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行業動态

電磁屏蔽和導熱材料及器件産業分析

發布時間:2019-01-05 09:44:15來源:浏覽次數: 513

1、5G推動導熱和電磁屏蔽材料及器件需求快速提升

1.1 消費電子産品和通信設備中廣泛采用電磁屏蔽和導熱産品

      高性能的通訊設備、計算機、智能手機、汽車等終端産品的廣泛使用帶動電磁屏蔽及導熱器件及相關産業應用的迅速擴大,産品應用也不斷加深,同時電磁屏蔽及導熱器件在電子産品的應用也能極大地提升了電子産品的産品質量和産品性能。

      5G時代逐步臨近,高頻率的引入、硬件零部件的升級以及聯網設備及天線數量的成倍增長,設備與設備之間及設備本身内部的電磁幹擾無處不在,電磁幹擾和電磁輻射對電子設備的危害也日益嚴重。同時伴随着電子産品的更新升級,設備的功耗不斷增大,發熱量也随之快速上升。未來高頻率高功率電子産品的瓶頸是其産生的電磁輻射和熱,為了解決此問題,電子産品在設計時将會加入越來越多的電磁屏蔽及導熱器件。因此電磁屏蔽和散熱材料及器件的作用将愈發重要,未來需求也将持續增長。


      在智能手機普及之前的2G時代,手機較少受到電磁屏蔽與散熱方面的困擾。随着3G智能機時代的來臨,手機硬件配置越來越高,CPU不斷向着多核高性能方向升級,屏幕大尺寸高分辨率化趨勢明顯,通信速率也不斷提升,伴随手機硬件升級帶來電磁屏蔽與散熱需求的不斷提升,推動着電磁屏蔽和導熱器件産品種類的不斷豐富和創新。

圖2:智能手機升級推動電磁屏蔽與導熱器件種類逐漸豐富


     可以預見的是,5G時代的智能手機由于傳輸速率、頻率、信号強度等顯著提升,從核心芯片到射頻器件、從機身材質到内部結構,5G智能手機零部件将迎來新的變革,硬件創新升級對智能手機的電磁屏蔽和導熱提出了新的要求,未來有望進一步呈現種類多元化、工藝升級、單機用量提升等趨勢,拉動單機價值進一步增長,因此電磁屏蔽與導熱産品在5G時代具備更廣闊的的應用空間。


1.2  5G時代電磁屏蔽和導熱産業規模持續增長

      近年來随着軟硬件技術不斷升級,消費電子産品創新及通信設備升級推動電磁屏蔽和導熱材料市場穩步增長。根據BCC Research的預測,全球EMI/RFI屏蔽材料市場規模将從2016年的60億美元提高到2021年的78億美元,複合增長率近6%,而全球界面導熱材料的市場規模将從2015年的7.6億美元提高到2020年的11億美元,複合增長率超7%。


       而屬于新興行業的石墨散熱材料,自2011年開始大規模應用于消費電子産品中以來,近年呈現快速發展趨勢,按照150-200元/平米的單價來計算,當前高導熱石墨材料在消費電子領域的市場規模達近百億元人民币。


      由于5G時代将于2020年以後全面到來,因此上述短期内市場規模的預測主要基于現有設備的升級需求,均未考慮5G大規模商用後的增量因素。可以預見的是,随着5G時代下遊市場的快速發展,将帶來電磁屏蔽和導熱材料和器件的巨大增量需求,因此我們認為2021年以後,電磁屏蔽與導熱材料市場增速有望在此基礎上進一步顯著提升。

      根據Gartner預測,随着5G手機将在2019年上市,到2021年市場中将有9%的智能手機支持5G網絡,因此2021年以後5G手機年銷量将突破億部級别。據發改委、工信部2017年初印發的《信息基礎設施重大工程建設三年行動方案》,到2018年我國4G基站總數将在2015年基礎上新增200萬,即合計約400萬個,粗略假設5G低頻基站數與4G基站數相當,同時高頻基站與低頻基站數大緻相當,則未來5G基站總需求數将達到近800萬個,有望在現有規模基礎上翻倍增長。


      5G時代的移動終端和基站均對電磁屏蔽與導熱産品産生大量的增量需求,疊加工藝升級趨勢可帶來單機價值量的顯著提升,進而推動電磁屏蔽與導熱産業市場規模在5G時代全面到來後有望實現成倍增長。

       以導熱石墨為例,5G手機有望在更多關鍵零部件部位采用定制化導熱石墨方案,同時複合型和多層高導熱膜由于具備更優的散熱效果而有望被更多采用,從而帶來導熱石墨單機價值的顯著提升。假設未來5G手機中的導熱石墨單價是4G手機中的2.5倍,伴随5G手機滲透率的提升,應用于智能手機的導熱石墨市場規模将有望實現翻倍以上增長。


      由此可見,電磁屏蔽和導熱産品伴随5G智能手機的滲透,疊加單機用量和種類的顯著提升,有望實現更快速的增長。同時考慮到5G通信基站速率和數量的增加,以及處理頻段的複雜化,自身産生的電磁信号和熱量均顯著增加,推動更多的電磁屏蔽與導熱産品需求;此外,5G技術的成熟有望推動智能可穿戴、VR/AR、智能駕駛汽車等新興智能終端的興起,進而為電磁屏蔽與導熱帶來更豐富的應用領域。因此,5G時代全面到來後,單機價值量的提升疊加終端設備數量的增加,電磁屏蔽與導熱材料和器件的市場規模有望成倍增長。

2、新工藝新材料升級步伐不止

      下遊消費電子産品因其個性化的設計,對電磁屏蔽及導熱的功能有着獨特的需求,極大地促進了各種電磁屏蔽與導熱器件的應用和創新。随着電磁屏蔽及導熱功能在下遊行業的影響力日益增強,越來越多的信息電子設備生産企業在設計之初就需要引入電磁屏蔽及導熱的功能設計,成為電子産品研發階段的重要組成部分。企業必須根據下遊用戶的需求,對其所應用的産品進行全方位的分析,從系統的角度提供完全個性化的電磁屏蔽及導熱功能服務,為客戶提供定制化的電磁屏蔽及導熱應用解決方案,以優化的設計、适宜的材料選型和性價比來滿足客戶的全方位需求。

       智能手機朝着輕薄化、集成化和器件小型化的方向不斷創新發展,而5G時代的到來更是帶來更高的電磁屏蔽和散熱要求,推動電磁屏蔽和導熱器件未來的工藝升級;同時新興材料本身的不斷發展和周邊技術的不斷革新,也将使越來越多類型的材料種類在電磁屏蔽及導熱上得到推廣應用。

2.1 導熱材料與器件:導熱石墨膜應用前景廣泛

      随着5G時代單一電子設備上集成的功能逐漸增加并且複雜化以及設備本身的體積逐漸縮小,對電子設備的熱管理技術提出了更高的要求,如對導熱材料的導熱系數和長時間工作的導熱穩定度要求逐漸提高。這一趨勢為導熱材料的發展提供了機會,導熱材料用于發熱源和散熱器的接觸界面之間,提高熱傳導效率,從而有效解決整個高功率電子設備的散熱問題。

       在熱力學中,散熱就是熱量傳遞,方式主要有熱傳導,熱對流和熱輻射等三種。根據熱的傳遞方式,電子設備散熱系統可以由風扇、散熱片(如石墨片、金屬散熱片等)和導熱界面器件組成。導熱界面器件功能是填充發熱元件與散熱元件之間的空氣間隙,提高導熱效率,通常用于通訊設備、計算機和外設、功率變換設備、存儲模塊、芯片級封裝等領域,而散熱片通過導熱界面器件與電子元件表面接觸,利用其在水平方向上的導熱性,迅速降低電子産品工作時發熱元件所在位置的的溫度,使得電子産品溫度趨于均勻化,擴大散熱表面積以達到降低整個電子産品的溫度,提高電子産品的工作穩定性及使用壽命。


       目前,行業内廣泛應用的導熱器件包括導熱界面器件、石墨片等,導熱界面器件主要包括導熱膏、片狀導熱間隙填充材料、液态導熱間隙填充材料、相變化導熱界面材料和導熱凝膠等。

2.1.1 高導熱石墨膜為主流

       高導熱石墨膜的石墨材料因其碳原子結構具有獨特的晶粒取向,具備非常優異的平面導熱性能,大大高于一般純銅的導熱系數,其片層狀結構可很好地适應任何表面,同時具有密度低(輕量化)、高比熱容(耐高溫)、長期可靠等優點,成為散熱解決方案的優秀材料。因此近年來高導熱石墨膜在智能手機、超薄筆記本電腦、平闆電腦和LED電視等消費電子産品領域均有廣泛應用。


      目前導熱石墨膜因原材料及制備方法的不同分為天然石墨膜和人工石墨膜兩種。由于人工石墨膜較天然石墨膜具有更好的導熱性能,且人工石墨膜在技術進步的推動下,成本不斷降低,性能不斷提高,很好地滿足了消費電子等産品發熱量越來越大、結構越來越緊湊而帶來的散熱需求,發展空間較大。


       随着5G時代臨近,電子産品對熱管理方案有着更高的要求,因此對導熱石墨膜材料将提出更多新的要求,圍繞導熱器件特性、産品形式、生産工藝、應用領域拓展等方面均有更高的要求,具備材料生産工藝升級與應用領域創新并重的發展趨勢。


      從産品形式角度來看,高導熱石墨膜主要分為單層高導熱膜、複合型高導熱膜和多層高導熱膜等多種類型。其中,單層高導熱膜應用範圍最廣,複合型和多層高導熱膜是在單層高導熱膜基礎上為滿足客戶更多的設計功能和需要與銅箔或者多片石墨膜複合而成。其中,單層高導熱膜主要強調其優越的導熱系數;多層高導熱膜在具有高導熱性能的同時還有一定的儲熱性能;複合型高導熱膜兼具導熱和儲熱性能,同時具有一定屏蔽輻射作用。5G時代的智能終端産品伴随更高的功耗和散熱需求,同時兼具零部件創新升級大勢,因此複合型和多層導熱石墨膜有望迎來更廣泛的應用。

圖16:多層與複合型導熱石墨膜應用前景廣泛


      從生産工藝角度來看,導熱石墨膜主要在基材處理的基礎上,通過高溫碳化、石墨化等環節加工而成,而高溫燒制的工藝可分為片狀燒制和卷式燒制技術。片燒石墨是将聚酰亞胺膜(PI膜)裁剪好後以間隔疊片的方式放入模具中,對其施壓、碳化并石墨化的過程。而卷燒石墨是近年來的新興技術,将PI膜卷繞于卷筒上,進行碳化熱處理,再進行石墨化熱處理,以形成卷筒狀石墨膜的過程。相比于片燒工藝,卷燒石墨技術有着節省人工疊片流程的優點,且利于後續工藝的連續生産性,能大幅降低成本,同時成功的卷燒流程能使石墨膜具有良好的機械強度,沒有模具大小的限制,因此十分适用于5G時代顯著增長的散熱需求,特别在大型設備(如基站)中具備廣泛應用前景。


2.1.2 多種創新導熱方案共存

       目前多數智能手機的散熱方案是采用石墨片,主要是由于石墨片散熱技術成熟,且價格較便宜。而随着5G時代的臨近和功能不斷升級,核心零部件的性能和散熱需求均顯著提高,因此除了主流的石墨片以外,各品牌廠商也在不斷探索其他散熱方式,采用多種導熱産品綜合應用的解決方案,使導熱産品不斷創新和豐富。

       在2018年上海舉辦的亞洲消費電子展上,陶氏化學高性能有機矽事業部推出了針對智能手機部件熱管理的新型陶熙TC-3105有機矽導熱凝膠,并使用了新品牌陶熙來替換原道康甯品牌。導熱凝膠主要塗覆在智能手機中主要發熱芯片的陶瓷或塑料封裝表面,用于替代傳統的成品散熱墊,成本與散熱墊差不多,但該導熱凝膠可以在室溫下或芯片自發熱下固化,固化後形成的接觸面積遠超成品散熱墊,從而大大提升散熱效果。由此可見,未來導熱凝膠産品有望通過材料工藝升級而保持持續創新。

       同時,随着5G時代的臨近,各智能手機廠商均在近期發布的旗艦機型中加大散熱方案的創新和應用力度,為後續的規模導入做準備。其中,熱管散熱技術作為PC機領域的主流散熱方案,已逐漸被搭載于智能手機中。熱管方案又常被人們以“水冷散熱技術”所認知,在手機中搭載銅制散熱管,并在導管中加入特質的導熱液體(水或乙二醇),吸收手機核心元件發出的熱量後,導熱液體逐漸汽化并在導管内流動,當流動到低溫處時将釋放熱能凝結成液态,完成手機熱量的快速轉移,并通過與熱管連接的固定散熱材料将熱量散出。


      當前已有多個手機品牌陸續采用銅制散熱管方案,如三星Galaxy Note 9、魅族16、榮耀Note 10等,而華為對于手機導入散熱銅管的态度也比較明确,計劃在于明年推出的5G手機中采用0.4mm銅制散熱闆的方案,在銅管的基礎上進一步升級。散熱闆方案是将兩片銅闆四邊焊接,中間留空隙讓空氣流通,由于面積更大,散熱效果更佳。目前散熱闆方案已在高階輕薄筆記本中大量采用。

       未來散熱闆方案如果大量應用于智能手機中,供應商有望主要來自于PC散熱方案廠商的切入,包括日本富士通、台灣雙鴻科技(15億收入體量,PC業務占40%以上、全球市占率13%)、超衆科技、奇鋐科技、力緻科技、鴻準精密等,其中台灣廠商占據全球70%的PC散熱闆份額,有望率先受益于智能手機散熱闆的應用。而國内智能手機散熱方案供應也基于散熱管、散熱闆方案有所布局,有望随終端廠商定制化需求逐漸導入創新的方案。


      手機散熱主要依靠熱對流和熱傳導原理,而銅管水冷散熱主要取決于内部液體熱對流,單獨依靠熱管散熱的效果仍存在一定不足:1)熱管可以加速熱傳遞,但加速的程度取決于對流速度,與熱管截面積呈正比,手機中的熱管大多為扁型,對流效果有所折扣;2)液體比熱容較高,能夠起到降低最高溫度并減緩溫升的作用,但在手機熱管容積有限的情況下,依靠少量液體所達到的控溫效果有限。同時,散熱闆生産難度較高,且在手機中需要更大空間,因此價格遠高于手機中主流的導熱石墨片,較散熱管成本也多達數倍以上,結合手機産品銷量大和輕薄化趨勢,散熱闆在短期内批量應用于手機中仍存在一定瓶頸。

      因此,無論是散熱管還是散熱闆,隻是讓熱量從手機發熱零件轉移到散熱片的速度有所加快,而最終的散熱效果,還是要依靠散熱片和空氣之間的熱對流,散熱片材質的熱特性則成為手機散熱效果的決定因素。未來随着5G時代的到來,智能手機内部零部件輕薄化、集成化趨勢明确,對内部空間具有嚴格限制,因此适用于智能手機的散熱方案也将向着超薄、高效的方向發展,必将呈現出多種散熱産品并存、材料工藝不斷創新的新局面。

2.2 電磁屏蔽材料與器件:材料工藝持續升級

      電子設備工作時,既不希望被外界電磁波幹擾,又不希望自身輻射出電磁波幹擾外界設備,以及對人體的輻射危害,這就需要通過電磁屏蔽來阻斷電磁波的傳播路徑。電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和吸收原理。


圖23:電磁屏蔽原理基于電磁波的反射和吸收


      電磁屏蔽器件是在電磁屏蔽材料的基礎上進行二次開發,所需的材料必須具有良好的導電性,按照材料的制備工藝劃分,電磁屏蔽材料主要包括三大類:1)金屬類:直接選擇金屬材料,如铍銅、不鏽鋼等;2)填充類:在不導電的基材中添加一定比例的導電填料從而使得材料導電,基材可采用矽膠、塑料等材料,導電填料可以是金屬片、金屬粉末、金屬纖維或金屬化纖維等材料;3)表面敷層和導電塗料類:對基材進行電鍍,如導電布等。而從器件的角度來看,目前廣泛應用的電磁屏蔽器件主要包括導電塑料器件、導電矽膠、金屬屏蔽器件、導電布襯墊、吸波器件等。

       電磁屏蔽器件的技術水平主要由其材料的發展主導,材料的電導率、磁導率及材料厚度是屏蔽效能的三個基本因素。電磁屏蔽材料将向屏蔽效能更高、屏蔽頻率更寬、綜合性能更優良的方向發展,各種新材料在電磁屏蔽的創新應用将會得到更多發展。未來的技術發展,電磁屏蔽将往導電性能好、加工工藝簡單、性價比高、适合大批量生産等方面發展。而未來越來越多類型的電子設備将被納入到電磁兼容管理的标準中來,電磁兼容的标準也将愈發的嚴格,可以預見電磁器件工藝材料的持續升級趨勢将是确定性方向。


      近來出現了一種新的屏蔽技術——共形屏蔽,不同于傳統的采用金屬屏蔽罩的手機EMI屏蔽方式,共形屏蔽技術是将屏蔽層和封裝完全融合在一起,模組自身就帶有屏蔽功能,芯片貼裝在PCB上後,不再需要外加屏蔽罩,不占用額外的設備空間,主要用于PA,WiFi/BT、Memory等SiP模組封裝上,用來隔離封裝内部電路與外部系統之間的幹擾。共形屏蔽技術可以解決SiP内部以及周圍環境之間的EMI幹擾,對封裝尺寸和重量幾乎沒有影響,具有優良的電磁屏蔽性能,可以取代大尺寸的金屬屏蔽罩,未來有望随着SiP技術以及設備小型化需求而普及。


3、國内供應商發展可期

3.1 國内廠商布局産業鍊主要環節

      電磁屏蔽和導熱材料及器件處于産業鍊的中遊,上遊是塑料粒、矽膠塊、金屬材料和布料及其他等基礎原材料,下遊是通訊設備、計算機、手機終端、汽車電子、家用電器和國防軍工等終端用戶。其中,電磁屏蔽和導熱器件是在電磁屏蔽和導熱材料的基礎上進行二次加工處理。

圖26:電磁屏蔽和導熱材料及器件産業鍊


      在中遊環節,一部分公司主要研發設計與生産電磁屏蔽與導熱材料産品,進而交付給器件加工廠商,另一部分公司自外購原材料後,獨自進行材料設計生産和器件的二次加工,最終将模切成型後的電磁屏蔽和導熱器件交付給下遊廠商。相對而言,材料生産環節技術壁壘較高、參與者較少,故毛利率水平一般高于器件加工環節。