“5G”技术专题｜第三期：新型手机天线材料的应用及产业链介绍

“5G”技术专题｜第三期：新型手机天线材料的应用及产业链介绍近几年，以集成电路为代表的微电子工业取得了迅猛的发展，各种配套材料的发展同样占据十分重要的地位，为微电子工业配套的专用化学材料主要包括集成电路和分立器件化学品，印刷电路化学品，显示器件化学品等，聚酰亚胺（PI）可以说是目前电子化学品中最有发展前途的有机高分子材料之一，目前PI在微电子工业中应用于以下几个方面，芯片表面的钝化与封装，多层布线的层间绝缘材料和用于制图，通孔的光致抗蚀剂材料，柔性印刷电路板的基体材料以及液晶显示器的取向膜材料等。虽然常规PI材料在微电子工业中得到广泛应用，但目前在一些特殊领域中的应用却由于其特殊的分子结构而受到限制，主要表现为固化温度偏高，颜色偏深，介电常数偏高等。在现代微电子工业中为了达到更高的集成度，芯片越来越小，这样芯片中信号传输的延迟时间也会增加，这种延迟时间与所用层间绝缘材料的介电常数成正比，因此为了提高信号的传输速度，就必须降低PI层间绝缘材料的介电常数，针对常规PI材料所存在的诸多缺陷，人们做了大量改性工作，其中将含氟及含氟取代基引入PI的分子结构成为改善PI性质的措施之一。MPI材料简介1.1MPI材料的概念和合成方法MPI（ModifiedPolyimide）是改良的聚酰亚胺，是非结晶性的材料，MPI是通过对PI的氟化物配方改良制得的高性能PI，将含氟取代基引入到PI的分子结构中。氟原子独特的物理化学性质，可在保持PI优良综合性能的同时，赋予其许多独特的性质。如氟原子较大的电负性可以切断PI分子结构中电子云的共轭，因此制品的颜色很浅，其较强的疏水性使PI制品的吸湿率很低，而其较低的摩尔极化率使PI的介电常数较低等。MPI和其他PI合成的原理类似，都是采用二胺和二酐通过缩水聚合反应制备的，只不过在MPI的某些单体的结构中引入了氟原子。引入氟的二酐称为含氟二酐，引入氟的二胺称为含氟二胺。MPI的合成方法有两种：一是在聚合过程中或大分子反应中形成酰亚胺环；二是以含有酰亚胺环的单体聚合成聚酰亚胺。1.2MPI材料的应用从理论上讲，含氟PI可应用于某些常规PI无法胜任或应用受到限制的领域，如在光通讯领域内用作光波导材料、二阶非线性光学材料、光折变材料、光敏材料以及光电材料，在液晶显示器件中用作取向膜材料，在集成电路元器件封装中用作低介电常数涂层等。MPI材料的耐热性和PI一样优越，由于含有耐水的氟原子，所以吸水率很低，这种特性使其具有了作为近代电子和光学材料的基本特性。MPI材料的介电常数比PI低，介电常数与吸水性有重要关系，MPI材料吸水性低，所以介电常数稳定性好。在微电子装置中可作为层间绝缘体使用，材料低而稳定的介电常数是其最重要的性质之一。传统的聚酰亚胺是黄色的，但MPI材料有良好的透光性，在300-400nm间才有明显的吸收，这种特性可使其成为优质的液晶显示器件中用作取向膜材料。有些光学材料除了良好的透光性以外，往往对材料的折射率要精密控制，例如光导纤维，通光的芯材和外套皮材的折射率差要严格控制，MPI可通过共聚合的方法控制折射率，从而用于光波导材料。MPI的又一特性是优良的溶解性，聚酰亚胺的主链中有许多芳环，所以一般是不溶的，而MPI含氟量高，在许多溶剂中可溶，这就避免了聚酰胺酸在热亚胺化过程中，由于脱除小分子水留下“空穴”而引起光散射，从而体现出优良的非线性光学性质。二、MPI材料应用于5G手机天线5G的应用终端之一是智能手机，伴随着1G到5G的发展，手机通信使用的无线电波频率逐渐提高，波长变短，天线也越来越短。由于电磁波具有频率越高，波长越短，越容易在传播介质中衰减的特点，频率越高，要求天线材料的损耗越小。4G时代的天线制造材料是采用PI膜（聚酰亚胺），但PI在10Ghz以上频率时，由于热量积累引起的温度变化会导致天线形变，产生传输损耗，导致波形失真，影响传输速度，无法满足5G天线的需求，而MPI（改性聚酰亚胺）恰好能改善这个状况。MPI（ModifiedPolyimide）是改良的聚酰亚胺，是非结晶性的材料，基本上在各种温度下都可进行操作，特别是在低温压合铜箔时，能够轻易的与铜的表面接着。MPI的介电常数，吸湿性和传输损耗介于PI和LCP之间，在10-15GHz的高频信号处理上可以满足5G时代的信号处理需求。2.1MPI的产业链MPI从树脂材料到最后的手机天线模组需经过如下步骤：MPI树脂/薄膜—挠性覆铜板FCCL—柔性电路板FPC—智能手机（MPI不需要模组环节)。MPI树脂经过加工后得到MPI薄膜，MPI薄膜包裹铜箔制得MPIFCCL，软板企业再将MPIFCCL加工成FPC，最后通过天线模组企业进行整合后出售给终端手机制造商。MPI树脂/膜MPIFCCLMPI软板(FPC)手机天线模组手机（1）MPI薄膜方面，MPI材料源于对原PI材料氟化物配方的改善，MPI薄膜的主要材料为电子级PI薄膜，由于PI薄膜具有较高的技术门槛，目前PI薄膜主要供应商仍为海外企业，包括美国杜邦、日本宇部兴产、日本钟渊化学等，这几家公司基本垄断了电子级PI薄膜市场，因为MPI薄膜是由PI薄膜改性所得，所以MPI薄膜主要供应商大多为原PI薄膜供应商。目前我国的低端电工级PI薄膜已经基本满足国内需求，而电子级PI薄膜很大程度上依赖进口。（2）MPIFCCL方面，供应链由杜邦、台虹、新扬等掌控，其中杜邦为苹果供货。另外，国内厂商生益科技在MPIFCCL产品上具有一定技术储备。（3）MPI软板则由鹏鼎、台郡、嘉联益等占据。其中台郡专注于高频高速MPI软板天线设计，嘉联益已正式推出MPI天线产品，且现有设备大部分可共用于LCP/MPI/PI天线软板生产。综上所述，从上游看，原材料、薄膜、FCCL供应商大多由国外企业掌控，国内MPI天线产业链上游供应商较为稀缺，尤其是MPI薄膜方面。2.2．PI材料，MPI材料与LCP材料的性能对比4G时期使用的传统PI材质的介电常数在3-4左右（介电强度一般使用Dk或介电常数εr表征），在10GHz以上的高频波段介质损耗角tanδ达到0.008（介质损耗角用Df或耗损角正切值tanδ表征），同时由于PI材料具有一定的吸水性，高温下吸水后水分会导致介电强度升高，同时影响PI薄膜与软板下层结构的结合，因此PI材料慢慢不适用于5G手机的天线使用。5G时期，需要具有更低的介电强度和更小的介质损耗角的手机天线材质以提高传输信号的可靠性。目前常见代替PI的两种材质分别为LCP和MPI。LCP（LiquidCrystalPolymer），即液晶聚合物/高分子，是一种由刚性高分子链结构组成的全芳族液晶聚酯类高分子材料，最早应用于工业领域，后来凭借介质损耗与导体损耗更小，具备灵活性、密封性等特性，LCP逐渐应用于智能手机天线，LCP材料的介电常数更小（εr＜3），高频介质损耗角更小（tanδ为0.002-0.004），并且相比于PI材料有更低的吸水性。但LCP成本较高，工艺复杂，原材料相对短缺，良率较低，产业链尚不成熟，因此仍未在短时间内被广泛使用。MPI即经过改性处理的PI材料，经过处理之后，MPI材质的传输损耗得到了一定的改善，吸水性也有所降低，在中低的工作频段下，工作性能十分接近LCP，在15GHz以上的频段，MPI材料的传输损耗渐渐增大，LCP材料优势明显，且在吸水性方面明显占优。MPI相较LCP具有明显的成本优势，生产工艺也更容易实现，且由于MPI材料是基于PI材料的基础上发展起来的，所以其产业链相对成熟，因此MPI材料被认为是5G手机天线的过渡产品，在5G中低频段上使用较多，或与LCP搭配使用，这也是目前一个较为折中的选择。参数比较PIMPILCP优势分析工艺复杂度低中高LCP的工艺复杂度高于PI和MPI材料铜箔压合温度低温低温高温传输损耗高中低在低于10GHz时，MPI与LCP差别差别不大，高于10GHz时差别明显。吸水性高中低LCP稳定性更好延展性低中高LCP适合小型化尺寸稳定性低中高LCP稳定性好耐热性高中低PI和MPI材料的操作温度空间大，加工难度小，良率高成本低中高MPI成本较低供应情况充足一般紧缺MPI产能增长快，准入门槛较低，未来降价空间大，LCP供应商相对较少，垄断性强。公开资料整理表2PI,MPI和LCP材料的各项参数对比2.3MPI材料的应用进展LCP在10GHz以上的波段传输性能显著，目前还没有可以代替的材料。但是LCP树脂生产主要集中在美、日两地，LCP薄膜主要是日系供货商，材料比较短缺，其材料本身耐热性较差，良率较难控制，因此LCP行业壁垒高，产能释放慢。MPI是在PI的基础上改性制得，虽然形成产业的时间较晚，但是技术门槛相对较低，与LCP相比，MPI产品良率高、成本低、上游原材料充裕，此外，由于MPI是由PI改性而制备，技术门槛相对较低，在需求旺盛的条件下，MPI产能爆发期要早于LCP。MPI应用于手机天线材料成熟较晚，很多PI厂商的MPI产能还未释放，另外，目前5G应用波段主要在SUB-6GHz，4G向毫米波过渡期会很长，未来主流应用仍会长期维持在SUB-6GHz频段。因此，MPI完全具备与LCP一较高下的可能，再考虑上成本、加工良率等优势，MPI综合性价比要高于LCP，因此随着MPI产能爆发期的到来，MPI与LCP价差也会扩大，拥有更高性价比的MPI市场将会扩容。

目前，LCP天线的表现尚未达到理论高度。实际应用中，苹果Apple公司在2017年末发行的iPhoneX首次将LCP材料应用于天线，但2019年部分的新款iPhone天线软板舍弃了LCP材料而改采用MPI。许多消费者反映iPhoneX系列(内置六条LCP天线)时常出现信号断连情况，而这一情况在iPhone11系列(内置两条LCP天线、四条MPI天线)上得到了改善。不过，很难确认苹果用MPI天线替换LCP天线是出于降低成本的需求还是由于缺乏优质的LCP天线运用方案。基于MPI在低层数、中低频软板上具有较好性价比和供应链成熟度，所以目前MPI材料可以作为过渡到5G毫米波频段前的LCP替代材料。基于MPI的在5G手机天线材料的优势，越来越多的厂商布局MPI产业。2020年10月日本旗胜发布消息称，除了基于LCP的FCP外，其采用MPI开发新结构的5G高速传输用FPC，并已建立批量生产线，日本旗胜通过将MPI和低介电粘合剂结合实现了与LCP柔性电路板一样优异的传输特性，且与LCP柔性电路板相比，提高了抗弯曲性和耐热性。日本旗胜表示，继MPI柔性电路板之后，计划在2021年开始提供高频段具有更好的传输特性的低介电损耗氟树脂FPC。同时，住友电气工业官网也发布公告称，公司已成功量产氟树脂柔性印刷基板（FPC）「FLUOROCUIT」，该材料在极高频段（EHF）拥有优异传输性能。PI尖端素材（原SKC

KOLON

PI）去年发布公告称公司拟定投入700亿韩元（折合人民币约4.17亿元）对八号生产线进行设备投资，生产新一代高端聚酰亚胺薄膜材料。该产线预计2022年下半年实现批量生产，投产后可实现600吨/年生产能力。另有消息称，PI尖端素材将为三星电子的GalaxyS215G智能手机提供聚酰亚胺薄膜。该公司推出的第一款MPI的Df约为0.0035至0.004，此外，公司还开发了用于24GHz以上的毫米波频谱的PI膜，用于毫米波的MPI将具有较低的Df。

另有消息称，PI尖端素材将为三星电子的GalaxyS215G智能手机提供聚酰亚胺薄膜。国内方面，2020年，四川东材科技集团股份有限公司年产5200吨高频高速印制电路板用特种树脂材料产业化项目进行环评公示。2020年九月，八亿时空发布公告称拟使用1亿元超募资金设立“上海八亿时空先进材料有限公司”，实施“先进材料研发项目”。项目选址于被誉为中国硅谷的张江高科，主要对光刻胶和聚酰亚胺等材料进行前端技术创新及重点方向研究，这也让八亿时