为什么选择陶瓷手机后盖,不只是因为好看……

陶瓷零距离2020-06-29 10:59:23

事件一

近日,华为在西班牙巴塞罗那,发布了首款5G商用芯片——巴龙5G01,率先突破了5G终端芯片的商用瓶颈。
这一刻,世界了:要知道,华为此次发布的巴龙5G01,是全球首款商用的、基于3GPP标准的5G芯片。
也就是说,华为巴龙5G01芯片的横空出世,不仅仅是华为自己家的大事,也不仅是中国科技界的大事,更是全球5G产业的一项重大突破。
如果说4G是信息流动的小自来水管,那么,5G就是一个巨量的信息“输油管道”。在这个从量变向质变跃迁的时刻,中国华为,正在领跑全世界!


事件二

2018 年3 月19 日,OPPO 在北京举办了媒体沟通会,曝光了R系列新机——具有“超视野全面屏”的R15 及R15 梦境版。引人注意的是,R15 梦境版将推出黑色陶瓷背盖版本。


5G 技术和无线充电技术的发展推动着手机背板的变革。金属后盖的信号屏蔽作用使得其不再能够胜任。非金属材料逐渐受到各大手机厂商的青睐。那么什么要选择陶瓷盖呢?


从材料的对比上来看,陶瓷背板具有硬度高、抗热震性良好、散热快、抗弯强度高、断裂韧性好、耐磨性强等优势,陶瓷后盖美观、光滑、温润如玉等“高颜值”特征得到了消费者的青睐。但是金属的外观也很高大上,那么为什么陶瓷后盖就要抢占大额市场了呢?


那我们就先说说这个5G!


5G是第五代(5th Generation )移动通信的简称,不是5G流量的5G,也不是说频率5GHz的5G。

相比于4G,5G的各项参数都有质的飞跃,简单点说就是又好(移动时或者人多时信号照样好)又快(速度快没延迟)又省(省电)。

5G有多快?给个直观感受,那就是1秒钟可以下载一部高清电影!

具体参数见下表

那么5G为什么要对手机后盖有要求呢?

下图是各种传输方式的数据汇总图。从下图可以看到不论我们使用的2G/3G,还是现在的4G,都是需要天线的。那么手机的天线,跟Wifi、蓝牙的相比,要怎么设置?如何安放呢?这些天线的作用是什么?

手机中天线的长度是如何测量的?

手机中天线算的是两点间的导线周长(无相交点),而不是两个端点直接的直线距离。

手机里各种天线长什么样子?

先看下三星S8的天线,有个概念:手机中有各式各样的天线。

对于通信(主)天线,随着1G、2G、3G、4G的发展,频率越高,波长越短,天线也越来越短,设计从以前大哥大的外置式,到目前主流的内置式或者用金属中框当做天线。

外置式的其实就是一根金属线,已经成为老古董了,就不多解释了。

内置式主要分为3种工艺:FPC\LDS\金属中框

简单点说:

PFC: 就是用塑料膜中间夹着铜薄膜做成的导线

第一代iPhone到iPhone3G、iPhone3GS,均采用了FPC天线设计结构。

LDS:就是在塑料支架上用激光刻出形状后,再电镀上金属形成的。

三星s9除了NFC\无线充电都是用的LDS方案的。NFC使用的是FPC方案。

左图是FPC天线,右侧是LDS天线

无线充电使用的是FPC+扁平线圈组成的,关于无线充电的方案又分为FPC、扁平线圈、密绕线圈,就不展开详细说了。

金属中框:就是把手机的金属框部分当做天线

iPhone 4开始使用中框方案

因为不同天线的长度有不同的要求,所以把中框间隔开来进行设计

iphone6看似一体的的金属后壳,使用塑料填充,其实是被切分成A/BCD/E三段,A、E分别为上部分天线和下半部分天线,中间BCD部分是相互导通的,充当天线接地部分。

5G高频→天线阵列(大小、形式变化)→天线需要重新设计

天线和手机后盖又有什么关系呢?

我们都知道,金属对电磁波有屏蔽作用的


如果电线放在金属板后面,电磁波从一面辐射而来,大部分能量被反射,小部分能量进入金属,该电磁波会随进入金属的深度成e指数衰减(能量转化为表面电流)。

对于同一频率电磁波,电导率越高,衰减越快。

对于相同金属材料,电磁波频率越高,衰减越快。

所以,天线绝对不可以放在金属板后面的。

比如,iphone3 的后盖银色的上半部分是金属,下面部分是塑料。为什么要用塑料,就是为了在后面放天线的

iPhone 3G、iPhone3GS多了对3G网络的支持,为确保无线信号稳定传输,两者也都采用了塑料外壳。

而iPhone5,为了确保信号稳定,iPhone5金属后背采用三段式设计,上下两部分是陶瓷玻璃,这也是为防止金属屏蔽电磁波。

那为什么iphone6后盖是全金属的呢?

上文提到了苹果从iphone4开始把中框做成了天线,iphone6金属后盖后面是没有天线的!

因此,天线是从设计上是不能被金属后盖挡住的。

上面提到的要么天线放背面,不采用金属后盖或者部分不使用金属后盖;要么使用金属后盖,天线不放在背面。

使用金属后盖的话,目前主流的后盖设计是iphone5类型的三段式、或者iphone6或7类型的注塑条形。

然而,目前采用iphone6类型的注塑条形后盖的手机,想要做到双天线还带NFC,技术非常难。

目前来说只有iphone实现了,而魅族的pro6虽然号称实现了,但实际的NFC功能并不完善。

日本村田设计了申请了一款新的专利,在摄像头上面开槽,实现了在摄像头处放置13.56MHz的NFC线圈。

5G天线,会对手机后盖有影响么?

5G低频下,天线数量增多,对天线的设计难度提升了,这是肯定的。

如果使用金属后盖,以iphone6、7为例,上下部分已经放置了很多根天线,再增加2跟天线,设计难度肯定加大,但天线的形式未发生根本性的变化,设计难度应该在可接受的范围内。

当然,如果是非金属后盖,比如三星s8,用LDS方案,4x4mimo天线空间上问题就不存在,设计上难度更小。

5G高频,如果用4x4或者8x8的阵列天线,这时天线的数量和形式发生了根本性的变化,需要重新设计。

单个天线几毫米,4x4mimo天线大小为10mmx10mm的正方形,如果放在手机厚度方向上,是不行的,所以只能放在背面上,因此阵列天线处的背板一定不可以是金属,要么采用金属后盖开窗的方案,要么使用非金属后盖。

随着无线充电即将普及,手机上再上无线充电线圈的话,那么手机后盖只能采用非金属了。比如三星s8就是使用的玻璃后盖,既实现了4x4mimo天线,也加入了无线充电线圈。

非金属后盖塑料、玻璃还是陶瓷?

之前我们提到,金属会对电磁波有屏蔽作用,iphone3使用了塑料,iPhone4使用了玻璃,iphone5使用了陶瓷来防止金属屏蔽,因此至少在4G时代塑料、玻璃、陶瓷后盖都是被证明可行的。

目前非金属后盖中,全塑料后盖逐渐成为过去时,一般只用在低端机上;

全玻璃后盖是主流方案,包括S8以及将要推出的iphone8都是用的玻璃方案;

全陶瓷后盖是新鲜事物,目前只用于小米5尊享版、小米mix以及即将发布的小米mix2中使用,还有安卓之父设计的手机也是采用了陶瓷后盖。

陶瓷凭借其优异的性能和手感,有望成为手机后盖主流方案之一。

以上还是站在目前的4G的时代来讲,那么5G时代呢?

4G时代,塑料玻璃陶瓷对电磁波的损耗都很小,所以都可以使用。

但是材料对电磁波的损耗是和频率成正比的,频率越高,损耗越大。

损耗指的是能量变小,除了损耗,还有减慢,也就是波的相位变化。

5G电磁波在真空中传播损耗已经很大了

那么玻璃、陶瓷对电磁波产生的介质损耗有多大呢?

对于一般材料而言,介电性能可以用复介电常数ε表示,ε'称为ε实部,表征了材料极化程度或储能容量;ε″为ε虚部,表征了材料的极化损耗。

但实际应用当中,常常采用tgδ,即复ε虚部和实部的比值来定量描述电介质的损耗。

对于陶瓷而言,

该论文证明了在8.2~12.4Ghz情况下,陶瓷的介质损耗基本为零!!!http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXYB200803009.htm

对于玻璃而言http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XDDX201412010.htm

该论文证明了不同12mm厚的玻璃的介质损耗有所不同!!!

虽然以上两篇论文不能完全说明问题,但至少可以说明玻璃陶瓷对电磁波损耗的影响远远小于频率提升带来的影响。

5G不管是低频还是高频,都会带来电磁损耗的提升,如果频率带来的大损耗都能解决,那么还会在意手机陶瓷玻璃后盖这点微小的影响么?

看问题,不应该抓小放大,反客为主,而应该从整体的角度思考,这样才能看到问题的本质。

有损耗,也有方法增益!

以上介绍的是最理想、没有使用其他技术的情况下电磁波传播带来的损耗,实际上,在天线发射端,通过对天线的设计如半波阵子、多个半波阵子并列等方法,可以实现对天线进行增益,就是增加其dB值的,所以,增益越大,传输的越远。

我们常见的无线路由器天线增益一般为3dB和5dB,一些主打穿墙能力突出的产品则采用了7dBi增益的无线天线。

另外,之前提到的波束成形技术,是一种让无线路由器发射端根据接收端位置进行定向发射的技术,通过多条路径传输,在接收端采用一定的算法对多个天线收到的信号进行处理,明显改善了接收端的信噪比,使得即使在接收端距离发射端较远的情况下,也能获得不错的信号强度。

从目前5G的进展来看,5G低频的频率增加的幅度还好,传播损耗的问题也可以解决,而塑料陶瓷玻璃带来的损耗影响是不用考虑的,都可以使用。

5G高频的频率增加一个数量级后,传播损耗骤增,这个问题才是首要的。


这个问题的解决,就不是说一个手机后盖是使用塑料还是玻璃或者陶瓷就能解决的,当然金属是不可能的。


而是需要各种5G技术比如增加带宽、新型多址、波束成形、载波聚合、高阶MIMOC-RAN结构等技术来实现的,这些技术也都是经过多次论证而留下的主流技术方案。


再看一下这张图


最后总结一下:

1、5G分为低频和高频,国内低频进展快

25G低频对手机天线、后盖的影响都不大

3、5G高频天线变化巨大,放在手机内部,则后盖最好用非金属

4、相比于频率提升带来的损耗而言,陶瓷玻璃等介质对电磁波的损耗非常小

5、5G天线可提高增益以及采用波束成形等技术,解决损耗问题

6、5G低频,塑料玻璃陶瓷后盖都可以用

7、5G高频,传播损耗骤增需要多种5G技术解决,后盖材料问题不是主要考虑的因素。现有天线方案,塑料陶瓷玻璃要是能用都能用,不能用就都不能用,没有讨论的意义。

8、如果要用无线充电,手机后盖最好用非金属

9、陶瓷玻璃都可以应用于无线充电

10、陶瓷力学性能优异、手感好,未来有望成为主流方案之一

后话,材料的性能并不是一成不变的,科学家们会通过各种方法来改变材料的性质,比如碳材料,普通的石墨、石墨烯、碳纳米管、金刚石、富勒烯本质上都是碳这种元素组成的,但它们的性能有天壤之别。

对于玻璃、陶瓷更是如此,玻璃、陶瓷是混合物、非晶体,其微观组织、成分、结构的变化都会对其性能有较大的变化,甚至可以和其他材料一起做成复合材料,比如在铝合金里面长陶瓷的金属基复合材料,这都是可以实现的,而且已经在航空航天中应用了。当然科学家也不是万能的,需要一点点进步的。

说这么多的意思就是想说明,陶瓷玻璃的性能并不是一成不变的,在大的方向上确定可以使用,小的细节上是可以通过技术手段进行调节的。

因此,我为陶瓷打call!

陶瓷的硬度极高,精加工所需工时远高于金属和玻璃,且良品率较低。目前,相较于玻璃,氧化锆陶瓷的工艺尚不成熟,产能有限,成本较高,价格约为3D玻璃的2-3 倍,较高的成本严重制约着陶瓷机壳的大规模使用。

然而,多家上市公司及非上市公司对陶瓷机壳兴趣浓厚,积极着手布局陶瓷机壳生产。目前,陶瓷机壳的供应能力较16 年已有了飞跃增长,未来将继续快速增长,陶瓷产业链布局超预期。随着陶瓷背板工艺走向成熟,良品率逐渐提高,产业链的加速布局,规模效应将逐步体现,陶瓷背板在成本方面将会有较大幅度的下降。成本的下降,将带动陶瓷渗透率的快速提升。陶瓷机壳的大规模应用将加速提前到2019 年。陶瓷背板将成为18 年手机产业的热点。

随着陶瓷产业蓬勃发展,上下游行业将持续受益。随着陶瓷材料规模效应的来临,成本下降,良品率提高,下游产业乐于使用、上游产业敢于生产。上下游产业将抓住陶瓷机壳的热潮乘风而上,迅猛发展。

目前,我们认为离陶瓷机壳规模产业化的拐点即将来临,陶瓷材料的渗透率将加速提升,陶瓷材料将打开100亿以上的增量市场空间,陶瓷产业链将深度受益。

1、三环集团:公司是国内少数具备陶瓷粉体制备能力的厂商,具备从粉体到烧结到后加工的全产业链,它的陶瓷外观件性能优异,随着陶瓷渗透率的提升,三环集团有望深度受益陶瓷产业的发展,公司的陶瓷外观件业务有望迎来大爆发。

2、长盈精密:长盈精密是国内智能手机金属外壳CNC大厂,金属加工能力和加工规模都在前列,凭借良好的客户信用和消费电子经验,公司切入陶瓷机壳的后加工工段,未来有望受益于陶瓷产业的发展。

3、比亚迪电子:比亚迪电子是安卓手机金属机壳CNC龙头企业,也是全球顶尖EMS垂直整合龙头,利用EMS垂直整合的优势和协同效应,长远布局陶瓷业务,利用其研发优势,打造从粉体到成本的全产业链布局。

4、顺络电子:公司为电感龙头,公司不断拓展产品品类,公司已经有指纹盖板、可穿戴等陶瓷业务,随着市场趋势的来临,公司朝着陶瓷全产业链布局前进。

5、国瓷材料:国瓷材料多年来潜心研发陶瓷工艺技术,已打破MLCC及陶瓷墨水方向的国外技术垄断。近年来,氧化锆陶瓷已成为国瓷材料新的研究发展重点,随着陶瓷背板的渗透率进一步扩张,公司将迎来新一轮的利润增长。

6、东方锆业:公司目前具备完整的锆产业链和顶尖的生产技术,又于2015年将澳洲image优质锆矿收入囊中。2017年,东方锆业已启动氧化锆陶瓷手机背板产业化项目,瞄准未来市场风向。

7、大族激光:国内激光设备行业的领军企业。于近两年来公司小功率激光及自动化配套设备的销售收入持续增长,主要需求来自于以智能手机为代表的消费电子行业。陶瓷后盖渗透率的提升将进一步带动激光设备需求量的增长。

来源于:热喷涂与再制造


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