高速高頻時代來臨–低介電損耗絕緣材料發展現況

 

刊登日期:2021/6/5
  • 字級

黃思瑜、黃冠燁/工研院材化所
 
5G行動通訊具有大頻寬、廣連結、低延遲等特點,帶動智能化串流應用迅速擴展,同步結合大數據演算,智慧物聯網之發展進程受到高度關注。除了基礎通訊建設之密集布建,智慧終端之低信號耗損性是信號效率維持之關鍵。終端應用之低介電損耗材料規格日趨嚴苛,其中軟性基板漸轉為MPI、LCP等低耗損系列,接著用之絕緣純膠轉往碳氫樹脂或聚烯材料發展。工研院深耕官能化改質技術,具備連續式反應押出技術能量,以熔融化學反應精密調控聚烯鏈段分布與改質結構,開發高頻低介電損耗絕緣純膠。
 
【內文精選】
前 言
根據Ericsson Mobility Report預估,至2025年全球移動數據量CAGR將達31%,5G通訊勢在必行。此外,隨著個人智慧裝置普及,預估2025年全球5G用戶將達28億。然而因2020年受到新冠肺炎(Covid-19)席捲全球之影響,5G通訊服務元年之期望轉為泡影,5G網路部署、基礎建設等無法如期布建。隨著2021年疫情回穩、疫苗問世,5G相關產業將快速回歸正軌。除了基礎通訊建設之密集布建,智慧終端之低信號耗損性是信號效率維持之關鍵。因此,對於終端應用之低介電損耗材料 (Low Dielectric Loss Materials)規格日趨嚴苛,其中軟性基板漸轉為改質聚醯亞胺 (MPI)、液晶高分子材料(LCP)等低耗損系列,接著用之絕緣純膠亦須有對應方案。本文將針對5G通訊之演進以及低介電損耗絕緣材料之發展做進一步說明。
 
全球5G通訊布局與進展
5 G通訊三大核心特性為增強型行動寬頻通訊(eMBB)、大規模機器型通訊(mMTC)、超可靠度和低延遲通訊(URLLC)。增強後的寬頻傳輸除了可針對現有的通訊服務提高其傳輸效能並給予用戶無縫的傳輸體驗外,還可進一步開拓新的應用領域和需求。這種寬頻應用情境能涵蓋不同的傳輸範圍,包括廣域覆蓋和熱點傳輸。對於廣域覆蓋的情況下,無縫的覆蓋以及較高的移動速度是主要需求,其數據傳輸速率亦須高於現有的數據傳輸速率。而熱點的應用主要針對具有高用戶密度的區域,其對於移動性的需求較低,但會需要非常高的數據傳輸量,因此此類用戶的數據傳輸率比廣域覆蓋的用戶還高。
 
為了滿足5G通訊之三大特性及技術需求,大量的訊號傳遞對於網路頻寬的需求隨之提升。頻率越高,能傳輸越多數據,裝載更多的訊息;相反地,頻率低則裝載量小,速度有限。以現今4G網路而言,常用的頻段多集中於450 MHz~3,800 MHz區間,而應用頻率區間目前已大量被使用,能使用的頻段有限。隨著目前大部分的電子產品都逐漸搭載網路連線功能,網路數據傳輸量以驚人的速度增加,估計4G頻寬將完全被占滿,難以負荷如此龐大之信息傳遞量。Ericsson公司於Ericsson Mobility Report指出,2020年第一季全球數據移動量相較於2019年第一季成長了56%,如圖一所示。
 
5G網路除了納入6 GHz以下(Sub-6 GHz)頻段與目前的4G頻段互補外,更積極開發毫米波(mmWave)頻段技術。毫米波頻段介於30 GHz~300 GHz,頻段尚未被廣泛覆蓋,能使用的頻寬也相對廣,得以支援高速大容量的資料傳輸。自2019年開始,世界各國官方陸續釋出5G通訊頻譜建設招標與開台,以加速毫米波頻段的通訊布局。目前已有42個國家、123家電信業者投入5G毫米波網路布建。各國之5G毫米波波段規劃如圖三所示。
 
圖三、全球已規劃5G毫米波頻段之國家分布
圖三、全球已規劃5G毫米波頻段之國家分布
 
低介電損耗材料之發展現況
1. 銅箔基板(Copper Clad Laminates; CCL)
5G通訊蓬勃發展,高頻銅箔基板扮演關鍵角色。圖八為銅箔基板之產業預估,因2020年疫情影響使得5G延緩上市,導致需求疲弱。隨著疫情減緩,5G開通,保守預估未來每年仍有3~5%的年增長率。銅箔基板由樹脂、玻纖布和金屬銅箔三者結合而成,其中樹脂含量、種類以及玻纖布種類對於基板的電氣特性扮演關鍵角色。
 
圖八、銅箔基板市場成長預估
圖八、銅箔基板市場成長預估
 
工研院開發之低介電損耗絕緣純膠 
在經濟部技術處支持下,近期工研院材化所著力於開發高頻MPI、LCP基板貼合之電子級低介電損耗接著純膠。透過熔融化學反應開發鏈段調控與交聯結構官能化改質技術,操控高分子鏈段分布,提高低介電基材表面潤濕性,並篩選符合製程應用之交聯官能基結構。同時搭配界面接著行為模擬技術,優化改質結構調整與配方組成,以開發高異質界面滲透性、高接著強度、高耐溫交聯之低介電損耗聚烯接著膠。搭配異質接著材料基礎驗證平台,完成產品性能應用驗證,建構低介電損耗膠材新概念配方組成系統化方法,快速評估其於高頻應用之性能表現…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》414期,更多資料請見下方附檔。

分享