5G推动天线产业快速成长,LCP新软板工艺成主流

扩展资讯2020-06-29 15:03:08

在5G和物联网趋势下,天线是未来成长最快且最确定的行业之一。而终端设备天线具有多样化的应用环境和工艺方案,软板已成为主流工艺之一,目前天线市场占有率已超过7成。LCP作为一种具备优异电学特性的高端材料,在天线领域有着怎样的应用?今天我们来详细了解一下。


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一、无线连接技术的发展,促使天线行业快速成长


智能手机是当今世界上使用最广泛、最通用的电子设备。智能手机的天线作为无线通信不可缺少的基础一环,天线的技术革新是推动无线连接向前发展的核心引擎之一。在5G和物联网趋势下,天线是未来成长最快且最确定的行业之一。


天线是用于收发射频信号的无源器件,决定了通信质量、信号功率、信号带宽、连接速度等通信指标,因此是通信系统的核心。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使得文字、语音、视频通信、上网、音视频浏览、定位、文件传输、刷卡、广播等应用得以实现,而这些功能的实现又直接依赖于天线进行信号的发射与接收,因此天线成为终端设备无线通信的重要基础。以iPhone 6s为例,其通信模块包括: 2/3/4G Cellular模块,用于无线局域网连接的Wi-Fi模块,用于无线私域网连接的BT模块(蓝牙模块),用于全球定位系统的GPS模块,以及用于近场通信的NFC模块(功能包括信息识别、文件传输、刷卡消费等)。


图 iphone 6s天线构架及其Cellular/WIFI/BT/GPS/NFC天线设计


二、传统软板遭遇瓶颈,LCP成为新的软板工艺


从通信网络到终端应用,通信频率全面高频化,高速大容量应用层出不穷。近年来随着无线网络从4G向5G过渡,网络频率不断提升。在市场应用方面,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,高速大容量的需求也越来越多。为适应当前从无线网络到终端应用的高频高速趋势,软板作为终端设备中的天线和传输线,亦将迎来技术升级。


图 2017-2025年期间,终端应用的通信频率和数据速率不断提高


图 左:软板数据传输速度增长示意图,右:尺寸、数据容量变化趋势


图 PI软板与LCP软板的剖面结构


液晶聚合物(LCP)是一种新型热塑性有机材料,可在保证较高可靠性的前提下实现高频高速软板。LCP具有优异的电学特征:


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;


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;


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、多层板、 IC封装、 u-BGA、高频连接器、天线、扬声器基板等领域。随着高频高速应用趋势的兴起, LCP将替代PI成为新的软板工艺。



图 LCP软板相比PI软板更具优势


三、替代PI软板和同轴电缆,LCP可实现更高程度的小型化


随着全面屏以及更多功能组件、更大电池容量等趋势持续压缩手机空间,天线可用设计空间越来越小,天线小型化需求日益迫切。(1)全面屏并不意味手机有更多主板空间,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,挤占了宝贵空间。(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。结合以上三点变化的结果,尽管智能手机被加入更多的射频功能,但是天线的空间却保持不变,甚至被压缩。因此,智能手机厂商对高集成度天线模组的需求也越来越强烈。


LCP软板具有更好的柔性性能,相比PI软板可进一步提高空间利用率。柔性电子可利用更小的弯折半径进一步轻薄化,因此对柔性的追求也是小型化的体现。以电阻变化大于10%为判断依据,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。优良的柔性性能使LCP软板可以自由设计形状,从而充分利用智能手机中的狭小空间,进一步提高空间利用效率。以村田制作所的MetroCirc产品为例,对于跨越电池的软板连线,其LCP软板可以完美贴合,而传统PI软板在回弹效应的影响下无法较好的贴合电池表面,造成空间浪费。


图 LCP软板相比PI软板具有更好的柔性性能,进一步提高空间利用率和软板可靠性


LCP软板替代天线传输线可减小65%厚度,进一步提高空间利用率。传统设计使用天线传输线(同轴电缆)将信号从天线传输到主板,随着多模多频技术的发展,在狭小空间内放置多根天线传输线的需求愈发迫切。LCP软板拥有与天线传输线同等优秀的传输损耗,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,从而取代肥厚的天线传输线和同轴连接器,并减小65%的厚度,具有更高的空间效率。





四、产业链暂由美日台厂商主导,LCP天线率先受益


LCP软板具有与传统PI软板类似的工艺流程,其产业链由上游的原材料厂商、 FCCL (柔性覆铜板)供应商,中游的软板制造商,下游的模组厂商构成,最终进入终端应用市场。


在LCP软板的上游环节,关键原材料包括LCP树脂/膜、铜箔等,这些材料被用于制造FCCL;中游环节由软板厂商利用FCCL、其他材料和生产设备,在其工艺技术下完成软板加工;下游环节由模组厂商根据终端客户的要求进行模组设计,并将LCP软板进一步加工成具有某种功能特点的模组,例如天线模组、摄像头模组等。


由于天线处于高频高速应用场景的核心,因此LCP天线在LCP软板潮流中率先受益。未来其渗透率有望持续提升。


素材来源于中信建投证券研发部及合力泰2017年年报,扩展资讯陆金整理编辑


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