5G 通訊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于新材料的依賴程度將超過以往任何一代。這主要由5G通訊技術(shù)的特征所決定的。

與傳統(tǒng)4G等通信技術(shù)相比，5G通信技術(shù)接入工作器件需滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、超高寬帶傳輸三大基礎(chǔ)性能要求，其制備材料則需要具有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成化、高頻化和高頻譜效率等特點(diǎn)。

相比4G通訊技術(shù)，5G通訊技術(shù)采用亞6GHz（sub-6 GHz）以及毫米波（milli meter wave）進(jìn)行信號(hào)傳輸，在毫米波頻段內(nèi)，當(dāng)電場(chǎng)通過介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格來(lái)回碰撞而產(chǎn)生的熱損耗將加劇。

因此，5G通訊技術(shù)要求設(shè)備需要更低的信號(hào)延遲。這對(duì)現(xiàn)有材料的綜合性能提出了苛刻的要求。

研究表明，通訊技術(shù)中的信號(hào)傳輸損耗（T_L）主要包括導(dǎo)體損耗（T_LC）與介質(zhì)損耗（T_LD）。介質(zhì)損耗 T_LD與介質(zhì)材料的介電常數(shù)（D_k）以及介電損耗（D_f）有關(guān)。

高頻通訊中，為了降低介質(zhì)損耗T_LD以及信號(hào)傳輸延遲T_d，就必須盡可能減少介質(zhì)材料的D_k與D_f值，即采用具有低介電特性的高分子介質(zhì)材料。同時(shí)，要求所使用的高分子介質(zhì)材料的介電性能隨著頻率、溫度以及濕度的變化越小越好。

圖片來(lái)源：絕緣材料，2020,53(8)

低介電高分子材料的設(shè)計(jì)核心在于降低分子極性和減少吸水性。常見的策略包括：  

1. 非極性基團(tuán)引入：如含氟基團(tuán)（-F）和亞甲基（-CH2-）可顯著降低極性，從而減少介電常數(shù)。  

2. 分子鏈結(jié)構(gòu)優(yōu)化：通過剛性結(jié)構(gòu)（如芳環(huán)）與柔性鏈段結(jié)合，平衡力學(xué)性能與介電特性。例如，聚酰亞胺（PI）因其分子鏈中的剛性苯環(huán)和低極性酰亞胺鍵，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫和低介電性能。  

3. 孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：微孔發(fā)泡技術(shù)通過引入空氣（介電常數(shù)≈1）降低材料整體介電常數(shù)。例如，日本古河電工開發(fā)的“Smart Cellular Board?”利用微發(fā)泡技術(shù)，使材料介電常數(shù)降至2.5以下，同時(shí)減輕重量30%。

1. 聚苯硫醚（PPS） 

PPS因耐高溫、阻燃等特性被廣泛使用，但其介電常數(shù)（約3.0）需進(jìn)一步降低。

改性方法包括：  

物理共混：與聚四氟乙烯（PTFE，Dk≈1.8）或低介電玻纖復(fù)合，但需添加相容劑（如PTW）以改善界面結(jié)合。  

化學(xué)改性：引入含氟基團(tuán)、含氟單體（如六氟雙酚A）或硅氧烷結(jié)構(gòu)，例如氟化籠形聚倍半硅氧烷（POSS）可將Dk降至2.5。

納米復(fù)合：添加氮化硼（BN）納米片，Df降低至0.001（10 GHz）。  

應(yīng)用：5G基站濾波器外殼、連接器

2. 液晶聚合物（LCP）

LCP被認(rèn)為是目前可滿足5G高頻應(yīng)用需求的 [敏感詞]應(yīng)用前景的low-Dk 與low-Df 高分子材料之一。

LCP由剛性介晶基元和柔性鏈段交替排列形成，具有分子鏈高度取向的特性，介電常數(shù)低至2.5（1 GHz），且在高頻下穩(wěn)定性優(yōu)異。LCP分子結(jié)構(gòu)中的酯鍵具有吸水率低、剛性大、耐熱性優(yōu)良。其薄膜化技術(shù)（如擠出流延法）在5G天線和柔性電路板中應(yīng)用廣泛。

關(guān)鍵性能：

介電常數(shù)（Dk）：2.9～3.1（10 GHz），介電損耗（Df）：0.002～0.005。

熱變形溫度：280～320°C，適用于高溫焊接工藝。

低吸濕性（吸水率<0.02%），確保高頻下性能穩(wěn)定。

應(yīng)用場(chǎng)景：5G毫米波天線基板、柔性電路板（FPC）、高速連接器。

性能不足

各向異性（分子取向度高）；鍵合強(qiáng)度低；表面易出現(xiàn)纖維狀；耐彎折性能低、改性難、價(jià)格高等。

代表產(chǎn)品：村田制作所的LCP薄膜（MetroCirc?），厚度可低至25μm。  

3. 聚四氟乙烯（PTFE）

關(guān)鍵特性：Dk≈1.8，Df：0.0003～0.001。耐化學(xué)腐蝕性極強(qiáng)，適用于惡劣環(huán)境。但力學(xué)強(qiáng)度低、加工困難。

改性技術(shù)：與添加二氧化、或陶瓷粉體（如Al?O?）或陶瓷纖維（如SiO2）共混，提升剛性并維持Dk<2.0。

應(yīng)用領(lǐng)域：高頻電路基板、雷達(dá)波導(dǎo)元件。

4. 聚酰亞胺（PI）

聚酰亞胺是主鏈上含酰亞胺環(huán)(-CO-NR-CO-)的一類高分子材料，其綜合性能優(yōu)越，具有較好的熱穩(wěn)定性(長(zhǎng)期使用溫度范圍為-200~300℃)、力學(xué)性能、耐輻射性、低吸濕性和化學(xué)穩(wěn)定性。

但是，傳統(tǒng)PI的Dk≈3.2（1 MHz），難以滿足高頻需求。

PI通過引入三氟甲基（-CF3）或六氟二酐單體，可將Dk降至2.3（如杜邦公司的Pyralux? AP），同時(shí)保持耐高溫性能（>400℃），適用于高頻覆銅板（FCCL）、芯片封裝材料。

5. 聚苯醚（PPO）

PPO具有較高的Tg（210℃）、較低的Dk值（2.45，1 MHz）和Df值（0.000 7，1 MHz）而且還具有熱膨脹系數(shù)（CTE）低、吸水率低、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是具有超高頻應(yīng)用潛力的CCL基體樹脂。

不足之處：

① 數(shù)均分子量高（Mn =4000～9100 g/mol）、熔體黏度較高、加工性能不佳；

② 耐溶劑性能差，尤其不耐鹵代烴和芳香烴，影響其加工及應(yīng)用；

③ 熔點(diǎn)和Tg 接近，耐高溫性能差。

改性方法：

①  制備低分子量的PPO（Mn＜4000 g/mol），提高其溶解性，改善加工性；

②  在端羥基、側(cè)甲基及主鏈上引入活性基團(tuán)，或制備超支化的PPO，提高其耐溶劑性和耐熱性；

③ 與環(huán)氧樹脂、氰酸酯樹脂、雙馬來(lái)酰亞胺樹脂、聚烯烴等形成二元、三元復(fù)合PPO樹脂體系，提高其熱穩(wěn)定性和耐溶劑性；

④ 引入無(wú)機(jī)微、納米粒子如低聚倍半硅氧烷（POSS）、納米二氧化硅（SiO2 ）等進(jìn)行無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合，因無(wú)機(jī)組分產(chǎn)生的多孔性，可充分利用空氣的低介電特性，進(jìn)一步提高PPO的低介電性能。

1. 超低介電氣凝膠

特性：孔隙率>90%，Dk可低至1.2（如二氧化硅氣凝膠）。  

瓶頸：力學(xué)強(qiáng)度差，需通過聚合物交聯(lián)（如聚氨酯涂層）增強(qiáng)。  

2. 共價(jià)有機(jī)框架（COFs）

優(yōu)勢(shì)：規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)降低極性，Dk≈1.5~2.0。  

研究進(jìn)展：中科院開發(fā)出熱穩(wěn)定性>300°C的氟化COF薄膜。  

3. 生物基高分子

案例：聚乳酸（PLA）通過納米纖維素改性，Dk降至2.7，兼具可降解性。