陶瓷產品在5G領域中的應用

隨著5G商業化在中國的正式開放，5G已經成為數字經濟轉型的關鍵基礎設施，并逐漸普及和滲透到社會的各個領域。5G產業鏈非常廣泛，包括零部件、主要設備、運營商和下游應用。初期投資主要包括無線設備、傳輸設備、基站設備、小型基站、光通信設備、網絡規劃與實施等。從應用方向來看，5G應用包括工業數字化、智能生活、數字治理三大方向。
 真空技術作為一門與應用科學緊密結合的現代基礎科學，已經廣泛應用于5G產業鏈。從5G基站的材料和器件的制備過程，到網絡中光通信器件的真空檢漏，再到5G手機、VR/AR設備、無人駕駛汽車中核心部件的制備，真空技術都有所涉及，應用廣泛。以下小系列將帶你進入5G產業鏈，探索真空技術在5G產業鏈中的應用。
 
1、5G產業鏈
從硬件上看，5G產業鏈主要分為5G網絡和5G終端。 5G網絡:5G網絡可分為三個區域，即接入網(包括5G基站及其配套電源、天線、射頻設備等。)，承載網(包括光纖、光纜、光模塊、光通信設備等。)和核心網(包括服務器、交換設備等。).
   
圖1：5G網絡產業鏈的三個領域
 
5G終端:5G終端是指5G技術的應用端，包括3D通信、超清晰視頻、在線AR/VR、云辦公、云游戲，以及物聯網、自主車、工業自動化、電子醫療等一系列適用于移動互聯網和物聯網的新應用場景。
 
2真空技術在5G接入網的應用
1）基片隔離器、環形器
我國5G系統頻率使用計劃明確規定:3300-3400MHz(原則上室內使用上限)，3400-3600MHz，4800-5000MHz頻段為5G系統的工作頻段；規定5G系統應當使用上述工作頻段，不得對同頻段或者相鄰頻段的射電天文業務和依法開展的其他無線電業務造成有害干擾。因此，原有4G基站中使用的基片隔離器和環行器需要升級，以滿足5G的要求。
目前5G基站使用的基片隔離器/環行器在兩個方面采用真空鍍膜技術，一是在陶瓷表面制作金屬底電極，二是利用真空鍍膜技術自行制備YIG薄膜。(如PLD激光脈沖沉積)
   
圖2：5G基片隔離器
2）陶瓷介質濾波器
隨著5G基站朝著小型化、輕量化、高集成度的方向發展，基站的天線技術不斷升級，對濾波器的需求將大大增加。陶瓷介質濾波器以其低插入損耗、高介電、體積小、重量輕、成本低等優點，逐漸成為5G基站濾波器的主流，取代了4G基站中廣泛使用的金屬腔體濾波器。 目前陶瓷介質濾波器的金屬化方案主要是銀漿工藝和真空鍍膜工藝。在真空鍍膜過程中，將潔凈的多腔微波介質陶瓷基片置于無污染、零排放的真空鍍膜設備中，利用高能離子PVD技術在陶瓷表面鍍上致密的金屬銀層，從而達到陶瓷濾波器金屬化的目的。
   
圖3：陶瓷介質濾波器真空鍍銀工藝前后對比
3）磷酸鐵鋰電池
5G基站使用更大的陣列天線和更高的帶寬，單站滿負荷功率接近3800W，是4G基站功耗的3.5倍?？紤]到機艙內其他設備的能耗，5G基站的能耗將達到5300W，單個基站的備用電量需要21.2KWh。
隨著5G基站的功耗大幅增加，用待機功率削峰填谷來降低用電成本將成為5G基站的標準功能。磷酸鐵鋰電池的循環壽命是鉛酸電池的4倍，倍率性能好，支持快速充電，溫度范圍寬，更適合搭配5G基站備用電源。所以5G基站的大規模建設會帶來對磷酸鐵鋰電池需求的增加。
鋰電池制備過程中，需要對外殼的焊接部分進行查漏。如果鋰電池內部的電解液因為外殼的密封性而泄漏出來，不僅會影響設備的使用壽命，還會對操作人員造成傷害。因此，在鋰電池的組裝和密封過程中有必要進行泄漏試驗(圓柱形和棱柱形單元是焊接的)。根據生產工藝的不同，可以選擇氦質譜檢漏儀或氦檢漏系統。
  
圖4：一種磷酸鐵鋰電池殼體的氦質譜檢漏方案
3真空技術在5G承載網的應用

1）光無源器件

光無源器件是不含光能源的光功能器件總稱，在光路中主要實現連接、能量衰減、反向隔離、分路或合路、信號調制、濾波等功能。光無源器件對密封性要求極高，如果存在泄漏會影響其使用性能和精度，光通信行業的漏率標準是小于5×10-9 Pa*m3/s，因此需要進行泄漏檢測。氦質譜檢漏法利用氦氣作為示蹤氣體，可精確定位漏點，替代傳統泡沫檢漏法和壓差檢漏法，目前已廣泛應用于光器件的生產過程中。
    
圖5：待檢漏的光無源器件
 
2）薄膜濾光片（TFF）
光纖通信的一個優點是幾十個波長可以同時在一根光纖中傳輸，這被稱為波分復用(WDM)。WDM傳輸的基本組成部分是光學濾波器，可以通過光纖熔錐(FBT)、薄膜濾波器(TFF)、陣列波導光柵(AWG)和光學梳狀濾波來實現。TFF和AWG是兩種最常用的波分復用技術。 基于薄膜濾波器的器件廣泛用于前向傳輸和傳輸的波分復用方案中。目前，薄膜濾光片主要采用光學控制的等離子體輔助電子束蒸發鍍膜(IAD)或離子束直接濺射鍍膜生產。
5G載體網所用的薄膜過濾器，二氧化硅和二氧化鈦通過鍍膜工藝交替沉積在過濾器表面，沉積厚度為分子層的數量級，沉積層根據需要從幾層到幾百層不等。層數越多，響應譜曲線越接近矩形，濾波器性能越好。
   
圖6：某種薄膜濾光片結構
4真空技術在5G終端的應用
1）5G手機
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5G手機背板鍍膜
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5G通信使用高頻信號，對高頻信號有明顯屏蔽的金屬手機背板將逐漸退出市場舞臺，取而代之的是玻璃背板和陶瓷背板。
由于傳統的陽極氧化鋁合金染色工藝無法使用，光學裝飾涂層成為玻璃染色的首選工藝。在陶瓷背板的制造過程中，磁控濺射鍍膜逐漸成為印刷logo和裝飾條紋的首選。
    
圖7：某品牌手機極光色玻璃背板
5G手機電磁屏蔽膜
5G手機有很多Massive MIMO天線，高頻高速化趨勢明顯，進一步增加了電磁屏蔽需求。通常5G手機廠商會在FPC(柔性印刷電路板)上壓蓋膜和電磁屏蔽膜來解決電磁屏蔽問題。
電磁屏蔽膜是一種電磁屏蔽材料，目前主要用于FPC及相關部件，在電磁屏蔽和吸波領域具有廣闊的應用空間。電磁屏蔽膜需要具有屏蔽效率高、厚度薄、重量輕、抗彎曲、剝離強度高、接地電阻低的特點。5G手機中的電磁屏蔽膜主要采用真空卷繞磁控濺射的方法制作。
    
圖8：FPC上的電磁屏蔽膜
 
5G手機OLED顯示屏
根據手機面板的背板技術，5G顯示屏主要分為四類:柔性OLED、剛性OLED、低溫多晶硅LTPS-LCD和非晶硅α-Si-LCD。而OLED屏幕以其響應速度快、功耗低的優勢成為5G手機的核心配件。
OLED材料的制備與真空鍍膜技術密切相關，其中真空蒸發是OLED制造工藝的關鍵，直接影響OLED屏幕顯示。蒸發機的工作是準確、均勻、可控地蒸發襯底上的OLED有機發光材料；同時，OLED有機發光材料的制備也需要在真空環境下進行。
    
圖9：OLED真空蒸鍍示意圖
5G手機攝像頭和濾光片
從3G-4G-5G，每一代的通信網絡的升級都意味著更大信息量的吞吐。目前，主流5G手機無一例外增加了攝像頭數量，單個攝像頭的像素提升也成為顯著趨勢。在這一趨勢下，手機攝像頭的鏡頭數和紅外截止濾光片數量明顯增加，大大增加了光學鍍膜的需求量。
    
圖10：手機攝像頭結構
2)VR/AR設備
4G時代，智能手機發展迅速。隨著5G時代的到來，人們不禁要猜測下一代消費電子終端會是什么樣子。其中，VR/AR設備最為流行。
無論是VR還是AR設備，其核心特點都是新的顯示系統。除了圖像顯示設備，近眼顯示光學透鏡組更為關鍵。AR和VR設備的鏡頭方案不同，下面分別介紹。
目前AR透鏡方案主要有棱鏡、自由曲面和光波導，以平面光波導為主流。目前，基于平面光波導技術的光學器件主要通過光學鍍膜來制造。 目前VR鏡頭方案主要采用菲涅爾透鏡，真空鍍膜技術主要應用于鏡頭內側防霧膜和防反射膜的制備。
    
圖11：VR/AR設備（效果圖）
3）智能家居
5G技術將促進物聯網快速發展，為智能家居提供通訊基礎。目前，國內已出現一系列智能家居產品，例如：智能臺燈、智能安保系統、智能窗簾、智能溫控系統、智能音響系統等。無論是智能家居本身的生產過程還是實現“物物”互通的通訊系統，都與真空技術密不可分。

圖12：智能家居示意圖
5發展真空技術，助力5G產業
5G作為新一代移動通信技術，服務對象從人際傳播擴展到人際傳播，應用領域從移動互聯網擴展到移動物聯網。開辟了萬物無處不在互聯互通、人機深度互動、智能引領變革的新征程，代表了新一代信息通信技術的發展方向和戰略制高點。
真空技術作為一門正在發展的現代基礎科學，廣泛應用于5G行業的各個方面。未來，中科易科將繼續加強在真空技術領域的領先地位，專注于5G、人工智能、物聯網等前沿技術，立足戰略性新興產業，為5G技術發展和產業化做出持續貢獻。
 
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