓷增强的聚四氟乙烯，可以降低复合材料的冷流性及线膨胀系数，提高耐磨性及导热性，而且也降低了制品的成本。

未来5G时代，对于PCB板的要求更高。较为主流的高频基材包括包括聚四氟乙烯树脂（PTFE）、环氧树脂（EP）、双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）、热固性氰酸脂树脂（CE）、热固性聚苯醚树脂（PPE）和聚酰亚胺树脂（PI），由此衍生出的覆铜板种类超过 130 种。它们有一个共同的特性, 就是基板材料所用的树脂的介电常数、介质损失因素都是很低的或较低的。

高频PCB产业各环节主要供应商

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全球各种高速高频化基板材料的生产厂家

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0 3第三代半导体材料——SiC、GaN

三代半导体原料的发展

半导体原料共经历了三个发展阶段：第一阶段是以硅(Si)、锗(Ge) 为代表的第一代半导体原料；第二阶段是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP ) 等化合物为代表；第三阶段是以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等宽频半导体原料为主。

第三代半导体原料具有较大的频宽宽度，较高的击穿电压(breakdown voltage)，耐压与耐高温性能良好，因此更适用于制造高频、高温、大功率的射频元件。

GaN 则具有低导通损耗、高电流密度等优势，可显著减少电力损耗和散热负载。可应用于变频器、稳压器、变压器、无线充电等领域。

SiC 因其在高温、高压、高频等条件下的优异性能，在交流-直流转换器等电源转换装置中得以大量应用。

手机射频器件中，GaAs仍是首选

4G 时代，智能手机一般采取1发射2 接收架构，预测 5G 时代，智能手机将采用2发射4接收方案，未来有望演进为8接收方案。功率放大器是一部手机最关键的器件之一，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面功率放大器的数量随着 2G、3G、4G、5G 逐渐增加。

在手机无线通信应用中，目前射频功率放大器绝大部分采用 GaAs 材料。GaN由于价格昂贵、供电电压高、需要提高散热设计等问题，短期内难以撼动GaAs材料的地位。

5G基站射频器件中，GaN大有可为

4G 基站采用4T4R方案，按照三个扇区，对应的射频功率放大器需求量为12个，5G基站，预计64T64R将成为主流方案，对应的功率放大器需求量高达192个，数量将大幅增长。目前基站用功率放大器主要为LDMOS技术，但是LDMOS技术适用于低频段，在高频应用领域存在局限性。

5G基站GaN射频功率放大器将成为主流技术，逐渐侵占LDMOS 的市场，GaN能较好的适用于大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）。GaN的优点是禁带宽度大（3.4eV），热导率高（1.3W/cm-K），因此工作温度高，击穿电压高，抗辐射能力强。

未来，SiC衬底的GaN功率元件，在5G基站将得到更多的应用。

0 4

手机天线材料——LCP和MPI

LCP（液晶聚合物材料）作为一种新材料，非常适用于微波，毫米波设备，具有很好的应用前景。LCP主要生产商包括Du Pont、Ticona、住友、宝理塑料、东丽等。

目前主流的天线基材主要是聚酰亚胺(PI)，但是由于PI基材的介电常数和损耗因子较大、吸潮性较大、可靠性较差，因此导致了高频传输损耗严重、结构特性较差，已经无法适应当前的高频高速趋势。

未来5G时代，多层 LCP 天线非常适用于高频段，有望成为手机天线的首选材料。

严格意义上，“LCP 天线”应称之为采用LCP 为基材的FPC 软板，并承载部分天线功能。

传统FPC 电路板基材主要是聚酰亚胺（PI），而“LCP 天线”是采用LCP 作为基材的FPC电路板。

应用案例：iPhone X首次规模使用LCP天线

iPhone X首度使用了LCP天线，用于提高天线的高频高速性能并减小空间占用。iPhoneX中使用2个LCP天线，iPhone8/8Plus也使用1个局部基于LCP软板的天线模组，均用于提高终端天线的高频高速性能，减小组件的空间占用。

此外，iPhone X的单根LCP天线价值约为4-5美元，两根合计8-10美元，而iPhone7的独立PI天线单机价值约为0.4美元，从PI天线到LCP天线单机价值提升约20倍。

iPhone X首度规模使用LCP天线意义重大，可解读为苹果为5G提前布局与验证。

LCP树脂主要厂商

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5G时代，LCP将与MPI共存

LCP的生产厂家较少，供货稳定度上存在一定问题。手机生产厂商的议价能力相对较弱，LCP不仅良率较低，且价格居高不下。改良的聚酰亚胺（MPI）将在5G时代初期与LCP共存。

未来，预测在5G时代MPI与LCP天线分别负责10-15GHz以下与mmWave(27GHz)，而在4G与5G过渡期时的中与低阶手机可能仍维持PI天线或改采MPI天线。后期，LCP供应稳定后，将完全取代MPI成为主流材料。

0 5手机外壳材料——3D玻璃、陶瓷、PC、PMMA

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5G时代，手机外壳将从金属转向玻璃和树脂等不易受电波影响的材料。此前，常用的金属是铝，它的质感比塑料等材质更好，但缺点是会屏蔽信号。

手机高端机型：3D玻璃、陶瓷受青睐

目前，手机前后盖应用较为广泛的是2.5D玻璃，2D玻璃的市场占比已经逐渐减小，性能更为优越的3D玻璃占比开始增大。3D玻璃具有轻薄、透明度更高、抗指纹性强、防眩光、耐刮伤等优点。虽然未来手机前后盖都可能使用玻璃材料，但仍需采用金属中框。

陶瓷耐磨性好、散热性能优秀、质感舒适，使其在手机外壳上受到欢迎。但是陶瓷的良品率低、成本高，短期只适合部分高端手机应用，难以推广开来。

美国特殊玻璃生产商康宁公司（Corning）开发了“大猩猩玻璃（Gorilla Glass）”制造的外壳背板。这是一种不易损伤和破碎的手机用玻璃。相比铝和不锈钢材料，玻璃对高频电波的穿透性更好，能提高无线充电的效率。苹果iPhone X等机型已经采用了这种背板。康宁透露已经收到“很多来自5G手机的洽购”，显示出强劲势头。小米MIX系列则推出了陶瓷机身。

手机中低端机型：PC/PMMA复合材料成首选

PC/PMMA复合板材成型工艺是仿玻璃工艺中相对最成熟的一个。这种材料原本作光学薄膜（或板材）使用，因仿玻璃的需要引入到手机外壳领域。

PC/PMMA复合板材是将PMMA和PC通过共挤制得，包括PMMA层和PC层。PMMA层加硬后能达到4H以上的铅笔硬度，保证了产品的耐刮擦性能，而PC层能确保其具有足够的韧性，保证了整体的冲击强度。

在追求高性价比的中端（1000-2000元）手机市场，低成本的仿玻璃塑胶手机后盖便成了华为、OPPO、vivo等品牌手机厂商的首选方案。预计在5G时代，PC/PMMA复合材料将与玻璃平分秋色，占据50%左右的手机外壳市场。

0 6手机电磁屏蔽材料——导电塑料、导电硅胶等

毫米波穿透力差，衰减大，覆盖能力会大幅度减弱，因此5G对信号的抗干扰能力要求很高，需要大量的电磁屏蔽器件。目前，广泛应用的电磁屏蔽器件主要有导电布、导电橡胶、导电泡棉、导电涂料、吸波材料、金属屏蔽器、导电屏蔽胶带等。

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CIME2021

0 7手机导热散热材料——导热硅脂、凝胶、石墨膜

在5G时代，手机的数据传输量大增，可能导致手机过热的风险持续提升。目前主要的手机导热散热材料包括高导热石墨烯膜、印刷式导热垫片、导热凝胶、导热硅胶片、导热绝缘胶、导热石墨片、导热相变材料、导热硅脂等。以下是几种主流的散热方式：

高导热石墨烯膜

高导热石墨烯膜是一种超薄散热材料，可有效的降低发热源的热密度, 达到大面积快速传热, 大面积散热, 并消除单点高温的现象。高导热石墨烯膜产品厚度选择多样化 (0.08mm ~ 2mm) 外形亦可冲形为任意指定形状, 方便使用于各种不同产品内, 尤其是有空间限制的电子产品中。高导热石墨烯膜体积小，由于具轻量化优势，在现行散热方案中属最不增加终端产品重量的设计方式，高导热石墨烯膜质地柔软，极佳加工性及使用性，本身也不会产生额外的电磁波干扰。

导热凝胶散热

导热凝胶散热，和电脑的处理器和散热器中间的那种硅脂层是一个原理，其作用是让处理器散发的热量能够更快的传递到散热器上从而散发出去。

液冷热管散热

液冷热管散热，就是将一个充满液体的导热铜管顶点覆盖在手机处理器上，处理器运算产生热量时，热管中的液体就吸收热量气化，这些气体会通过热管到达手机顶端的散热区域降温凝结后再次回到处理器部分，周而复始从而进行有效散热。

CIME

2013年5月，日本智能手机厂商NEC就发布了世界上第一款采用热管散热技术的手机NEC N-06E。NEC在N-06E内部封装了一条充满纯水的热管，长约10厘米，热管和处于主板平行位置的石墨散热片充分结合，迅速将处理器产生的热量传导至聚碳酸酯外壳上。

科思创：为5G智能手机开发全新薄膜解决方案

科思创是PC材料的主要生产商之一。通过科思创模克福®SR多层共挤薄膜解决方案，结合全新的制造工艺，生产的手机后盖有玻璃般质感，但不易碎。科思创特殊薄膜大中华区总监赵洪义解释道：“我们的薄膜解决方案不仅可以满足毫米波长的无线电高频率传输要求，更可以实现复杂的3D造型设计。”

这款可3D成型的适用于5G手机的透明薄膜经专门设计，为手机品牌提供了更高的设计自由度，手机制造商可以利用UV纳米压印和非导真空镀膜（NCVM）等装饰技术实现时尚的手机背盖效果。

金旸新材料：高导热尼龙在5G基站和手机上的机会

高导热尼龙是导热材料中的佼佼者，它由基体树脂PA6通过与石墨烯、玻璃纤维、阻燃剂等辅料共混造粒而成，具有优良的材料性能，包括更高的导热系数、更好的散热效果、良好的耐冷热冲击循环特性、低密度(相比传统铝减重仅50%)、塑料加工简单以及成型周期大幅缩短(相比传统铝缩短20%-50%)等。

金旸高导热尼龙使用石墨微晶片作为导热填料，相较于常用的氮化硼、氮化铝、金属粉未等导热填料，具备更高的成本优势，而且产品密度可以做得更低，进一步降低产品单重。

石墨烯拥有高强度、超薄、出色的导热性，但也有局限性。相比其他使用石墨烯或石墨导热的材料，金旸开发的导热尼龙加入第三相，利用石墨微晶片在两相间的溶解度差异，形成具有良好导热通道的富石墨相和具有良好加工和冲击的塑料相，有效解决了石墨烯导热材料冲击性能不足的缺点。

据预测，2021年仅5G手机年销量就将突破1亿部，基站数量将增至800万个，它们将带来巨大的市场增量。轻薄化、高速度、功能化是电子设备的发展趋势，有限的空间设计意味着对导热材料提出了更高要求。在此趋势下，高导热尼龙将在5G市场中占据一席之地。

杜邦：PBT、高温聚酰胺和聚酯弹性体

杜邦公司的Crastin聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）产品系列可提供平衡的Dk和Df（介电常数和耗散因数），分别小于3和小于0.007。该材料还能使天线具备了出色的性能，能确保清晰，高速的信号传输，低延迟的5G通信和操作质量。据杜邦公司称，CE20系列PBT材料具有低于3的低介电常数，可以扩大带宽，以实现更好的传输。与卤化阻燃PBT级相比，PBT还可以稳定的方式与金属结合，使材料流动性提高40％，密度提高10％。

杜邦还通过其Zytel HTN系列高温聚酰胺作为高速连接器的材料。这些材料可以兼容目前最流行的SMT（表面贴装技术）组装工艺。据报道，20-50％的玻璃纤维增强级产品具有出色的流动性，非常适合小型化设计。产品耐温高达280°C，CTI高达600 V。

同时，该公司针对ODN解决方案的Hytrel热塑性聚酯弹性体可应用于光纤电缆，而据称Zytel RS HTN聚酰胺作为互连材料具有出色的机械性能和可靠性，可实现快速连接服务。

陶氏：陶熙™ TC-3015有机硅导热凝胶

陶熙™ TC-3015有机硅导热凝胶固化后形成导热凝胶，可实现芯片组的高效散热，还具有卓越的润湿性，可确保低Rc（接触电阻）以实现热管理，即便在集成电路（IC）和中央处理器（CPU）等发热最多的智能手机部件也不会形成产生热点。

陶熙™ TC-3015有机硅导热凝胶的导热性能可以描述为：TC（导热系数）= 2W / m.K，粘合层厚度(BLT)在3mm以下时，热老化不会出现塌落或裂纹，应用于智能手机部件能实现高效的热管理。

此外，针对以往智能手机等消费电子产品在生产过程中存在的返工问题，陶熙™ TC-3015有机硅导热凝胶可以轻易无残留剥离以用于重新加工。这一优势对于消费电子生产企业来说至关重要，可以大为节省生产成本，提高效率。陶熙™ TC-3015有机硅导热凝胶还可以采用自动化点胶的方式集成到生产自动化流程中，无需耗费太多时间应用于成品散热垫，避免了人工操作带来的低效率。