5G通信技术关键材料发展研究 - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

1 5G通信技术发展背景及对关键材料性能的要求

1.1 5G通信技术发展背景

信息技术领域已成为提升国家科技创新实力、推动经济社会发展和提高整体竞争重要的动力引擎。5G是开启工业数字化和物联网新时代的新一代基础生产力。世界各国把抢占5G通信技术的至高点作为国家发展的重要战略，不管是在关键元器件、上游材料制备还是在网络部署等方面都开始积极布局，抢先发展先机。

2014年初，美国总统奥巴马宣布组建“下一代功率电子技术国家制造业创新中心”，重点发展下一代功率电子技术，以支持美国5G通信技术的发展。2018年3月美国政府宣布将采用白盒设备部署6万个5G宏站及5G小基站，并于年底推出5G通信服务。早在2013年，欧盟先后启动METIS以及5G PPP项目，专注5G研究。同时，欧洲启动了产学研项目“LAST POWER”,由意法半导体公司牵头，协调来自意大利、德国等6个欧盟国家的企业、大学和公共研究中心，联合攻关5G通信中的关键功率电子技术。2013年9月，日本设立了“2020 and—BeyondAdHoc”项目，支持5G技术在未来10年的发展。2016年1月，日本总务省成立5G技术研究小组，并且由大阪大学牵头，协同罗姆、三菱电机、松下电器等18家知名企业、大学和研究中心，建立了“下一代功率半导体封装技术开发联盟”，共同开发适应碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等下一代功率半导体的先进封装技术，以支持本国5G通信技术的发展。韩国是全球最早开展5G研究的国家之一，早在2013年6月，韩国以SKT牵头，启动了5G Forum，汇聚韩国内外知名企业，致力于打造韩国的5G产业生态。此外，韩国在2015年推出了以5G发展总体规划为主要内容的“未来移动通信产业发展战略”，决定在2020年全面推出5G商用服务，并将为此投资1.6万亿韩元。

我国是5G通信技术发展较快的国家，在网络建设与构架设计领域已经走在世界前沿，并处于领跑位置，但是在关键上游材料领域依然落后。

1.2 5G通信技术对相关材料性能的要求

与传统4G等通信技术相比，5G通信技术接入工作器件需满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、超高宽带传输3大基础性能要求，其制备材料则需要具有实现大规模集成化、高频化和高频谱效率等特点。

1.1.1 大规模集成化

大规模集成化需要将大量晶体管组合到单一芯片中，在有限的空间实现复杂芯片指令。5G通信要求通信芯片能够有效利用各频段通信频谱资源（包括：传统通信技术的低频波段、5G规划的高频波段及更高的毫米波）来提升数据传输速率和系统容量。芯片的大规模集成化是实现全频谱接入的关键性技术工艺。以5G手机为例，其应用频段数超过91个，每个频段仅射频前端模块需要9个运算芯片，需要大量芯片在有限空间内的集成。因此，需要原材料从芯片设计、晶圆生产、芯片生产等各个环节同时满足大规模集成化的需求，比如大的晶圆尺寸、优化的器件结构等。

1.1.2 高频化

目前3GHz以下的电磁波段基本都被现有的通信技术占据，5G可用的电磁波段均为3GHz以上的高频乃至毫米波段。高频率电磁波段可以提供极大的数据传输速度和容量，但其传输更容易造成路径受阻和能量消耗等问题。实现高频波段在5G中的高效应用，需要功率放大器能将通信终端中的信号波放大至所需高频波段内，同时接收高频电磁波信号的终端对高频电磁波具有快速响应能力。因此需要功率半导体芯片对电磁波信号具有较高的接收灵敏度，一是要求金属—氧化物—半导体（MOS）栅极材料具有高介电常数和低介电损耗等，二是需要源极和漏极的材料能够实现载流子的快速响应。

1.1.3 高频谱效率

在增强的移动互联网应用场景，互联网设备互联场景，车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景的3大5G通信应用场景中，提供低延时和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时和精密的业务协作，至关重要。因此需要5G器件相关材料具有高速化，能在单位时间和单位频谱宽度内尽可能的传输更多的字节数。初步估计，5G基站的峰值频谱效率需要不低于20Gb/s。高频谱效率实现一是需要优化天线布局，二是需要相关材料具有高电子迁移率。

2 5G通信技术主要材料的发展现状

按照5G通信技术主产业链进行划分，主要应用关键材料可以分为器件材料、天线材料、光线传输材料和封装材料等4大类。

2.1 器件材料

2.1.1 射频芯片材料

2.1.1.1 主要材料

在5G通信技术中，需要大量的中高频器件，主要包含滤波器、功率放大器、低噪声放大器、射频开关等。化合物半导体材料是制备这些器件的核心关键材料。化合物基半导体材料主要包括砷化镓（GaAs）、GaN、SiC等化合物半导体，具备禁带宽度大、电子迁移率高、直接禁带等性能，可以实现高频谱效率、大频率波处理、低延时响应等功能。化合物半导体材料未来将在5G、物联网、智能汽车等应用领域得到广泛应用。

2.1.1.2 技术发展概况

化合物材料的制备主要包括纯衬底材料和外延材料。在制造微波射频器件行业，目前主流的应用是以4英寸SiC外延GaN的技术路线。预计到2020年，随着6英寸SiC衬底价格不断下降，6英寸外延技术将成为未来发展的重点。纯衬底材料在射频器件方面的应用主要是以GaN衬底材料的同质外延。目前，主流的外延方法是氢化物气相外延（HVPE）法，主要被日本住友电气工业株式会社（以下简称“住友电工”）和三菱化学公司掌握。我国从事GaN衬底外延生长的企业主要是苏州纳维科技公司（以下简称“苏州纳维”）和东莞中镓半导体科技公司（以下简称“东莞中镓”）。虽然我国在化合物半导体材料技术方面起步晚，但是发展迅速。在GaN材料方面，我国已经实现2英寸年产1500片，4英寸衬底已推出产品，目前正在开展6英寸衬底研发。

2.1.1.3 主要市场

据咨询公司（Yole）报道，伴随着5G市场的到来， GaAs，GaN和SiC器件的市场需求增加，估计到2021年市场规模将分别达到130亿美元、6亿美元和5.5亿美元。目前GaAs、GaN和SiC三种材料的技术和市场主要被美国、日本和欧洲等国家垄断。其中GaAs晶圆材料95%的市场份额被美国晶体技术有限公司、住友电工、德国世创电子材料公司3家公司占有，三安光电股份有限公司（以下简称“三安光电”）、广东先导先进材料股份有限公司等国内企业仅拥有5%的市场份额；GaN材料主要生产企业是美国科锐（Cree）公司、住友电工和日立公司。我国苏州纳维、东莞中镓仅具备初步小规模生产能力；SiC材料全球85%以上市场份额被美国的Cree公司和德国的Si Crystal公司占据。

2.1.2 基带芯片材料

2.1.2.1 主要材料

基带芯片是用来合成即将发射的基带信号，或对接收到的基带信号进行解码的关键器件。基带芯片制备用衬底材料主要是元素半导体材料，其主要包括锗、硅和锡等由同种元素组成的具有半导体特性的固体材料。目前在基带芯片制造过程中，硅（Si）晶圆是主流的基带衬底材料，并且发展趋势向着大尺寸、高纯度方向发展。在5G通信技术应该过程中，制程尺寸不变的前提下，增加硅基晶圆的尺寸则可显著提升芯片的集成度。

2.1.2.2 技术发展

晶硅的生产工艺主要有改良了西门子法和硅烷热分解法。目前的集成电路用硅片中，8英寸的鬼片占据主流，约40%～50%，6英寸的硅片占据约30%。国际大公司已经研发和推出尺寸在12英寸以上的硅片，并且纯净度达到11个9以上。经过多年的发展，我国半导体材料行业取得了较大的发展，已经研制和生产了4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸硅片，但是产品的结晶度、电子迁移率、载流子浓度等质量和性能稳定性与国外产品还存在的较大的差距。

2.1.2.2 主要市场

目前，全球范围内硅片市场依然为寡头垄断格局。据OFweek获悉，全球能制造高纯度电子级硅的企业不足100家，其中主要的15家硅晶圆厂垄断95%以上的市场。以日本信越集团半导体事业（以下简称“信越半导体”）、日本盛高集团、我国台湾环球晶圆股份有限公司（以下简称“环球晶园”）、德国世创公司、韩国LG集团等为代表的晶圆企业几乎供应了全球8成的半导体企业，而且长期处于供不应求的状态。在技术含量更高的12英寸硅片市场，五大公司市场占有率超过了97%，我国近年开始对硅晶圆产业进行布局，但是主要是6英寸及用于光伏电池的一般品质硅片制造技术，8英寸和12英寸的大尺寸硅片对外依存度分别达到86%和100%。据统计，我国8英寸硅片生产线月产能需求约为70万片/月，供应商的产能不到10万片/月，12英寸方面，总产能需求为47.9万片/月，未来5年内将达到120万片，但产能供给为零，全部依赖进口。

2.1.3 滤波压电材料

2.1.3.1 主要材料

在5G通信产业化过程中，将伴随着大量基站建设和终端的推广应用。因此，需要大量高频滤波器、信号发射器等元器件。滤波压电材料是制造这些器件的关键材料。主要的滤波压电材料包括压电晶体材料、压电陶瓷材料和压电薄膜材料。其中压电晶体材料包括：铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）、LGS（La3Ga5SiO14）；压电陶瓷材料主要包括钙钛结构矿（钛酸钡、锆钛酸铅）材料、钨青铜结构材料和铋层状结构材料；压电薄膜材料主要是通过化学气相沉积或物理气相沉积的方法制备的压电薄膜。压电薄膜材料被广泛应用于5G通信技术中的光纤调制器件的制造。

2.1.3.2 技术发展

经过多年的发展，虽然我国在部分材料实现了生产供应，但是还难以保持稳定的供应，实现高品质量量产的企业主要是天通股份。当前滤波压电材料的材料主要技术被日本企业掌控。我国滤波器材料还是主要局限于国防军工，民用方面的产业供应还是相当薄弱。

2.1.3.3 主要市场

近年来，压电材料在全球每年销量按15%左右的速度增长，2017年全球压电陶瓷产品销售额约达150亿美元以上。以压电陶瓷频率元件为例，全球压电陶瓷频率元件的销售达到168亿只，销售收入达到12.5亿美元，其中，中国的销售可达到55.80亿只，销售收入将达到15.07亿元人民币。受日本的企业诸如村田制作社、东电化株式会社（TDK）、安化高科技公司（avago）及美国思佳讯公司在滤波元器件在全球强大的市场占有率的影响，目前，上游压电材料的市场主要被日本企业所占据。

2.1.4 微波介电陶瓷材料

2.1.4.1 主要材料

微波介质陶瓷（MWDC）是指应用与微波频段（主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，广泛应用于5G通信中的微波器件。微波介质陶瓷的主要材料包括在氧化钡（BaO）—二氧化钛（TiO2）系材料、 BaO—氧化铟（Ln2O3）系材料、复活钙钛矿系材料和铅基钙钛矿系材料。

2.1.4.2 技术发展

微波介电陶瓷具有介电常数高、微波损耗低、温度系数小等优良性能，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求，随着移动通信和现代电子设备的发展。我国微波介质陶瓷研发起步较晚，在较长的一段时间内只能生产较低介电常数、较低品质因子（Q值）等微波介质陶瓷，长期以来高品质微波介质陶瓷材料及元器件一直依赖进口。近年来，随着我国在微波介质陶瓷领域的研究、开发和制造技术的不断进步，移动通信领域急需的中介电常数、高Q值的微波介质陶瓷基本实现了国产化。目前国内微波介质陶瓷的研发和生产水平与国际先进水平基本持平。微波介质陶瓷材料已实现系列化，其介电常数范围涵盖6～150，高Q值材料（指Qf > 105GHz），介电常数大都集中在10～35之间。介电常数25左右的材料，其Qf值已达到25×104GHz，35左右的能达到105GHz左右。截至2017年年底，针对4G通信介质滤波器用的铝酸镧-钛酸锶（LaAlO3-SrTiO3）系和钛酸锆锡（ZrSnTiO4）系已经实现国产化，技术水平达到国际先进水平，使得移动通信介质滤波器的成本大幅下降,微波介质陶瓷天线每月出货量都是按数百万件计算。

2.1.4.3 主要市场

日前，虽然我国微波介电陶瓷材料研究和制造技术取得较大的进步，但是市场互动还仅限于国内下游企业，目前国际微波介电陶瓷材料90%以上市场还是被日本的富士钛工业株式会社、日本化学工业株式会社和日本界化学株式会等企业控制。位居国内介电陶瓷材料的龙头企业国瓷材料，在国内市场占有率高达80%，在国际市场的占有率却不足5%。

2.2 天线材料

基站天线是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。大规模天线阵列是5G的核心技术。5G通信技术的推进应用将伴随着的天线基站的密集化建设，因此将带来对天线材料新的需求增长。天线材料主要是2大类，一方面是实现芯片和振子发射单元的集成的印刷电路板（PCB）板材；另一方面，主要是以结构为主的天线罩材料，具体包括纤维增强复合材料、陶瓷基复合材料。

2.2.1. PCB基板

2.2.1.1 主要材料

在5G通信技术中，为了降低高频信号的衰减程度，需要减少天线的走线长度，“天线+芯片”集成化技术已是一直以来的发展趋势。在5G通信技术建设过程中，不管是基站天线还是终端产品都需要大量的PCB板来实现器件的集成。制备PCB板主要材料包括有机树脂、增强材料、铜箔、油墨等材料。

2.2.1.2 技术发展

改革开放以来，由于我国廉价的劳动力资源、巨大的市场和优惠的产业政策，吸引不少欧美PCB企业来华建厂，带动我国PCB制造产业的快速发展。虽然我国PCB板产量早已跃居全球第一，但是PCB总体技术水平偏低，我国产品主要集中在8层以下的中低端产品。国内的PCB板制备技术与先进的日本等国家还存在着不少的差距，尤其是在技术含量较高的IC载板方面的国内有较少企业能够进行生产，核心技术主要由日本松下、日本东芝、三星等企业掌握。

2.2.1.3 主要市场

在2011—2017年间，全球PCB产业经历了由欧美到亚洲再到中国的转移发展。从2011—2016年，美洲、欧洲和日本PCB产值全球占比不断下降，分别由2011年的6.9%、4.6%和17.39%降至2016年的5.08%、3.6%和9.7%；中国大陆PCB产值全球占有率却不断上升，已由2011年的39.76%进一步增加至2017年的52.39%。2017年全球PCB产值588亿美元，同比增长8.6%，中国PCB产业产值297.32亿美元，同比增速高达9.6%，2000—2016年间，实现了年复合增速13.9%，高于世界平均增速。

2.2.2 天线罩材料

2.2.2.1 主要材料

目前天线罩材料中最常用的两种材料主要是硬聚氯乙烯（UPVC）材料和玻璃钢材料。UPVC材料又称作PVCU材料，通常称作聚氯乙烯（PVC），是由氯乙烯单体，通过加一定的添加剂（主要包括稳定剂、润滑剂、填充剂等）经聚会反应而制成的无定形热塑性树脂。除通过增添添加剂外，在制备过程中可以通过与其它树脂进行共混改性制备，常用的树脂主要包括氯化聚氯乙稀（CPVC）、聚乙烯（PE）、丙烯睛—丁二烯—苯乙稀三元共聚物（ABS）、乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)、甲基丙烯酸甲酯、丁二烯、苯乙烯三元共聚物(MBS)等。UPVC材料具有介电常数低，机械性能好，价格经济实惠，容易加工成型，是作为基站材料最常用的材料。玻璃钢/复合材料是通过玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体进行复合制备。根据所使用的树脂品种不同，主要分为聚酯玻璃钢、环氧树脂玻璃钢、酚醛玻璃钢等。相比PVUC材料，这2种材料的具有易使用、便于加工、成本低等特点，但是易老化，使用年限一般不超过10年。玻璃钢/复合材料具有抗老化，使用年限可达15年左右，但是相对加工难度大、成本高。

2.2.2.2 技术发展

在UPVC材料方面，我国已经掌握了较为成熟的生产技术，除了在通信天线罩应用方面，已经在各种工程塑管、简易房和机械构件方面展开应用。在玻璃钢/复合材料方面，玻璃钢/复合材料的生产主要是通过为拉挤、缠绕、模压、片状模塑料、液体模塑成型等方法。经过多年的发展，通过引进、吸收和自主创新，我国的玻璃钢/复合材料生产工艺装备、成型技术现已经接近国际先进水平，但是在应用方面还是跟国外存在一定的差距，尤其是在材料的使用标准、服役监测等方面还欠缺。

2.2.2.3 主要市场

经过50多年的快速发展，我国的玻璃钢/复合材料工业取得了较大的发展，已经发展为新材料领域的重要主导材料，并成为了国家战略性新兴产业之一。国内玻璃钢/复合材料的工艺制备水平已经有了很大的提高，但是与国际先进水平相比，还有一定差距，主要是电子用玻璃钢/复合材料方面。美国在玻璃钢/复合材料方面发展较快，技术最先进，其产量占据着全球总产量的1/3。欧洲玻璃钢/复合材料产量增长缓慢，但其产品附加值高，曾以全球22%的产量，获取了全球33%的产值。

2.3 光纤传输材料

光纤传输是信息传输的基石，具有频带宽、损耗低、质量轻、抗干扰能力强、保真度高和噪声小等优点。伴随着5G通信Massive MIMO天线技术的应用和基站的密集化建设，将对光纤传输市场带来新的增长。光纤产业从上游材料到最终光纤光缆的制备完成，主要包括光预制棒制备和光纤光缆制备2个环节。

2.3.1 光预制棒材料

2.3.1.1 主要材料

光纤预制棒是制作光纤、光缆的重要基础材料。制备光预制棒的核心材料是石英砂材料，制备石英砂材料的主要原料就是高纯四氯化硅。

2.3.1.2 技术发展

光纤预制棒制备技术门槛较高，被誉为光通信产业“皇冠上的明珠”。目前，光纤预制棒的制备技术主要美国、欧洲和日本企业掌握。经过近几年的努力，我国光纤预制棒产业得到的一定的发展，对外进口依赖度有了很大的改善。长飞光纤光缆有限公司（以下简称“长飞”）、烽火通信科技股份有限公司（以下简称“烽火通信”）、富通科技、亨通集团有限公司、中天科技集团等公司，通过国外企业建立合作关系，采取技术引进等方式，实现了光纤预制棒国产化生产，但是核心技术及专利依然被国外企业控制，且在生产效率和生产规模和成本控制等方面，依然与国际行业巨头存在较大的差异。

2.3.1.3 主要市场

全球光预制棒的主要市场被美国、欧洲和日本企业控制。我国光纤预制棒主要来自日本和德国，从日本进口量较大。据统计，2017年全年，我国光纤预制棒进口量为1 750t，进口额为2.11亿美元，其中从日本进口量为888t，进口额为1.35亿美元，占比超过50%。

2.3.2 光纤光缆材料

2.3.2.1 主要材料

光纤制备主要包括预制棒的拉丝、着色、涂覆等工艺。除了常用材料四氯化硅以外，还需要四氯化锗、三氯氧磷、三氯化硼、三氯化铝等试剂，同时还需要一些高纯掺杂剂和一些辅助反应的试剂或气体。

2.3.2.2 技术发展

相比于光预制棒，光纤光缆产业的生产技术门槛较低。目前，光纤的生产已经由原来的拼技术转化为提供生产效率、产品质量、交付能力和性价比等方面。在大力发展智能制造的背景基础下，中国光纤生产企业不断改进和优化生产工艺，与国外巨头的差距已经逐渐缩小，但是整个行业依旧呈现出产业化集中度和智能制造水平不高等特点，企业的自动化生产和智能管理的水平还有待提升。

2.3.2.3 主要市场

我国光纤光缆产值和产量已经跃居世界第1，中国光纤企业共占据了世界市场的50%以上，成为光纤光缆出口第1大国。5G万物物联时代的“基站致密化+前传光纤网络”模式，将推动光纤光缆市场需求迅猛增长。据预测，未来5G光纤需求，在不考虑光纤复用的情况下，将达到4G光纤光缆需求的16倍。据相关研究机构预测，2018—2020年光纤光临需求分别为3.8亿芯km、4.2亿芯km和4.8亿芯km，增速分别为28.4%、10.5%和14.3%。

2.4 封装材料

在5G通信中，通讯器材向着微型化和集成化发展，通讯器材单位功耗和电磁辐射将显著增加，对设备的封装导热技术提出了新的要求，封装技术不断的提高，必然要求材料的性能提升。相比于传统的通信技术，5G通信技术封装过程中，电子材料需要更低的介电常熟和介电豪因子、高耐热性、高导热、高绝缘、与芯片和硅等元器件匹配且可调的热膨胀系数以及优异的化学稳定性和机械性能。在电子元器件封装过程中常用的封装材料主要包括封装基板、塑封材料和金属引线。

2.4.1 封装基板

2.4.1.1 主要材料

封装基板是芯片封装体的重要组成材料，可以分为有机、陶瓷和复合材料3种。有机封装基板，以聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等原材料为主。无机陶瓷基板原材料为高化学稳定性、高耐腐蚀性、气密性好、热导率高及热膨胀系数匹配的氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）和氧化铍（BeO）等陶瓷材料。

2.4.1.2 技术发展

目前，电子屏蔽导热封装材料的上游核心原材料，尤其是有机高分子材料例如聚酰亚胺膜，导热硅胶等，主要市场和技术被明尼苏达矿务及制造业公司(3M)、莱尔德科技有限公司、德国汉高公司、富士集团等欧美和日韩企业所垄断。国内的代表企业中石科技、飞荣达等主要偏重电磁屏蔽导热器件和应用方案的设计，而关键上游核心原材料生产技术还未掌握。我国在Al2O3、AlN、SiC和BeO等陶瓷材料制备技术比较成熟，而且已经能够熟练掌握陶瓷表面的薄膜金属化工艺，但是在陶瓷表面的后膜金属化技术方面，还比较欠缺。

2.4.1.3 主要市场

全球封装基板行业基本由揖斐电电子公司（Ibiden）、三星集团（SEMCO）、神钢电机株式会社（Shinko）等日本、韩国和我国台湾地区企业所垄断，目前占据了全球封装基板产业接近90%的份额。目前国内主流基板厂有深南电路、珠海越亚半导体股份有限公司（以下简称“珠海越亚”）、兴森科技和丹邦科技，占据市场份额仅为1%左右。总体来看，虽然国内封装基板占有率在全球仍处于较低水平，企业规模、技术水平及产品专业性与外资企业相比仍存在一定差距，但提升趋势明显。

2.4.2 塑封材料