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          特种工程塑料PEI在5G领域的应用

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          本文来源 | 新材料研习社

           

          三大运营商5G基站大单纷纷落地,5G无线主设备集采共涉及5G基站52万个,工信部表示,截至3月底,全国已经建成5G基站19.8万个,预计今年建设50万个5G基站的目标可顺利完成。塑料在5G的加速中迎来属于自己的5G时代,特种工程塑料PEI在5G应用领域中独具优势。
           
           
          一、PEI性能优异
           
          聚醚酰亚胺是一种透明琥珀色的无定形热塑性特种工程塑料,英文名:Polyetherimide,简称PEI。其分子结构既含有芳香胺官能团,又含有醚键结构,相对于其他芳族聚酰亚胺(简称PI)是一种成本较低、产量较高的热塑性PI。PEI树脂目前由沙特基础工业公司(SABIC) 生产,商品名ULTEMTM。
           

           
          1. 站在塑料金字塔顶端的PEI具有很高和长期的耐热性能,热稳定性好,玻璃态转变温度为217°C,长期使用温度可达170°C;具有极佳的尺寸稳定性,在很宽的温度范围内线性热膨胀系数低且稳定,因此环境温度对尺寸影响甚微,在较高温度和有负荷的情况下使用不变形,蠕变敏感度低;
           
          2. PEI具有卓越的机械强度和模量,突出的电性能,在较宽的温度(-40°C~150°C)和频率范围内仍能保持基本恒定,具有稳定的介电常数和耗散因数;
           
          3. PEI具有很好的红外透光性和较高的折射率;
           
          4. 在不添加任何添加剂的情况下,PEI就有突出的内在阻燃性,低烟密度及低热释放性能;
           
          5. PEI还具有优异的抗辐射性能和耐化学药品性,以及独特的电镀能力;
           
          6. 对于加工性能来说,PEI具有低熔融粘度和较高的流动性,能以传统的热塑性塑料熔融加工工艺和设备成型。
           

           
          综上所述,凡牵涉到耐高温、尺寸稳定、红外透过和介电稳定等方面的应用,PEI都有非常强大的优势。此外,加入玻璃纤维、碳纤维或其它填料,PEI还可增强改性进一步提升其性能。
           
           
          二、PEI在5G通信领域的应用
           
          PEI优异的尺寸稳定性、耐高温性、可电镀性以及透波性能使其在5G通信领域独具优势。
           

          1:光通讯

           

          5G基站和数据中心布设量的大幅增加,大量数据传输需通过光纤互联,这为光通信市场带来新机遇。由于光通信信号传输主要是在红外波段,所以要求材料具有很高的红外波段透过性,低损耗,而且还需要很好的长期尺寸稳定性和耐候性。
           
          PEI材料在光通信领域独领风骚,被广泛应用于光纤连接器,光收发??楣庋ё榧?。PEI材料具有很好的红外穿透性,在850nm-1550nm光通信频段透过率达88%以上,其同时具备的高折光指数在随温度湿度变化中仍能保持恒定,可以经受长达2000小时的双85(85℃/85%湿度)苛刻测试;同时PEI材料具有极佳的长期尺寸稳定性,为信号传输提供可靠的光学对接;PEI具有高强度、高模量,用于取代金属制造光纤连接器,适配器以及其他结构组建,或取代玻璃制造光收发??榈耐妇?,可使元件结构最佳化,简化其制造和装配工艺,同时保持精确的尺寸,从而使最终产品的成本大幅降低。
           
          另外,由于PEI材料具有的高尺寸稳定及高强度的特性,以及非常好的耐候性,其应用在光纤分光盒或基站的防水连接器领域,可满足IP67的防水要求,能显著提高产品的长期气密性和使用可靠性。
           

          图 光收发??楣庋ё榧?/p>

           

          2:射频连接器

           

          5G基站天线采用大规模多进多出(Massive MIMO)技术。每个基站采用2到3面天线(AAU),每个天线可具有64到128个通道。天线板与射频板之间以及天馈板和腔体滤波器板之间均采用板对板连接器连接。由于5G天线对于射频连接器需求量大幅提高,传统采用热固性材料(PTFE)并通过CNC加工方式进行大规模生产已成为行业制约。
           
          射频连接器绝缘子需要材料提供良好的介电性能,低且稳定的介电损耗,很好的力学性能,优异的尺寸稳定性以便于组装,可靠的大规模生产性能,PEI材料在以上各个方面均能满足应用需求,已成为射频连接器绝缘子材料的首要选择。
           
          无论对于传统的三段式板对板连接器,还是最新的pogo-pin设计,PEI材料都能满足客户的需求,体现了PEI材料在宽的温度范围内尺寸稳定,介电性能稳定,高机械强度,高融接线强度,耐温等方面优于其它工程塑料的特性,为客户提供更稳定的产品表现,降低成本。
           
          除板对板连接器之外,馈线接头用DIN连接器的金属外壳取代,传统的射频同轴连接器绝缘子及外壳也广泛采用了PEI材料。

           

          3:滤波器

           

          随着5G天线通道数的大幅增加,以及天线与RRU整合为AAU,有报道称5G天线的重量将比4G天线的重量增加30% 到80%。如何为5G天线减重已成为各大天线厂家及基站设备供应商关注的话题。金属滤波器的塑胶化再次成为各大设备厂家关注的焦点。
           
          滤波器腔体要求塑料材料具有较高的耐热温度,甚至有些天线厂家提出了满足高温回流焊制程的需求;同时要求材料具有与金属相匹配的线性膨胀系数,且随温度的升高保持恒定;具有优异的电镀性能以保证在高低温时腔体的尺寸精度和与表面镀层的结合强度,从而确保滤波器在工作期间的性能稳定。金属化后的塑料材料,可通过环境模拟实验及可靠性验证,包括高低温循环测试,湿热老化测试等,材料不变形,镀层不脱落,机械性能保持稳定。
           
          PEI树脂材料作为高玻璃化转变温度的无定形材料,因其具有的与铝合金相近的线性热膨胀系数,随温度的升高保持恒定,具有优异的耐热性和尺寸稳定性,长期可靠性,介电损耗低且稳定,可电镀,并具有良好的金属粘结性等特点,显现出了在腔体滤波器应用上其他塑料材料所不可比拟的优势,为5G基站天线腔体滤波器单元实现减重可高达30%;并可通过注塑加工工艺实现大规模生产,保持批次间尺寸精度,降低生产成本。
           
          鉴于PEI的优异特性,PEI材料在3G ,4G时代已被广泛应用于滤波器相关部件,譬如调谐螺杆,飞杆底座,固定螺丝等。随着5G的技术发展,产品尺寸减少,精度和力学性能要求更严格,PEI的应用优势越来越显著。
           

          图 腔体滤波器

           

          4:移相器

           

          在基站天线中,PEI还被广泛应用于移相器,不管是介质移相器的介质片还是环形移相器中的PCB支架,都得益于PEI材料的在宽泛的温度范围内良好的尺寸和介电性能的稳定性、低介电损耗及高机械强度和优异的回弹性。随着5G基站的逐步商用以及对进一步降低能耗和成本的追求,传统的介质移相器或环形移相器将有机会取代芯片移相器广泛应用于5G massive MIMO 天线中。
           

          综上所述,特种工程塑料PEI在5G领域中,由于其相对其它工程塑料在耐热,尺寸稳定,介电稳定,与金属结合等方面独具优势,因此具有广泛的应用前景。

           

           



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