“5G”技術(shù)專題｜第三期：新型手機(jī)天線材料的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)鏈介紹

“5G”技術(shù)專題｜第三期：新型手機(jī)天線材料的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)鏈介紹近幾年，以集成電路為代表的微電子工業(yè)取得了迅猛的發(fā)展，各種配套材料的發(fā)展同樣占據(jù)十分重要的地位，為微電子工業(yè)配套的專用化學(xué)材料主要包括集成電路和分立器件化學(xué)品，印刷電路化學(xué)品，顯示器件化學(xué)品等，聚酰亞胺（PI）可以說(shuō)是目前電子化學(xué)品中最有發(fā)展前途的有機(jī)高分子材料之一，目前PI在微電子工業(yè)中應(yīng)用于以下幾個(gè)方面，芯片表面的鈍化與封裝，多層布線的層間絕緣材料和用于制圖，通孔的光致抗蝕劑材料，柔性印刷電路板的基體材料以及液晶顯示器的取向膜材料等。雖然常規(guī)PI材料在微電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但目前在一些特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用卻由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)而受到限制，主要表現(xiàn)為固化溫度偏高，顏色偏深，介電常數(shù)偏高等。在現(xiàn)代微電子工業(yè)中為了達(dá)到更高的集成度，芯片越來(lái)越小，這樣芯片中信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間也會(huì)增加，這種延遲時(shí)間與所用層間絕緣材料的介電常數(shù)成正比，因此為了提高信號(hào)的傳輸速度，就必須降低PI層間絕緣材料的介電常數(shù)，針對(duì)常規(guī)PI材料所存在的諸多缺陷，人們做了大量改性工作，其中將含氟及含氟取代基引入PI的分子結(jié)構(gòu)成為改善PI性質(zhì)的措施之一。MPI材料簡(jiǎn)介1.1MPI材料的概念和合成方法MPI（ModifiedPolyimide）是改良的聚酰亞胺，是非結(jié)晶性的材料，MPI是通過(guò)對(duì)PI的氟化物配方改良制得的高性能PI，將含氟取代基引入到PI的分子結(jié)構(gòu)中。氟原子獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，可在保持PI優(yōu)良綜合性能的同時(shí)，賦予其許多獨(dú)特的性質(zhì)。如氟原子較大的電負(fù)性可以切斷PI分子結(jié)構(gòu)中電子云的共軛，因此制品的顏色很淺，其較強(qiáng)的疏水性使PI制品的吸濕率很低，而其較低的摩爾極化率使PI的介電常數(shù)較低等。MPI和其他PI合成的原理類似，都是采用二胺和二酐通過(guò)縮水聚合反應(yīng)制備的，只不過(guò)在MPI的某些單體的結(jié)構(gòu)中引入了氟原子。引入氟的二酐稱為含氟二酐，引入氟的二胺稱為含氟二胺。MPI的合成方法有兩種：一是在聚合過(guò)程中或大分子反應(yīng)中形成酰亞胺環(huán)；二是以含有酰亞胺環(huán)的單體聚合成聚酰亞胺。1.2MPI材料的應(yīng)用從理論上講，含氟PI可應(yīng)用于某些常規(guī)PI無(wú)法勝任或應(yīng)用受到限制的領(lǐng)域，如在光通訊領(lǐng)域內(nèi)用作光波導(dǎo)材料、二階非線性光學(xué)材料、光折變材料、光敏材料以及光電材料，在液晶顯示器件中用作取向膜材料，在集成電路元器件封裝中用作低介電常數(shù)涂層等。MPI材料的耐熱性和PI一樣優(yōu)越，由于含有耐水的氟原子，所以吸水率很低，這種特性使其具有了作為近代電子和光學(xué)材料的基本特性。MPI材料的介電常數(shù)比PI低，介電常數(shù)與吸水性有重要關(guān)系，MPI材料吸水性低，所以介電常數(shù)穩(wěn)定性好。在微電子裝置中可作為層間絕緣體使用，材料低而穩(wěn)定的介電常數(shù)是其最重要的性質(zhì)之一。傳統(tǒng)的聚酰亞胺是黃色的，但MPI材料有良好的透光性，在300-400nm間才有明顯的吸收，這種特性可使其成為優(yōu)質(zhì)的液晶顯示器件中用作取向膜材料。有些光學(xué)材料除了良好的透光性以外，往往對(duì)材料的折射率要精密控制，例如光導(dǎo)纖維，通光的芯材和外套皮材的折射率差要嚴(yán)格控制，MPI可通過(guò)共聚合的方法控制折射率，從而用于光波導(dǎo)材料。MPI的又一特性是優(yōu)良的溶解性，聚酰亞胺的主鏈中有許多芳環(huán)，所以一般是不溶的，而MPI含氟量高，在許多溶劑中可溶，這就避免了聚酰胺酸在熱亞胺化過(guò)程中，由于脫除小分子水留下“空穴”而引起光散射，從而體現(xiàn)出優(yōu)良的非線性光學(xué)性質(zhì)。二、MPI材料應(yīng)用于5G手機(jī)天線5G的應(yīng)用終端之一是智能手機(jī)，伴隨著1G到5G的發(fā)展，手機(jī)通信使用的無(wú)線電波頻率逐漸提高，波長(zhǎng)變短，天線也越來(lái)越短。由于電磁波具有頻率越高，波長(zhǎng)越短，越容易在傳播介質(zhì)中衰減的特點(diǎn)，頻率越高，要求天線材料的損耗越小。4G時(shí)代的天線制造材料是采用PI膜（聚酰亞胺），但PI在10Ghz以上頻率時(shí)，由于熱量積累引起的溫度變化會(huì)導(dǎo)致天線形變，產(chǎn)生傳輸損耗，導(dǎo)致波形失真，影響傳輸速度，無(wú)法滿足5G天線的需求，而MPI（改性聚酰亞胺）恰好能改善這個(gè)狀況。MPI（ModifiedPolyimide）是改良的聚酰亞胺，是非結(jié)晶性的材料，基本上在各種溫度下都可進(jìn)行操作，特別是在低溫壓合銅箔時(shí)，能夠輕易的與銅的表面接著。MPI的介電常數(shù)，吸濕性和傳輸損耗介于PI和LCP之間，在10-15GHz的高頻信號(hào)處理上可以滿足5G時(shí)代的信號(hào)處理需求。2.1MPI的產(chǎn)業(yè)鏈MPI從樹(shù)脂材料到最后的手機(jī)天線模組需經(jīng)過(guò)如下步驟：MPI樹(shù)脂/薄膜—撓性覆銅板FCCL—柔性電路板FPC—智能手機(jī)（MPI不需要模組環(huán)節(jié))。MPI樹(shù)脂經(jīng)過(guò)加工后得到MPI薄膜，MPI薄膜包裹銅箔制得MPIFCCL，軟板企業(yè)再將MPIFCCL加工成FPC，最后通過(guò)天線模組企業(yè)進(jìn)行整合后出售給終端手機(jī)制造商。MPI樹(shù)脂/膜MPIFCCLMPI軟板(FPC)手機(jī)天線模組手機(jī)（1）MPI薄膜方面，MPI材料源于對(duì)原PI材料氟化物配方的改善，MPI薄膜的主要材料為電子級(jí)PI薄膜，由于PI薄膜具有較高的技術(shù)門檻，目前PI薄膜主要供應(yīng)商仍為海外企業(yè)，包括美國(guó)杜邦、日本宇部興產(chǎn)、日本鐘淵化學(xué)等，這幾家公司基本壟斷了電子級(jí)PI薄膜市場(chǎng)，因?yàn)镸PI薄膜是由PI薄膜改性所得，所以MPI薄膜主要供應(yīng)商大多為原PI薄膜供應(yīng)商。目前我國(guó)的低端電工級(jí)PI薄膜已經(jīng)基本滿足國(guó)內(nèi)需求，而電子級(jí)PI薄膜很大程度上依賴進(jìn)口。（2）MPIFCCL方面，供應(yīng)鏈由杜邦、臺(tái)虹、新?lián)P等掌控，其中杜邦為蘋果供貨。另外，國(guó)內(nèi)廠商生益科技在MPIFCCL產(chǎn)品上具有一定技術(shù)儲(chǔ)備。（3）MPI軟板則由鵬鼎、臺(tái)郡、嘉聯(lián)益等占據(jù)。其中臺(tái)郡專注于高頻高速M(fèi)PI軟板天線設(shè)計(jì)，嘉聯(lián)益已正式推出MPI天線產(chǎn)品，且現(xiàn)有設(shè)備大部分可共用于LCP/MPI/PI天線軟板生產(chǎn)。綜上所述，從上游看，原材料、薄膜、FCCL供應(yīng)商大多由國(guó)外企業(yè)掌控，國(guó)內(nèi)MPI天線產(chǎn)業(yè)鏈上游供應(yīng)商較為稀缺，尤其是MPI薄膜方面。2.2．PI材料，MPI材料與LCP材料的性能對(duì)比4G時(shí)期使用的傳統(tǒng)PI材質(zhì)的介電常數(shù)在3-4左右（介電強(qiáng)度一般使用Dk或介電常數(shù)εr表征），在10GHz以上的高頻波段介質(zhì)損耗角tanδ達(dá)到0.008（介質(zhì)損耗角用Df或耗損角正切值tanδ表征），同時(shí)由于PI材料具有一定的吸水性，高溫下吸水后水分會(huì)導(dǎo)致介電強(qiáng)度升高，同時(shí)影響PI薄膜與軟板下層結(jié)構(gòu)的結(jié)合，因此PI材料慢慢不適用于5G手機(jī)的天線使用。5G時(shí)期，需要具有更低的介電強(qiáng)度和更小的介質(zhì)損耗角的手機(jī)天線材質(zhì)以提高傳輸信號(hào)的可靠性。目前常見(jiàn)代替PI的兩種材質(zhì)分別為L(zhǎng)CP和MPI。LCP（LiquidCrystalPolymer），即液晶聚合物/高分子，是一種由剛性高分子鏈結(jié)構(gòu)組成的全芳族液晶聚酯類高分子材料，最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，后來(lái)憑借介質(zhì)損耗與導(dǎo)體損耗更小，具備靈活性、密封性等特性，LCP逐漸應(yīng)用于智能手機(jī)天線，LCP材料的介電常數(shù)更小（εr＜3），高頻介質(zhì)損耗角更?。╰anδ為0.002-0.004），并且相比于PI材料有更低的吸水性。但LCP成本較高，工藝復(fù)雜，原材料相對(duì)短缺，良率較低，產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，因此仍未在短時(shí)間內(nèi)被廣泛使用。MPI即經(jīng)過(guò)改性處理的PI材料，經(jīng)過(guò)處理之后，MPI材質(zhì)的傳輸損耗得到了一定的改善，吸水性也有所降低，在中低的工作頻段下，工作性能十分接近LCP，在15GHz以上的頻段，MPI材料的傳輸損耗漸漸增大，LCP材料優(yōu)勢(shì)明顯，且在吸水性方面明顯占優(yōu)。MPI相較LCP具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)工藝也更容易實(shí)現(xiàn)，且由于MPI材料是基于PI材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以其產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)成熟，因此MPI材料被認(rèn)為是5G手機(jī)天線的過(guò)渡產(chǎn)品，在5G中低頻段上使用較多，或與LCP搭配使用，這也是目前一個(gè)較為折中的選擇。參數(shù)比較PIMPILCP優(yōu)勢(shì)分析工藝復(fù)雜度低中高LCP的工藝復(fù)雜度高于PI和MPI材料銅箔壓合溫度低溫低溫高溫傳輸損耗高中低在低于10GHz時(shí)，MPI與LCP差別差別不大，高于10GHz時(shí)差別明顯。吸水性高中低LCP穩(wěn)定性更好延展性低中高LCP適合小型化尺寸穩(wěn)定性低中高LCP穩(wěn)定性好耐熱性高中低PI和MPI材料的操作溫度空間大，加工難度小，良率高成本低中高M(jìn)PI成本較低供應(yīng)情況充足一般緊缺MPI產(chǎn)能增長(zhǎng)快，準(zhǔn)入門檻較低，未來(lái)降價(jià)空間大，LCP供應(yīng)商相對(duì)較少，壟斷性強(qiáng)。公開(kāi)資料整理表2PI,MPI和LCP材料的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比2.3MPI材料的應(yīng)用進(jìn)展LCP在10GHz以上的波段傳輸性能顯著，目前還沒(méi)有可以代替的材料。但是LCP樹(shù)脂生產(chǎn)主要集中在美、日兩地，LCP薄膜主要是日系供貨商，材料比較短缺，其材料本身耐熱性較差，良率較難控制，因此LCP行業(yè)壁壘高，產(chǎn)能釋放慢。MPI是在PI的基礎(chǔ)上改性制得，雖然形成產(chǎn)業(yè)的時(shí)間較晚，但是技術(shù)門檻相對(duì)較低，與LCP相比，MPI產(chǎn)品良率高、成本低、上游原材料充裕，此外，由于MPI是由PI改性而制備，技術(shù)門檻相對(duì)較低，在需求旺盛的條件下，MPI產(chǎn)能爆發(fā)期要早于LCP。MPI應(yīng)用于手機(jī)天線材料成熟較晚，很多PI廠商的MPI產(chǎn)能還未釋放，另外，目前5G應(yīng)用波段主要在SUB-6GHz，4G向毫米波過(guò)渡期會(huì)很長(zhǎng)，未來(lái)主流應(yīng)用仍會(huì)長(zhǎng)期維持在SUB-6GHz頻段。因此，MPI完全具備與LCP一較高下的可能，再考慮上成本、加工良率等優(yōu)勢(shì)，MPI綜合性價(jià)比要高于LCP，因此隨著MPI產(chǎn)能爆發(fā)期的到來(lái)，MPI與LCP價(jià)差也會(huì)擴(kuò)大，擁有更高性價(jià)比的MPI市場(chǎng)將會(huì)擴(kuò)容。

目前，LCP天線的表現(xiàn)尚未達(dá)到理論高度。實(shí)際應(yīng)用中，蘋果Apple公司在2017年末發(fā)行的iPhoneX首次將LCP材料應(yīng)用于天線，但2019年部分的新款iPhone天線軟板舍棄了LCP材料而改采用MPI。許多消費(fèi)者反映iPhoneX系列(內(nèi)置六條LCP天線)時(shí)常出現(xiàn)信號(hào)斷連情況，而這一情況在iPhone11系列(內(nèi)置兩條LCP天線、四條MPI天線)上得到了改善。不過(guò)，很難確認(rèn)蘋果用MPI天線替換LCP天線是出于降低成本的需求還是由于缺乏優(yōu)質(zhì)的LCP天線運(yùn)用方案?；贛PI在低層數(shù)、中低頻軟板上具有較好性價(jià)比和供應(yīng)鏈成熟度，所以目前MPI材料可以作為過(guò)渡到5G毫米波頻段前的LCP替代材料?；贛PI的在5G手機(jī)天線材料的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的廠商布局MPI產(chǎn)業(yè)。2020年10月日本旗勝發(fā)布消息稱，除了基于LCP的FCP外，其采用MPI開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)的5G高速傳輸用FPC，并已建立批量生產(chǎn)線，日本旗勝通過(guò)將MPI和低介電粘合劑結(jié)合實(shí)現(xiàn)了與LCP柔性電路板一樣優(yōu)異的傳輸特性，且與LCP柔性電路板相比，提高了抗彎曲性和耐熱性。日本旗勝表示，繼MPI柔性電路板之后，計(jì)劃在2021年開(kāi)始提供高頻段具有更好的傳輸特性的低介電損耗氟樹(shù)脂F(xiàn)PC。同時(shí)，住友電氣工業(yè)官網(wǎng)也發(fā)布公告稱，公司已成功量產(chǎn)氟樹(shù)脂柔性印刷基板（FPC）「FLUOROCUIT」，該材料在極高頻段（EHF）擁有優(yōu)異傳輸性能。PI尖端素材（原SKC

KOLON

PI）去年發(fā)布公告稱公司擬定投入700億韓元（折合人民幣約4.17億元）對(duì)八號(hào)生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)備投資，生產(chǎn)新一代高端聚酰亞胺薄膜材料。該產(chǎn)線預(yù)計(jì)2022年下半年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，投產(chǎn)后可實(shí)現(xiàn)600噸/年生產(chǎn)能力。另有消息稱，PI尖端素材將為三星電子的GalaxyS215G智能手機(jī)提供聚酰亞胺薄膜。該公司推出的第一款MPI的Df約為0.0035至0.004，此外，公司還開(kāi)發(fā)了用于24GHz以上的毫米波頻譜的PI膜，用于毫米波的MPI將具有較低的Df。

另有消息稱，PI尖端素材將為三星電子的GalaxyS215G智能手機(jī)提供聚酰亞胺薄膜。國(guó)內(nèi)方面，2020年，四川東材科技集團(tuán)股份有限公司年產(chǎn)5200噸高頻高速印制電路板用特種樹(shù)脂材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目進(jìn)行環(huán)評(píng)公示。2020年九月，八億時(shí)空發(fā)布公告稱擬使用1億元超募資金設(shè)立“上海八億時(shí)空先進(jìn)材料有限公司”，實(shí)施“先進(jìn)材料研發(fā)項(xiàng)目”。項(xiàng)目選址于被譽(yù)為中國(guó)硅谷的張江高科，主要對(duì)光刻膠和聚酰亞胺等材料進(jìn)行前端技術(shù)創(chuàng)新及重點(diǎn)方向研究，這也讓八億時(shí)