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探析LCP软板的优势与劣势

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2018-11-21 14:51:21

天风国际近日下调了iPhone XR的预估出货量,缘由是市场需求疲软、市场竞争和中美贸易战。当中投资建议里面点名了iPhone XR的主要供应商嘉联益,其营收和盈利有可能受到一定的影响。

手机天线材料工艺迎革命

嘉联益是苹果供应链的企业之一,位于台湾,其主要供应天线软板。近一两年由于软板新材料的革命,LCP工艺的软板已经逐渐替代传统软板和同轴信号线缆,最明显的变化就是从上一年开始iPhone X已经导入LCP材质的FPC天线,而嘉联益便是其中之一的供应商。

FPC市场大而且很常见

软板也就是FPC,英文是Flexible Printed Circuit Board,我们一般称为软板或者柔性电路板、柔性印刷线路板等。它是是以柔性覆铜板(FCCL) 制成的一种具有高度可靠性,绝佳可挠性的印刷电路板。

天线软板应用

实际软板的应用在我们生活是非常常见的,几乎涉及了我们所有的电子产品。例如从最初的DIY装机的硬件驱动器的带状引线,数码相机和摄像机都有应用,规模大一点的汽车电子也有软板的应用,仪器仪表、办公自动化设备、医疗器械也涉及。

以下截取了手机、笔记本、汽车上需要用到软板连接的元器件。

软板的应用范围很广,需求市场也很大。有统计显示,中国的FPC市场规模会达到300亿以上。随着手机、平板、笔记本电脑和可穿戴等小型化终端的发展,同时消费者对于产品形态的下一步革新,诸如全面屏、柔性屏幕等采用,FPC的需求只会有增无减。

LCP软板推动FPC市场革新

FPC也就是软板市场经历了多年的发展,传统的PI软板已经逐渐显示出应用的劣势,尤其在高频传输方面。旧材料的局限和劣势也推动该领域新材料新工艺的发展,而LCP工艺的软板也逐渐走入大众的视野。

LCP是一种新型的热塑性有机材料,可以保证在较高可靠性的前提下实现高频高速传输。LCP具有良好的电学特性:在高达110GHz的全部射频范围几乎能保持恒定的介电常数,一致性好;其次,正切损耗非常小,仅为0.002,即使在110 GHz时也只增加到0.0045,非常适合毫米波应用;再次,热膨胀特性非常小,可作为理想的高频封装材料。

这些电学特性可以令LCP软板能在4G和5G时代应用在终端天线方面,应对无线传输逐渐向高频高速方向的转变,尤其在毫米波上的应用。

LCP软板成为5G主流天线工艺

软板的应用范围很广,不过通过新型材料工艺,其会助力终端的天线的发展,尤其在很快到来的5G网络。

以手机为例,日常大家可能都是关心手机的屏幕、处理器、内存等部件,却很少关注到天线。位于射频前端的天线因为距离用户比较远,位于通信技术的底层,所以日常大家的关注点并不在此,可是它对于智能手机无线终端的作用是很关键的。

5G和物联网的趋势下,前端射频和天线已经开始收获的关注。天线顾名思义,它负责这首发射频信号,它决定了通信质量、信号功率、信号带宽、连接速度等通信指标。

回归到我们的手机应用,智能手机包含的Cellular(LTE/ TD-SCDMA/ FD-SCDMA/ WCDMA/ CDMA2000/ GSM等)、BT、Wi-Fi、GPS、NFC等诸多射频前端功能模块,这些不同模式的通信方式令我们实现文字、语音、视频通信、上网、网页浏览、地图定位、文件传输等一系列的应用。我们需要无线连接,而连接便需要依靠天线进行信号的发射和接受。

手机等无线终端设备需要应对不同环境工况,而软板已经成为天线的主流材质工艺。天线可以分为网络覆盖天线和终端天线,前者为基站天线,我们不展开说,主要说说我们常用的手机等无线终端天线,包括手机天线、手机电视天线、笔记本电脑电线、GPS天线等。

对于智能手机来说,由于行业和市场发展,随着手机外观设计的一体化和高度集成化,内部空间不断减少,这对于天线的设计可以说是极高的难度。手机的天线已经从早期的外置天线发展为内置天线,同时软板已经成为主流工艺,超过7成。

随着逐步踏入5G时代,通信频率也将会全面进入高频领域,高速大容量也会成为主调。根据5G的发展路线图,第一阶段是6GHz以下的应用,而在2020年后,第二阶段便是毫米波(30-60GHz)的应用。

智能手机等终端天线的信号频率不断提升,高频应用越来越多,而高速的网络连接需求也越发增多。软板作为终端设备中的天线和传输介质,技术升级是必然的。

传统软板遇瓶颈 LCP崛起

传统软板由铜箔、绝缘基材、覆盖层等构成的多层结构组成,使用铜箔作为导体电路材料,PI膜作为电路绝缘基材,PI膜和环氧树脂粘合剂作为保护和隔离电路的覆盖层,经过一定的制程加工成PI软板。

目前应用较多的软板基材主要是聚酰亚胺(PI),但是由于PI基材的介电常数和损耗因子较大、吸潮性较大、可靠性较差,因此PI软板的高频传输损耗严重、结构特性较差,已经无法适应当前的高频高速趋势。

前面已经说到,LCP(液晶聚合物)是一种新型的热塑性有机材料,可以保证较高可靠性的前提下实现高频高速。

它具有以下电学特性:(1)在高达110GHz的全部射频范围几乎能保持恒定的介电常数,一致性好;(2)正切损耗非常小,仅为0.002,即使在110 GHz时也只增加到0.0045,非常适合毫米波应用;(3)热膨胀特性非常小,可作为理想的高频封装材料。

目前LCP主要应用在高频电路基板、COF基板、IC封装等领域,可以预见,随着高频高速应用的趋势越来越明显,LCP这种新型工艺将会替代PI成为新的软板工艺。

LCP可以实现更高的小型化

以手机为例,随着全面屏等兴起,产品形态改变、更多组件加入、更大的电池等等,这些都是导致手机内部空间进一步压缩的原因。天线可以用于设计的空间越来越小,天线阵列等小型化手段层出不穷。

手机内部空间压缩,主要有三方面:(1)全面屏设计,虽然手机长宽变大,但厚度继续下降。(2)智能手机集成的功能组件越来越多,比如传感器和摄像头等,进一步把空间压榨。(3)更大屏幕尺寸和更多功能组件对电量的消耗急剧增加,而电池密度通常每年只增加10%,增加的电能需求使电池体积越来越大。

要想改变天线在手机内部的”生存空间”,除了优化天线性能、采用阵列结构等方式,更多需要从天线本质形态做一下努力。

LCP软板有更好的柔性性能,相比PI软板可以进一步提高空间利用率。用电阻变化大于10%来做判断,同等实验条件下,LCP软板相比传统的PI软板可以耐受更多的弯折次数和更小的弯折半径,因此LCP软板具有更好的柔性性能和产品可靠性。

此外,优秀的柔性性能使LCP软板可以自由设计形状,从而充分切合手机内部狭小的空间。以跨越电池的柔性软板为例,LCP软板可以很好贴合电池,而PI软板在回弹效应的影响下没法紧贴电池表面,这造成整机内部结构的不严密,同时浪费了一定的空间。

LCP软板替代天线传输线可以减少65%的厚度,可以进一步提高空间利用率。传统设计使用天线传输线,也就是我们所说的同轴电缆,将信号从天线传输到主板,而多模多频要求在狭小的空间放置多跟天线传输线。

LCP软板拥有与天线传输线一样优秀的传输损耗,可在仅0.2毫米的3层结构中携带若干根传输线,并将多个射频线一并引出,这意味着利用LCP软板可以取代粗厚的天线传输线和同轴连接器,减少厚度。

日系台系入LCP战场

早在今年8月份,日本旗胜为应对5G(下一代通信技术)智能手机发展,将开发LCP(液晶聚合物)材料基柔性印刷线路板(FPC),用于高频及数字信号的传输线路、天线等的设计应用。

此外臻鼎、台郡两家厂商也表示将积极参与到新型工艺技术的手机天线软板市场当中,上游原物料厂商台虹及新扬、亚电均更积极投入5G通讯产品开发。台虹及新扬也相继完成新材料,以因应5G通讯需求。

业内暂时能稳定出货便是日系的村田制作所和台系的嘉联益两家,而嘉联益开发多年的 LCP 软板天线产品获得了苹果的青睐,已经从iPhone X开始成为其天线的供应商。

整个软板行业都已经活跃起来,被市场看好在5G时代将会获得快速的发展。

虽然整个行业都在迅速发展,但是供应链消息人士表示,LCP材料的获得还是相对来说比较困难,现阶段并没有成为规模效应,同时需要极高的技术才能加工成为软板,其成本要比普通PI薄膜高出很多倍。

目前只有台湾嘉联益和日本的村田(Murata)可以提供LCP天线软板,不过随着技术的进步和材料成本的下降,同时有着巨大的市场需求的状况下,LCP软膜天线的前景还是很巨大的。

2019年已经规模5G的预商用,而2020年将会实现全面商用。高频高速是5G无线通讯前期的两个关键词,市场需求的改变,5G等无线终端可以预见在未来会呈爆炸式的增长,而受益于此,更适合用于高频高速天线的LCP软膜会否引爆整个产业链,我们拭目以待。


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