聚四氟乙烯在5G通信领域的应用进展

汤 阳 孟庆文

(浙江巨化股份有限公司氟聚合物事业部，浙江 衢州 324004)

0 前言

2019年为中国5G商用元年。作为第5代移动通信技术，5G具有比4G更好的性能，如高速高稳定性、低延时、频谱利用率高和扩展性好等优势[1-2]。高频传输技术是5G无线通信的关键技术之一，高频传输技术能够有效地增加频段资源的可利用率，增强5G无线通信技术对于网络发展的技术需求[3]。要实现高频传输，必须使用低介电常数、低介质损耗材料,而聚四氟乙烯(PTFE)作为目前有机材料中介电常数最低的材料必将得到广泛的应用。

1 5G通信对高频技术的依赖

通讯分为有线通信和无线通信，如果是在实体物质上传播，就是有线通信，基本上用的就是铜线、光纤等线缆，统称为有线介质。在有线介质上传播数据，速率可以达到很高的数值。以光纤为例，在实验室中，单条光纤最大传输速率已达到了26 Tbps，(1 Tbps=1 000 Gbps=1 000 000 Mbps)，是传统网络的26 000倍，而无线通信才是移动通信的瓶颈所在，所以5G通讯如果要实现高速率传输，重点是解决无线通信的高频传输技术问题。无线通信就是利用电磁波进行通信，电波和光波都属于电磁波，电磁波的功能特性是由它的频率决定的。

不同频率的电磁波有不同的属性，因而有不同的用途，如表1所示。

表1 不同频率电波的用途

电磁波频率越高，波长则越短。国际上主要使用28 GHz进行5G通信技术研发，这意味着5G通讯采用毫米波波段。电磁波的波长越短，绕射能力就越差，传播过程中电磁波的衰减也越大，意味着5G通讯的电磁波覆盖能力和传输信号强度相对于4G通讯时代大幅度下降，材料方面通过调控介电性能以降低此影响[4]。

2 低介电材料在5G领域高频传输技术上的应用

材料的介电性能是指在电场作用下，对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数(Dk)和介质损耗因子(Df)表示。Dk是衡量材料存储电性能能力的指标，Dk越低，信号在介质中传送速率越快、能力越强。Df是衡量介电材料能量耗损大小的指标，Df越低，则信号在介质中传送的完整性越好。当电介质、外加电压及频率一定时，介质损耗与介电损耗正切值(tanδ)成正比，即可以用tanδ来表示介质损耗的大小。

5G对低介电材料的介电常数要求在2.8～3.2之间。低介电常数材料主要用于5G手机的天线材料、线路板材料、盖板材料和壳体材料，目前主要的低介电常数材料为PTFE、PPO、LCP和PI(或MPI)。以天线材料为例，常在两个低介电常数材料LCP和MPI之间互选。传统线路板材料为PTFE和PI，如果LCP成膜材料技术获得突破，其竞争力会很强。壳体材料选择PPO/HIPS代替PC/ABS材料[5]。表2为不同材料的介电常数及介质损耗因子。

表2 不同材料的介电常数及介质损耗因子

注：数据来源于观研天下

3 聚四氟乙烯在5G领域的应用

3.1 聚四氟乙烯在5G领域高频PCB中的应用

3.1.1覆铜板的分类及应用

在移动通信基站中，印刷电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)覆铜板是印刷线路板的核心基材，覆铜板(Copper Clad Laminate，简称CCL)是由石油木浆纸或玻纤布等作增强材料，浸以树脂，单面或双面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。CCL材料是生产PCB的基础材料，主要用于制作PCB，对PCB起互联导通、绝缘和支撑的作用。

由高频覆铜板基材加工的PCB作为最基础的连接装置将被广泛使用。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(集中单元)/DU(分布单元)等部分也需要使用PCB。对高频覆铜板材料的核心要求是低介电常数和低介电损耗因子。高速和高频覆铜板是在玻璃纤维布基CCL的基础上，通过使用不同类型的树脂实现的，其核心要求是低介电常数和低介电损耗因子：Dk越小越稳定，高频、高速性能越优；Df越小越稳定，高频、高速性能越优。根据Dk与Df两个参数将覆铜板划分为六层，其中应用于微波与毫米波频段的基材主要采用低介电常数树脂(PTFE、碳氢化合物以及 PPE 树脂)，Df值小于0.005。

一般而言，可通过树脂材料、基板材料及基板树脂含量来降低Dk和Df值。目前，在4G通信领域PCB中广泛使用的大多为环氧树脂玻璃布基覆铜板(FR-4)，但是其Df值在0.01以上。而5G领域主要为微波及毫米波应用领域，聚四氟乙烯树脂作为目前为止发现的介电常数最低的高分子材料，Df值在0.002以下，在覆铜板中表现出优异的介电性能，在高频、高速工况下的介电损耗满足5G通信基站要求[6]。不同基材用树脂的对比如表3所示。

表3 不同基材用树脂的对比

表3(续)

3.1.2聚四氟乙烯高频覆铜板的加工

目前，聚四氟乙烯高频覆铜板的加工有以下几种工艺[7-9]：1)聚四氟乙烯乳液多次浸渍纤维布，经过高温烧结，与玻纤布紧密结合得到树脂含量较高的浸渍片，将多层浸渍片叠合起来，并在两面覆上铜箔，进行层压得到聚四氟乙烯覆铜板；2)将聚四氟乙烯车削膜和经过聚四氟乙烯分散乳液浸渍的玻璃纤维布叠合得到一定厚度和树脂含量的绝缘层，绝缘层两面覆盖铜箔进行层压，制得聚四氟乙烯覆铜板；3)短玻纤混合增强聚四氟乙烯树脂通过压延/模压等方法压成片材，再覆铜箔压制烧结成聚四氟乙烯覆铜板；4)采用陶瓷粉末改性聚四氟乙烯树脂得到复合基板材料，再进一步层压制作覆铜板。其中，主流工艺为多层聚四氟乙烯-玻纤布浸渍片叠合后覆铜进行层压制得聚四氟乙烯覆铜板，生产工艺流程如图1所示。

图1 聚四氟乙烯覆铜板生产工艺流程简图

3.1.3聚四氟乙烯高频覆铜板的研发生产现状

1)国外现状

对高频覆铜板材料的核心要求是低介电常数和低介电损耗因子。目前，主流高频产品是通过使用聚四氟乙烯及碳氢化合物树脂材料工艺实现的。高频基材的主要市场份额被美国罗杰斯(Rogers)、美国泰康丽(Taconic)、美国帕克(Park Electrochemical Corp Nelco品牌)、美国伊索拉(Isola)、日本中兴化成和松下电工等少数厂商占据，以上几家企业占聚四氟乙烯覆铜板市场份额的90%以上，且市场供给相对有限。表4为国外主要聚四氟乙烯高频覆铜板供应商及相关产品信息。

2)国内现状

目前，国内掌握聚四氟乙烯高频覆铜板生产技术并能稳定提供产品的厂商极少，仍需大量依靠进口。国内能生产聚四氟乙烯覆铜板的企业主要有广东生益科技股份有限公司(SCGA-500系列，天线射频电路用玻璃布增强PTFE覆铜板)、浙江华正新材料股份有限公司等少数企业。广东生益公司较早生产高频高速产品，并且在高频领域，同时具备聚四氟乙烯(PTFE)和碳氢两个系列的产品。目前，高速板主要在广东生益生产，高频板的主要生产基地为南通厂。浙江华正公司高频板H5系列已实现量产，同时又开发了HC系列和HN 系列，PTFE 和碳氢系列产品种类丰富。高速板方面，公司部分产品已实现批量生产，其他产品也处于客户认证阶段。从部分专利公开信息来看，南京大学、江苏迪飞达电子有限公司等也在积极研发聚四氟乙烯高频覆铜板[10-13]。

表4 主要聚四氟乙烯高频覆铜板供应商及相关产品信息

表4(续)

注：信息来源于公司网站公开信息

3.2 聚四氟乙烯在5G领域射频传输中的应用

3.2.1射频电缆应用

1)同轴电缆的定义

同轴电缆是指有两个同心导体，而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆。最常见的同轴电缆由绝缘材料隔离的铜线导体组成，在里层绝缘材料的外部是另一层环形导体及其绝缘体，然后整个电缆由聚氯乙烯或Teflon材料的护套包住。

2)同轴电缆的工作原理

同轴电缆由里到外分为四层：中心铜线(单股的实心线或多股绞合线)、塑料绝缘体、网状导电层和电线外皮。中心铜线和网状导电层形成电流回路。因为中心铜线和网状导电层为同轴关系而得名。同轴电缆传导交流电而非直流电，也就是说每秒钟会有好几次的电流方向发生逆转。如果使用一般电线传输高频率电流，这种电线就相当于一根向外发射无线电的天线，这种效应损耗了信号的功率，使得接收到的信号强度减小，同轴电缆的设计正是为了解决这个问题。中心电线发射出来的无线电被网状导电层所隔离，网状导电层可以通过接地的方式来控制发射出来的无线电。射频电缆是供信号传送用的连接线，它的使用范围很广，常见的使用包括有线电视线、无线电通讯设备和电子装置的有关无线电子设备。它的优点是可以在相对长的无中继器的线路上支持高带宽通信。

3.2.2聚四氟乙烯射频电缆的种类、结构和制作

聚四氟乙烯不仅电绝缘性突出，而且在较宽的使用温度区间及频率范围内，具有低介电常数并有特别低的损耗因子、介电强度和介电常数(2.3～2.1)，并且聚四氟乙烯通过单向拉伸、双向拉伸可进一步制作膨体聚四氟乙烯材料(e-PTFE)，介电常数可进一步降低[2]，体积电阻率和表面电阻率保持良好，并直至它们的玻璃化转变温度都不受温度影响。它们具有低吸湿性，介电性能受湿度的影响很少。聚四氟乙烯塑料电性能不随时间改变，几乎对所有化学品和溶剂呈惰性，甚至在高温和压力下也能保持它们的优异性能，特别适用于需要低衰减的数据传输电缆[14]。根据结构和用途的不同，聚四氟乙烯高频电缆可以分为半刚、半柔、轧纹、低损耗稳相电缆、测试电缆等多种型号。表5 为金信诺公司聚四氟乙烯射频电缆的种类和结构。

表5 金信诺公司聚四氟乙烯射频电缆的种类和结构

注：数据来源于金信诺公司官方网站公开信息

3.2.3聚四氟乙烯射频电缆在5G领域的应用

基站天线系统的馈电网络是决定天线信号接受、传输和发射的关键部件，其内部采用实心聚四氟乙烯绝缘同轴电缆连接移相器、功分器等组件，将来自功率放大器信号的电流按一定幅度和相位分配到各个天线辐射单元中。在4G基站天线馈电系统中，轧纹同轴电缆采用发泡聚乙烯作为绝缘体。而由于5G基站电磁波信号频率更高，对同轴电缆的衰减屏蔽参数提出了更高的要求，聚四氟乙烯半柔同轴电缆完全可以满足这一要求。在5G基站建设过程中，半柔同轴电缆将全面取代轧纹同轴电缆，叠加馈线用半柔同轴电缆。半柔同轴电缆需求将随5G基站的建设呈爆发式增长，绝缘层PTFE材料的需求也将同步增长。表6 为4G用轧纹同轴电缆与5G用半柔同轴电缆对比。

表6 4G用轧纹同轴电缆与5G用半柔同轴电缆对比

注：数据来源于金信诺公司官方网站公开信息

3.3 聚四氟乙烯在5G领域的其他应用

艾威尔电路(深圳)有限公司潘晓发明了一种高频PTFE及陶瓷混压5G毫米波雷达天线板[15]，其特点为：该天线板包括陶瓷板，陶瓷板的外部包裹固接有聚四氟乙烯塑料板，内部中间位置嵌合固接有辐射金属层，聚四氟乙烯塑料板的下侧外端面上贴合固接有收纳盒，收纳盒内底面横向开设有滑道，滑道处通过滑轮交接有推送螺纹环，辐射金属层的底部连接有导线且导线的末端从推送螺纹环上端穿入内部。新型辐射金属层依靠陶瓷板作为载体组成天线板，其中陶瓷板具有较强的抗干扰、抗雷击能力，并且陶瓷板外围包裹的聚四氟乙烯塑料板具有良好的耐磨损、耐腐蚀性，同时嵌合的陶瓷块可提高聚四氟乙烯塑料板的硬度，良好地保护了作为载体的陶瓷板。

除了在高频覆铜板、射频线缆、雷达天线板等的应用以外，聚四氟乙烯作为绝缘介质还被广泛应用于5G领域的各种连接器中。

4 结语

随着5G技术的推广应用，聚四氟乙烯在高频覆铜板、射频线缆的市场需求将呈现爆发式增长。同时，随着聚四氟乙烯在5G其他领域的应用研究不断加大，将进一步带动聚四氟乙烯的市场需求。