5G通信技術(shù)關(guān)鍵材料發(fā)展研究

焦丹丹,張 松,姜 穎 ,盧大威

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150001； 2.哈爾濱對(duì)俄高端技術(shù)轉(zhuǎn)移孵化中心，哈爾濱 150001；3.中國(guó)龍江森林工業(yè)集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150001)

信息技術(shù)對(duì)于當(dāng)代人們的日常生活與工作產(chǎn)生的改變和影響是非常巨大的，多種電子設(shè)備的普及和智能手機(jī)的大范圍應(yīng)用進(jìn)一步豐富了人們的娛樂生活并為日常工作提供了很大便捷。在這種時(shí)代背景下，5G通信技術(shù)作為一種信息傳輸速度更快、信號(hào)傳遞與接收更為穩(wěn)定的先進(jìn)技術(shù)，其應(yīng)用能夠大幅度提高智能手機(jī)的性能與價(jià)值。很多新型材料的研究與應(yīng)用為5G通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，有關(guān)智能設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)及工作人員應(yīng)更好地掌握這些關(guān)鍵材料的性能要求和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 5G通信技術(shù)對(duì)關(guān)鍵材料性能的要求

5G通信技術(shù)以高信息傳輸速率和穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)射與接收功能作為主要優(yōu)勢(shì)，在未來網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)市場(chǎng)中占據(jù)了很高的發(fā)展地位，而5G通信技術(shù)高性能的實(shí)現(xiàn)必然是建立在關(guān)鍵材料各方面要求更高的基礎(chǔ)上，如全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸和超高寬帶傳輸?shù)裙δ芏紝?duì)關(guān)鍵材料的性能要求非常嚴(yán)格，目前該技術(shù)對(duì)關(guān)鍵材料的性能要求主要集中在以下幾個(gè)方面：

1.1 大規(guī)模集成化要求

集成化要求是指在有限的空間內(nèi)可能提高電子元件的結(jié)構(gòu)精密度和功能多樣性，而大規(guī)模集成化則需要實(shí)現(xiàn)在單一芯片內(nèi)包含大量的晶體管組合，這就對(duì)用于制作芯片和相關(guān)結(jié)構(gòu)的原材料其加工精度與微度級(jí)別要求非常高。

1.2 高頻化要求

5G通信技術(shù)采用的是5GHz以上的高頻電磁波段乃至毫米波段，可以有效避開目前大部分通信線路所使用的3GHz以下的頻段，這樣便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量數(shù)據(jù)的快速傳輸。而高頻的傳輸則需要應(yīng)用金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)柵級(jí)材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波信號(hào)功率的放大，使其能夠到達(dá)在更高的頻率波段要求范圍內(nèi)。

1.3 高頻譜效率的要求

智能手機(jī)的快速發(fā)展為5G通信網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場(chǎng)開拓了平臺(tái)，但也要求5G基站的頻率峰值要保證在20Gb/s以上，因此需要使用電子遷移率較高的材料。

2 5G通信技術(shù)關(guān)鍵材料的發(fā)展

2.1 器件材料

5G通信技術(shù)的器件材料主要包括芯片材料和信號(hào)傳輸線路的介質(zhì)材料等。目前大部分5G智能手機(jī)中采用的都是高頻射頻芯片，大量應(yīng)用了半導(dǎo)體材料作為核心材料，實(shí)現(xiàn)濾波、放大功率、降低噪聲和控制射頻開關(guān)等功能。常用的化合物半導(dǎo)體材料包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和砷化鎵(GaAs)等，它們普遍具有電子遷移率高的特點(diǎn)，適用于高頻譜效應(yīng)和延時(shí)響應(yīng)等通信傳輸功能。另外，這些材料還可以在智能化設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和射頻技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究。而通信電路的介質(zhì)材料大多采用的是微波介質(zhì)陶瓷，其組成成分為氧化鋇(BaO)和二氧化鈦(TiO2)等，主要依靠的是其溫度系數(shù)小、信號(hào)傳輸過程中損耗率較低等特點(diǎn)。

2.2 天線材料

天線是5G通信基站實(shí)現(xiàn)信息能量轉(zhuǎn)換、電磁波信號(hào)接收與發(fā)射等基礎(chǔ)功能的重要結(jié)構(gòu)。依據(jù)5G通信技術(shù)對(duì)其較高的性能要求，目前普遍應(yīng)用的材料是3d選擇性電鍍塑料振子和樹脂材料、銅箔以及油墨等基礎(chǔ)材料。另外，無論是在5G通信基站還是智能手機(jī)端的應(yīng)用，天線的長(zhǎng)度都是在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。目前在基站方面采用的是“天線+芯片”的集成化技術(shù)，而在智能手機(jī)上則采用了LDS天線激光鐳射在手機(jī)外殼上的方式降低天線的占用體積。

2.3 光纖傳輸材料

光纖傳輸要求構(gòu)成通信傳輸線路的材料應(yīng)具備損耗率低、頻帶寬以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)導(dǎo)電性和散熱性等基本性能也要達(dá)到通信傳輸材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。目前在制作光纖傳輸線路時(shí)主要采用的是石英砂和高純四氯化硅等材料，而在制備相應(yīng)光纖光纜的過程中還需要進(jìn)行表面涂覆和拉絲等工藝流程，確保光纖光纜的質(zhì)量以及信號(hào)傳輸效率達(dá)到更高的水平。

2.4 封裝材料

封裝材料主要應(yīng)用于對(duì)5G通信器材和相關(guān)設(shè)備的封裝與制作，因此對(duì)于關(guān)鍵材料的要求主要集中在應(yīng)具備較高的導(dǎo)熱性、耐熱性和絕緣性等特點(diǎn)。同時(shí)部分封裝材料被應(yīng)用于制作電子元器件的基板、設(shè)備的外殼以及電纜電線的絕緣層等，因此這些封裝材料本身應(yīng)具備較好的化學(xué)穩(wěn)定性和高強(qiáng)度的機(jī)械性能，這樣才能保證5G通信器材和相關(guān)設(shè)備的使用更加安全與穩(wěn)定。

3 結(jié)語

5G通信技術(shù)較高的研究與應(yīng)用價(jià)值的實(shí)現(xiàn)離不開高性能關(guān)鍵材料的支持。有關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)無線通信技術(shù)中的各部分工作要求科學(xué)選擇組成材料，既要保障通訊設(shè)備與線路的使用安全和運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)還應(yīng)該充分參考材料的性價(jià)比，進(jìn)一步提高有關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。