5G新基建浪潮中的上游新材料投资机会

宫学源

一代移动通信技术，引发一代数字行业变革。第5代移动通信技术（5G）在全民瞩目下拉开商业化的帷幕，大有彻底变革工业、医疗、教育、交通等各行各业之趋势，带来的商业价值十分可期。未来可见时间里，5G行业有望以万亿美元级的投资，拉动下游十万亿美元级的经济增长。2020年以来，为进一步提升经济发展质量、恢复因新冠疫情带来的经济损失，以5G建设为代表的“新基建”得到了政府、商业各层面的高度关注，相关上下游产业发展十分迅猛。由此带来的上游新材料产业发展与投资机遇，得到了业界的广泛关注。本文主要简述了5G大带宽、低延迟等特性带来的上游新材料需求，并分析了当前形势下5G新材料的投资机遇。

1 5G新基建提升行业价值链，对上游新材料提出新需求

从1G到4G，以10年为一周期的移动通信技术革命，每一次都彻底改变了人类的生产生活方式，塑造起庞大的数字商业帝国。与前4代移动通信技术相比，5G在用户体验速率、连接设备数量、时延方面展现出显著优势，有望给VR/AR、无人驾驶、智慧城市和工业自动化等行业带来全新变革。根据2015年国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）发布的《5G愿景》，5G主要性能和特点如下：①极高的速率：5G基站峰值速率达到10～20Gbps，用户体验速率达到100Mbps～1Gbps；②极多的连接：连接设备数量可达100万/km2；③极低的时延：网络时延由4G时代的10ms降低到5G时代的1ms；④较大的衰减：信号容易被屏蔽、受到外界干扰、也容易在传播介质中衰减。

1.1 5G商用推动价值链上下游齐飞

在《5G愿景》中，ITU-R正式定义了5G的3大应用场景：增强的移动宽带eMBB、海量的机器间通信mMTC、超高可靠和超低时延通信uRLLC（如图1所示）。从3大应用场景的发展顺序上看，第1阶段（2019-2021年）以大带宽（eMBB）应用为主，强调人与人之间的数据连接；第2阶段（2021-2023年）大连接（mMTC）物联网应用逐渐成熟，突出人与机器之间的连接；第3阶段（2023年-长期）低时延（uRLLC）工业控制类应用获得突破，真正实现万物互联的愿景。截至2021年初，5G产业正处于基础设施建设的高潮期，驱动力主要来自政府科技经济政策，应用场景则主要集中在第1阶段eMBB。

随着5G商用的逐步推进，上游供应链及下游应用端都将出现众多商业机会（见图2）。据中国信通院估计，2030年5G直接贡献经济总量、增加量分别约6万亿元、3万亿元；间接贡献经济总量、增加量分别约11万亿元、4万亿元。在可见的未来，eMBB标准将推动AR/VR等家庭娱乐以及远程教育和云办公等场景的发展，并带动终端设备及内容的爆发；mMTC、uRLLC标准逐渐成熟，5G大连接、低时延的特性将彻底释放车联网、智慧城市、智慧医疗、智能工厂等场景的爆发[1]。

从产业结构上看，5G产业主要包括接入网、传输网、核心网、电信运营商、网络配套服务商、终端应用6大板块。其中，对新材料产业具有重大影响的包含2大板块：一是接入网版块，主要包括基站主设备、基站核心部件等；二是终端应用板块，主要包括消费电子设备、智能汽车、VR/AR、直播、智慧医疗和智能工厂等。从基建结构上看，5G新基建主要分为5G基建建设和终端设备生产2大部分。其中，5G基站建设主要包括网络搭建、基站建设等；终端设备主要包括智能手机、VR/AR、平板电脑等。

1.2 5G新基建对上游材料提出新需求

根据香农公式（见图3），一个通信系统的信道容量（类比数据传输量）可通过增加覆盖、增加信道、增加带宽和增加信噪比等多种方式进行提升。与4G相比，5G面对连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠等技术场景，亟需在无线传输和网络链接领域进行技术改进。对此，业界提出了毫米波（mmWave）、大规模天线阵列（massive MIMO）、网络虚拟化（NFV）/切片、基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）和边缘计算等解决方案，旨在解决通信容量不足、装置能耗高和用户体验速率过低等问题[2]。

从eMBB、mMTC和低时延uRLLC标准出发，业界针对5G技术需求特征给出的一系列解决方案，给上游基站建设和下游终端设备提出了新要求，由此给新材料产业发展提供了新风口、新机遇。总体来看，上游基站建设带来的新材料机遇主要包括光模块/光纤材料和射频前端材料。其中，光模块/光纤材料需求主要包括磷化铟（半导体激光器）、四氯化硅（光纤预制棒）等；射频前端材料需求则主要包括塑料振子、化合物半导体、介质滤波器和PTFE覆铜板等（见图4、图5）。

在终端设备方面，5G带来的新材料机遇主要包括天线材料、射频器件材料和热管理材料（见图5）。其中，天线材料需适应5G信号频率高、易衰减的特点，因此介电常数和介电损耗要小；射频器件需满足载波聚合、Massive MIMO等技術需求，滤波器、功率放大器（PA）带来射频材料需求量迅猛增长；热管理材料要解决5G终端设备空间局促、热量大的问题，因此散热效率必须更高、器件厚度必须进一步降低。

2 5G关键新材料发展迅猛，产业需求持续增长

为满足5G技术特性，上游新材料供应链做出了许多适应性的调整，产品种类及需求量与4G时代相比已发生了许多变化。尤其是基站核心零部件以及5G终端相关新材料，发展势头最为迅猛，产业需求持续增长。本文选取化合物半导体、高频覆铜板、天线材料、陶瓷介质滤波器和热管理材料5种新材料做简要概述。

2.1 化合物半导体

化合物半导体主要包括砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）（见图6），其具备大禁带宽度、高电子迁移率等特性，可以满足高频谱效率、大频率波处理、低延时响应等技术场景需求，是制备5G核心零部件的关键材料。其中，InP主要用于光模块的制作，GaAs、GaN主要用于射频前端器件的制备。从4G的2/4/8TR天线到5G的16/32/64/128TR天线，Massive MIMO技术正在带动射频前端器件数量大幅增加，射频材料发展也迎来了新机遇。目前，4G基站射频材料主要采用硅（Si）基LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）和GaAs，但LDMOS无法满足3GHz以上频段的使用，GaAs也可能成为有源天线的过渡性技术。为了更好的满足5G的高功率、高频段和高效率等要求，GaN有望成为5G时代射频的主流材料。据Yole预计，2023年GaN射频器件在基站中的市场规模将达到5.2亿美元，年复合增长率达到22.8%。

2.2 高频覆铜板

印刷电路板（PCB）是支撑各类元器件并实现电气连接的载体，其在计算机、消费电子、通信、医疗和汽车领域有着极为广泛的应用。覆铜板则是PCB的基板，以往普遍由铜箔、玻璃纤维布、树脂以及其他填充材料构成。5G时代，MassiveMIMO技术推动天线振子数量急剧增加，而天线振子需要集成在PCB中，因此5G基站对PCB的需求也随之增加。5G时代，PCB需满足数据海量、高频、高速传输的需求，因而对覆铜板材料的介电性能提出了更高要求。介电性能通常用介电常数Dk和介电损耗因子Df衡量，两个数值越小材料的介电性越好。在各类树脂材料中，聚四氟乙烯（PTFE）树脂的Df低至0.0004、Dk低至2.1，是满足5G高频覆铜板需求的理想材料。目前，中国PTFE产能占全球总产能的40%以上达到10万t量级，但主要以中低端产品为主，高端产品极度依赖美国（罗杰斯、伊索拉等）和日本（三菱瓦斯、日立化成等），国产替代需求急迫。

2.3 天线材料

天线包括基站射频天线和终端射频天线，是基站和手机中用于收发信号的关键元件，其性能直接决定了通信质量。其中，基站射频天线的核心零部件是天线振子，4G时代多以金属钣金为主，5G时代将逐渐过渡为塑料天线振子，以实现高速高频的场景需求。未来，无论是基站射频天线还是终端射频天线，液晶高分子聚合物（LCP）都将成为天线主流材料。LCP是一种芳香族热塑性聚酯类新型高分子材料，具有良好的热稳定性、耐辐射性、耐腐蚀性，其介电常数Dk在2.9～3.1之间，可以在几乎全射频范围内保持恒定，介电损耗为1.5‰，能够有效降低信号损失、提高通信质量。据Strategy Analytics预测，2025年全球5G手机出货量将达到15亿台。据此推测，2025年全球仅手机对LCP原材料的总需求在10亿美元以上。目前，全球LCP产能主要由日本宝理塑料、住友化学和美国塞拉尼斯、苏威等掌握，中国LCP产能仅占世界总产能的20%左右，国产化需求十分显著。

2.4 陶瓷介质滤波器

陶瓷介质滤波器采用低介电损耗陶瓷粉体等制成，将此类陶瓷材料制成片状，2面涂银作为电极，经过直流高压极化后就具有压电效应。在5G时代，以陶瓷介质滤波器或陶瓷波导滤波器，替代金属腔体滤波器成为基站滤波器的主流选择。由于MassiveMIMO对大规模天线集成化的要求，处理的连续带宽更宽至100MHz，滤波器设计复杂度大幅提升，滤波器需更加轻量化、小型化和集成化，因此在限定腔体尺寸的情况下，及占用sub-6GHz频段滤波器，陶瓷介质滤波器相比金属腔体滤波器具有Q值较高，高抑制、插入损耗小、温度漂移特性好，在功率容量和无源互调性能有明显的优势。陶瓷介质滤波器在5G时期中低频段成为主流选择[2]。5G时代，滤波器市场空间=基站数×单基站滤波器用量×单通道滤波器价格。据此测算，5G时期国内滤波器市场空间超过400亿元，全球市场超过800亿元。目前，中国相关企业已掌握陶瓷介质滤波器制造工艺，5G基站建设带来的市场空间值得期待。

2.5 热管理材料

随着5G技术逐渐走向成熟，智能手机对散热管理的需求大幅提升，主要表现为以下几方面：①5G手机射频前端支持的频段数量大幅增加，需采用Massive MIMO技术以增强信号接收能力，天线数量和射频器件数量远超4G手机；②5G手机芯片处理能力有望达到4G手机的5倍以上，手机发热密度绝对值将是4G手机的2倍以上；③5G信号穿透能力变弱，手机机身材质逐渐向陶瓷和聚合物转变，加之5G手机越来越紧凑，导致散热能力越来越弱。目前，电子器件使用的散热技术主要包括石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热等导热材料，以及热管、均热板（VC）等导热器件。其中，导热凝胶、导热硅脂、石墨片和金属片主要在中小型电子产品使用，热管和VC则主要用在笔记本、电脑、服务器等中大型电子设备中使用。为有效解决5G带来功耗问题，目前手机散热已逐渐升级为“石墨+热管”或“石墨+VC”等综合解决方案（见图7）。

3 5G新材料投资机会浅析

自2019年开始，各大运营商紧锣密鼓地筹备5G基站建设工作。据2021年1月工信部发布的《2020年通信业统计公报》，中国5G网络建设稳步推进，按照适度超前原则，新建5G基站超60万个，全部已开通5G基站超过71.8万个。随着疫情的进一步缓解和经济的强势恢复，未来3年中国5G建设和投资将迎来高峰期。预计到2022年，中国年新增基站数量将达到110万座，5G基站年投资规模将达到1 504万元，运营商的网络设备支出将在2023年左右达到近3 180亿元的峰值。

在可见的未来，中国将持续保持世界最大5G市场的地位，5G新基建将给供应链上游新材料产业带来新机遇。如前所述，基站射频器件材料（包括化合物材料、陶瓷介质滤波器、天线振子）和终端设备材料（包括热管理材料、电磁屏蔽材料、背板材料）领域将保持高速增长态势，技术革新、产品升级换代的频率将加快，此中不乏适合一二级市场的投资机会。为把握5G新基建浪潮中的上游新材料投资机会，建议关注如下几方面：一是产品性能是否足够好，满足5G高介电、高频率、高导热的应用需求，未来5G基站和终端设备将会对产品性能更加敏感；二是关注国产替代进程，5G新基建是面向万物互联时代、人工智能时代最关键的数字基础设施，科技供应链安全问题至关重要，已实现国产替代的领域要关注头部企业进程；三是关注技术成熟度以及产品在终端设备厂商的验证进度，在合理时间切入布局。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.01.009

參考文献

[1] 任泽平.5G时代：新基建，中美决战新一代信息技术[EB/OL]（.2020—03—25）.https：//mp.weixin.qq.com/s/ wkSjC1YUv6C1gPVwdSwwhQ.

[2] 宋锡滨.5G产业发展之我见（1）——材料的机遇和挑战[EB/OL]（.2020—06—29）.https：//mp.weixin.qq.com/s/ sDFqFsIx2Z03xbgLoXo9EA.