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特种工程塑料在5G领域有哪些应用?

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本文来源 | 新材料研习社

 

特种工程塑料

它是一种综合性能较高,长期使用温度在150°C以上的高性能工程塑料,是继通用塑料和工程塑料之"后发展起来的第三代塑料,其兼具耐热、绝缘、耐腐蚀和机械强度高等优点,主要品种有聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜类、芳香族聚酰胺、聚芳酯、聚苯酯、聚醚醚酮、液晶聚合物和氟树脂等。

 

自2019年以来,随着5G基站、智能手机、智能穿戴、远程医疗及汽车通讯等产品的发展,特种工程塑料在5G领域也得到了创新应用。

 

5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。如此多快好省的先进传输,对材料的要求自然会更高。

 

 

5G传输的信号量是4G的10~ 100倍,对材料提出来的不只是信号传输速度提升这一一个简单要求,还包括损耗更小、信号不丢包、信号传输的稳定性和高可靠性。5G通信具有的高速率、多连接、低延时、可靠,这些要求是对5G整个产业链提出的,但作为最基础的原材料必然首当其冲。

 

聚苯硫醚(PPS)

它是分子链含亚苯硫醚重复结构单元的聚合物,其突出特点是具有耐高温,耐腐蚀、耐辐射、阻燃、无毒、机械性能和电性能十分优异,尺寸稳定性好等。

 

塑料天线振子:采用玻纤增强改性PPS,运用一体化成型注塑技术,使天线一次成型,经镭雕,电镀等工艺,实现塑料表面局部金属化。可达到减重降本的目的。

 

高频线路板:PPS薄膜作为高频柔性电路板基材,可降低传输损耗,并能保证高温高湿环境下信号的传输稳定性,可用作5G传输线缆和天线,应用于5G智能手机、基站和汽车领域。

 

5G基站滤波器:PPS注塑成型后电镀,代替铝作为滤波器腔体,实现轻量化。

 

聚酰亚胺(PI)

它是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物,具有优良的耐高低温性、电气绝缘性、化学稳定性、耐磨性、阻燃性等。是常用的柔性线路板基材之"一。

 

高频线路板:MPI高频挠性覆铜板主要应用在高频信号传输的FPC天线板上,终端运用于5G手机、物联网、智能家居、无人驾驶、VR技术等。

 

MPI天线是氟化物改进配方的聚酰亚胺天线,目前已经在10GHz以下领域具有跟LCP差不多的性能,有望进一步提升在5G天线上的应用渗透率。

 

 

液晶聚合物(LCP )

在通信领域,随着无线网络从 4G 走向 5G,频率不断提升,对各种电子零部件性能及其稳定性提出了更高的要求,主要体现在材料需要具有更优的介电性能,特别是低介电损耗。

 

LCP的介电性能突出,介电常数和介电损耗随着频率的变化波动非常小,高频信号传输稳定性优越,具有低吸湿性,耐化学腐蚀性、耐候性、阻燃性以及低介电常数等特点。

 

高频线路板:LCP薄膜传输损耗低,弯折性能较好,尺寸稳定性好,可作为FPC基材,可作为FPC天线以及信号传输线应用于手机等移动终端。

 

高频连接器:LCP材料可作为通讯连接器(如高速背板连接器、Gen-Z、Mini-SAS等),可确保数据传输通畅,主要用于基站、服务器、交换机、路由器等,还可作为消费类电子终端连接器。

 

塑料天线振子:LCP材料可用于天线振子,LCP材料具有一体化成型、更适用于SMT工艺和超低介电损耗的优势。

 

聚醚醚酮 ( PEEK )

聚醚醚酮是一种线型芳香族结晶热塑性塑料,具有极高的耐热性、耐变形性,很好的阻燃性和耐热水性、耐辐射性。

 

柔性线路板:PEEK薄膜可用于5G射频天线基板。

 

半导体:PEEK用于芯片测试、晶片夹,晶片花篮等。PEEK不含卤族元素,不会污染半导体晶圆,尺寸稳定性高。

 

 

高温尼龙

耐高温尼龙具有良好的耐磨性、耐热性、耐油性以及耐化学药品性,低吸水率,优异的尺寸稳定性和机械强度,在很宽的温度范围和高湿度环境下保持优异的机械性能。目前已经工业化的品种有PA46、PA6T、PA9T、PA10T等。

 

5G断路器:高温尼龙能满足低压电器外壳的要求,适应恶劣的环境与极端的天气,可用于5G断路器保证5G通讯柜安全稳定运行。

 

USB TYPE-C:USB连接器的贴装主要以SMT制程工艺为主,由于连接器高速的特性以及生产安装工艺的需要,耐高温材料成为必须,PPA具有耐高温和不变形的特性,被广泛应用在手机USB。

 

手机天线:PPA作为LDS天线材料具有优异的机械性能及尺寸稳定性,耐高温,在无铅焊接后无发泡、低翘曲等情况,无线电信号耗损很低。

 

特种工程塑料从20世纪60年代发展起来,从最初的国防军工等高科技领域进入民用领域,且民用份额逐年增大,特别是以5G为代表的新基建正在加速万物互联的智能世界的到来,材料要求更高,特种工程塑料在其中发挥重要作用。

 

 

聚醚酰亚胺 ( PEI )

一种透明琥珀色的无定形热塑性特种工程塑料

其分子结构既含有芳香胺官能团,又含有醚键结构,相对于其他芳族聚酰亚胺(简称PI)是一种成本较低、产量较高的热塑性PI。PEI树脂目前由沙特基础工业公司(SABIC) 生产。

 

PEI的综合性能

1

很高和长期的耐热性能,热稳定性好

极佳的尺寸稳定性,在很宽的温度范围内线性热膨胀系数稳定

环境温度对尺寸影响甚微,在有负荷的情况下使用不变形

 

2

卓越的机械强度和模量

突出的电性能在较宽温度和频率范围内

仍能保持基本恒定

 

3

稳定的介电常数和耗散因数

很好的红外透光性和较高的折射率

在不添加任何添加剂的情况下,就有突出的内在阻燃性

低烟密度及低热释放性能

 

4

优异的抗辐射性能和耐化学药品性

独特的电镀能力

低熔融粘度和较高的流动性

能以传统的热塑性塑料熔融加工工艺和设备成型

 

 

综上所述,凡牵涉到耐高温、尺寸稳定、红外透过和介电稳定等方面的应用,PEI都有非常强大的优势。此外,加入玻璃纤维、碳纤维或其它填料,PEI还可增强改性进一步提升其性能。

 

PEI在5G通信领域的应用

PEI优异的尺寸稳定性、耐高温性、可电镀性以及透波性能使其在5G通信领域独具优势。

 

光通讯

 

5G基站和数据中心布设量的大幅增加,大量数据传输需通过光纤互联,这为光通信市场带来新机遇。由于光通信信号传输主要是在红外波段,所以要求材料具有很高的红外波段透过性,低损耗,而且还需要很好的长期尺寸稳定性和耐候性。

 

PEI材料在光通信领域独领风骚,被广泛应用于光纤连接器,光收发模块光学组件。PEI材料具有很好的红外穿透性,在850nm-1550nm光通信频段透过率达88%以上,其同时具备的高折光指数在随温度湿度变化中仍能保持恒定,可以经受长达2000小时的双85(85℃/85%湿度)苛刻测试。

 

同时PEI材料具有极佳的长期尺寸稳定性,为信号传输提供可靠的光学对接;PEI具有高强度、高模量,用于取代金属制造光纤连接器,适配器以及其他结构组建,或取代玻璃制造光收发模块的透镜,可使元件结构最佳化,简化其制造和装配工艺,同时保持精确的尺寸,从而使最终产品的成本大幅降低。

 

另外,由于PEI材料具有的高尺寸稳定及高强度的特性,以及非常好的耐候性,其应用在光纤分光盒或基站的防水连接器领域,可满足IP67的防水要求,能显著提高产品的长期气密性和使用可靠性。

 

图光收发模块光学组件

 

射频连接器

5G基站天线采用大规模多进多出(Massive MIMO)技术。每个基站采用2到3面天线(AAU),每个天线可具有64到128个通道。天线板与射频板之"间以及天馈板和腔体滤波器板之"间均采用板对板连接器连接。

 

由于5G天线对于射频连接器需求量大幅提高,传统采用热固性材料(PTFE)并通过CNC加工方式进行大规模生产已成为行业制约。

 

射频连接器绝缘子需要材料提供良好的介电性能,低且稳定的介电损耗,很好的力学性能,优异的尺寸稳定性以便于组装,可靠的大规模生产性能,PEI材料在以上各个方面均能满足应用需求,已成为射频连接器绝缘子材料的首要选择。

 

 

无论对于传统的三段式板对板连接器,还是最新的pogo-pin设计,PEI材料都能满足客户的需求,体现了PEI材料在宽的温度范围内尺寸稳定,介电性能稳定,高机械强度,高融接线强度,耐温等方面优于其它工程塑料的特性,为客户提供更稳定的产品表现,降低成本。

 

除板对板连接器之"外,馈线接头用DIN连接器的金属外壳取代,传统的射频同轴连接器绝缘子及外壳也广泛采用了PEI材料。

 

滤波器

随着5G天线通道数的大幅增加,以及天线与RRU整合为AAU,有报道称5G天线的重量将比4G天线的重量增加30% 到80%。如何为5G天线减重已成为各大天线厂家及基站设备供应商关注的话题。金属滤波器的塑胶化再次成为各大设备厂家关注的焦点。

 

滤波器腔体要求塑料材料具有较高的耐热温度,甚至有些天线厂家提出了满足高温回流焊制程的需求;同时要求材料具有与金属相匹配的线性膨胀系数,且随温度的升高保持恒定;具有优异的电镀性能以保证在高低温时腔体的尺寸精度和与表面镀层的结合强度,从而确保滤波器在工作期间的性能稳定。

 

金属化后的塑料材料,可通过环境模拟实验及可靠性验证,包括高低温循环测试,湿热老化测试等,材料不变形,镀层不脱落,机械性能保持稳定。

 

PEI树脂材料作为高玻璃化转变温度的无定形材料,因其具有的与铝合金相近的线性热膨胀系数,随温度的升高保持恒定,具有优异的耐热性和尺寸稳定性,长期可靠性,介电损耗低且稳定,可电镀,并具有良好的金属粘结性等特点。

 

这些特点显现出了在腔体滤波器应用上其他塑料材料所不可比拟的优势,为5G基站天线腔体滤波器单元实现减重可高达30%;并可通过注塑加工工艺实现大规模生产,保持批次间尺寸精度,降低生产成本。

 

鉴于PEI的优异特性,PEI材料在3G ,4G时代已被广泛应用于滤波器相关部件,譬如调谐螺杆,飞杆底座,固定螺丝等。随着5G的技术发展,产品尺寸减少,精度和力学性能要求更严格,PEI的应用优势越来越显著。

 

移相器

 

在基站天线中,PEI还被广泛应用于移相器,不管是介质移相器的介质片还是环形移相器中的PCB支架,都得益于PEI材料的在宽泛的温度范围内良好的尺寸和介电性能的稳定性、低介电损耗及高机械强度和优异的回弹性。

 

随着5G基站的逐步商用以及对进一步降低能耗和成本的追求,传统的介质移相器或环形移相器将有机会取代芯片移相器广泛应用于5G massive MIMO 天线中。

 

综上所述,特种工程塑料PEI在5G领域中,由于其相对其它工程塑料在耐热,尺寸稳定,介电稳定,与金属结合等方面独具优势,因此具有广泛的应用前景。

 

 



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