分析 | 5G基站材料应用前景
2019-06-26 09:46:38
作者：本网整理 来源：华创证券、安信证券、电子发烧友
分享至：
本月（6月6日）工信部向中国移动、中国电信、中国联通和中国广电4家公司发放5G正式商用牌照。
工信部跳过预商用牌照直接发放5G正式商用牌照，较此前市场预期提前了半年左右。
中国成为继韩国、美国、瑞士、英国之后，第五个宣布5G商用的国家，跻身5G第一梯队！
5G给我们带来的是超越光纤的传输速度（Mobile Beyond Giga），超越工业总线的实时能力（Real-Time World）以及全空间的连接（All-Online Everywhere）， 5G将开启充满机会的时代。
5G的数据量更大、发射频率更大、工作的频段也更高，基站的建设将有别于4G基站。
1、5G基站有望达到4G基站的3.3-4.6倍
2017年中国4G广覆盖阶段基本结束，4G基站达到328万个。
从5G的建设需求来看，5G将会采取“宏站+小站”组网覆盖的模式，历次基站的升级，都会带来一轮原有基站改造和新基站建设潮。
根据赛迪顾问发布的《2018年中国5G产业与应用发展白皮书》，预计5G宏站增量将达到360-500万个，小基站数量将达到720-1000万个，合计基站总数量将是4G基站的3.3-4.6倍，奠定了海量增长空间。
5G基站的海量增长，将同步带动PCB、天线振子及滤波器等元器件应用的大幅增长。
移动通信基站的天线阵列演化将带来高频材料需求大幅增加（资料来源：中国联通网络技术研究院，安信证券研究中心）
根据主流的方案，5G基站将采用大规模天线关键技术（Massive MIMO），原本4G基站的天馈系统和RRU（射频拉远单元）合并，形成全新部分AAU（有源天线）。
AAU集成了RRU和传统天线的功能，数字接口独立控制每个天线振子，构成主动式天线阵列。
Massive MIMO的应用，将使得天线数量达到64、128或256，相比4G基站数量增长4、8倍或16倍。
每两个天线对应一个天线振子，对应的天线振子可达32、64或128个，而目前的4G的天线单元一般不超过8个天线振子。
5G 有源天线的结构图：天线振子将集成在一张PCB 板上。（资料来源：CNKI，安信证券研究中心）
2、PCB 海量增长， PTFE市场一触即发
在5G基站中，印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）作为最基础的连接装置将被广泛使用。
PCB是指在基材上按照预先设计好的形成点之间连接和印刷元件的基板。PCB的功能是让电子元器件按照预定电路连接（就是关键互连件）。
首先5G基站的天线阵子需要使用PCB作为连接；其次5G基站的滤波器等元器件将大幅增加，需要使用一块单独的PCB来连接这些元器件；最后5G基站的CU/DU等部分也需要使用PCB。
5G 建设初期，对于PCB 的需求增量直接体现在无线网和传输网上，对PCB 背板、高频板、高速多层板的需求较大。
目前PCB产业界广泛应用的基板材料是玻纤布增强的环氧型基材FR-4（环氧树脂玻纤布覆铜板），该材料是由一层或者多层浸渍过环氧树脂的玻璃纤维布构成。
因为它成本较低，且电气和机械性能适于多方面的需求，所以是应用最广的一类基板材料。但是FR-4的介电常数（ε）高达4.2~4.8以上，介质损失因子（tanδ）大于0.0015，难以满足高频应用的需求。
PCB上游原材料主要包括铜箔、玻璃纤维布、以及PTFE在内的特殊树脂和陶瓷等其他化工材料。
原材料中，铜箔是最主要的组成部分，约占覆铜板成本的30%-50%（取决于覆铜板的薄厚），它作为性能良好的导电体在PCB中起到导电和散热的作用。
此外，玻璃纤维布和特殊树脂也是重要的原材料，玻璃纤维布作为增强材料，起着绝缘和增加强度的作用；特殊树脂作为填充材料，起着粘合和提升板材性能的作用。
其中，PCB 上游的特殊树脂领域目前国际领先的厂商还是以海外厂商为主，包括日本的三菱瓦斯、Panasonic、日立化成，美国的罗杰斯、伊索拉、泰康利，以及中国台湾的联茂、台光等。
PCB 各产业环节供应商。（资料来源：覆铜板资讯，印刷电路信息，各公司公告，华创证券）
为了满足高频高速PCB 产品的可靠性、复杂性、电性能和装配性能等诸多方面的要求，许多PCB基板材料的厂商对特殊树脂进行了不同的改进。
在目前高速高频化的趋势下，较为主流的PCB材料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。
对于基站PCB而言，最为重要的指标是介电特性、信号传输速度和耐热性，前两点上PTFE基板都具有较好的性能。
它是目前为止发现的介电性能最好的有机材料，优异的介电性能有利于信号完整快速地传输，这角度而言PTFE是5G时代基站PCB板的优选树脂材料。
但是，PTFE基板也有局限性，比如耐热性较差，加工性欠佳、成本较高等。
根据国内PCB龙头企业深南电路的招股说明书中的采购数据，可以知道PTFE板材在2017年的市场价格为600元（人民币：下同）/m2。
假设其价格不变，五年之后也即2023年5G基站能全部建设完毕，可以推知单基站PTFE的价值为1875元，届时中国基站用PTFE需求空间为89.06亿元，全球基站用PTFE需求空间预期为127.23亿元。
目前生产PTFE的企业主要有科慕、大金氟化工、阿科玛、3M、德清科赛、浙江巨化集团等企业。
3天线振子数量暴增，塑料天线振子大有可为
天线振子是天线的核心部件。天线振子作为天线的主要组成部分，主要负责将信号放大和控制信号辐射方向，同样可以使天线接收到的电磁信号更强。
根据天线的形态，天线振子形态也包括多种多样，有杆状、面状等；根据加工工艺，主要有钣金、PCB、塑料等。传统4G天线振子多以金属钣金为主。
从5G设备商测试情况来看，在热点高容量地区优先选择64通道的天线设备，同时因为192振子天线设备相比128振子在覆盖能力上能提升1.7dB，目前设备商测试64通道天线大都采用96个双极化天线振子，即192个天线振子。
一个基站需要三面天线，假设未来单面天线主流方案采用192振子，对应需要一个基站需要3*192=576个振子。
相较于现有4G网络（视天线通道数的不同，一般为10-40个天线振子），5G天线含有的振子数将大幅增加。
天线振子加工方式主要有金属压铸/钣金、PCB贴片和塑料振子，4G时代更多以金属压铸/钣金方式加工，组装更多的靠人工，效率低下。
5G时代由于频段更高且采用Massive-MIMO技术，天线振子尺寸变小且数量大幅增长，综合考虑天线性能及AAU安装问题，塑料天线振子方案具有一定的综合优势。
为了应对 5G 新型天线的变化，市场上出现了全新的工艺——3D 选择性电镀塑料振子方案，其中代表企业为飞荣达。
所谓的塑料天线振子即采用内含有机金属复合物的改性塑料材料，用注塑成型的方式将复杂的 3D 立体形状一次性制造出来，再利用特殊技术使塑料表面金属化。
塑料振子在保证天线满足 5G 电器性能的同时，产品重量大大减轻，减少了危险过程工序，也节约了成本。
3D 塑料振子的制造工艺一般指注塑工艺+激光工艺，其中激光工艺指在新型的塑料件上用激光直接 3D 打印电路板的技术。激光工艺中又分为选择性电镀和 LDS 两种工艺。
LDS 激光工艺适用于小型电子器件，目前最广泛的应用是手机天线和各类智能终端。
而选择性电镀激光工艺适用于较大型的设备，包括宏基站天线。
3D 塑料振子方案的分类图解（资料来源：安信证券研究中心整理）
3D 塑料振子除了重量非常轻，还能满足钣金 和压铸工艺所不能实现的精度要求。注塑和选择性电镀都是精度非常高的工艺，将它们结合在一起，可以保证天线振子精度满足 3.5G 以上的高频场景要求。
目前飞荣达的塑料天线振子加工工艺已具备量产条件，并已开始在进行供货。
通达集团也于今年1月初发布公告称，通达集团已就应用于5G主流大规模多输入多输出天线（Massive MIMO）完成对雷射直接成型（LDS）、塑胶电镀（POP）的基站天线单机应用的研发。
4、天线罩：复合材料大显身手
由于5G天线遵循MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）概念，意思是多输入多输出，这意味着一个基站内可安装多个天线，而这些天线的尺寸又很小，需要天线罩的保护。
位于成都高新区的全省首个应用5G基站（央广网发 高新区供图）。
天线罩要具有良好的电磁波穿透特性，机械性能上要能经受外部恶劣环境的侵蚀如暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等。
在材料要求方面，要求在工作频率下的介电常数和损耗角正切要低，及要有足够的机械强度。
一般而言，充气天线罩常用涂有海帕龙橡胶或氯丁橡胶的聚酯纤维薄膜；刚性天线罩用玻璃纤维增强塑料；夹层结构中的夹心多用蜂窝状芯子或泡沫塑料。
而在5G趋势下，性能优越的复合材料成为备受欢迎的天线外罩材料。复合材料能起到绝缘防腐、防雷、抗干扰、经久耐用等作用，而且透波效果非常好。
透波复合材料由增强纤维和树脂基体构成，通常，增强材料的力学性能和介电特性均优于树脂基体，故此复合材料的透波性能主要取决于树脂基体的性能。
因此，选择具有优良电性能的树脂基体至关重要，同时树脂在复合材料中也起胶粘剂的作用，是决定复合材料耐热性的基本成分。
树脂基体主要选择包括：传统的不饱和聚酯树脂（UP）、环氧树脂（EP）、改性酚醛树脂（PF）以及近年来开始研究和应用的氰酸酯树脂（CE）、有机硅树脂、双马来酰亚胺树脂（BMI）、聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）等新型耐高温树脂。
免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。
相关文章
官方微信
《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事
- 投稿联系：编辑部
- 电话：010-62313558-806
- 邮箱：fsfhzy666@163.com
- 中国腐蚀与防护网官方QQ群：140808414
点击排行
PPT新闻
“海洋金属”——钛合金在舰船的
点击数：5768
腐蚀与“海上丝绸之路”
点击数：4763