Сравнительный анализ LCP и MPI для высокочастотных антенных приложений 5G

1 Введение

Как незаменимый фундаментальный компонент беспроводной связи, технологические инновации в области антенн являются одним из основных двигателей развития беспроводной связи. Одновременно с быстрым развитием интеллектуальных терминальных продуктов в направлении более тонких, легких и компактных форм-факторов, антенны для мобильных телефонов эволюционировали от ранних внешних антенн к встроенным антеннам, формируя рыночный ландшафт, где доминируют процессы производства мягких плат; антенны на мягких платах в настоящее время занимают более 70 % рынка. Это привело к быстрому росту рынка гибких печатных плат (FPC). В настоящее время основные и новые материалы для подложек гибких печатных плат в основном сконцентрированы на двух материалах: LCP и MPI, причем последний представляет собой материал, который улучшает недостатки традиционного полимерного материала для достижения превосходных свойств. В этой статье мы рассмотрим сравнительные преимущества и недостатки этих двух материалов с точки зрения требований к материалам для передачи сигнала и структурных свойств, присущих самим материалам.

Рис. 1 Внутренняя структура гибкой печатной платы смартфонов

2 Новые вызовы для антенных материалов, создаваемые высокочастотными сигналами 5G

Технология связи 5G, несомненно, является наиболее быстро развивающейся технологией передачи информации на сегодняшний день. 5G не только значительно улучшает характеристики диапазона суб-6 ГГц, но и, что более важно, делает скачок к широкому использованию диапазонов миллиметровых волн (ммВ) (например, 28 ГГц, 39 ГГц). Эти диапазоны похожи на беспрецедентно широкие магистрали для передачи данных, обеспечивающие чрезвычайно высокую скорость передачи (теоретически до 10 Гбит/с и выше) и огромную емкость сети, способную поддерживать такие передовые приложения, как потоковое видео 4K/8K в реальном времени, дополненная/виртуальная реальность и автономное вождение.

Однако чрезвычайно высокая скорость передачи данных сопровождается значительными потерями при передаче. Согласно принципам распространения радиоволн, чем выше частота, тем больше потери на пути и поглощение сигнала в атмосфере. Это означает, что сигналы мм-волн не "путешествуют далеко", что приводит к относительно ограниченному охвату. Проникновение - еще одна серьезная проблема: мм-волны практически не проникают через обычные препятствия, такие как стены, стекло или даже листья, а их характеристики распространения в пределах прямой видимости требуют максимально беспрепятственного соединения между передатчиком и приемником.

Эти проблемы в конечном итоге напрямую влияют на такой важный атрибут, как целостность сигнала. Любая потеря энергии или искажение сигнала при передаче может привести к нестабильному соединению, снижению скорости и увеличению задержки.

Чтобы соответствовать жестким требованиям высокочастотной передачи сигнала 5G, материалы подложки антенны должны соответствовать высоким стандартам производительности. Стабильно низкая диэлектрическая проницаемость и чрезвычайно низкий тангенс угла диэлектрических потерь являются основополагающими условиями, напрямую определяющими эффективность и целостность передачи сигнала за счет минимизации потерь энергии на высоких частотах. Не менее важны гибкость и тонкость/легкость материала, позволяющие адаптировать его к компактным и нерегулярным внутренним схемам современных мобильных терминалов. В практических приложениях незаменима высокая стабильность частоты, обеспечивающая стабильную работу антенны в различных диапазонах рабочих частот и температурных условиях. Наконец, долгосрочная надежность всех этих характеристик в конечном итоге зависит от превосходных влагозащитных свойств материала; очень низкий уровень поглощения влаги эффективно предотвращает ухудшение электрических характеристик из-за попадания влаги из окружающей среды. Эти четыре требования взаимосвязаны и в совокупности формируют основные критерии оценки материалов для высокочастотных антенн 5G.

Рис. 2 Распространение сигнала 5G в миллиметровом диапазоне волн

3 Введение в материалы LCP и MPI

3.1 Определение и свойства LCP

Пластиковое сырье LCP (жидкокристаллический полимер) - это новый высокоэффективный полимер, обладающий жидкой кристалличностью в расплавленном состоянии и подразделяющийся на термотропный (жидкокристаллическое состояние, возникающее при изменении температуры) и лиотропный (жидкокристаллическое состояние, образующееся под действием растворителя) типы. Этот материал отличается высокой прочностью, высокой жесткостью, термостойкостью (300-425°C), низким коэффициентом теплового расширения, огнестойкостью UL94 V-0, отличной стабильностью размеров и плотностью 1,35-1,45 г/см^3. Он может достигать высоких механических характеристик без армирования волокнами.

Материалы LCP демонстрируют стабильные и очень низкие диэлектрические постоянные и тангенсы вплоть до частот миллиметровых волн, что позволяет им минимизировать потери энергии и фазовые искажения при передаче сигнала, обеспечивая отличную целостность сигнала на высоких частотах. Одновременно LCP обладает чрезвычайно низкой степенью поглощения влаги, практически не впитывая влагу окружающей среды. Эта характеристика позволяет предотвратить ухудшение электрических характеристик из-за поглощения влаги, гарантируя долговременную надежность антенн в сложных условиях. Кроме того, LCP обладает превосходной гибкостью и механической прочностью, что позволяет перерабатывать его в ультратонкие гибкие схемы, идеально адаптирующиеся к компактным и трехмерным, неравномерным монтажным пространствам внутри терминальных устройств. Хорошая термическая стабильность и пригодность к процессам многослойного ламинирования способствуют интеграции и стабильному производству сложных антенных модулей с высокой плотностью. Именно органичное сочетание превосходных электрических свойств, надежных физических характеристик и подходящей технологичности обеспечивает LCP ключевую позицию в области высокоскоростной и высокочастотной передачи сигналов.

Рис. 3 Молекулярная структура жидкокристаллического полимера (ЖКП)

3.2 Представление MPI и сравнение с PI

Модифицированный полиимид (MPI), являющийся важным решением в области материалов для антенн 5G, по сути, представляет собой продукт, оптимизированный по химической структуре и рецептуре на основе традиционного полиимида (PI). Несмотря на то, что традиционный ПИ обладает превосходной теплостойкостью, механической прочностью и гибкостью, присущие ему высокая диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь, а также нестабильность характеристик на высоких частотах и поглощение влаги ограничивают его применение на частотах выше 10 ГГц. MPI был создан именно для решения этих проблем. Благодаря введению в молекулярную цепочку ПИ особых функциональных групп или использованию новых мономеров, MPI значительно снижает диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь материала, что делает его пригодным для использования в диапазонах 5G Sub-6GHz и некоторых более низкочастотных мм-волнах. В то же время MPI прекрасно унаследовал отличную гибкость, высокую механическую прочность и зрелую экосистему обработки традиционного PI. Это означает, что существующие производственные линии могут быть использованы для производства гибких печатных плат MPI без дорогостоящих модификаций, что обеспечивает значительное преимущество в контроле затрат и зрелости цепочки поставок. Таким образом, MPI можно рассматривать как "высокочастотную модернизированную версию" традиционного ПИ с точки зрения электрических характеристик. Это не революционно новый материал, а успешный "эволюционный" материал, который достигает отличного баланса между производительностью и стоимостью, становясь высококонкурентной альтернативой высокопроизводительным LCP, особенно в основном диапазоне суб-6 ГГц во время начальной широкомасштабной коммерциализации 5G.

Рис. 4 Химическая структура полиимида PI

Таблица 1 Сравнительная таблица характеристик MPI (модифицированный полиимид) и PI (полиимид)

4 Всесторонний сравнительный анализ LCP и MPI

4.1 Электрические характеристики

LCP демонстрирует значительные преимущества в диапазоне миллиметровых волн: его диэлектрическая проницаемость обычно ниже 3,4, а тангенс угла диэлектрических потерь составляет всего 0,0025. Этому способствует высокая симметрия молекулярного каркаса LCP-материала и ограниченное движение главной цепи, что позволяет максимально снизить потери сигнала и гарантировать его целостность при передаче сигналов на высоких частотах в диапазоне миллиметровых волн. Данные Китайской корпорации аэрокосмической науки и промышленности (CASIC) также подтверждают превосходные показатели LCP: диэлектрическая проницаемость ≤ 3,4 и диэлектрические потери ≤ 0,0025 на частоте 10 ГГц.

Напротив, MPI, полученный путем химической модификации, обычно имеет диэлектрическую проницаемость около 3,6 и коэффициент диэлектрических потерь около 0,0035. Его характеристики сопоставимы с LCP в диапазоне суб-6 ГГц ниже примерно 15 ГГц, что достаточно для удовлетворения требований. Однако, когда частота сигнала переходит в область мм-волн выше 15 ГГц, потери при передаче MPI значительно возрастают, и его производительность начинает отставать от LCP. Следовательно, для будущих более высокочастотных коммуникаций (например, потенциальных приложений 6G) преимущества LCP в электрических характеристиках становятся более очевидными и необходимыми.

4.2 Физические характеристики

Различия в физических характеристиках в основном отражаются в тепловых характеристиках и поглощении влаги.

LCP имеет чрезвычайно низкий уровень поглощения влаги, обычно ≤ 0,04 %. Эта чрезвычайно низкая гигроскопичность означает, что во влажной среде электрические характеристики LCP почти не страдают, обеспечивая очень высокую стабильность. Однако термостойкость LCP относительно низкая, что создает определенные трудности для процесса горячего ламинирования.

Влагопоглощение MPI, хотя и улучшилось по сравнению с традиционным PI, все еще составляет около 1,5 %, что выше, чем у LCP. Поглощение влаги может привести к колебаниям электрических характеристик во влажной среде. Но преимущество MPI заключается в широком диапазоне рабочих температур, что облегчает его обработку, особенно в процессах низкотемпературного прессового ламинирования. Это также облегчает адгезию к медной фольге.

4.3 Процесс и стоимость

Основное преимущество MPI заключается в зрелой промышленной цепочке и значительной экономичности. Поскольку MPI был разработан на основе традиционного полиимида, он может полностью использовать существующие производственные линии PI, что приводит к более зрелым производственным процессам и более высокому выходу продукции. Кроме того, его база поставщиков более диверсифицирована. Например, в 2019 году Apple успешно сократила расходы и повысила свою переговорную силу, представив пять поставщиков антенн MPI. Это делает антенны MPI очень конкурентоспособными по стоимости, примерно на 1/20 от стоимости LCP или даже ниже.

В отличие от этого, LCP включает в себя сложные процессы, особенно технически сложное ламинирование многослойных плат, что приводит к трудно контролируемым показателям выхода продукции. Кроме того, в поставках сырья для LCP долгое время доминировали несколько крупных международных производителей (например, Toray, Sumitomo, Polyplastics of Japan), что также приводило к росту затрат. Однако ситуация меняется. В последние годы, при поддержке государственной политики Китая, в китайской промышленности LCP наблюдается быстрый технологический прогресс и расширение мощностей. Уровень локализации значительно вырос с 20 % в 2022 году до 40 % в 2023 году и, как ожидается, превысит 50 % к 2025 году. Отечественные компании, такие как Kingfa Sci. & Tech., Prite и Watt, активно расширяют производство, что, как ожидается, улучшит цепочку поставок и структуру затрат LCP в будущем.

4.4 Гибкость

С точки зрения гибкости оба материала отвечают основным требованиям, предъявляемым к гибким печатным платам, но с небольшими различиями.

Материал LCP сам по себе обладает хорошей гибкостью и подходит для большинства сценариев, требующих изгиба.

MPI унаследовал отличную податливость материала PI. По некоторым данным, структурно оптимизированные гибкие печатные платы из MPI могут даже демонстрировать более высокую прочность на изгиб по сравнению с LCP.

Однако в более сложных многослойных конструкциях плат производительность и надежность LCP обычно считаются более высокими.

4.5 Надежность

Надежность материала напрямую связана со стабильностью работы антенны при длительном использовании.

LCP, благодаря низкому поглощению влаги и стабильным химическим свойствам, демонстрирует превосходные показатели химической стойкости, огнестойкости и долговременной стабильности характеристик, что обеспечивает высокую общую надежность. Его стабильность размеров также является выдающейся, как правило, в пределах ±0,1%.

Надежность MPI достаточна для общего применения. Данные по прочности на отрыв (≥1,0 кгс/см) свидетельствуют о хорошей адгезии к медной фольге. Однако в условиях повышенной влажности из-за более высокого поглощения влаги по сравнению с LCP его долгосрочные характеристики могут оказаться под вопросом. MPI также обладает хорошей стабильностью размеров (в пределах ±0,1 %) и стойкостью к пайке (отсутствие расслоения или волдырей после 3 циклов погружения на 10 с в припой при температуре 300 °C).

Таблица 2 Сравнительный анализ свойств LCP и MPI

5 LCP и MPI в различных сценариях применения

В обширной экосистеме приложений индустрии 5G LCP и MPI не являются простыми заменителями. Вместо этого, основываясь на соответствующих характеристиках и позиционировании по стоимости, они сформировали четкую и взаимодополняющую структуру рынка, каждый из которых демонстрирует свои преимущества на разных полях боя.

5.1 LCP для передовых приложений

LCP, обладающие беспрецедентными высокочастотными характеристиками и надежностью, прочно занимают рынок high-end. Его применение в основном сосредоточено в областях, требующих высококлассной производительности:

Флагманские смартфоны высокого класса, особенно модели с поддержкой ммВ: В флагманских телефонах, поддерживающих диапазоны mmWave (например, 28/39 ГГц), любая незначительная потеря в тракте передачи сигнала напрямую влияет на удобство работы пользователя. Чрезвычайно низкий коэффициент рассеивания LCP делает его лучшим выбором для проводки фидерных линий в антенных модулях ммВолн (например, антенна в пакете или AiP), обеспечивая максимальное излучение драгоценной энергии сигнала, а не потерю ее на печатной плате. Например, компания Apple явно использует антенные решения LCP в американских моделях iPhone 12 и последующих моделях с поддержкой ммВолн, чтобы соответствовать строгим требованиям к производительности ммВолн на североамериканском рынке.

Модули mmWave и оборудование базовых станций: Не только на стороне терминалов, но и на стороне базовых станций, особенно в малых сотах и модулях передачи mmWave, требования к целостности сигнала становятся более строгими. Эти устройства работают с более мощными и сложными сигналами. Низкие потери и стабильность LCP позволяют эффективно снизить общие потери в канале связи системы, улучшить дальность покрытия и качество сигнала, что делает его ключевым материалом для создания высокопроизводительной инфраструктуры сетей 5G.

Носимые устройства будущего и AR/VR-оборудование: Эти категории устройств доводят использование внутреннего пространства до абсолютного предела. Антенны LCP не только сами по себе ультратонкие и гибкие, но и могут быть отлиты вместе с другими компонентами, обеспечивая трехмерную (3D) интеграцию, которая позволяет максимально экономить пространство. Одновременно с этим оборудование AR/VR требует передачи в реальном времени огромного количества данных высокой четкости, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к скорости передачи и низкой задержке. Высокочастотные и широкополосные характеристики LCP идеально отвечают этим требованиям, обеспечивая фундаментальную поддержку, необходимую для бесшовного погружения в атмосферу.

Рис.5 Промышленность по производству жидкокристаллических полимеров (ЖКП)

5.2 Обширный рынок MPI: Сбалансированный, масштабируемый выбор

Успех MPI заключается в точном определении оптимального баланса между производительностью и стоимостью, что позволило захватить самый широкий рынок в волне массового внедрения 5G.

Основные смартфоны 5G (суб-6 ГГц): Подавляющее большинство глобальных сетей 5G в настоящее время сосредоточено на развертывании и покрытии в диапазоне суб-6 ГГц. В этом диапазоне оптимизированные электрические характеристики MPI полностью удовлетворяют эксплуатационным требованиям, а разрыв в производительности с LCP не заметен на практике. Однако его стоимость намного ниже, чем у LCP, а цепочка поставок более зрелая и стабильная. Поэтому для многих производителей смартфонов, стремящихся к экономичности и быстрому захвату доли рынка, MPI становится неоспоримым "универсальным" выбором, поддерживающим глобальные поставки огромного количества телефонов 5G среднего и высшего класса.

IoT-устройства и автомобильные антенны: Сфера IoT очень чувствительна к затратам, и многим устройствам не требуется высочайшая скорость связи, но необходима надежная связь. MPI обеспечивает связь 5G, превосходящую традиционную PI, при низкой стоимости, что делает его очень подходящим для различных IoT-терминалов, таких как интеллектуальные счетчики и промышленные датчики. Кроме того, в подключенных интеллектуальных автомобилях автомобильные антенны должны выдерживать сильные перепады температур и вибрации. Превосходная термостойкость и гибкость MPI в сочетании с преимуществом в стоимости делают его привлекательным вариантом для автомобильных антенн 5G.

Переход на новые технологии и резервное решение для цепочки поставок: Для производителей зависимость от единственного источника поставок представляет собой значительный риск. Существование MPI обеспечивает производителям телефонов ценную стратегическую гибкость. Когда поставки LCP ограничены или цены колеблются, производители могут быстро переключиться на решения MPI, чтобы сохранить производство. В то же время на ранних стадиях разработки проектов зрелые процессы MPI могут помочь инженерам быстрее завершить проверку конструкции и наращивание производства, что послужит эффективным и малорискованным способом перехода на новую технологию.

6 Перспективы на будущее: Тенденции, проблемы и конвергенция

Хотя LCP и MPI занимают четкие позиции на современном рынке, их будущее развитие по-прежнему сталкивается с соответствующими проблемами и возможностями. Общая тенденция заключается не в простой замене, а в углублении интеграции за счет технологической эволюции и компромиссов в стоимости.

6.1 Будущее LCP: сосуществуют возможности и узкие места

Материал LCP рассматривается как одно из лучших решений для фазы 5G mmWave, но его широкомасштабное применение все еще требует преодоления нескольких основных препятствий. Основной проблемой является вопрос стоимости. В настоящее время стоимость LCP-пленки значительно выше, чем MPI, что частично объясняется уровнем выхода пленочного продукта и ограничениями в поставках пленки. Во-вторых, процесс производства многослойных LCP-подложек является еще одним техническим узким местом, требующим решения. Обработка многослойных LCP-подложек сложна и включает в себя множество точных этапов, таких как сверление ультрафиолетовым лазером, мокрое обеспыливание и плазменная очистка. Любое отклонение на любом этапе может повлиять на производительность и выход конечного продукта. Кроме того, относительная концентрация цепочки поставок когда-то была сдерживающим фактором: во всем мире было ограниченное число производителей, способных стабильно поставлять высокоэффективную смолу LCP для пленок.

Несмотря на это, будущее LCP остается многообещающим. С распространением 5G mmWave и постоянным прогрессом в технологиях ожидается, что доля этого материала на рынке будет расти. В частности, для флагманских смартфонов высокого класса, модулей/базовых станций mmWave, а также будущих носимых устройств и AR/VR-полей с высокими требованиями к внутреннему пространству LCP остается незаменимым благодаря своим превосходным высокочастотным характеристикам и низкому уровню потерь. Как только будут достигнуты успехи в области производственных мощностей и коэффициентов выхода, стоимость материала еще больше снизится, что ускорит его проникновение на рынок.

6.2 Будущее MPI: Сохранение основного рынка за счет совершенствования

Будущее MPI, как зрелой технологии, заключается в непрерывной оптимизации. Перед ней стоит задача дальнейшей оптимизации производительности в более высоких частотных диапазонах (например, выше 15 ГГц), чтобы сократить разрыв с LCP. В диапазоне мм-волн потери при передаче MPI значительно возрастают по сравнению с LCP.

Поэтому тенденция развития MPI будет направлена на продление его технологического жизненного цикла за счет усовершенствования химической формулы. В нынешней эре 5G Sub-6GHz MPI остается основным материалом благодаря отличному соотношению цены и качества. Ожидается, что благодаря постоянному совершенствованию рецептур MPI сохранит свое преимущество по стоимости, одновременно повышая свои характеристики в граничных частотных диапазонах, что позволит ему укрепить свои позиции в таких чувствительных к стоимости приложениях, как основные смартфоны 5G, устройства IoT и автомобильные антенны.

6.3 Сосуществование и конвергенция: Взаимодополняющие архитектуры и поиск новых материалов

Будущий ландшафт антенных материалов - это не замена "победителя на всех", а скорее сосуществование и взаимодополняемость. Типичной стратегией является появление гибридных схем дизайна "MPI-доминанта, LCP-дополнение". В таких устройствах, как смартфоны, материал MPI, обладающий достаточной производительностью и более высокой стоимостью, может использоваться для большинства антенн диапазона суб-6 ГГц, в то время как более качественный материал LCP применяется для специфических модулей мм-волн или высокоскоростных каналов передачи данных, очень чувствительных к потерям сигнала. Такая гибридная модель использования позволяет сбалансировать общую стоимость и обеспечить ключевые характеристики, предоставляя производителям большую гибкость в проектировании.

Помимо эволюции самих LCP и MPI, промышленность не перестает исследовать новые, более совершенные материалы. Например, для удовлетворения потенциально более высоких частот и более жестких требований будущих поколений 6G технология гибридных гибких плат с оптическим волноводом уже рассматривается как потенциальное направление развития. Одновременно другие высокоэффективные полимерные материалы (например, PTFE) и композиты, полученные путем добавления специальных керамических наполнителей, также являются потенциальными кандидатами на создание будущих высокочастотных материалов для подложек, стремящихся к объединению низких потерь, высокой стабильности и лучшей технологичности.

7 Заключение

Технология 5G, особенно ее эволюция в сторону диапазонов миллиметровых волн, предъявляет беспрецедентно жесткие требования к характеристикам антенных материалов. В ходе этой технологической трансформации LCP (жидкокристаллический полимер) и MPI (модифицированный полиимид), как два основных решения для гибких подложек, продемонстрировали свои отличительные характеристики и позиционирование на рынке.

Так, LCP, обладая исключительно высокочастотными электрическими свойствами (такими как чрезвычайно низкая диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь) и практически идеальной влагостойкостью, зарекомендовал себя как технологический эталон в областях, требующих высочайших характеристик, и стал предпочтительным выбором для сценариев применения в высокочастотных ммВолнах. В то же время MPI, благодаря успешной химической модификации, достигает выдающегося баланса между производительностью и стоимостью. Он унаследовал зрелые процессы и преимущества цепочки поставок традиционного ПИ, поддерживая широкомасштабную популяризацию 5G в основном диапазоне суб-6 ГГц благодаря своей высокой экономической эффективности.

В перспективе отношения между LCP и MPI не просто "замещение", а скорее "взаимодополнение" и "конвергенция". В обозримом будущем они будут сосуществовать в различных сценариях применения и частотных диапазонах. С одной стороны, LCP необходимо сосредоточиться на преодолении узких мест, связанных со стоимостью и процессами производства многослойных плат; с другой стороны, MPI нуждается в постоянном совершенствовании для решения задач, связанных с более высокими частотными диапазонами. Что еще более важно, гибридные схемы проектирования, такие как "MPI - доминирующий, LCP - дополнительный", в сочетании с исследованием новых материалов (таких как оптические волноводы, композиты PTFE и т.д.), обеспечат более богатую и мощную материальную основу для разработки коммуникационных технологий следующего поколения.

В конечном счете, не существует универсального ответа на вопрос о выборе материала для антенны. Решение зависит от комплексного компромисса, включающего позиционирование характеристик устройства, целевые диапазоны частот, бюджет затрат и стратегию цепочки поставок. Конкуренция и синергия между LCP и MPI не только стимулируют прогресс материаловедения, но и совместно формируют прочный фундамент, поддерживающий высокоскоростную связь в мире 5G и даже будущего 6G.

Для разработки материалов для антенн 5G и индивидуальных решений в области материалов сотрудничайте со Stanford Advanced Materials (SAM). Наш опыт в области передовых материалов поможет вам сориентироваться в соотношении LCP и MPI и выбрать оптимальное решение для ваших конкретных требований к частоте, производительности и стоимости. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить, как мы можем поддержать ваши проекты по созданию соединений следующего поколения.