Eine vergleichende Analyse von LCP und MPI für hochfrequente 5G-Antennenanwendungen

1 Einleitung

Als unverzichtbare Grundkomponente der drahtlosen Kommunikation ist die technologische Innovation im Bereich der Antennen einer der wichtigsten Motoren, die die drahtlose Konnektivität vorantreiben. Mit der rasanten Entwicklung intelligenter Endgeräte hin zu dünneren, leichteren und kleineren Formfaktoren haben sich die Mobiltelefonantennen von den frühen externen Antennen zu integrierten Antennen entwickelt und eine Marktlandschaft gebildet, in der Softboard-Prozesse dominieren; Softboard-Antennen haben inzwischen einen Marktanteil von über 70 %. Dies hat zu einer raschen Expansion des Marktes für flexible gedruckte Schaltungen (FPC) geführt. Die derzeit gängigen und aufkommenden Substratmaterialien für flexible Leiterplatten konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Materialien: LCP und MPI, wobei es sich bei letzterem um ein Material handelt, das die Nachteile des herkömmlichen PI-Materials verbessert, um bessere Eigenschaften zu erzielen. In diesem Artikel werden die Vor- und Nachteile dieser beiden Materialien unter dem Gesichtspunkt der Anforderungen an das Material für die Signalübertragung und der strukturellen Eigenschaften der Materialien selbst untersucht.

Abb. 1 Interne Struktur der flexiblen Leiterplatte von Smartphones

2 Neue Herausforderungen für Antennenmaterialien durch 5G-Hochfrequenzsignale

Die 5G-Kommunikationstechnologie ist zweifelsohne die sich am schnellsten entwickelnde Technologie für Informationswege. Mit 5G wird nicht nur die Leistung des Sub-6-GHz-Bandes erheblich verbessert, sondern vor allem der Sprung in die weit verbreitete Nutzung der Millimeterwellenbänder (z. B. 28 GHz, 39 GHz) vollzogen. Diese Bänder sind wie beispiellos breite Autobahnen für den Datenfluss und bieten extrem hohe Übertragungsraten (theoretisch bis zu 10 Gbit/s und mehr) und immense Netzkapazitäten, die modernste Anwendungen wie 4K/8K-Echtzeit-Videostreaming, Augmented/Virtual Reality und autonomes Fahren unterstützen können.

Die extrem hohen Übertragungsraten gehen jedoch mit erheblichen Übertragungsverlusten einher. Nach den Grundsätzen der Funkwellenausbreitung gilt: Je höher die Frequenz, desto größer sind die Pfadverluste und die atmosphärischen Absorptionsverluste des Signals im Raum. Das bedeutet, dass mmWave-Signale nicht "weit reisen", was zu einer relativ begrenzten Abdeckung führt. Die Durchdringung ist eine weitere große Herausforderung: mmWellen können gängige Hindernisse wie Wände, Glas oder sogar Blätter kaum durchdringen, und ihre Ausbreitungseigenschaften auf der Sichtlinie erfordern eine möglichst ungehinderte Verbindung zwischen Sender und Empfänger.

Diese Herausforderungen wirken sich letztlich direkt auf das entscheidende Attribut der Signalintegrität aus. Jeder Energieverlust oder jede Signalverzerrung während der Übertragung kann direkt zu instabilen Verbindungen, verringerten Geschwindigkeiten und erhöhten Latenzzeiten führen.

Um die strengen Anforderungen der 5G-Hochfrequenzsignalübertragung zu erfüllen, müssen Antennensubstratmaterialien einen umfassenden hohen Leistungsstandard erreichen. Eine stabile niedrige Dielektrizitätskonstante und ein extrem niedriger Verlustfaktor sind Grundvoraussetzungen, die sich direkt auf die Effizienz und Integrität der Signalübertragung auswirken, indem sie den Energieverlust bei hohen Frequenzen minimieren. Ebenso entscheidend sind die Flexibilität und die geringe Dicke/Leichtigkeit des Materials, die eine Anpassung an die kompakten und unregelmäßigen Innenaufbauten moderner mobiler Endgeräte ermöglichen. In praktischen Anwendungen ist eine hohe Frequenzstabilität unabdingbar, um eine gleichbleibende Antennenleistung über verschiedene Betriebsfrequenzbänder und Temperaturumgebungen hinweg zu gewährleisten. Schließlich hängt die langfristige Zuverlässigkeit all dieser Leistungsaspekte von den ausgezeichneten Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften des Materials ab; eine sehr niedrige Feuchtigkeitsabsorptionsrate verhindert wirksam die Beeinträchtigung der elektrischen Leistung durch das Eindringen von Umgebungsfeuchtigkeit. Diese vier Anforderungen sind miteinander verknüpft und bilden zusammen die wichtigsten Bewertungskriterien für 5G-Hochfrequenzantennenmaterialien.

Abb. 2 5G Millimeterwellen-Signalausbreitung

3 Einführung in LCP- und MPI-Materialien

3.1 Definition und Eigenschaften von LCP

LCP-Kunststoffrohstoff (Flüssigkristallpolymer) ist ein neuartiges Hochleistungspolymer, das in seinem geschmolzenen Zustand Flüssigkristallinität aufweist und in thermotrope (durch Temperaturänderung induzierter Flüssigkristallzustand) und lyotrope (durch Lösungsmittelwirkung gebildeter Flüssigkristallzustand) Typen unterteilt wird. Dieses Material zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Steifigkeit, Hitzebeständigkeit (300-425°C), einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, Flammschutz nach UL94 V-0 und ausgezeichnete Dimensionsstabilität aus und hat eine Dichte von 1,35-1,45 g/cm^3. Es kann ohne Faserverstärkung eine hohe mechanische Leistung erzielen.

LCP-Materialien weisen stabile und sehr niedrige Dielektrizitätskonstanten und Verlustfaktoren bis hin zu Millimeterwellenfrequenzen auf, wodurch Energieverluste und Phasenverzerrungen bei der Signalübertragung minimiert werden und eine hervorragende Signalintegrität bei hohen Frequenzen gewährleistet wird. Gleichzeitig besitzt LCP eine extrem niedrige Feuchtigkeitsabsorptionsrate und nimmt so gut wie keine Umgebungsfeuchtigkeit auf. Diese Eigenschaft verhindert grundsätzlich eine Verschlechterung der elektrischen Leistung aufgrund von Feuchtigkeitsaufnahme und garantiert die langfristige Zuverlässigkeit von Antennen in komplexen Umgebungen. Darüber hinaus bietet LCP eine hervorragende Flexibilität und mechanische Festigkeit, so dass es zu ultradünnen flexiblen Schaltkreisen verarbeitet werden kann, die sich perfekt an die kompakten und dreidimensionalen, unregelmäßigen Einbauräume in Endgeräten anpassen. Die gute thermische Stabilität und die Eignung für mehrlagige Laminierverfahren unterstützen zudem die hochdichte Integration und stabile Fertigung komplexer Antennenmodule. Es ist die organische Kombination dieser Reihe von überlegenen elektrischen Eigenschaften, zuverlässigen physikalischen Merkmalen und geeigneter Verarbeitbarkeit, die die Kernposition von LCP auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzsignalübertragung begründet.

Abb. 3 Flüssigkristallpolymer (LCP) Molekularstruktur

3.2 Einführung von MPI und Vergleich mit PI

Modifiziertes Polyimid (MPI), eine wichtige Lösung im Bereich der 5G-Antennenmaterialien, ist im Wesentlichen ein Produkt, das in seiner chemischen Struktur und Formulierung auf der Grundlage von traditionellem Polyimid (PI) optimiert wurde. Während herkömmliches PI eine hervorragende Wärmebeständigkeit, mechanische Festigkeit und Flexibilität bietet, schränken seine inhärent hohe Dielektrizitätskonstante und sein Verlustfaktor, insbesondere seine Leistungsinstabilität bei hohen Frequenzen und seine Feuchtigkeitsaufnahme, seine Anwendung oberhalb von etwa 10 GHz ein. MPI wurde entwickelt, um genau diese Probleme zu lösen. Durch die Einführung spezifischer funktioneller Gruppen oder die Verwendung neuartiger Monomere in die PI-Molekülkette reduziert MPI die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor des Materials erheblich, wodurch es für den Einsatz in 5G-Sub-6GHz- und einigen mmWave-Bändern mit niedrigeren Frequenzen geeignet ist. Gleichzeitig verfügt MPI über die hervorragende Flexibilität, die hohe mechanische Festigkeit und das ausgereifte Verarbeitungssystem des herkömmlichen PI. Das bedeutet, dass bestehende Produktionslinien ohne kostspielige Änderungen für flexible MPI-Leiterplatten genutzt werden können, was einen erheblichen Vorteil bei der Kostenkontrolle und der Reife der Lieferkette darstellt. Daher kann MPI als eine "verbesserte Hochfrequenzversion" von traditionellem PI in Bezug auf die elektrische Leistung verstanden werden. Es handelt sich nicht um ein revolutionäres neues Material, sondern um ein erfolgreiches "evolutionäres" Material, das ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten erreicht und zu einer äußerst wettbewerbsfähigen Alternative zu Hochleistungs-LCP wird, insbesondere im Sub-6-GHz-Band während der ersten groß angelegten Kommerzialisierung von 5G.

Abb. 4 Chemische Struktur von Polyimid PI

Tabelle 1 MPI (modifiziertes Polyimid) vs. PI (Polyimid) Vergleichstabelle der Eigenschaften

4 Umfassende vergleichende Analyse von LCP und MPI

4.1 Elektrische Leistung

LCP weist im Millimeterwellenbereich erhebliche Vorteile auf, da seine Dielektrizitätskonstante typischerweise unter 3,4 liegt und der Verlustfaktor nur 0,0025 beträgt. Dies ist auf die hohe Symmetrie des Molekülskeletts des LCP-Materials und die eingeschränkte Bewegung der Hauptkette zurückzuführen, wodurch Signalverluste weitestgehend minimiert und die Signalintegrität bei der Übertragung von mmWellen-Signalen mit höheren Frequenzen gewährleistet werden können. Daten der China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC) bestätigen auch die hervorragenden Werte von LCP: Dielektrizitätskonstante ≤ 3,4 und dielektrischer Verlust ≤ 0,0025 bei 10 GHz.

Im Gegensatz dazu hat MPI durch chemische Modifikation eine typische Dielektrizitätskonstante von etwa 3,6 und einen Verlustfaktor von etwa 0,0035. Seine Leistung ist im Sub-6-GHz-Band unterhalb von etwa 15 GHz mit der von LCP vergleichbar und reicht aus, um die Anforderungen zu erfüllen. Wenn die Signalfrequenz jedoch in den mmWave-Bereich über 15 GHz eintritt, steigen die Übertragungsverluste von MPI erheblich an, und seine Leistung beginnt, hinter LCP zurückzubleiben. Folglich werden die Vorteile von LCP in Bezug auf die elektrische Leistung für künftige Hochfrequenzkommunikation (z. B. für potenzielle 6G-Anwendungen) immer deutlicher und notwendiger.

4.2 Physikalische Eigenschaften

Die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften spiegeln sich hauptsächlich in der thermischen Leistung und der Feuchtigkeitsaufnahme wider.

LCP hat eine extrem niedrige Feuchtigkeitsabsorptionsrate, im Allgemeinen ≤ 0,04 %. Diese extrem niedrige Hygroskopizität bedeutet, dass die elektrische Leistung von LCP in feuchten Umgebungen nahezu unbeeinträchtigt bleibt und eine sehr hohe Stabilität aufweist. Allerdings ist die Hitzebeständigkeit von LCP relativ gering, was für das Heißpresslaminierverfahren eine gewisse Herausforderung darstellt.

Die Feuchtigkeitsaufnahme von MPI ist zwar besser als bei herkömmlichem PI, liegt aber immer noch bei etwa 1,5 % und damit höher als bei LCP. Die Feuchtigkeitsaufnahme kann in feuchten Umgebungen zu Schwankungen in der elektrischen Leistung führen. Der Vorteil von MPI liegt jedoch in seinem weiten Betriebstemperaturbereich, der die Verarbeitung erleichtert, insbesondere bei Presslaminierverfahren mit niedrigen Temperaturen. Dadurch ist auch die Haftung auf Kupferfolie einfacher zu handhaben.

4.3 Verfahren und Kosten

Der Hauptvorteil von MPI liegt in seiner ausgereiften Industriekette und seiner erheblichen Kosteneffizienz. Da MPI aus herkömmlichem Polyimid entwickelt wurde, kann es die bestehenden PI-Produktionslinien vollständig nutzen, was zu ausgereifteren Produktionsprozessen und höheren Erträgen führt. Außerdem ist die Lieferantenbasis breiter gefächert. So konnte Apple 2019 durch die Einführung von fünf MPI-Antennenlieferanten erfolgreich die Kosten senken und seine Verhandlungsposition stärken. Dadurch sind die Kosten für MPI-Antennen äußerst wettbewerbsfähig und liegen bei etwa einem Zwanzigstel der Kosten von LCP oder sogar darunter.

Im Gegensatz dazu sind bei LCP komplexe Prozesse erforderlich, insbesondere die technisch anspruchsvolle Laminierung von Mehrschichtplatten, was zu schwer zu kontrollierenden Ausbeuteraten führt. Außerdem wurde die Versorgung mit LCP-Rohstoffen lange Zeit von einigen wenigen großen internationalen Herstellern (z. B. Toray, Sumitomo, Polyplastics of Japan) beherrscht, was ebenfalls die Kosten in die Höhe trieb. Diese Situation ändert sich jedoch gerade. In den letzten Jahren hat die chinesische LCP-Industrie, unterstützt durch die chinesische Regierungspolitik, einen raschen technologischen Fortschritt und Kapazitätsausbau erlebt. Die Lokalisierungsrate stieg deutlich von 20 % im Jahr 2022 auf 40 % im Jahr 2023 und wird voraussichtlich bis 2025 auf über 50 % ansteigen. Einheimische Unternehmen wie Kingfa Sci & Tech, Prite und Watt bauen ihre Produktion aktiv aus, was die Lieferkette und Kostenstruktur von LCP in Zukunft verbessern dürfte.

4.4 Flexibilität

Was die Flexibilität betrifft, so erfüllen beide Materialien die grundlegenden Anforderungen an flexible Leiterplatten, allerdings mit leicht unterschiedlichen Schwerpunkten.

Das LCP-Material selbst besitzt eine gute Flexibilität, die sich für die meisten Szenarien eignet, die ein Biegen erfordern.

MPI hat die hervorragende Biegsamkeit des PI-Materials geerbt. Einige Berichte weisen darauf hin, dass strukturell optimierte flexible MPI-Leiterplatten im Vergleich zu LCP sogar eine höhere Biegefestigkeit aufweisen können.

Bei komplexeren mehrlagigen Leiterplattendesigns wird jedoch die Leistung und Zuverlässigkeit von LCP im Allgemeinen als überlegen angesehen.

4.5 Verlässlichkeit

Die Zuverlässigkeit des Materials steht in direktem Zusammenhang mit der stabilen Leistung der Antenne im Langzeiteinsatz.

LCP mit seiner geringen Feuchtigkeitsaufnahme und seinen stabilen chemischen Eigenschaften weist eine hervorragende chemische Beständigkeit, Flammwidrigkeit und langfristige Leistungsstabilität auf, was zu einer hohen Gesamtzuverlässigkeit führt. Seine Dimensionsstabilität ist ebenfalls hervorragend und liegt in der Regel innerhalb von ±0,1 %.

Die Zuverlässigkeit von MPI ist für allgemeine Anwendungen ausreichend. Die Daten für die Schälfestigkeit (≥1,0 kgf/cm) deuten auf eine gute Adhäsionskraft an Kupferfolie hin. In Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit könnte die langfristige Leistung jedoch aufgrund der höheren Feuchtigkeitsaufnahme im Vergleich zu LCP Probleme bereiten. MPI besitzt auch eine gute Dimensionsstabilität (innerhalb von ±0,1 %) und Lötbeständigkeit (keine Delaminierung oder Blasenbildung nach 3 Zyklen von 10s Eintauchen in 300°C-Lot).

Tabelle 2 Vergleich der Eigenschaften von LCP und MPI

5 LCP und MPI in verschiedenen Anwendungsszenarien

Innerhalb des umfangreichen Anwendungsökosystems der 5G-Industrie stehen LCP und MPI nicht in einer einfachen Substitutionsbeziehung. Stattdessen haben sie aufgrund ihrer jeweiligen Leistungs- und Kostenpositionierung eine klare und komplementäre Marktstruktur gebildet, wobei jede von ihnen ihre Stärken auf verschiedenen Schlachtfeldern unter Beweis stellt.

5.1 LCP für zukunftsweisende Anwendungen

LCP ist mit seiner unvergleichlichen Hochfrequenzleistung und Zuverlässigkeit fest im High-End-Markt verankert. Seine Anwendungen konzentrieren sich vor allem auf Bereiche, in denen Spitzenleistungen gefragt sind:

High-End-Flaggschiff-Smartphones, insbesondere mmWave-Modelle: Bei Flaggschiff-Smartphones, die mmWave-Bänder (z. B. 28/39 GHz) unterstützen, wirkt sich jeder noch so kleine Verlust im Signalübertragungsweg direkt auf das Nutzererlebnis aus. Der extrem niedrige Verlustfaktor von LCP macht es zur besten Wahl für die Übertragung von Zuleitungen in mmWave-Antennenmodulen (z. B. Antenna-in-Package oder AiP) und stellt sicher, dass wertvolle Signalenergie maximal abgestrahlt wird und nicht auf der Leiterplatte verloren geht. So hat Apple beispielsweise in den US-Modellen des iPhone 12 und nachfolgenden mmWave-unterstützenden Modellen ausdrücklich LCP-Antennenlösungen eingesetzt, um die strengen mmWave-Leistungsanforderungen auf dem nordamerikanischen Markt zu erfüllen.

mmWave-Module und Basisstationsausrüstung: Nicht nur auf der Seite der Endgeräte, sondern auch auf der Seite der Basisstationen, insbesondere bei kleinen Zellen und mmWave-Übertragungsmodulen, sind die Anforderungen an die Signalintegrität strenger geworden. Diese Geräte verarbeiten höhere Leistungen und komplexere Signale. Die geringen Verluste und die Stabilität von LCP können den Gesamtverlust der Systemverbindung effektiv reduzieren, die Reichweite und die Signalqualität verbessern, was es zu einem Schlüsselmaterial für den Aufbau einer leistungsstarken 5G-Netzwerkinfrastruktur macht.

Künftige Wearable Devices und AR/VR-Geräte: Diese Gerätekategorien bringen die interne Raumnutzung an ihre absolute Grenze. LCP-Antennen sind nicht nur selbst ultradünn und flexibel, sondern können auch zusammen mit anderen Komponenten geformt werden, was eine dreidimensionale (3D) Integration ermöglicht, die die Platzeinsparungen maximiert. Gleichzeitig erfordern AR/VR-Geräte die Echtzeit-Übertragung riesiger Mengen an hochauflösenden Daten, was extrem hohe Anforderungen an die Übertragungsraten und geringe Latenzzeiten stellt. Die Hochfrequenz- und Breitbandleistung von LCP erfüllt diese Anforderungen perfekt und bietet die notwendige Grundlage für ein nahtloses immersives Erlebnis.

Abb.5 Fertigungsindustrie für Flüssigkristallpolymere (LCP)

5.2 Der riesige Markt von MPI: Die ausgewogene, skalierbare Wahl

Der Erfolg von MPI liegt in der präzisen Bestimmung des optimalen Gleichgewichts zwischen Leistung und Kosten, wodurch der breiteste Mainstream-Markt in der Welle der 5G-Masseneinführung erobert wurde.

Mainstream 5G Smartphones (Sub-6GHz): Die überwiegende Mehrheit der globalen 5G-Netze konzentriert sich derzeit auf die Bereitstellung und Abdeckung im Sub-6GHz-Band. In diesem Band kann die optimierte elektrische Leistung von MPI die Betriebsanforderungen vollständig erfüllen, und der Leistungsunterschied zu LCP ist in der Praxis nicht spürbar. Die Kosten sind jedoch weitaus geringer als bei LCP, und die Lieferkette ist ausgereifter und stabiler. Daher wird MPI für viele Smartphone-Hersteller, die Kosteneffizienz anstreben und schnell Marktanteile erobern wollen, zur unbestreitbaren "Allrounder"-Wahl, die die weltweite Auslieferung großer Mengen von 5G-Telefonen des mittleren bis oberen Segments unterstützt.

IoT-Geräte und Kfz-Antennen: Der IoT-Bereich ist sehr kostensensibel, und viele Geräte benötigen keine ultimative Kommunikationsgeschwindigkeit, sondern eine zuverlässige Konnektivität. MPI bietet eine 5G-Konnektivität, die der herkömmlichen PI-Konnektivität überlegen ist, und das zu geringen Kosten, was es für verschiedene IoT-Endgeräte wie intelligente Zähler und Industriesensoren sehr geeignet macht. In vernetzten intelligenten Fahrzeugen müssen die Antennen außerdem starken Temperaturschwankungen und Vibrationen standhalten. Die ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und Flexibilität von MPI in Verbindung mit seinem Kostenvorteil machen es zu einer attraktiven Option für 5G-Antennen in Fahrzeugen.

Technologieübergang und Backup-Lösung für die Lieferkette: Für Hersteller stellt die Abhängigkeit von einer einzigen Lieferquelle ein erhebliches Risiko dar. Die Existenz von MPI bietet den Herstellern von Mobiltelefonen wertvolle strategische Flexibilität. Wenn das LCP-Angebot knapp ist oder die Preise schwanken, können die Hersteller schnell zu MPI-Lösungen wechseln, um die Produktion zu sichern. Gleichzeitig können die ausgereiften Prozesse von MPI in den frühen Phasen der Projektentwicklung den Ingenieuren dabei helfen, die Designverifizierung und den Produktionshochlauf schneller abzuschließen, was einen effizienten und risikoarmen Technologieübergang darstellt.

6 Zukunftsausblick: Trends, Herausforderungen und Konvergenz

Obwohl LCP und MPI auf dem aktuellen Markt eine klare Position einnehmen, steht ihre künftige Entwicklung noch vor entsprechenden Herausforderungen und Chancen. Der allgemeine Trend geht nicht in Richtung einer einfachen Substitution, sondern in Richtung einer tieferen Integration durch technologische Entwicklung und Kostenabwägung.

6.1 Die Zukunft von LCP: Chancen und Engpässe koexistieren

LCP-Materialien gelten als eine der ultimativen Lösungen für die 5G-mmWellen-Phase, aber ihre großflächige Anwendung muss noch einige große Hindernisse überwinden. Die größte Herausforderung ist die Kostenfrage. Derzeit sind die Kosten für LCP-Folien viel höher als für MPI, was zum Teil auf die Ausbeute an Folienprodukten und die Beschränkungen bei der Folienversorgung zurückzuführen ist. Zweitens ist der Herstellungsprozess für mehrlagige LCP-Substrate ein weiterer technischer Engpass, der überwunden werden muss. Die Verarbeitung von mehrschichtigen LCP-Substraten ist komplex und umfasst mehrere Präzisionsschritte wie UV-Laserbohren, Nassentfetten und Plasmareinigung. Jede Abweichung in einem der Schritte kann die Leistung und den Ertrag des Endprodukts beeinträchtigen. Darüber hinaus war die relative Konzentration der Lieferkette in der Vergangenheit ein Hindernis, da es weltweit nur eine begrenzte Anzahl von Herstellern gab, die in der Lage waren, LCP-Harz in Folienqualität zu liefern.

Trotzdem bleibt die Zukunft von LCP vielversprechend. Der Trend geht dahin, dass mit der Verbreitung von 5G mmWave und kontinuierlichen Fortschritten bei den Verfahren der Marktanteil weiter steigen dürfte. Insbesondere in High-End-Flaggschiff-Smartphones, mmWave-Modulen/Basisstationen und zukünftigen tragbaren Geräten und AR/VR-Bereichen mit extremen Anforderungen an den Innenraum bleibt LCP aufgrund seiner überlegenen Hochfrequenzleistung und verlustarmen Eigenschaften unersetzlich. Sobald Durchbrüche bei der Produktionskapazität und Ausbeute erzielt werden, werden die Materialkosten weiter sinken und die Marktdurchdringung beschleunigen.

6.2 Die Zukunft von MPI: Aufrechterhaltung des Mainstream-Marktes durch Verbesserung

Als ausgereifte Technologie liegt der Kern der Zukunft von MPI in der kontinuierlichen Optimierung. Die Herausforderung besteht darin, die Leistung in höheren Frequenzbändern (z.B. über 15GHz) weiter zu optimieren, um den Abstand zu LCP zu verringern. Im mmWave-Band steigt der Übertragungsverlust von MPI im Vergleich zu LCP deutlich an.

Daher wird sich der Entwicklungstrend von MPI auf die Verlängerung seines technologischen Lebenszyklus durch Verbesserungen der chemischen Formulierung konzentrieren. In der aktuellen 5G-Sub-6GHz-Ära bleibt MPI aufgrund seines hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses die Hauptstütze. Es wird erwartet, dass MPI durch kontinuierliche Rezepturverbesserungen seinen Kostenvorteil beibehalten und gleichzeitig seine Leistung in den Randfrequenzbändern verbessern wird, wodurch es seine Position in kostensensiblen Anwendungen wie 5G-Mainstream-Smartphones, IoT-Geräten und Automobilantennen festigen wird.

6.3 Koexistenz und Konvergenz: Komplementäre Architekturen und Erforschung neuer Materialien

Die künftige Landschaft der Antennenmaterialien ist keine "winner-takes-all"-Substitution, sondern tendiert eher zu Koexistenz und Komplementarität. Eine typische Strategie ist das Aufkommen von hybriden Designschemata, bei denen MPI dominiert und LCP ergänzt wird. In Geräten wie Smartphones kann MPI-Material, das eine ausreichende Leistung und höhere Kosten bietet, für die meisten Antennen im Sub-6GHz-Band verwendet werden, während das bessere LCP-Material für spezielle mmWave-Module oder Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungskanäle verwendet wird, die sehr empfindlich auf Signalverluste reagieren. Dieses hybride Nutzungsmodell sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen den Gesamtkosten und den wichtigsten Leistungsmerkmalen und bietet den Herstellern eine größere Designflexibilität.

Neben der Weiterentwicklung von LCP und MPI selbst erforscht die Branche ständig neue, fortschrittlichere Materialien. Um die potenziell höheren Frequenzen und strengeren Anforderungen künftiger 6G-Generationen zu erfüllen, wird beispielsweise die hybride flexible Leiterplattentechnologie mit optischen Wellenleitern bereits als mögliche Entwicklungsrichtung angesehen. Gleichzeitig sind andere Hochleistungspolymere (wie PTFE) und Verbundwerkstoffe, die durch Zugabe spezieller keramischer Füllstoffe hergestellt werden, ebenfalls potenzielle Kandidaten für künftige Hochfrequenz-Substratmaterialien, die eine Kombination aus geringerem Verlust, höherer Stabilität und besserer Verarbeitbarkeit anstreben.

7 Schlussfolgerung

Die 5G-Technologie, insbesondere ihre Entwicklung hin zu Millimeterwellenbändern, stellt beispiellos hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Antennenmaterialien. In diesem technologischen Wandel haben LCP (Flüssigkristallpolymer) und MPI (modifiziertes Polyimid) als zwei gängige flexible Substratlösungen unterschiedliche Eigenschaften und Marktpositionierungen gezeigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich LCP mit seinen außergewöhnlichen elektrischen Hochfrequenzeigenschaften (z. B. extrem niedrige Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor) und seiner nahezu perfekten Feuchtigkeitsbeständigkeit als technologischer Maßstab in Bereichen etabliert hat, die eine erstklassige Leistung erfordern, und zur bevorzugten Wahl für High-End mmWave-Anwendungsszenarien geworden ist. Durch eine erfolgreiche chemische Modifikation erreicht MPI ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten. Es übernimmt die ausgereiften Prozesse und die Vorteile der Lieferkette des traditionellen PI und unterstützt mit seiner hohen Kosteneffizienz die großflächige Verbreitung von 5G im Mainstream-Sub-6GHz-Band.

Mit Blick auf die Zukunft ist die Beziehung zwischen LCP und MPI nicht einfach eine "Substitution", sondern tendiert eher in Richtung "Komplementarität" und "Konvergenz". In absehbarer Zukunft werden beide in verschiedenen Anwendungsszenarien und Frequenzbändern nebeneinander bestehen. Einerseits muss sich LCP auf die Überwindung von Engpässen im Zusammenhang mit Kosten und Herstellungsprozessen für mehrlagige Leiterplatten konzentrieren, andererseits muss MPI kontinuierlich verbessert werden, um die Herausforderungen höherer Frequenzbänder zu meistern. Noch wichtiger ist, dass hybride Designschemata wie "MPI-dominant, LCP-ergänzend" in Verbindung mit der Erforschung neuerer Materialien (wie Lichtwellenleiter, PTFE-Verbundwerkstoffe usw.) eine reichhaltigere und leistungsfähigere Materialgrundlage für die Entwicklung von Kommunikationstechnologien der nächsten Generation bieten werden.

Letztendlich gibt es bei der Auswahl von Antennenmaterialien kein Patentrezept. Die Entscheidung hängt von einem umfassenden Kompromiss ab, der die Positionierung der Geräteleistung, die Zielfrequenzbänder, das Kostenbudget und die Lieferkettenstrategie umfasst. Der Wettbewerb und die Synergie zwischen LCP und MPI treiben nicht nur den Fortschritt in der Materialwissenschaft selbst voran, sondern bilden auch gemeinsam eine solide Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsverbindungen der 5G- und sogar der zukünftigen 6G-Welt.

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