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5G商用 玻纖布、復合材料等應用前景廣闊

clsrich2021-03-25 11:36:15復合面料資訊45來源:復合面料網

6月6日工信部向中國移動、中國電信、中國聯通和中國廣電4家公司發放5G正式商用牌照。

  工信部跳過預商用牌照直接發放5G正式商用牌照,較此前市場預期提前了半年左右。

  中國成為繼韓國、美國、瑞士、英國之后,第五個宣布5G商用的國家,躋身5G第一梯隊!

  5G給我們帶來的是超越光纖的傳輸速度(Mobile Beyond Giga),超越工業總線的實時能力(Real-Time World)以及全空間的連接(All-Online Everywhere), 5G將開啟充滿機會的時代。

  5G的數據量更大、發射頻率更大、工作的頻段也更高,基站的建設將有別于4G基站。

1、5G基站有望達到4G基站的3.3-4.6倍

  2017年中國4G廣覆蓋階段基本結束,4G基站達到328萬個。

  從5G的建設需求來看,5G將會采取“宏站+小站”組網覆蓋的模式,歷次基站的升級,都會帶來一輪原有基站改造和新基站建設潮。

  根據賽迪顧問發布的《2018年中國5G產業與應用發展白皮書》,預計5G宏站增量將達到360-500萬個,小基站數量將達到720-1000萬個,合計基站總數量將是4G基站的3.3-4.6倍,奠定了海量增長空間。

  5G基站的海量增長,將同步帶動PCB、天線振子及濾波器等元器件應用的大幅增長。

  移動通信基站的天線陣列演化將帶來高頻材料需求大幅增加(資料來源:中國聯通網絡技術研究院,安信證券研究中心)

  根據主流的方案,5G基站將采用大規模天線關鍵技術(Massive MIMO),原本4G基站的天饋系統和RRU(射頻拉遠單元)合并,形成全新部分AAU(有源天線)。

  AAU集成了RRU和傳統天線的功能,數字接口獨立控制每個天線振子,構成主動式天線陣列。

  Massive MIMO的應用,將使得天線數量達到64、128或256,相比4G基站數量增長4、8倍或16倍。

  每兩個天線對應一個天線振子,對應的天線振子可達32、64或128個,而目前的4G的天線單元一般不超過8個天線振子。

  

5G有源天線的結構圖:天線振子將集成在一張PCB板上。(資料來源:CNKI,安信證券研究中心)

2、PCB海量增長,PTFE市場一觸即發

  在5G基站中,印刷電路板(Printed Circuit Board,簡稱PCB)作為最基礎的連接裝置將被廣泛使用。

  PCB是指在基材上按照預先設計好的形成點之間連接和印刷元件的基板。PCB的功能是讓電子元器件按照預定電路連接(就是關鍵互連件)。

  首先5G基站的天線陣子需要使用PCB作為連接;其次5G基站的濾波器等元器件將大幅增加,需要使用一塊單獨的PCB來連接這些元器件;最后5G基站的CU/DU等部分也需要使用PCB。

  5G建設初期,對于PCB的需求增量直接體現在無線網和傳輸網上,對PCB背板、高頻板、高速多層板的需求較大。

  目前PCB產業界廣泛應用的基板材料是玻纖布增強的環氧型基材FR-4(環氧樹脂玻纖布覆銅板),該材料是由一層或者多層浸漬過環氧樹脂的玻璃纖維布構成。

  因為它成本較低,且電氣和機械性能適于多方面的需求,所以是應用最廣的一類基板材料。但是FR-4的介電常數(ε)高達4.2~4.8以上,介質損失因子(tanδ)大于0.0015,難以滿足高頻應用的需求。

  PCB上游原材料主要包括銅箔、玻璃纖維布、以及PTFE在內的特殊樹脂和陶瓷等其他化工材料。

  原材料中,銅箔是最主要的組成部分,約占覆銅板成本的30%-50%(取決于覆銅板的薄厚),它作為性能良好的導電體在PCB中起到導電和散熱的作用。

  此外,玻璃纖維布和特殊樹脂也是重要的原材料,玻璃纖維布作為增強材料,起著絕緣和增加強度的作用;特殊樹脂作為填充材料,起著粘合和提升板材性能的作用。

  其中,PCB上游的特殊樹脂領域目前國際領先的廠商還是以海外廠商為主,包括日本的三菱瓦斯、Panasonic、日立化成,美國的羅杰斯、伊索拉、泰康利,以及中國臺灣的聯茂、臺光等。

  

PCB各產業環節供應商。(資料來源:覆銅板資訊,印刷電路信息,各公司公告,華創證券)

  為了滿足高頻高速PCB產品的可靠性、復雜性、電性能和裝配性能等諸多方面的要求,許多PCB基板材料的廠商對特殊樹脂進行了不同的改進。

  在目前高速高頻化的趨勢下,較為主流的PCB材料包括聚四氟乙烯樹脂(PTFE)、環氧樹脂(EP)、雙馬來酰亞胺三嗪樹脂(BT)、熱固性氰酸脂樹脂(CE)、熱固性聚苯醚樹脂(PPE)和聚酰亞胺樹脂(PI),由此衍生出的覆銅板種類超過130種。

  對于基站PCB而言,最為重要的指標是介電特性、信號傳輸速度和耐熱性,前兩點上PTFE基板都具有較好的性能。

  它是目前為止發現的介電性能最好的有機材料,優異的介電性能有利于信號完整快速地傳輸,這角度而言PTFE是5G時代基站PCB板的優選樹脂材料。

  但是,PTFE基板也有局限性,比如耐熱性較差,加工性欠佳、成本較高等。

  根據國內PCB龍頭企業深南電路的招股說明書中的采購數據,可以知道PTFE板材在2017年的市場價格為600元(人民幣:下同)/m2。

  假設其價格不變,五年之后也即2023年5G基站能全部建設完畢,可以推知單基站PTFE的價值為1875元,屆時中國基站用PTFE需求空間為89.06億元,全球基站用PTFE需求空間預期為127.23億元。

  目前生產PTFE的企業主要有科慕、大金氟化工、阿科瑪、3M、德清科賽、浙江巨化集團等企業。

3、天線振子數量暴增,塑料天線振子大有可為

  天線振子是天線的核心部件。天線振子作為天線的主要組成部分,主要負責將信號放大和控制信號輻射方向,同樣可以使天線接收到的電磁信號更強。

  根據天線的形態,天線振子形態也包括多種多樣,有桿狀、面狀等;根據加工工藝,主要有鈑金、PCB、塑料等。傳統4G天線振子多以金屬鈑金為主。

  從5G設備商測試情況來看,在熱點高容量地區優先選擇64通道的天線設備,同時因為192振子天線設備相比128振子在覆蓋能力上能提升1.7dB,目前設備商測試64通道天線大都采用96個雙極化天線振子,即192個天線振子。

  一個基站需要三面天線,假設未來單面天線主流方案采用192振子,對應需要一個基站需要3*192=576個振子。

  相較于現有4G網絡(視天線通道數的不同,一般為10-40個天線振子),5G天線含有的振子數將大幅增加。

  天線振子加工方式主要有金屬壓鑄/鈑金、PCB貼片和塑料振子,4G時代更多以金屬壓鑄/鈑金方式加工,組裝更多的靠人工,效率低下。

  5G時代由于頻段更高且采用Massive-MIMO技術,天線振子尺寸變小且數量大幅增長,綜合考慮天線性能及AAU安裝問題,塑料天線振子方案具有一定的綜合優勢。

  為了應對5G新型天線的變化,市場上出現了全新的工藝——3D選擇性電鍍塑料振子方案,其中代表企業為飛榮達。

  所謂的塑料天線振子即采用內含有機金屬復合物的改性塑料材料,用注塑成型的方式將復雜的3D立體形狀一次性制造出來,再利用特殊技術使塑料表面金屬化。

  塑料振子在保證天線滿足5G電器性能的同時,產品重量大大減輕,減少了危險過程工序,也節約了成本。

  3D塑料振子的制造工藝一般指注塑工藝+激光工藝,其中激光工藝指在新型的塑料件上用激光直接3D打印電路板的技術。激光工藝中又分為選擇性電鍍和LDS兩種工藝。

  LDS激光工藝適用于小型電子器件,目前最廣泛的應用是手機天線和各類智能終端。

  而選擇性電鍍激光工藝適用于較大型的設備,包括宏基站天線。

  

3D塑料振子方案的分類圖解(資料來源:安信證券研究中心整理)

  3D塑料振子除了重量非常輕,還能滿足鈑金和壓鑄工藝所不能實現的精度要求。注塑和選擇性電鍍都是精度非常高的工藝,將它們結合在一起,可以保證天線振子精度滿足3.5G以上的高頻場景要求。

  目前飛榮達的塑料天線振子加工工藝已具備量產條件,并已開始在進行供貨。

  通達集團也于今年1月初發布公告稱,通達集團已就應用于5G主流大規模多輸入多輸出天線(Massive MIMO)完成對雷射直接成型(LDS)、塑膠電鍍(POP)的基站天線單機應用的研發。

4、天線罩:復合材料大顯身手

  由于5G天線遵循MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)概念,意思是多輸入多輸出,這意味著一個基站內可安裝多個天線,而這些天線的尺寸又很小,需要天線罩的保護。

  天線罩要具有良好的電磁波穿透特性,機械性能上要能經受外部惡劣環境的侵蝕如暴風雨、冰雪、沙塵以及太陽輻射等。

  在材料要求方面,要求在工作頻率下的介電常數和損耗角正切要低,及要有足夠的機械強度。

  一般而言,充氣天線罩常用涂有海帕龍橡膠或氯丁橡膠的聚酯纖維薄膜;剛性天線罩用玻璃纖維增強塑料;夾層結構中的夾心多用蜂窩狀芯子或泡沫塑料。

  而在5G趨勢下,性能優越的復合材料成為備受歡迎的天線外罩材料。復合材料能起到絕緣防腐、防雷、抗干擾、經久耐用等作用,而且透波效果非常好。

  透波復合材料由增強纖維和樹脂基體構成,通常,增強材料的力學性能和介電特性均優于樹脂基體,故此復合材料的透波性能主要取決于樹脂基體的性能。

  因此,選擇具有優良電性能的樹脂基體至關重要,同時樹脂在復合材料中也起膠粘劑的作用,是決定復合材料耐熱性的基本成分。

  樹脂基體主要選擇包括:傳統的不飽和聚酯樹脂(UP)、環氧樹脂(EP)、改性酚醛樹脂(PF)以及近年來開始研究和應用的氰酸酯樹脂(CE)、有機硅樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂(BMI)、聚酰亞胺(PI)、聚四氟乙烯(PTFE)等新型耐高溫樹脂。 AAAGHRTYJYITLUY

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