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真空技术在5G产业链的应用

发布时间：

2021-01-12 14:21

随着我国5G商用大幕正式拉开，5G已成为数字经济转型的关键基础设施，并逐渐向社会各领域扩散与渗透。5G产业链非常广泛，包含零部件、主设备、运营商和下游应用等环节。

　　随着我国5G商用大幕正式拉开，5G已成为数字经济转型的关键基础设施，并逐渐向社会各领域扩散与渗透。5G产业链非常广泛，包含零部件、主设备、运营商和下游应用等环节。前期投入主要包括无线设备、传输设备、基站设备、小基站、光通信设备、网络规划实施等，从应用方向上看，5G应用包括产业数字化、智慧化生活、数字化治理三大方向。真空技术作为一门与应用科学紧密结合的现代基础科学，在5G产业链中有着广泛的应用。从5G基站中材料和器件的制备过程、承接网中光通信器件的真空检漏到5G手机、VR/AR设备、无人驾驶汽车中核心零部件的制备等，真空技术都参与其中并广泛应用。下面小编就带您走进5G产业链，一起探索真空技术在5G产业链中的应用。

　　1.5G产业链

　　从硬件角度出发，5G产业链主要分为5G网络和5G终端两个大类。5G网络：5G网络一共可以分为三个领域，分别是接入网(包括5G基站及基站配套的电源、天线、射频器件等)、承载网(包括光纤、光缆、光模块、光通信设备等)和核心网(包括服务器、交换设备等)。

图1：5G网络产业链的三个领域

　　5G终端：5G终端指5G技术的应用端，包括3D通信、超清视频、在线AR/VR、云办公、云游戏等，以及物联网、自动驾驶汽车、工业自动化、电子医疗等一系列新的适用于移动互联网和物联网的应用场景。

　　2.真空技术在5G接入网的应用

　　1)基片隔离器、环形器

　　我国5G系统频率使用规划明确了规定了3300-3400MHz(原则上限室内使用)、3400-3600MHz和4800-5000MHz频段作为5G系统的工作频段;规定5G系统使用上述工作频段，不得对同频段或邻频段内依法开展的射电天文业务及其他无线电业务产生有害干扰。因此原有4G基站中使用的基片隔离器、环形器需要技术升级，才能满足5G使用需求。5G基站中使用的基片隔离器/环形器目前有两个方面用到真空镀膜技术，一是在陶瓷表面制作金属底电极，二是YIG薄膜本身的制备使用真空镀膜技术(如PLD激光脉冲沉积)。

图2：5G基片隔离器

　　2)陶瓷介质滤波器

　　随着5G基站向着小型化、轻量化和高集成化发展，基站天线技术不断升级，对于滤波器的需求量将大量增加。陶瓷介质滤波器凭借低插损、高介电、小尺寸、轻量化和低成本的优势，逐渐成为5G基站滤波器的主流，代替4G基站内广泛使用的金属腔体滤波器。目前，陶瓷介质滤波器的金属化方案主要是银浆工艺和真空镀膜工艺。其中真空镀膜工艺为将洁净的多腔微波介质陶瓷基体置于无污染零排放的真空镀膜设备中，利用高能离子PVD技术在陶瓷表面镀制致密的金属银层，达到陶瓷滤波器金属化目的。

图3：陶瓷介质滤波器真空镀银工艺前后对比

　　3)磷酸铁锂电池

　　由于5G基站使用了更大规模的阵列天线、更高的带宽，单站满载功率接近3800W，是4G基站功耗的3.5倍，考虑机房其他设备的能耗， 5G基站能耗将达到5300W，以4小时备用时间计算，单个基站后备电源容量需要21.2KWh。由于5G基站功耗大幅提升，利用备用电源进行削峰填谷降低电费成本将成为5G基站的标配功能。磷酸铁锂电池循环寿命是铅酸电池的4倍，倍率性能好，支持快充，温度范围广，更适合搭配5G基站备用电源。因此5G基站的大规模建设将会带来磷酸铁锂电池的需求增长。锂电池制备过程中需要对外壳焊接处检漏，如果锂电池内部的电解液因为外壳的不密封性而泄露出来，不仅影响设备使用寿命，同时可能对操作人员造成危害。因此在锂电池组装和密封(圆柱形及棱柱形单元通过焊接)环节进行泄漏测试是十分必要的。根据生产工艺的不同，可以选择氦质谱检漏仪或是氦气检漏系统。

图4：一种磷酸铁锂电池壳体的氦质谱检漏方案

　　3真空技术在5G承载网的应用

　　1)光无源器件

　　光无源器件是不含光能源的光功能器件总称，在光路中主要实现连接、能量衰减、反向隔离、分路或合路、信号调制、滤波等功能。光无源器件对密封性要求极高，如果存在泄漏会影响其使用性能和精度，光通信行业的漏率标准是小于5×10-9 Pa*m3/s，因此需要进行泄漏检测。氦质谱检漏法利用氦气作为示踪气体，可精确定位漏点，替代传统泡沫检漏法和压差检漏法，目前已广泛应用于光器件的生产过程中。

图5：待检漏的光无源器件

　　2)薄膜滤光片(TFF)

　　光纤通信的一个优势是可以在一根光纤中同时传输数十个波长，称作波分复用(WDM)。WDM传输的基本元件是光学滤波器，可通过光纤熔融拉锥(FBT)、薄膜滤光片(TFF)、阵列波导光栅(AWG)和光学梳状滤波等技术实现。TFF和AWG是最常用的两种波分复用技术。基于薄膜滤光片的器件被广泛用于前传和中传的波分复用方案中。薄膜滤光片目前主要使用带光控的等离子体辅助电子束蒸发镀膜(IAD)或者离子束直接溅射镀膜方式生产。5G承接网中使用的薄膜滤光片，通过镀膜工艺，将SiO2和Ti2O5交替沉积在滤光器表面上，沉积厚度为分子层量级，根据需要，沉积层从几层到几百层不等。层数越多，通过的响应谱曲线越接近矩形，滤波器性能越优越。

图6：某种薄膜滤光片结构

　　4真空技术在5G终端的应用

　　1)5G手机

　　· 5G手机背板镀膜

　　5G通讯采用了高频信号，对高频信号屏蔽明显的金属手机背板将逐渐退出市场舞台，取而代之的是玻璃背板和陶瓷背板。由于无法使用传统的阳极氧化铝合金染色工艺，光学装饰镀膜成为玻璃染色的首选工艺。而在陶瓷背板制造过程中，磁控溅射镀膜也逐渐成为印制logo、装饰条纹的首选方案。

图7：某品牌手机极光色玻璃背板

　　· 5G手机电磁屏蔽膜

　　5G手机Massive MIMO天线数量多，高频高速趋势明显，对电磁屏蔽需求进一步提高。通常情况下，5G手机制造商会在FPC(柔性印制线路板)上压合覆盖膜和电磁屏蔽膜，从而解决电磁屏蔽问题。电磁屏蔽膜是一种电磁屏蔽材料，目前主要应用于FPC及相关组件，在电磁屏蔽和吸波领域具有广阔的应用空间。电磁屏蔽膜需要具备屏蔽效能高、厚度薄、重量轻、耐弯折、剥离强度高、接地电阻低等特点。5G手机中的电磁屏蔽膜主要以真空卷绕式磁控溅射的方式生产。

图8：FPC上的电磁屏蔽膜

　　· 5G手机OLED显示屏

　　按照手机面板的背板工艺来看，5G显示屏主要分为柔性OLED、刚性OLED、低温多晶硅LTPS-LCD和非晶硅α-Si-LCD四个大类。而OLED屏凭借着其反应速度快、省电等优势，已成为5G手机的核心配件。OLED材料的制备和真空镀膜技术密切相关，其中真空蒸镀是OLED制造工艺的关键，直接影响着OLED屏幕显示。蒸镀机的工作就是把OLED有机发光材料精准、均匀、可控地蒸镀到基板上;同时，OLED有机发光材料的制备也需要在真空环境下进行。

图9：OLED真空蒸镀示意图

　　· 5G手机摄像头和滤光片

　　从3G-4G-5G，每一代的通信网络的升级都意味着更大信息量的吞吐。目前，主流5G手机无一例外增加了摄像头数量，单个摄像头的像素提升也成为显著趋势。在这一趋势下，手机摄像头的镜头数和红外截止滤光片数量明显增加，大大增加了光学镀膜的需求量。

图10：手机摄像头结构

　　2)VR/AR设备

　　4G时代，智能手机迅速发展。随着5G时代到来，人们不禁会猜测下一代消费电子终端会是什么。而这其中呼声最高的莫过于VR/AR设备。无论是VR还是AR设备，其核心特征都是新型显示系统。除了图像显示器件外，更为关键的是近眼显示(Near-eye Display)光学透镜组。AR和VR设备的透镜方案不同，下面将分别介绍。AR透镜方案目前主要有棱镜、自由曲面、光波导几种方案，以平面光波导为主流。目前基于平面光波导技术解决方案的光学器件主要通过光学镀膜制造。VR透镜方案目前主要采用菲涅尔透镜，其中真空镀膜技术主要应用于镜片内侧的防雾气膜与镜片减反射膜的制备。

图11：VR/AR设备(效果图)

　　3)智能家居

　　5G技术将促进物联网快速发展，为智能家居提供通讯基础。目前，国内已出现一系列智能家居产品，例如：智能台灯、智能安保系统、智能窗帘、智能温控系统、智能音响系统等。无论是智能家居本身的生产过程还是实现“物物”互通的通讯系统，都与真空技术密不可分。

图12：智能家居示意图

　　5发展真空技术，助力5G产业

　　5G作为新一代移动通信技术，服务对象从人与人通信拓展到人与物、物与物通信，应用领域从移动互联网扩展到移动物联网，开辟了万物泛在互联、人机深度交互、智能引领变革的新征程，代表了新一代信息通信技术的发展方向和战略制高点。真空技术作为不断发展的一门现代基础科学，广泛应用于5G产业的方方面面。未来，中科科仪将持续强化真空技术领先优势，聚焦5G、人工智能、物联网等前沿技术，立足战略新兴行业，为5G技术及产业化发展持续贡献力量。

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