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5G低介電損耗材料發展現況與應用

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5G行動通訊具有高速傳輸、廣連結、低延遲等特點,帶動高速串流發展,結合人工智慧,開創智慧物聯網問世,擴展自動駕駛、智慧零售、智慧製造等多元智能應用。高速信號傳遞倚賴高收發效能天線與低介電損耗性傳遞介質。隨著材料之低介電損耗要求日益提升,低介電材料逐漸轉往碳氫樹脂或聚烯材料發展。本文將介紹5G通訊發展,並針對低介電損耗材料開發應用做進一步說明。
 
【內文精選】
前言
2020年是第五代行動通訊(5th Generation Mobile Networks; 5G)的服務元年,5G具有高速傳輸、廣連結、低延遲等特點,為智能高頻通訊時代開啟新的篇章。在各大廠蓄勢待發準備陸續商轉,推出跨世代通訊產品之同時,不料遇上新冠肺炎(COVID-19)肆虐全球,供應鏈中斷,打亂各項產品上市節奏。手機晶片大廠高通(Qualcomm)於今年年初即示警此波疫情將對全球行動通訊產業帶來發展之不確定性。
 
5G應用發展
智能化的串聯與大數據演算,伴隨而來的是大量的訊號傳遞,對於網路頻寬的需求越來越大。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4G網絡而言,常用的頻段多集中於450 MHz~3,800 MHz區間,此區間已大量被使用,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,4G頻寬將完全被佔滿。而介於30 GHz~300 GHz的毫米波頻段,由於頻段尚未被廣泛覆蓋,能使用的頻寬也相對廣,能夠支援高速大容量的資料傳輸。因此5G網絡除了納入6 GHz以下(Sub-6 GHz)頻段與目前的4G頻段互補外,更積極開發毫米波頻段技術。
 
低介電損耗材料之發展現況
除了網域建置、基地台架設、系統硬體設施等無線通訊的基礎建設外,回歸到最源頭的是如何提升終端通訊產品本身內部訊號傳遞的效能。晶片演算效能日益精進,數據傳遞量大幅增加且傳遞速率需求越來越快,因此傳遞訊號之介質—傳輸排線,是保持數據傳輸效能的重要關鍵。傳輸排線內部主要由銅箔基板及絕緣純膠(Bonding Sheet)構成,訊號傳輸效能與兩者息息相關。
 
傳輸排線一般為軟性印刷電路板(FPC)排線及扁平軟排線(FFC),兩者皆可隨意彎折。對於傳輸排線而言,達成高速傳輸最重要的關鍵是銅箔基板結構內的絕緣承接材及絕緣純膠的低介電損耗性。高分子樹脂之Dk/Df值分布如圖一所示。現今4G通訊多採用玻璃纖維增強的環氧層壓材料(FR-4)、聚醯亞胺(Polyimide; PI)及環氧樹脂(Epoxy)為主體,其Dk約落在3.5~5.0之間,Df大於0.01,介電損耗及吸濕率高,對於快速發展中的高頻通訊應用已不敷使用。各大廠逐漸轉往更低介電損耗之材料進行開發。
 
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,結合智能模擬計算,快速開發應用於高速傳輸排線與5G微型基地台之低介電損耗性材料。以下就智慧製造應用於反應押出改質進行詳細說明。
 
連續式官能化改質技術
反應押出製程,相較於批次式改質,其反應接觸面大、效率高,且反應滯留時間短,可避免材料於製程中發生黃化、劣化的情形,同時其具有連續式、無溶劑使用、精密控制反應溫度、可調控螺塊幾何結構及黏度適用範圍大等優點,並且可結合自動化控制系統,降低人事成本且減少人為誤差,以提升生產效率。
 
作者:黃思瑜、黃冠燁、陳彥銘/工研院材化所
本文節錄自《工業材料》雜誌403期,加入會員可下載本篇全文
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=44092

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