《5G将至!智能手机材料迎变革 散热问题“烫手”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-12-29
  • 5G 将至!

    国外手机巨头正在“摩拳擦掌”:摩托罗拉今年8月发布了全球首款5G手机Moto Z3,暂时领先市场,三星则联手美国运营商Verizon,宣布将于2019年年初正式推出5G手机;另一家韩国巨头LG将在2019年MWC展会中发布旗下5G手机……

    Moto Z3

    来源:摩托罗拉官网

    国内厂家也在争分夺秒。华为、小米、OPPO、vivo、一加等手机厂商皆已公布了各自的5G样机产品,并计划于2019年上市相关产品。

    作为全球最大的处理器芯片供应商之一,高通则在本月公布了支持5G的骁龙 855,为2019年上市的众多5G手机打下一针“强心剂”。

    “5G时代的到来,无线充电、屏幕革新、智能识别、多摄像头将是大势所趋,会大幅度影响到手机上游材料产业,市场格局将随之发生变化。”易麟投资管理合伙人卞怡菁女士在“2018中国新材料行业发展大会”的手机材料论坛上的演讲指出:随着5G时代的到来,手机材料也需要随着产品功能要求提高而面临更高的挑战与性能要求。“功能性材料,如散热材料、EMC、防水材料等都将进入新一轮的产业技术更新与更替,易麟作为聚焦新材料投资的专业机构会加大对下一代手机应用材料项目的研究与投资力度。”

    高速传输背后 散热将成巨大挑战

    智能手机正变得越来越轻薄,器件排布紧密,有效散热成了保障手机正常运行的关键。

    某业内人士表示,当前手机散热仍以传导为主,大量的热最后会被传导到后背壳。但后背壳上能“送”走的热量极少,基本依靠空气对流散热。在重度使用条件下,如果后背壳无法有效主动散热,手机工作温度将持续升高。达到一定温度后,CPU就会通过自动降频来保护手机。

    “手机运行速度因此变慢,而这显然与消费者对手机高速运行的需求是相矛盾的。另外,持续的高温也将对CPU造成不可逆的伤害。”他补充表示道。

    众所周知的是,5G时代的数据传输量将大增,这将使得智能手机的过热风险持续提升。全球手机厂商为此头痛不已。华为轮值CEO徐直军先生曾表示:“仅从芯片耗电量看,5G是4G的2.5倍。”这意味着导热、散热将是一个巨大的挑战!

    导热、散热材料的选择显得尤为重要。

    北京中科纳通电子技术有限公司研发总监徐文涛在会上介绍称,导热界面材料可以填补两种材料接合或接触时产生的细微空隙或孔洞,降低界面热阻,提高器件的散热性能。目前主要的导热界面材料包括高导热石墨烯膜、印刷式导热垫片、导热凝胶、导热硅胶片、导热绝缘胶、导热石墨片、导热相变材料、导热硅脂等。

    据BCC Research预测,2020年全球界面导热材料将达到11亿美元规模,复合增长率超7%。而属于新兴行业的石墨散热材料,在消费电子领域的市场规模已达近百亿元人民币。

    卞怡菁女士在探讨散热材料与导热方案时谈到,石墨导热片拥有独特的晶粒取向,可沿两个方向均匀导热。石墨薄片一般贴于电路板,发热时可传导至手机背板。“综合考虑材料性能和成本,石墨导热片和导热凝胶是比较好的两种导热散热方案。”

    除了散热材料外,结构件也在为散热“殚精竭虑”。

    不锈钢中框存在较大的散热问题,不锈钢的导热系数仅有14 /W·(m·k)。深圳依诺威电子科技有限公司副总经理肖珩则表示,未来第三代高导热铝合金的热导率目标可达200W/m·K以上,“高强铝合金是手机中框材料的首选。”

    5G现存诸多难题 材料将助力破局

    12月25日,华为董事长梁华表示,2019年上半年,华为将发布搭载5G芯片的5G智能手机,并将在2019年下半年实现规模商用。

    据悉,华为目前已获得26个5G商用合同,与全球50多个商业伙伴签署合作协议,5G基站商用发货数量超1万个,全球数量最多,拥有1600多项核心专利,占了整个5G ESTI标准的19%,构筑了核心竞争优势。

    据Gartner预测,随着5G手机在2019年的密集上市,到2021年市场中将有9%的智能手机支持5G网络,因此2021年以后5G手机年销量将突破亿部级别。

    5G前景光明,市场潜力庞大,但普通消费者对于5G往往只有一个认知:更快的速度,他们关注的是5G时代的到来还需多久?业内人士表示,虽然5G的标准已经公布,但5G在短时间内还是难以取代4G。

    在5G时代到来前,除了散热问题,还有诸多问题亟待解决。

    智能手机等电子设备在工作时不能被外界电磁波干扰,也要避免其自身辐射干扰外界设备或危害人体,因此需要通过电磁屏蔽阻断电磁波传播路径,主要通过结构本体和屏蔽衬垫实现屏蔽功能。

    伴随手机硬件的升级,电磁屏蔽需求也在不断提升,由此推动电磁屏蔽产品种类的不断丰富和创新。根据BCC Research的预测,全球EMI/RFI屏蔽材料市场规模将从2016年的60亿美元提高到2021年的78亿美元,复合增长率近6%。

    5G时代智能手机零部件升级推动电磁屏蔽与导热新需求

    数据来源:互联网、东方证券研究所

    目前主流的电磁屏蔽材料包括电磁屏蔽银浆/镍碳浆、电磁屏蔽硅胶条、电磁屏蔽模压材料和FIP导电胶等。徐文涛在会上表示,硅橡胶中加入导电颗粒,通过模压成型制作成所需形状,具有良好的导电性及电磁屏蔽性能,兼具防水、防尘、抗震等机械性能,起到局部屏蔽的效果。

    5G时代材料变革

    来源于中科纳通演讲资料

    5G通讯的发展,还急需其它新材料的出现和应用,以此推动产业的快速发展。可以预见的是,轻金属、液态金属、非晶合金、磁性薄膜材料、导热散热材料、电磁屏蔽材料等将迎来巨大的市场。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=381729
相关报告
  • 《5G时代 复合材料的发展机遇》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2020-01-14
    • 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。 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。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。 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。 璃纤维布和特殊树脂是PCB重要的原材料之一,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。 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。 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。 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。 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。 陶瓷介质滤波器优势多 4G时代,通信基站主要采用金属腔体滤波器方案。5G时代,基站通道数扩展 16 倍,器件小型化成为趋势,陶瓷介质滤波器具有轻量化和小型化优势,同时具有可靠的机械结构、无振动结构,便于自动化组装,长期来看,将成为 5G 基站主流部件。 复合材料通讯塔和天线罩 高高耸立的通讯塔大都是钢结构,但腐蚀是个大问题,复合材料可以解决这个问题。复合材料比较轻,使用无扣件连接技术,塔结构的各个独立部件可以快速组装,在装配过程中不需要金属螺栓,安装方便,还减轻了整个塔体的重量。 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。 手机后盖:首选PC/PMMA塑料复合材料 5G 时代,针对手机结构、形态新的要求,例如小型化、超薄化、全面屏等,都需要新的工艺和材料支撑。无线充电、NFC 等功能需求加快手机后盖去金属化推进,带动 PC/PMMA 共挤复合板材市场规模大幅上升。 5G时代,对 5G应用设备材料提出了更严苛的要求。由于5G走的是对金属敏感的毫米波,使用金属外壳将会屏蔽信号。塑料复合材料凭着优越的性能,成为手机后盖的潮流选择。 当中,最热门的要数PC/PMMA复合板材。这种材料是将PMMA和PC通过共挤(非合金材料)制得,包括PMMA层和PC层。 MMA层加硬后能达到4H以上的铅笔硬度,保证了产品的耐刮擦性能,而PC层能确保其具有足够的韧性,保证了整体的冲击强度。 石墨烯:理想的5G设备导热散热材料 高频率、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长,设备与设备之间及设备本身内部的电磁干扰无处不在,电磁干扰和电磁辐射对电子设备的危害也日益严重。 与此同时,伴随着电子产品的更新升级,设备的功耗不断增大,发热量也随之快速上升。 未来高频率高功率电子产品要着力解决其产生的电磁辐射和热。 为此,电子产品在设计时将会加入越来越多的电磁屏蔽及导热器件。因此电磁屏蔽和散热材料及器件的作用将愈发重要,未来需求也将持续增长。 以导热石墨烯为例,5G手机有望在更多关键零部件部位采用定制化导热石墨烯方案,同时复合型和多层高导热膜由于具备更优的散热效果而将会被更多采用。 5G复合材料相关新闻 科思创研发5G基站外壳材料 2019年年中,科思创亚太区创新副总裁施马可表示,公司已成功研发了适用于5G基站的外壳材料。 施马可表示,5G技术拥有频率高、波长短的特点,导致其信号衰减程度较大,这意味着需要借助于大量5G微型基站的部署不断放大信号,确保信号覆盖。相比于4G时代,5G的微型基站数量预计将增加约20倍左右。 而在开发5G基站的过程中,必须确保5G的高频信号能够顺利穿透外壳,这对材料提出了较高要求。在一年多前,科思创位于上海的聚合物研发中心启动了这项针对5G基站外壳材料的实验。 巴斯夫创新聚氨酯解决方案为中国5G通信塔提供稳固支持 巴斯夫Elastolit?聚氨酯(PU)创新材料解决方案为中国部署5G网络提供助力。安徽汇科恒远复合材料有限公司(汇科)采用Elastolit制成60座通信塔,分布在北京、苏州以及黑龙江和江西的多个城市。 相比传统混凝土或钢基材料,采用Elastolit?制成的通讯塔质量更轻,即便在偏远地区亦可快速安装,同时能够抵御大雪和强风等恶劣天气。 巴斯夫亚太区特性材料部全球高级副总裁鲍磊伟(Andy Postlethwaite)表示:“5G基站承载传输设备和天线,必须在恶劣天气条件下保持强韧。采用巴斯夫PU复合材料制成的35米高通信塔重约1,500至1,800千克,其断裂强度是自身重量的十倍。” 不仅如此,Elastolit?制成的通讯塔较传统钢塔更具成本效益。Elastolit?具有耐锈和耐腐蚀特性,所需维护量更小。表面覆盖有一层特殊配方的耐紫外线涂层,能够延长其使用寿命。同时具有防火性,能够迅速自熄。 俄罗斯物理学家开展用于5G设备的复合材料性能研究 俄罗斯托木斯克州立大学(TSU)的放射物理学家正在建立一个复合材料性能数据库,该数据库可辅助创建在太赫兹范围内运行的5G及空间通信设备。科学家们正在用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)工程塑料和碳纳米管研制复合材料,并在10兆赫至1太赫兹的频率范围内测量其性能。 为了开发这种原始材料,放射物理学家正在使用聚合物,并在化学工艺的辅助下,用碳纳米管进行填充。这些材料目前正由俄罗斯科学院西伯利亚分院的波列斯科夫催化研究所为放射物理学院的太赫兹实验室生产。 “通过添加不同含量的碳纳米管,我们改变了材料的介电性能。例如,我们可以增加介电常数。”放射物理学院副教授、项目经理Alexander Badyin解释说,“然后,我们使用3D打印技术,可以获得带有元件(导体、电阻等)的印刷电路板。我们通过控制装置的参数来打印对照样品(板或环),并检测复合材料在太赫兹范围内的工作性能。” 研究人员表示,此前的科研工作主要聚焦在4-5千兆赫兹的家用辐射频段中。而TSU科学家团队的工作范围更广——最高可达1太赫兹。研究人员表示,目前这项研究还不够充分。截至2019年12月,研究人员已经研究了近50个样品的特性。 日本信越化工推出“石英布”等适应5G时代需求的产品 日本信越化学工业根据5G时代的需求,推出了“石英玻璃纤维布”、“热固性低介电树脂”,可以用于5G高频带的电子器件和电路基板、天线、雷达罩等。此外,信越化学工业还增加了散热片的品种。 石英玻璃纤维布的介电常数低于3.7,消耗因数低于0.001,线膨胀系数低于1ppm/℃,传输损耗(电信号的劣化程度)的特性极为优异。该产品最适合作为5G超高速布线基板的核心材料,天线、雷达罩的纤维增强树脂零件等。 热固性低介电树脂是一种接近氟树脂、拥有低介电常数和高强度的低弹性树脂。它的高频带(10~80GHz)介电常数低于2.5,消耗因数低于0.00025。这是热固性树脂的最低水平。由于产品的低吸湿性、对低粗度的铜箔也具有很高的粘着力,因此也可用于FCCL(软性铜箔基材)。
  • 《5G时代,这3种材料的主导权争夺战即将打响》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2020-06-09
    • 随着5G技术的普及,全球各个国家都期待早日覆盖。有关数据统计,约到2035年,5G网络将在全世界范围内创下12万亿美金营收额。从此看出,5G已不是一项通讯技术那么简单,其起到的作用足可影响每个国家的发展,其就如蒸汽时代的蒸汽机,工业时期的工厂技术等,是一项促进时代大改革的重要技术,而此刻哪个国家抢先普及5G网络将给自家发展起到超乎现象的推进作用。 从4G到5G时代的跨越,意味着配件跟材料市场的更新替代。以前的4G设备跟材料很明显不符合5G要求,故此有三种材料目前成为世界各国的抢夺目标,甚至一些国家不惜代价地展开的全面争夺战。随着世界通信科技领域竞争趋向白热化,很多企业逐渐被淘汰扑街,崛起的企业将迎来全新的机遇。如我国的华为集团,其抢先夺得了3种材料的主导权,给将来的5G竞战,打下了良好基础。 5G的网速跟4G完全不在一个级别,故此采用的基本材料会要求更严格。我们的5G特性是拥有超低延时、高速率以及跟万物互联交换讯息等,如果采用普通塑料难以符合5G的需求,为此专家团队就研发出一种“改性塑料”,此乃构建5G网络的基本原材料之一,其耐磨耐用,质量轻,极具抗摔性能,可以防潮防腐蚀、仿雷电、抗干扰等,可谓是建立5G设备必不可少的新材料。 同时“改性塑料”还可用于制作5G系列设施,包括支架、键盘、鼠标、边框、箱盖、电线、外内框、盖子等,由于受5G发展的推动,目前各国相关企业急于解决高效生产改性材料的问题,力图抢先一步达成高产能,高利用率的改性材料。听说中国的一些塑料公司已嗅到这方面的商机,从而早早地展开了新战略,像东材科技、重庆国际、杜邦、宝理塑料公司等,都在暗流涌动,不甘落后的想在5G时代下分一杯羹。 随着5G“去金属化”的趋向形成,将来的生产的5G手机主要采用非金属材料为主,如用玻璃、陶瓷、塑胶等,故此有专业人士透露,2020年世界将有60%的智能新款手机使用了玻璃背面制作,而玻璃型的防护面板设计将会成为主流,另外氧化锆陶瓷也会大幅被采用到高端5G手机的制作当中,而塑胶目前将作为低端手机市场的制作补充材料。看来“去金属化材料”将是各国抢夺的重要原材料之一。 第三种材料是“石墨烯”,业界称其为“新材料的黑金”,石墨烯是目前人们创造出导电导热性能最强、机械强度最大的新型材料,拥有超高比表面积跟载流子迁移率,是一种能替代硅材料的新型材料。其性能充分满足了5G设施以及新机型的散热高要求,是5G系列设备最不可缺乏的重要原材料。目前,各国都十分重视对这三种材料的获取,或许需求量极大,是国产化最急需渴望的3种材料。