高周波5GアンテナアプリケーションにおけるLCPとMPIの比較分析

1 はじめに

ワイヤレス通信の不可欠な基本コンポーネントとして、 アンテナ技術革新はワイヤレス接続を前進させるコアエンジンの一つです。同時に、インテリジェント端末製品の薄型化、軽量化、小型化の急速な進展に伴い、携帯電話用アンテナは初期の外付けアンテナから内蔵アンテナへと進化し、ソフトボードプロセスが支配的な市場環境を形成しており、ソフトボードアンテナは現在70％以上の市場シェアを占めています。このため、フレキシブルプリント回路（FPC）市場が急速に拡大している。現在主流のフレキシブル回路基板材料と新興のフレキシブル回路基板材料は、主に2つの材料に焦点を当てている：LCPとMPIで、後者は従来のPI材料の欠点を改良して優れた特性を実現した材料である。本稿では、信号伝送材料の要求と材料自体の固有の構造特性の観点から、これら2つの材料の比較的な長所と短所を解剖する。

図1 スマートフォンのフレキシブル基板内部構造

2 5G高周波信号がもたらすアンテナ材料の新たな課題

5G通信技術は、間違いなく現在最も急速に発展している情報経路技術である。5Gはサブ6GHz帯の性能を大幅に向上させるだけでなく、より重要な点として、ミリ波（mmWave）帯（28GHz、39GHzなど）の広範な利用へと飛躍する。これらの帯域は、データフローにとって前例のない広範な高速道路のようなもので、極めて高い伝送速度（理論的には最大10Gbps以上）と膨大なネットワーク容量を提供し、4K/8Kリアルタイム・ビデオ・ストリーミング、拡張現実/仮想現実、自律走行などの最先端アプリケーションをサポートすることができる。

しかし、極めて高い伝送速度には大きな伝送損失が伴う。電波伝搬の原理では、周波数が高くなるほど、空間における信号の経路損失と大気吸収損失が大きくなる。つまり、ミリ波の信号は「遠くまで届く」ことはなく、その結果、カバー範囲は比較的限定される。ミリ波は壁やガラス、あるいは葉っぱのような一般的な障害物を透過する効果がほとんどなく、視線伝搬の特性上、送信機と受信機の間をできるだけ遮るものがないように接続する必要があります。

これらの課題は、最終的にシグナル・インテグリティという重要な属性に直接影響します。伝送中のエネルギー損失や信号の歪みは、不安定な接続、速度低下、遅延の増加に直結します。

5G高周波信号伝送の厳しい要求を満たすために、アンテナ基板材料は包括的な高水準性能を達成する必要があります。安定した低誘電率と極めて低い誘電正接は基本的な前提条件であり、高周波でのエネルギー損失を最小限に抑えることで、信号伝送の効率と完全性を直接決定します。材料の柔軟性と薄さ・軽さも同様に重要であり、最新の携帯端末のコンパクトで不規則な内部レイアウトへの適応を可能にします。実用的なアプリケーションでは、高い周波数安定性が不可欠であり、異なる動作周波数帯域や温度環境にわたって一貫したアンテナ性能を保証します。最後に、これらすべての性能面の長期信頼性は、最終的に材料の優れた防湿特性に依存します。非常に低い吸湿率は、環境湿度の侵入による電気性能の劣化を効果的に防ぎます。これら4つの要件は相互に関連しており、総体として5G高周波アンテナ材料の中核的な評価基準を形成しています。

図2 5Gミリ波信号伝播

3 LCPとMPI材料の紹介

3.1 LCPの定義と特性

LCPプラスチック原料（液晶ポリマー）は、溶融状態で液晶性を示す新規な高機能ポリマーであり、サーモトロピック（温度変化により液晶状態となる）タイプとリオトロピック（溶媒の作用により液晶状態となる）タイプに分類される。高強度、高剛性、耐熱性（300～425℃）、低熱膨張係数、UL94 V-0難燃性、寸法安定性に優れ、密度は1.35～1.45g/cm^3です。繊維強化なしで高い機械的性能を達成できる。

LCP材料は、ミリ波周波数まで安定した非常に低い誘電率と誘電正接を示し、信号伝送中のエネルギー損失と位相歪みを最小限に抑えることができ、高周波での優れたシグナルインテグリティを保証します。同時に、LCPは吸湿率が極めて低く、周囲の湿気をほとんど吸収しません。この特性は、吸湿による電気的性能の劣化を根本的に防ぎ、複雑な環境下でのアンテナの長期信頼性を保証します。さらに、LCPは優れた柔軟性と機械的強度を備えているため、超薄型のフレキシブル回路に加工することができ、端末機器内のコンパクトで立体的な不規則な設置スペースに完璧に適合します。また、熱安定性に優れ、多層ラミネートプロセスに適しているため、複雑なアンテナモジュールの高密度実装と安定した製造をさらにサポートします。このように、優れた電気特性、信頼性の高い物理特性、適切な加工性を有機的に組み合わせたLCPは、高速・高周波信号伝送の分野で中核的な地位を確立している。

図3 液晶ポリマー（LCP）の分子構造

3.2 MPIの紹介とPIとの比較

変性ポリイミド（MPI）は、5Gアンテナ材料分野における重要なソリューションとして、従来のポリイミド（PI）をベースに化学構造と配合を最適化した製品です。従来のPIは、耐熱性、機械的強度、柔軟性に優れている一方で、本質的に誘電率と誘電正接が高く、特に高周波での性能不安定性と吸湿性により、約10GHz以上の用途が制限されていた。MPIは、まさにこうした難点を解決するために誕生した。MPIは、PI分子鎖に特定の官能基を導入したり、新規モノマーを使用したりすることで、材料の誘電率と誘電正接を大幅に低減し、5Gサブ6GHz帯や一部の低周波ミリ波帯での使用を可能にします。同時にMPIは、従来のPIの優れた柔軟性、高い機械的強度、成熟した加工エコシステムを完全に受け継いでいる。つまり、既存の生産ラインをMPIフレキシブル回路基板に利用することができ、高価な改造を必要としないため、コスト管理とサプライチェーンの成熟度において大きな優位性をもたらす。したがって、MPIは、電気的性能の点で、従来のPIの「高周波アップグレード版」と理解することができる。MPIは画期的な新材料ではなく、性能とコストの優れたバランスを実現する「進化」した材料であり、特に5Gの初期の大規模商用化の主流であるSub-6GHz帯において、高性能LCPに対して高い競争力を持つ代替材料となる。

図4 ポリイミドPIの化学構造

表1 MPI（変性ポリイミド）とPI（ポリイミド）の特性比較表

4 LCPとMPIの包括的比較分析

4.1 電気的性能

LCP の誘電率は通常 3.4 を下回り、誘電正接は 0.0025 と低い。これは、LCP材料の分子骨格の高い対称性と制限された主鎖運動によるもので、より高い周波数のミリ波信号伝送を扱う際に、信号損失を最大限に抑え、信号の完全性を保証することができる。中国航空宇宙科学工業公司（CASIC）のデータも、10GHzでの誘電率≦3.4、誘電損失≦0.0025というLCPの優れた指標を裏付けている。

一方、MPIは化学修飾により、一般的に誘電率は約3.6、誘電正接は約0.0035となる。その性能は、約15GHz以下のSub-6GHz帯ではLCPに匹敵し、要件を満たすのに十分である。しかし、信号周波数が15GHzを超えるmmWave領域に入ると、MPIの伝送損失は著しく増加し、その性能はLCPに遅れをとり始める。その結果、将来の高周波通信（例えば、潜在的な6Gアプリケーション）では、電気的性能におけるLCPの優位性がより顕著になり、その必要性が高まる。

4.2 物理特性

物理特性の違いは、主に熱性能と吸湿性に反映される。

LCPの吸湿率は極めて低く、一般に0.04%以下である。この極めて低い吸湿性は、湿度の高い環境下でもLCPの電気的性能にほとんど影響を与えないことを意味し、非常に高い安定性を提供する。しかし、LCPの耐熱性は比較的低く、ホットプレスラミネートプロセスには一定の課題があります。

MPIの吸湿率は、従来のPIに比べて改善されたとはいえ、まだ1.5％程度であり、LCPよりも高い。吸湿率は、湿度の高い環境では電気的性能の変動を引き起こす可能性がある。しかし、MPIの利点は使用温度範囲が広いことで、特に低温プレスラミネーション工程での加工が容易である。また、銅箔との接着性も管理しやすくなる。

4.3 プロセスとコスト

MPIの核となる利点は、その成熟した産業チェーンと大きな費用対効果にある。MPIは従来のポリイミドから開発されたため、既存のPI生産ラインをフルに活用することができ、その結果、生産プロセスが成熟し、歩留まりが向上する。さらに、サプライヤー基盤も多様化している。例えば、2019年、アップルは5つのMPIアンテナサプライヤーを導入することで、コスト削減と交渉力の強化に成功した。これにより、MPIアンテナのコスト競争力は高く、LCPの約20分の1、あるいはそれ以下となっている。

一方、LCPは工程が複雑で、特に技術的に難しい多層基板の貼り合わせは歩留まりのコントロールが難しい。さらに、LCP原料の供給は長い間、一部の大手国際メーカー（例：東レ、住友、日本ポリプラスチックス）に独占されており、これもコストを押し上げていた。しかし、この状況は変わりつつある。ここ数年、中国政府の政策に支えられ、中国のLCP産業は急速な技術進歩と生産能力拡大を遂げている。現地化率は2022年の20%から2023年には40%へと大幅に上昇し、2025年には50%を超えると予想されている。金発科技、プライト、ワットなどの国内企業が積極的に生産を拡大しており、将来的にはLCPのサプライ・チェーンとコスト構造の改善が期待される。

4.4 柔軟性

柔軟性という点では、両材料ともフレキシブル回路基板に求められる基本的な要件を満たしているが、その強調点は若干異なる。

LCPは素材自体が優れた柔軟性を持っており、曲げ加工を必要とするほとんどのシーンに適している。

MPIは、PI材料の優れた柔軟性を受け継いでいる。構造的に最適化されたMPIフレキシブル回路基板は、LCPに比べて優れた耐屈曲性を示すという報告もある。

しかし、より複雑な多層基板設計では、一般にLCPの性能と信頼性が優れていると考えられている。

4.5 信頼性

材料の信頼性は、長期使用におけるアンテナの安定した性能に直結する。

LCPは吸湿性が低く、化学的性質が安定しているため、耐薬品性、難燃性、長期性能安定性に優れ、総合的な信頼性が高い。寸法安定性も±0.1%以内と優れています。

MPIの信頼性は、一般的な用途には十分です。ピール強度（≧1.0kgf/cm）のデータから、銅箔との接着強度は良好である。ただし、高湿度環境ではLCPに比べて吸湿性が高いため、長期的な性能には課題があるかもしれない。また、MPIは寸法安定性（±0.1%以内）、はんだ耐熱性（300℃のはんだに10秒浸漬を3サイクル繰り返しても剥離やブリスターが発生しない）にも優れています。

表2 LCPとMPIの特性比較分析

5 さまざまなアプリケーション・シナリオにおけるLCPとMPI

5G産業の広大なアプリケーション・エコシステムの中で、LCPとMPIは単純な代替関係にあるわけではない。むしろ、それぞれの性能とコストの位置づけに基づき、明確かつ補完的な市場構造を形成しており、それぞれが異なる戦場で強みを発揮している。

5.1 最先端アプリケーションのためのLCP

圧倒的な高周波性能と信頼性を誇るLCPは、ハイエンド市場で確固たる地位を築いている。その用途は、主にトップクラスの性能が求められる分野に集中している：

ハイエンドフラッグシップスマートフォン、特にmmWaveモデル：ハイエンドのフラッグシップ・スマートフォン、特にmmWaveモデル：mmWaveバンド（28/39GHzなど）をサポートするフラッグシップ・スマートフォンでは、信号伝送路のわずかなロスがユーザー・エクスペリエンスに直接影響します。LCPは放散係数が極めて低いため、mmWaveアンテナ・モジュール（Antenna-in-PackageまたはAiPなど）の給電線に最適で、貴重な信号エネルギーが回路基板上で失われることなく最大限に放射されます。例えば、アップルは北米市場における厳しいmmWave性能要件を満たすため、iPhone 12以降のmmWave対応モデルの米国モデルにLCPアンテナソリューションを明確に採用した。

mmWaveモジュールと基地局装置：端末側だけでなく基地局側でも、特にスモールセルやmmWave伝送モジュールでは、シグナルインテグリティに対する要求が厳しくなっています。これらの機器では、より大電力でより複雑な信号を扱います。LCPの低損失と安定性は、システム全体のリンク損失を効果的に低減し、カバー範囲と信号品質を向上させることができるため、高性能な5Gネットワーク・インフラを構築するための重要な材料となる。

将来のウェアラブルデバイスとAR/VR機器：これらのカテゴリのデバイスは、内部スペースの利用を絶対的な限界まで押し上げます。LCPアンテナは、それ自体が超薄型でフレキシブルであるだけでなく、他の部品と共成形できるため、スペースを最大限に節約する3次元（3D）統合が可能です。同時に、AR/VR機器では大量の高精細データをリアルタイムで伝送する必要があり、伝送速度と低遅延に対する要求が非常に高くなっている。LCPの高周波で広帯域な性能はこの要求を完璧に満たし、シームレスな没入体験に必要な基盤サポートを提供する。

図5 液晶ポリマー（LCP）製造業界

5.2 MPIの広大な市場：バランスのとれたスケーラブルな選択

MPIの成功は、性能とコストの最適なバランスを的確に見極め、5G大量導入の波の中で最も広範なメインストリーム市場を獲得したことにある。

メインストリーム5Gスマートフォン（Sub-6GHz）：現在、世界の5Gネットワークの大半は、サブ6GHz帯での展開とカバレッジに焦点を当てている。この帯域では、MPIの最適化された電気的性能は運用要件を十分に満たすことができ、LCPとの性能差は実際のユーザー体験では目立たない。しかし、MPIのコストはLCPよりはるかに低く、サプライチェーンも成熟し安定している。従って、費用対効果を追求し、市場シェアの早期獲得を目指す多くのスマートフォン・メーカーにとって、MPIは紛れもない「オールラウンダー」の選択肢となり、膨大な量のミドル・ハイエンド5G携帯電話の世界出荷を支える。

IoTデバイスと車載アンテナ：IoT分野はコストに非常に敏感であり、多くのデバイスは究極の通信速度を必要としないが、信頼性の高い接続性を必要としている。MPIは従来のPIよりも優れた5G接続性を低コストで提供するため、スマートメーターや産業用センサーなど様々なIoT端末に非常に適している。さらに、コネクテッド・スマートカーでは、車載アンテナは厳しい温度変化や振動に耐える必要があります。MPIの優れた耐熱性と柔軟性は、コスト優位性と相まって、車載用5Gアンテナの魅力的な選択肢となっている。

技術移行とサプライチェーンのバックアップソリューション：メーカーにとって、単一の供給元への依存は大きなリスクとなります。MPIの存在は、携帯電話メーカーに貴重な戦略的柔軟性を提供する。LCPの供給が逼迫したり価格が変動したりした場合、メーカーはMPIソリューションに素早く切り替えて生産を守ることができる。同時に、プロジェクト開発の初期段階において、MPI の成熟したプロセスは、エンジニアが設計検証と生産立ち上げを迅速に完了できるよう支援し、効率的かつ低リスクの技術移行経路として機能する。

6 将来の展望トレンド、課題、そして融合

LCPとMPIは現在の市場において明確なポジションを確立していますが、今後の発展はそれぞれの課題と機会に直面しています。全体的な傾向として、単純な代替ではなく、技術進化とコスト・トレードオフを通じて、より深い統合へと向かっている。

6.1 LCPの将来：チャンスとボトルネックの共存

LCP材料は5G mmWaveフェーズの究極のソリューションの1つとみなされているが、その大規模な応用にはまだいくつかの大きな障害を克服する必要がある。第一の課題はコストの問題である。現在、LCPフィルムのコストはMPIよりもはるかに高いが、これはフィルム製品の歩留まり率やフィルム供給の限界も一因となっている。第二に、多層LCP基板の製造プロセスも、ブレークスルーが必要な技術的ボトルネックの一つである。多層LCP基板の加工は複雑で、UVレーザー穴あけ、ウェット・デスミア、プラズマ洗浄など複数の精密工程を伴う。どの工程でも、逸脱があれば最終製品の性能と歩留まりに影響する可能性がある。さらに、かつてはサプライ・チェーンの相対的な集中が制約となっており、高性能フィルム・グレードのLCP樹脂を安定供給できるメーカーは世界的に限られていた。

にもかかわらず、LCPの将来は依然として有望である。傾向としては、5G mmWaveの普及とプロセスの継続的な進歩により、その市場シェアは増加の一途をたどると予想される。特に、ハイエンドのフラッグシップスマートフォン、mmWaveモジュール／基地局、内部スペースが極端に要求される将来のウェアラブルデバイスやAR/VR分野では、優れた高周波性能と低損失特性により、LCPが代替不可能であることに変わりはない。生産能力や歩留まりが飛躍的に向上すれば、材料コストはさらに低下し、市場浸透が加速する。

6.2 MPIの将来：改良による主流市場の維持

成熟した技術であるMPIの将来の中核は、継続的な最適化にある。LCPとの差を縮めるために、より高い周波数帯域（例えば15GHz以上）での性能をいかに最適化するかが課題である。ミリ波帯では、MPIの伝送損失はLCPに比べて大幅に増加する。

そのため、MPIの開発トレンドは、化学処方の改善による技術的ライフサイクルの延長に焦点を当てることになる。現在の5G Sub-6GHzの時代においても、MPIはその優れたコスト・パフォーマンス・レシオにより、主力製品であり続けている。MPIは、継続的な製剤改良により、エッジ周波数帯での性能を向上させながらコスト優位性を維持することで、主流の5Gスマートフォン、IoTデバイス、車載アンテナなど、コスト重視のアプリケーションでの地位を確固たるものにすると期待される。

6.3 共存と融合：相補的アーキテクチャと新材料の探索

アンテナ材料の今後の展望は、「勝者総取り」の代替ではなく、共存と補完の傾向が強い。典型的な戦略は、「MPI優位、LCP補完」のハイブリッド設計スキームの出現です。スマートフォンのようなデバイスでは、十分な性能と優れたコストを提供するMPI材料は、ほとんどのサブ6GHz帯アンテナに使用することができ、より優れたLCP材料は、特定のmmWaveモジュールや信号損失に非常に敏感な高速データ伝送チャネルに使用されます。このハイブリッド使用モデルは、主要性能を確保しながら全体的なコストのバランスをとり、メーカーに設計の柔軟性を提供する。

LCPとMPI自体の進化にとどまらず、業界はより新しく、より高度な材料の探求を止めることはありません。例えば、将来の6G世代の潜在的な高周波数とより厳しい要件に対応するため、光導波路ハイブリッド・フレキシブル・ボード技術がすでに潜在的な開発方向として見られている。同時に、他の高性能ポリマー材料（PTFEなど）や、特殊なセラミックフィラーを加えて調製した複合材料も、将来の高周波基板材料の潜在的な候補であり、低損失、高安定性、加工性の統一を目指している。

7 結論

5G技術、特にミリ波帯への進化は、アンテナ材料の性能にかつてないほど厳しい要求を突きつけている。この技術的変革の中で、LCP（液晶ポリマー）とMPI（変性ポリイミド）は、2つの主流フレキシブル基板ソリューションとして、明確な特性と市場での位置づけを示してきた。

要約すると、LCPは、極めて低い誘電率や誘電正接などの高周波電気特性と完璧に近い耐湿性を持ち、最高レベルの性能が要求される分野で技術的なベンチマークとしての地位を確立し、ハイエンドのミリ波アプリケーション・シナリオで好ましい選択肢となっている。一方、MPIは化学修飾に成功し、性能とコストの卓越したバランスを実現しています。MPIは、従来のPIの成熟したプロセスとサプライチェーンの利点を継承し、高い費用対効果で、主流のサブ6GHz帯における5Gの大規模な普及をサポートする。

今後、LCPとMPIの関係は単純な「代替」ではなく、「補完」と「融合」に向かう傾向にある。近い将来、両者は異なるアプリケーション・シナリオや周波数帯域で共存することになるだろう。一方では、LCPはコストと多層基板製造プロセスに関するボトルネックの克服に注力する必要があり、他方では、MPIはより高い周波数帯域の課題に対応するために継続的な改善が必要である。より重要なことは、「MPI優位、LCP補完」のようなハイブリッド設計スキームと、より新しい材料（光導波路、PTFE複合材料など）の探求とが相まって、次世代通信技術の開発により豊かで強力な材料基盤を提供することである。

結局のところ、アンテナ材料の選択に万能の答えはありません。その決定は、デバイス性能の位置づけ、ターゲット周波数帯、コスト予算、サプライチェーン戦略を含む総合的なトレードオフにかかっている。LCPとMPIの間の競争と相乗効果は、材料科学自体の進歩を促進するだけでなく、5G、さらには将来の6G世界の高速接続を支える強固な基盤を共同で形成します。

5Gアンテナ材料とカスタム材料ソリューションについては、スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）と提携してください。当社の先端材料に関する専門知識は、LCP対MPIの状況をナビゲートし、特定の周波数、性能、コスト要件に最適なソリューションを選択するお手伝いをいたします。お客様の次世代コネクティビティ・プロジェクトをどのようにサポートできるか、今すぐお問い合わせください。