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詳解5G天線核心材料-LCP的應用前景和發展趨勢

發布時間:2021-08-17 閱讀量:130 打印 收藏此頁

在2021年世界移動通信大會上,小米、OPPO、vivo、中興、榮耀、三星等多家主流手機廠商均表示將在全球范圍內共同支持5G毫米波的發展,真正的5G毫米波手機時代即將到來。LCP是毫米波高頻基材的極佳選擇。

LCP材料簡介

LCP(Liquid Crystal Polymer)即液晶高分子聚合物,是80年代初期發展起來的一種新型高性能特種工程塑料。

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隨著1G到5G的發展,手機通信使用的無線電波頻率逐漸提高。5G頻段向上遷移是推動Low Dk & Low Df材料大規模應用的關鍵驅動力。

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4G時代的柔性天線制造材料采用PI膜,但純的PI在2.4GHz以上頻率損耗偏大,不適用于更高頻率,將在高頻的5G時代被逐步替代。

MPI是指改性PI,在10-15GHz的超高頻甚至極高頻的信號處理上的表現可以滿足5G時代的信號處理需求,且價格約為LCP-FPC天線的70%,更具優勢,但其在毫米波頻段損耗與LCP有明顯差距。

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LCP材料在15GHz以上頻率性能表現優越,因此LCP在5G時代將成為主要的天線膜材。

與 PI 相比,LCP 更適合更高的頻率/數據速率和更小的空間需求

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LCP 在多個參數上優于 PI和LTCC

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LCP材料分類

LCP材料根據合成單體的不同致使耐熱性不同而劃分Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型,分別對應耐熱性高、中、低三檔。

I型LCP材料具有較高的耐熱性,但是其加工性能較一般,主要應用于電子電氣領域的連接器。

II型液晶聚合物綜合性能表現突出,既有高耐熱性能,也有優異的加工性能,因此是制備天線LCP薄膜的最優基體樹脂。

Ⅲ型材料熱變形溫度較低,產品耐熱性能略差,是目前應用最少的產品類型。

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美國在1950年就發明了LCP并展開研究,日本隨后在1979年開始攻克LCP技術。憑借著先發優勢,目前全球LCP的研發和生產主要集中在美國和日本兩國。

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全球范圍內較為知名的LCP樹脂材料制造商主要有塞拉尼斯(泰科納)、日本寶理、東麗等企業,而中國企業近年來也逐步切入II型LCP樹脂生產領域,代表性企業有金發科技、沃特股份、普利特、寧波聚嘉新材料等。

LCP應用案例

終端廠商逐年增加終端設備的天線數量,從而實現更快的數據傳輸速。

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商業應用中,以iPhone為例,蘋果從17年開始嘗試在iPhone 8局部使用基于LCP軟板的天線模組。為提高天線高頻高速性能且節省設備空間占用,則在iPhone X中使用2根LCP天線,隨后推出的iPhone XS/ XS Max/XR則增加至6根LCP天線。

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LCP材料市場

隨著5G通訊推動,智能手機技術日益提高,LCP基材天線在5G手機端滲透率也不斷提升,從2018年在手機端的應用率為9%,到2020年增長至15%,預測在2025年將達35%以上。在設備增產和LCP材料滲透率提高的雙重利好加持下,LCP天線需求即將進入紅利發展期,并驅動LCP薄膜樹脂與LCP薄膜的產能需。

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若未來5年的5G布局符合預期實現全覆蓋,5G手機中LCP膜滲透率達到80%水平,LCP樹脂的需求量或將突破5,000噸。隨著技術迭代升級,LCP材料生產成本也將進一步下降。2020年-2025年,5G天線LCP材料行業市場規模有望從21億元增長至126億元,年復合增長率(CAGR)為56.4%,整體市場呈快速增長態勢,其中LCP薄膜市場空間高達110億元,遠超LCP樹脂。在此基礎上,在LCP薄膜樹脂國產化替代、未來應用領域持續拓展等因素的驅動下,市場將催生龐大LCP樹脂薄膜需求。

LCP行業產業鏈

LCP從樹脂材料到終端應用需要經過“LCP樹脂-LCP薄膜-撓性覆銅板FCCL-柔性電路板LCP-天線模組-應用于下游端”等核心步驟。LCP產業鏈可劃分為:

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1、上游LCP樹脂

全球LCP樹脂的產能有限,整體樹脂供應廠商議價能力強,導致薄膜廠商供應收縮,進一步推高中游生產成本及導致中游產能收縮。

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LCP樹脂生產工藝流程

圖片來源:聚嘉新材料

從供給端來看,2020年全球LCP樹脂材料產能集中在日本、美國和中國(約7.6萬噸/年),其中日、美兩國占比近8成,中國僅占21%。其主要原因是,美國和日本LCP

樹脂材料龍頭寶理塑料、住友化學、塞拉尼斯等企業在20世紀80年代就開始量產LCP樹脂,三廠商產能超過1萬噸,占比全球產能高到65%,行業集中度較高。

而中國發展LCP樹脂產業較晚,LCP樹脂技術實力較弱,且產品長期依賴美日進口。近年來,隨著金發科技、普利特、沃特股份、聚嘉新材料等企業陸續投產,中國LCP材料產能快速增長,但由于無法自主量產滿足天線用LCP薄膜或膜級LCP樹脂材料,LCP樹脂整體情況仍然處于研發突破及檢驗階段。

2、上游LCP薄膜

LCP薄膜對制膜的原材料樹脂有較高要求,目前市場上用于天線模組的LCP薄膜的樹脂材料供應有限,導致LCP天線產業鏈各環節供應商中薄膜生產廠商較為稀缺,真正掌握LCP成膜核心技術的僅有日本村田、可樂麗、住友化學和美國Superex。

LCP薄膜工藝復雜,需要大量實踐才能完成薄膜的制備,且由于原材料和薄膜廠商的供應鏈相對封閉,導致新進入廠商難以采購膜級樹脂。此外,膜的制備后還要求完成熱處理和涂覆處理,因此合格的薄膜生產技術壁壘極高,工藝流程復雜。

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LCP薄膜生產工藝流程

圖片來源:聚嘉新材料

LCP薄膜的制備工藝

LCP薄膜的制備是LCP天線的主要瓶頸之一。由于原材料和薄膜廠商的供應鏈相對封閉,導致新進入廠商難以采購膜級樹脂。此外,LCP薄膜工藝復雜,需要大量實踐才能完成薄膜的制備,且薄膜制備后還要完成熱處理和涂覆處理,因此合格的薄膜生產壁壘極高。

目前LCP薄膜生產方法主要是吹膜法、流延法以及溶液法等,不同的成膜工藝對樹脂要求也不同。

一、吹膜法

吹膜法是將LCP樹脂經擠出機熔融塑化后,經環形口模擠成管坯,同時以注入管坯里的壓縮空氣將其進一步吹脹,經過冷卻、牽引、收卷后得到LCP薄膜。

二、擠出流延法(雙拉法)

擠出流延法是將LCP樹脂經擠出機加熱、熔融、塑化,通過T型結構成型模具擠出,流延至冷卻輥上,經冷卻降溫定型,再經牽引、切邊后收卷,最終得到LCP薄膜產品。

三、涂布法(溶液法)

涂布法/溶液法是將可溶性LCP樹脂通過常規溶劑進行溶解形成LCP溶液,然后涂布到承載膜上得到LCP薄膜,或直接涂覆到銅箔上得到FCCL。

溶液法制膜過程中,LCP從無定形狀態轉變為經過熱處理的薄膜,解決了LCP薄膜的異向性問題,撕裂強度較好,且制膜精度高,可在制膜過程添加填料助劑賦予覆銅板特殊功能。目前可溶性LCP樹脂僅見住友化學有開發。

四、擠出壓延法

擠出壓延法是將LCP樹脂熔融塑化后,經過輥筒的多次擠壓和延展,再冷卻定型后得到LCP薄膜。目前此方法正在開發中,壓延法效率較高,成本較低,但是由于壓延是單向的,薄膜的異向性問題有待解決。


LCP行業發展趨勢

1、中國國產化替代漸成主流

隨著5G建設推進,中國廠商如沃特股份、金發科技、普利特等以需求為導向,加速LCP樹脂薄膜的研發和投產,實現LCP產業的國產化替代,預計產能擴產至4.3萬噸,契合5G需求迎來紅利發展。

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2、應用領域不斷拓展

LCP綜合性能良好,同時兼具高分子材料和液晶材料的特點,可廣泛應用于電子電氣、航天雷達、醫用器械、汽車工業、容器包裝薄膜等領域。從應用領域來看,LCP材料早期主要應用于工業,隨著科技發展所應用的領域逐漸擴寬。

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電子電氣是LCP材料目前的最主要應用領域,具體應用涵蓋高密度連接器、線圈架、線軸、基片載體、電容器外殼等。隨著5G通信技術升級,LCP天線可解決自動駕駛汽車的信號傳輸低時滯問題,且可保證高頻高速信號傳輸的穩定性。此外,LCP天線毫米波雷達可探測的距離遠,大大提高駕駛感測精度,因此LCP天線有望在自動駕駛領域實現高速滲透。

文章來源:塑庫網


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