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产业前沿：5G时代，是陶瓷的发展时代
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发布时间：2024-04-30
信息技术领域已成为提升国家科技创新实力、推动经济社会发展和提高整体竞争重要的动力引擎。5G是开启工业数字化和物联网新时代的新一代基础生产力。世界各国把抢占5G通信技术的至高点作为国家发展的重要战略，不管是在关键元器件、上游材料制备还是在网络部署等方面都开始积极布局，抢先发展先机。
5G新时代
与传统4G等通信技术相比，5G通信技术接入工作器件需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、超高宽带传输3大基础性能要求，其制备材料则需要具有实现大规模集成化、高频化和高频谱效率等特点。针对5G的要求，陶瓷有“先天优势”。随着陶瓷在指纹识别、无线充电等手机功能领域的逐渐普及，陶瓷材料具有无信号屏蔽、硬度高、观感强及接近金属材料优异散热性等特点成为手机企业进军5G时代的重要选择。
微波介质陶瓷材料——介质谐振器、滤波器
微波介质陶瓷是5G时代最受瞩目的陶瓷材料。微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段（主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。微波介电陶瓷具有介电常数高、微波损耗低、温度系数小等优良性能，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。微波介质陶瓷的主要材料包括氧化钡（BaO）—二氧化钛（TiO2）系材料、BaO—氧化铟（Ln2O3）系材料、复活钙钛矿系材料和铅基钙钛矿系材料。微波介质陶瓷广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器、电容器及微波基板等，是移动通讯、卫星通讯、全球卫星定位系统、蓝牙技术及无线局域网等现代微波通讯的关键材料。介质谐振器和滤波器是用量最大的微波介质陶瓷器件，目前，我国是移动通信用微波介质谐振器和滤波器的最大市场。近年来，微波陶瓷器件正向片式化、微型化甚至集成化方向发展。目前，5G基站滤波器有三种方案，即小型金属腔体滤波器、塑料滤波器和陶瓷介质滤波器。传统的滤波器一般由金属同轴腔体实现，通过不同频率的电磁波在同轴腔体滤波器中振荡，保留达到滤波器谐振频率的电磁波，并耗散掉其余频率的电磁波。陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在介质材料内部，没有金属腔体，因此体积较上述两种滤波器都会更小。5G时代Massive MIMO（大规模天线技术）对天线集成化的要求较高，滤波器需要更加的小型化和集成化，为了满足5G基站对滤波器的相关需求，更易小型化的陶瓷介质滤波器成为主流解决方案。
5G时代，万物互联
陶瓷基板
5G时代，随着电子元器件逐步向小型化、精密化、高速化、高可靠性方向发展，以及大功率电子元器件的使用量逐步加大，快速散热及极端温度下的可靠性已成为封装的关键问题。封装基板是芯片封装体的重要组成材料，可以分为有机、陶瓷和复合材料3种。无机陶瓷基板原材料为高化学稳定性、高耐腐蚀性、气密性好、热导率高及热膨胀系数匹配的氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）和氧化铍（BeO）等陶瓷材料。我国在Al2O3、AlN、SiC和BeO等陶瓷材料制备技术比较成熟，而且已经能够熟练掌握陶瓷表面的薄膜金属化工艺，但是在陶瓷表面的后膜金属化技术方面，还比较欠缺。
半导体陶瓷芯片材料
在5G通信技术中，需要大量的中高频器件，主要包含滤波器、功率放大器、低噪声放大器、射频开关等。化合物半导体材料是制备这些器件的核心关键材料。化合物基半导体材料主要包括砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC)等化合物半导体，具备禁带宽度大、电子迁移率高、直接禁带等性能，可以实现高频谱效率、大频率波处理、低延时响应等功能。化合物半导体材料未来将在5G、物联网、智能汽车等应用领域得到广泛应用。
压电陶瓷材料
在5G通信产业化过程中，将伴随着大量基站建设和终端的推广应用。因此，需要大量高频滤波器、信号发射器等元器件。滤波压电材料是制造这些器件的关键材料。主要的滤波压电材料包括压电晶体材料、压电陶瓷材料和压电薄膜材料。压电陶瓷材料主要包括钙钛结构矿（钛酸钡、锆钛酸铅）材料、钨青铜结构材料和铋层状结构材料。近年来，压电材料在全球每年销量按15%左右的速度增长，自2017年以来，每年全球压电陶瓷产品销售额约达150亿美元以上。
5G手机背后的新材料——氧化锆
近年来，智能终端陶瓷得到快速发展并受到了市场的高度关注，主要源于精密陶瓷材料具有其他智能终端材料(如金属、塑料)所不具备的一些优异性能和特点，并且可以满足5G通信及无线充电的发展趋势。随着步入5G时代，由于5G通信采用3GHz以上的无线频谱，智能手机的天线结构将比4G更为复杂，信号传输量更大，传输速度更快。目前，手机外壳广泛使用的铝镁合金因其对信号屏蔽作用强，无法满足5G信号传输的要求，也不可进行无线充电，而陶瓷材料对信号屏蔽小，便于无线充电，天线结构易于设计。无线充电技术主要通过磁共振、电场耦合、磁感应和微波天线传输技术实现。由于目前金属机壳对电磁场有屏蔽和吸收作用，会影响无线充电的传输效率，所以无线充电功能不能用在金属后盖手机和智能手表中。但是电磁波可以顺利穿过陶瓷、玻璃、塑料等非金属材料，所以智能手机和手表要实现无线充电功能，就须采用陶瓷和玻璃后盖，塑料虽然也可使用，但易老化，质感差；可见无论是5G通信还是无线充电，陶瓷材料可以较好地解决信号传输问题。正因为纳米氧化锆陶瓷具备耐磨损、耐锈蚀、对皮肤不过敏、亲肤性好、佩戴舒适、且外观温润手感好等优点，从而更适用于智能可穿戴设备。随着5G商用时代到来，纳米ZrO2陶瓷背板成为最佳备选材料，目前中国走在前面，全球90%以上的陶瓷背板由中国制造。
多层陶瓷电容器
多层陶瓷电容器(MLCC)材料在5G技术支撑下飞速发展，已经成为电子设备中必不可少的零部件，对移动互联网通信技术以及人类社会的信息交互方式产生了极其深远的影响，促进了物联网产业的更新换代，强化了人与人、人与物以及物与物的智能互联。5G移动通信技术的发展，对多层陶瓷电容器材料的性能提出了更高、更严格的要求。多层陶瓷电容器材料将逐渐向高频化、低功耗、小型化和高储能密度技术方向发展，以迎接5G时代的到来。
