52404/25
第六代太赫茲（THz）頻段傳輸技術(shù)（6G）近年來受到中國(guó)、美國(guó)、芬蘭、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家相關(guān)部門和學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)的關(guān)注和研究。華為、蘋果、三星等巨頭也均有相關(guān)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目正在進(jìn)行中。
【DT新材料】獲悉，近日，工信部多次在公開場(chǎng)合表示將加強(qiáng)國(guó)際合作，全面推進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)。
相關(guān)閱讀：工信部，加快6G的研發(fā)
在此背景下，6g技術(shù)又一次成為了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一。對(duì)比5G，6G頻段在100GHz-10THz，峰值傳輸速度高達(dá)100Gbps~1Tbps，通信延遲小于0.1毫秒。而與之對(duì)應(yīng)的是，該技術(shù)對(duì)于天線、半導(dǎo)體等相關(guān)材料的性能提出了嚴(yán)苛的要求。相關(guān)新材料的發(fā)展將成為制約通信頻率往毫米波、太赫茲普及的關(guān)鍵因素。
6g相關(guān)技術(shù)特征
圖片來源：半導(dǎo)體芯科技
實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的通信是6G的核心關(guān)鍵之一。而目前現(xiàn)有通訊機(jī)制主要是終端器件連接中樞天線進(jìn)行信號(hào)的傳遞。這其中將涉及各類功率芯片、電路板、天線、電容器、探測(cè)器等等部件。
6G通信將會(huì)因?yàn)楦哳l和高度集成而出現(xiàn)散熱、電磁干擾等問題，對(duì)此相關(guān)部件原材料和結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選用，涉及芯片材料、天線材料、導(dǎo)熱材料、覆銅板基材、電磁屏蔽材料等等。芯片部件
生產(chǎn)太赫茲以上頻率的芯片是6G高頻段目前的瓶頸之一。其中功率芯片是高頻通信的核心器件，在這一領(lǐng)域如砷化鎵、氮化鎵、磷化銦異質(zhì)結(jié)等化合物半導(dǎo)體由于擁有比硅基半導(dǎo)體更適合高頻組件的高電子遷移率等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注，這一類材料作為高電子遷移率晶體管具備很大的潛力，對(duì)此未來lll-V族化合物的應(yīng)用將變得更廣泛。
此外芯片電路板主要由介質(zhì)層與金屬導(dǎo)電層組成。而在太赫茲頻段下，介質(zhì)層材料結(jié)構(gòu)容易吸收能量從而造成信號(hào)損失，對(duì)此需要低介電常數(shù)與低介電損耗的高分子材料。其中碳?xì)錁渲?、聚四氟乙烯材?PTFE)、聚苯醚PPE（也稱PPO）、和液晶高分子(LCP)等特種樹脂材料受到了廣泛關(guān)注，其中LCP還可應(yīng)用于天線部件。
同時(shí)6G對(duì)于目前交流信號(hào)傳遞的金屬銅箔也有特殊要求。訊號(hào)深度(趨膚深度)與頻率有關(guān)，而在高頻下的趨膚深度將達(dá)到1微米以下，需要表面粗糙度極低的無輪廓光滑銅箔才可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低損耗傳遞，這對(duì)于目前的加工來說也是一個(gè)難題。
天線材料
天線是通信收發(fā)的重要組件。而天線尺寸與頻率成反比，毫米波天線可以整合到模塊中形成與芯片一體化的封裝組合(System on package, SoP)，無需獨(dú)立天線或是5G的封裝、貼片天線。對(duì)此目前5G時(shí)代的MPI（改性聚酰亞胺）性能將受限制，LCP天線材料替代進(jìn)程或?qū)⒓铀佟?/p>
此外天線接受的電磁波一般會(huì)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)，而目前在太赫茲范圍內(nèi)的探測(cè)器仍未商業(yè)化。近幾年除了量子阱探測(cè)器(QWP)外，石墨烯、納米碳管等納米材料也將在這一領(lǐng)域具有商品化的潛力。
零部件材料
附屬PCB板除了上述提到的PTFE，LCP等為代表的熱塑性樹脂體系，具備低介電損失的含乙烯基熱固性樹脂也受到了關(guān)注。其中包括雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）、環(huán)烯烴樹脂(Cyclo Olefin Polymers)、聚二乙烯基苯(Polydivinylben-zene,PDVB)等。
電磁屏蔽材料太赫茲波段的電磁波比穿透力差，衰減大，對(duì)信號(hào)的抗干擾能力要求很高，對(duì)比5g需要更多的電磁屏蔽器件。目前，商業(yè)化應(yīng)用的電磁屏蔽材料主要包括金屬屏蔽罩、改性導(dǎo)電氈、導(dǎo)電高分子摻雜橡膠、泡棉、導(dǎo)電涂料、屏蔽膠帶等等。未來6g應(yīng)用將對(duì)電磁屏蔽材料提出更高的要求，例如需要柔性輕質(zhì)、耐惡劣環(huán)境、寬頻率波段、高屏蔽效能等?？蒲蟹矫婺壳霸诙S金屬碳氮化合物MXene，碳基化合物，液態(tài)金屬，氣凝膠復(fù)合材料等方面是研究熱點(diǎn)。
導(dǎo)熱散熱材料
對(duì)6G電子設(shè)備而言，由于其高度集成性，熱管理將變得尤為重要且決定了未來設(shè)備的可靠性和使用壽命。隨著其功率密度快速增加，散熱問題已經(jīng)成為電子設(shè)備亟需解決的問題。
對(duì)此，未來石墨烯將在這一領(lǐng)域有所發(fā)揮，由于石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)（5300W/（m*K）），其快速導(dǎo)熱、散熱的特性可有效代替現(xiàn)有導(dǎo)熱材料在6G領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
超級(jí)電容器
此外由于6G設(shè)備需要的能量較少，超級(jí)電容器具備更高的能量密度，壽命和充放電速度，在這一方面可在未來取代鋰電池部件構(gòu)建6g儲(chǔ)能部件。在這一領(lǐng)域，諸如石墨烯、MXene等材料構(gòu)建的贗電容、或雙層新型超級(jí)電容器也正處于研究之中。
超材料
超材料，指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，擁有一些特別的性質(zhì)，尤其是在電磁波領(lǐng)域，6G對(duì)于可重構(gòu)智能表面的電磁波控制需求將為超材料提供廣闊的發(fā)展空間。
通過超材料可以實(shí)現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)編程控制，這一領(lǐng)域被稱為“信息超材料”，成為了當(dāng)前6G研究的熱點(diǎn)之一。在未來6g商業(yè)化進(jìn)程中，超材料可以應(yīng)用于天線、天線蓋板智能反射調(diào)控、信息調(diào)制超表面基站、波束賦型超表面基站等方面，具有靈活節(jié)能、擴(kuò)大覆蓋面積、抑制干擾等功能。
針對(duì)6g領(lǐng)域的材料研發(fā)，眾多通訊企業(yè)及PCB企業(yè)如華為、中興通訊、三星、LG電子、諾基亞，愛立信、SK電訊、蘋果等等已開始搶先布局相關(guān)技術(shù)。此外，例如之江實(shí)驗(yàn)室、華訊方舟、四創(chuàng)電子、亨通光電、大恒科技等等也在積極布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品。但正如上文所分析的，6G無論是在理論基礎(chǔ)還是在材料應(yīng)用方面需要做出進(jìn)一步的突破，離商業(yè)化仍存在較大的差距。來源：DT新材料中國(guó)工程科技知識(shí)中心是經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)的國(guó)家工程科技領(lǐng)域信息匯聚中心、數(shù)據(jù)挖掘中心和知識(shí)服務(wù)中心。知識(shí)中心網(wǎng)址：https://www.ckcest.cn/entry/中國(guó)工程科技知識(shí)中心為方便讀者組建了社群想進(jìn)群請(qǐng)?zhí)砑游⑿牛簒pcztym
【DT新材料】獲悉，近日，工信部多次在公開場(chǎng)合表示將加強(qiáng)國(guó)際合作，全面推進(jìn)6G技術(shù)研發(fā)。
相關(guān)閱讀：工信部，加快6G的研發(fā)
在此背景下，6g技術(shù)又一次成為了社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一。對(duì)比5G，6G頻段在100GHz-10THz，峰值傳輸速度高達(dá)100Gbps~1Tbps，通信延遲小于0.1毫秒。而與之對(duì)應(yīng)的是，該技術(shù)對(duì)于天線、半導(dǎo)體等相關(guān)材料的性能提出了嚴(yán)苛的要求。相關(guān)新材料的發(fā)展將成為制約通信頻率往毫米波、太赫茲普及的關(guān)鍵因素。
6g相關(guān)技術(shù)特征
圖片來源：半導(dǎo)體芯科技實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段的通信是6G的核心關(guān)鍵之一。而目前現(xiàn)有通訊機(jī)制主要是終端器件連接中樞天線進(jìn)行信號(hào)的傳遞。這其中將涉及各類功率芯片、電路板、天線、電容器、探測(cè)器等等部件。
6G通信將會(huì)因?yàn)楦哳l和高度集成而出現(xiàn)散熱、電磁干擾等問題，對(duì)此相關(guān)部件原材料和結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和選用，涉及芯片材料、天線材料、導(dǎo)熱材料、覆銅板基材、電磁屏蔽材料等等。芯片部件
生產(chǎn)太赫茲以上頻率的芯片是6G高頻段目前的瓶頸之一。其中功率芯片是高頻通信的核心器件，在這一領(lǐng)域如砷化鎵、氮化鎵、磷化銦異質(zhì)結(jié)等化合物半導(dǎo)體由于擁有比硅基半導(dǎo)體更適合高頻組件的高電子遷移率等優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注，這一類材料作為高電子遷移率晶體管具備很大的潛力，對(duì)此未來lll-V族化合物的應(yīng)用將變得更廣泛。
此外芯片電路板主要由介質(zhì)層與金屬導(dǎo)電層組成。而在太赫茲頻段下，介質(zhì)層材料結(jié)構(gòu)容易吸收能量從而造成信號(hào)損失，對(duì)此需要低介電常數(shù)與低介電損耗的高分子材料。其中碳?xì)錁渲?、聚四氟乙烯材?PTFE)、聚苯醚PPE（也稱PPO）、和液晶高分子(LCP)等特種樹脂材料受到了廣泛關(guān)注，其中LCP還可應(yīng)用于天線部件。
同時(shí)6G對(duì)于目前交流信號(hào)傳遞的金屬銅箔也有特殊要求。訊號(hào)深度(趨膚深度)與頻率有關(guān)，而在高頻下的趨膚深度將達(dá)到1微米以下，需要表面粗糙度極低的無輪廓光滑銅箔才可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低損耗傳遞，這對(duì)于目前的加工來說也是一個(gè)難題。
天線材料
天線是通信收發(fā)的重要組件。而天線尺寸與頻率成反比，毫米波天線可以整合到模塊中形成與芯片一體化的封裝組合(System on package, SoP)，無需獨(dú)立天線或是5G的封裝、貼片天線。對(duì)此目前5G時(shí)代的MPI（改性聚酰亞胺）性能將受限制，LCP天線材料替代進(jìn)程或?qū)⒓铀佟?/p>
此外天線接受的電磁波一般會(huì)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)，而目前在太赫茲范圍內(nèi)的探測(cè)器仍未商業(yè)化。近幾年除了量子阱探測(cè)器(QWP)外，石墨烯、納米碳管等納米材料也將在這一領(lǐng)域具有商品化的潛力。
零部件材料
附屬PCB板除了上述提到的PTFE，LCP等為代表的熱塑性樹脂體系，具備低介電損失的含乙烯基熱固性樹脂也受到了關(guān)注。其中包括雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）、環(huán)烯烴樹脂(Cyclo Olefin Polymers)、聚二乙烯基苯(Polydivinylben-zene,PDVB)等。
電磁屏蔽材料太赫茲波段的電磁波比穿透力差，衰減大，對(duì)信號(hào)的抗干擾能力要求很高，對(duì)比5g需要更多的電磁屏蔽器件。目前，商業(yè)化應(yīng)用的電磁屏蔽材料主要包括金屬屏蔽罩、改性導(dǎo)電氈、導(dǎo)電高分子摻雜橡膠、泡棉、導(dǎo)電涂料、屏蔽膠帶等等。未來6g應(yīng)用將對(duì)電磁屏蔽材料提出更高的要求，例如需要柔性輕質(zhì)、耐惡劣環(huán)境、寬頻率波段、高屏蔽效能等?？蒲蟹矫婺壳霸诙S金屬碳氮化合物MXene，碳基化合物，液態(tài)金屬，氣凝膠復(fù)合材料等方面是研究熱點(diǎn)。
導(dǎo)熱散熱材料
對(duì)6G電子設(shè)備而言，由于其高度集成性，熱管理將變得尤為重要且決定了未來設(shè)備的可靠性和使用壽命。隨著其功率密度快速增加，散熱問題已經(jīng)成為電子設(shè)備亟需解決的問題。
對(duì)此，未來石墨烯將在這一領(lǐng)域有所發(fā)揮，由于石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)（5300W/（m*K）），其快速導(dǎo)熱、散熱的特性可有效代替現(xiàn)有導(dǎo)熱材料在6G領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
超級(jí)電容器
此外由于6G設(shè)備需要的能量較少，超級(jí)電容器具備更高的能量密度，壽命和充放電速度，在這一方面可在未來取代鋰電池部件構(gòu)建6g儲(chǔ)能部件。在這一領(lǐng)域，諸如石墨烯、MXene等材料構(gòu)建的贗電容、或雙層新型超級(jí)電容器也正處于研究之中。
超材料
超材料，指的是一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，擁有一些特別的性質(zhì)，尤其是在電磁波領(lǐng)域，6G對(duì)于可重構(gòu)智能表面的電磁波控制需求將為超材料提供廣闊的發(fā)展空間。
通過超材料可以實(shí)現(xiàn)電磁波的動(dòng)態(tài)編程控制，這一領(lǐng)域被稱為“信息超材料”，成為了當(dāng)前6G研究的熱點(diǎn)之一。在未來6g商業(yè)化進(jìn)程中，超材料可以應(yīng)用于天線、天線蓋板智能反射調(diào)控、信息調(diào)制超表面基站、波束賦型超表面基站等方面，具有靈活節(jié)能、擴(kuò)大覆蓋面積、抑制干擾等功能。
針對(duì)6g領(lǐng)域的材料研發(fā)，眾多通訊企業(yè)及PCB企業(yè)如華為、中興通訊、三星、LG電子、諾基亞，愛立信、SK電訊、蘋果等等已開始搶先布局相關(guān)技術(shù)。此外，例如之江實(shí)驗(yàn)室、華訊方舟、四創(chuàng)電子、亨通光電、大恒科技等等也在積極布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品。但正如上文所分析的，6G無論是在理論基礎(chǔ)還是在材料應(yīng)用方面需要做出進(jìn)一步的突破，離商業(yè)化仍存在較大的差距。來源：DT新材料中國(guó)工程科技知識(shí)中心是經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)的國(guó)家工程科技領(lǐng)域信息匯聚中心、數(shù)據(jù)挖掘中心和知識(shí)服務(wù)中心。知識(shí)中心網(wǎng)址：https://www.ckcest.cn/entry/中國(guó)工程科技知識(shí)中心為方便讀者組建了社群想進(jìn)群請(qǐng)?zhí)砑游⑿牛簒pcztym
