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5G时代,塑料助推消费电子新一波高潮!

5G时代的到来,毋庸置疑,对社会各行各业都将产生深刻深远的影响,尤其是与普通消费者生活密切相关的以智能手机、可穿戴设备为核心的消费电子产业。
 
中国工信部于去年六月正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G(即第五代)商用牌照,标志着中国正式进入了5G商用时代。
 
作为新一代移动通信技术,5G网络具有速率极高、容量超大、时延极低的三大特征。其峰值理论传输速度可达10Gbps,比4G网络的传输速度快出百倍,将带来高速率、低时延、可靠安全的增强型网络服务。
 
5G网络能够灵活地支持各种不同的设备,除了支持手机和平板计算机外,5G网络将还支持可佩戴式设备、机器人,而且VR/AR、智能家居、车联网、物联网(IoT)、智慧城市、无人机网络等概念将变为现实。此外,5G还将进一步应用到工业、医疗、安全等领域,能够极大地促进这些领域的生产效率,以及创造出新的生产方式。
 
材料是感知未来世界和实现颠覆性创新的源泉。5G的来临无疑要求电子设备等需要具备散热更强大、体型更小等特点,这将推动手机天线材料、手机外壳材料、电磁屏蔽材料、导热散热材料等多领域材料的更新换代。综合来看,5G需要低介电、高导热和高电磁屏蔽的高分子材料

5G将带动新材料需求,尤其是石墨烯等散热材料
 

近两年全球智能手机市场销量下滑,5G技术则被视为最后的救命稻草。2020年全球迎来5G手机换机潮,哪怕新冠疫情的肆虐也阻挡不住这一波汹涌的“后浪”。随着 5G 对手机产品功能要求的提高,材料面临更高性能要求和技术挑战。

 

手机天线材料

天线是手机中用于接收和发射信号的辐射单元,是影响手机信号的最关键的组件之一。目前主流的天线材料聚酰亚胺(PI)无法满足5G通讯讯号低损耗传输的需求,MPI(改性聚酰亚胺)、LCP(液晶聚合物)有望成为5G时代天线材料的主流选择。

 

PI的改性主要包括主链共聚、引入扭曲和非共平面结构、共混和复合改性等方法。虽然MPI在传输损耗、尺寸稳定性和可弯折性等方面并不如LCP,但其通过改良氟化物配方,其效能也可得到提升,而且其成本只有LCP的70%。

 

MPI是非结晶材料,在10-15GHz的超高频甚至极高频的信号处理上的表现有望媲美LCP天线,且MPI价格适中,故在5G发展前期,MPI有望替代部分PI,成为天线的重要过渡材料。

 

在4G及以前的时代,消费电子产品中一般使用PI(聚酰亚胺)或MPI(改性聚酰亚胺)材料做为电路绝缘基材,但随着5G技术的落地,PI或MPI材料在高频信号传输上的短板非常明显,其最大的问题就是射频信号损耗大,并且随着传输频率提高,信号损耗将越来越大,直接影响通讯质量。

 

是否有低损耗、3D可折弯、高介电常数的材料,直接影响着手机数据传输的速度。LCP (液晶聚合物)是一种新型热塑性有机材料,在微波/毫米波频段内介电常数低、损耗小,同时LCP材料灵活性和强度也比PI材料更好,可以大大提高消费电子产品空间利用效率,因此LCP天线被认为有望替代传统PI天线材料,成为下一代主流天线。

 

住友化学(Sumitomo Chemical)在上半年推出了两种具有非常低介电常数和非常低损耗因子的LCP,并提供数据说明电气工程师更好地理解和模拟这些化合物。

 

这两种LCP聚合物分别为SumikaSuper™ E6205L及SumikaSuper SR1205L,它们的介电常数低于标准LCP等级 - 这是更可靠的、更大容量的数据传输所必需的特性。两款LCP可注射成型或挤出,可满足5G的应用需求。

 

由于SR1205L的配方设计采用了一种新型的LCP基化学品,它的损耗因子更低,这可确保即使在千兆赫兹/毫米波频率范围内依然可进行可靠数据传输。

 

住友化学表示,该公司可根据特定的连接器设计和厚度要求,帮助电气工程师选择合适的LCP等级,并提供适当的数据,让工程师更好、更快和更高质量地设计组件。

 

手机后盖材料

5G技术的高传输率将对智能手机的设计产生重大影响。5G所采用的MIMO(大规模输入输出)技术使得手机中需要更多的空间来部署大量天线,当前手机选用的金属材料却会对信号产生干扰,5G手机后盖的“去金属化”已经势不可挡。

 


5G手机后盖的“去金属化”已经势不可挡

 

手机制造商将逐渐改用非金属材料(陶瓷、玻璃或塑料等),其中玻璃多为高端机所用。而塑料后盖因成本低廉、性价比高,符合5G手机初期降低成本、占领市场的需求,有机会成为中低端智能手机机身的重要选择。

 

在这些非金属材料中,科思创(Covestro)提供的模克福®SR多层PC/PMMA共挤薄膜解决方案脱颖而出。PMMA具有较好的硬度和耐磨性,一般用在外部,作为透明的保护膜,而PC具有良好的韧性,可作为内层带颜色的保护膜。通过这种方案,结合全新的制造工艺,生产的手机后盖有玻璃般质感,但不易碎。与传统金属组件不同,高频辐射可穿透这种薄膜。

 

科思创特殊薄膜大中华区总监赵洪义解释道:“我们的薄膜解决方案不仅可以满足毫米波长的无线电高频率传输要求,更可以实现复杂的3D造型设计。”

 

这款可3D成型的适用5G手机的透明薄膜经专门设计,为手机品牌提供了更高的设计自由度,手机制造商可以利用UV纳米压印和非导真空镀膜(NCVM)等装饰技术实现时尚的手机背盖效果。

 

目前,塑料的“手感”和“颜值”正逐步向高端的3D玻璃靠拢,且加工生产流程远少于玻璃,正逐步摆脱“低端”的刻板印象,市场占有率有望进一步提升。

 

轻、薄,一直是消费电子行业,尤其是移动智能设备如手机、笔记本电脑等产品不懈追求的目标。5G的来临要求消费电子具有更加强大的热处理能力和更加轻薄化的机身,塑料材料在消费电子轻薄化中扮演着重要角色。

 

从材料角度突破同质化竞争,已成为一些消费类电子产品生产企业的“葵花宝典”。关于5G领域的材料,现在迫切需要解决的就是功能材料,包括电子屏蔽材料和散热材料。

 

电磁屏蔽材料

随着5G的到来,高频率的引入、硬件零部件的升级以及联网设备及天线数量的成倍增长,使得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,电磁屏蔽材料的作用愈发明显。电磁屏蔽是利用屏蔽材料阻隔或衰减被屏蔽区域与外界的电磁能量传播,其原理是屏蔽材料对电磁波进行反射和吸收。

 

 

目前,广泛应用于消费电子领域的电磁屏蔽材料主要以聚合物或导电高分子类为主,有导电塑料器件、导电硅胶等。电磁屏蔽电子材料领先者汉高公司在5G时代的通讯设备、智能手机等领域都有布局,包括芯片级电磁干扰(EMI)屏蔽解决方案。该解决方案包括在封装体内提供分腔式的屏蔽保护和在封装表面提供覆膜式屏蔽保护,从而实现更小、更轻薄的电子产品设计。

 

导热散热材料

5G时代消费电子产品后壳非金属化之后,其功率增大了,整个的散热体系都需要改变。导热材料主要用于解决电子设备的散热问题,用于发热源和散热器的接触接口之间,通过使用导热系数远高于空气的热接口材料,提高电子元器件的散热效率。

 

芯片是消费电子产品的核心部件,随着芯片的高度集成,功率越来越大,芯片散热效果越显重要。陶氏(Dow)公司新推出了全新5G设备导热材料-陶熙TM(DOWSILTM)TC-4040点胶式导热凝胶。该产品达到UL 94 V-0的标准,可自动点胶,是一种可轻松点胶的热接口材料(TIM),以代替预制的导热垫片进行热传递、应力消除和减震,也可以作为间隙填缝料,具有可重工的性能。此外,产品还支持丝网印刷。据悉,产品在经历了1000小时150℃老化测试、-45℃至-125℃条件下1000次循环冲击测试、1000小时双85高温高湿老化测试等之后,依然坚挺。

 

另外,室温下有长达6个月的保质期。总之,它既可说明5G设备高效导热,又能实现高效组装,降低生产成本。

 

在众多导热方式中,石墨原料是近几年消费性电子产品中的主流应用,因为石墨具有耐高温、热膨胀系数小、良好的导热导电性、化学性稳定、可塑性大等特点。而合成石墨材料/高导热石墨膜是利用石墨的优异导热特性所开发的新型散热材料。

 

未来趋势


随着中国对以5G基站建设为领头羊的“新基建”的大力推进,5G作为人工智能、大数据中心等其它几大“新基建”领域的信息连接平台,将为各行各业带来巨大的发展空间,推动中国经济持续前进。

 

由于5G通讯在传输速率、信号强度等方面的大幅度提升,对各类材料的性能从基站端到手机等应用端都提出了更多的需求和更高的要求,5G新材料产业也迎来了新蓝海。因为5G产业链建设过程中所需的多种材料都要用到塑料。这不仅对塑料行业的材料创新研发提供了契机,也为塑料材料的运用与发展打开了新的风口。
 

 

在需求及技术的驱动下,关键材料和技术正在成为5G时代争夺战的核心,占领关键材料资源也相当于抢夺5G市场霸主地位。顺应5G发展的趋势,不断提升塑料产品的性能,生产出性能独特且质量优异的材料以符合5G产业建设的需求,成为塑料行业与企业当下面临5G机遇时所不得不承受的重要挑战。