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刘万青:5G时代表面处理行业发展新方向

发布时间:2020-07-14

一、5G行业背景

5G是全球信息技术发展最新成果,5G的产业化应用将彻底改变生活、产业结构的方方面面。利用5G极高的速率极大的容量极低的时延的三大特点,5G将作为承载4K/8K视频、AR/VR、物联网、自动驾驶等应用的主要技术支撑,将成为下一代科技浪潮的驱动。随着5G基站建设密集铺开,从天线、铁塔、PCB、泛射频、光模块、小基站领域都将迎来重大的发展机遇。2030年5G带动的直接产出和间接产出将分别达到6.3万亿10.6万亿元


5G产业的高速发展需要表面处理技术的强力支撑,特别是在电子元器件发展方面,表面处理技术尤显重要。值得注意的是,中国现已成为5G技术引领者,开通5G的城市数量处于全球前列,更已开始向发达国家或地区输出相关技术,这说明中国的5G市场非常广阔。



二、5G时代表面处理行业新机遇

目前5G市场里,每年电子-智能手机-通讯基站的产值数千亿美元,仅连接器市场每年500亿美元,引线框架市场和智能卡市场比连接器市场更大。电子表面处理应用领域非常广泛,每年运用在电子、通信、工业自动化等终端消费市场的需求量极大。面对5G时代的发展和挑战,中国表面处理领域将迎来前所未有的机遇。


有相关资料显示,虽然我国电子表面处理产业水平基本与国外同步,但很多电子表面处理中关键技术几乎全部依靠进口,工艺技术仍有一定滞后。在高端市场上,仍主要集中于美、日、韩等少数大企业。中国在少数电子表面处理领域虽具备突破潜力,但由于技术力量薄弱,关键性材料没有核心产品支撑,成为我国电子表面处理行业被国外垄断的根本原因。



三、5G时代表面处理新材料的应用

5G时代考虑到信号干扰和无线充电,玻璃、陶瓷等非金属材料迎来重大机遇,将逐步取代以铝合金为代表的金属外壳材料。5G毫米波频段信号对金属材料很敏感,金属后盖会直接屏蔽信号。而玻璃、陶瓷等非金属对信号的影响较小,5G时代对信号要求更高,非金属成为后盖的更佳选择。业内人士分析认为,未来5G手机背板材料,从外观、性能、成本、规模产能等综合效果考虑,玻璃防护面板将占据主流,氧化锆陶瓷在高端市场会应用更加广,塑胶则在部分低端市场进行补充。


1、陶瓷滤波器与表面处理

5G基站滤波器作为射频单元的核心器件之一,其作用是消除干扰杂波,让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能的衰减。据研究机构预测,5G时代全球基站数将近850万台,按每个基站3面天线,每面天线64个滤波器估算,介质滤波器需求16亿只,陶瓷介质滤波器全球市场容量约566亿元


陶瓷介质滤波器市场巨大,然而目前能够实现量产供货的企业并不是很多,这是因为5G通信对滤波器的小型化、轻量化、低成本、高性能的需求明显,但目前4G通信采用的腔体滤波器体积大,重量大,发热多,且价格较贵,陶瓷介质滤波器的开发生产存在技术壁垒,难以在高集成化天线中广泛使用,因此各个滤波器生产企业都在积极研究能够满足5G应用的滤波器方案。陶瓷滤波器金属化表面处理若在电镀方向取得突破,整个产品的成本会有非常大的降幅


陶瓷在5G行业的应用中必须进行表面金属化,并要求镀层与基体之间具有优良的附着力、可焊接热等性能。但陶瓷材料作为电热的不良导体,直接进行金属化具有很大的困难,必须经过一系列的前处理,来改善表面状态,才能获得金属镀层。

 

2、PCB与表面处理

在全球电子市场和全球PCB产值增速双下滑的背景下,中国PCB产值每年的增速均高于全球,据相关产业调研资料显示,全球仅仅5G带来的射频侧基站用PCB年产值可达240亿元人民币/年以上(中国大陆预计占50%),是4G的四倍以上。基于5G的PCB技术规范要求,除了PCB本身的需求,5G的应用将为高频高速材料、更精密的生产和检测设备、表面处理新工艺等上游供应商都将带来新的增长动能。


有相关资料显示,虽然我国电子表面处理产业水平基本与国外同步,但很多电子表面处理中关键技术几乎全部依靠进口,工艺技术仍有一定滞后。总体来看,中国电子元器件产业无论在设计、制造还是封装环节等,均与国际先进水平存在着差距。作为5G手机中最核心的部件,5G基带芯片直接决定了通信网络是否能成功连接,担任着缩短“通信代差”的重要作用。从材料来说,5G PCB一个非常明确的方向就是高频高速材料及制板。400G产品需要使用M7N、MW4000等同级别材料。在背板设计中,M7N已经是损耗最低的选择,未来更大容量的背板/光模块需要更低损耗的材料。而树脂、铜箔、玻布的搭配将达成电性能与成本最佳平衡点。

此外,高层数和高密度也会带来可靠性的挑战,使得镀液的功能性更强,添加剂的“构效关系”更好,可以得到更纤薄、功能性更强、质量更优越的镀层。基于5G的PCB技术规范要求,除了PCB本身的需求,5G的应用将为高频高速材料、更精密的生产和检测设备、表面处理新工艺等上游供应商都将带来新的增长功能。5G对于中国集成电路的发展既是机遇,也是挑战。


3、碳纤维与表面处理

5G时代的到来,电子产品在人们的日常生活中越来越普及。厂家追求电子产品的轻型化,普遍采用塑料壳体代替原来的金属壳体,但这样降低了屏蔽性能,进而形成一种新的污染——电磁辐射污染。碳纤维是电磁增强防护复合材料的首选材料。碳纤维金属化后,其导电性能提高可达到吸波、屏蔽功能;广泛应用于手机、印制电路板、电子及通讯基站、军用材料、生物材料、航空航天等领域。


碳纤维具有轻量化、高强度、高模量、低密度、高屏蔽、耐腐蚀、耐高温等高比性能,同时碳纤维材料还具有与一般碳素材料不同的特性,其外形柔软,可做成各种织物。但其导电性有待提高,通过对碳纤维的表面进行金属化处理,可以提高其导电性能,而且碳纤维原有的优点保持不变。通常情况下,碳纤维表面金属化采用的工艺为电镀。


4、石墨与表面处理

5G网络时代虽已到来,但5G硬件的电池开发依然滞后,也即续航能力并未同步跟上。锂电池潜力发掘已接近极致,手机开发商将目光转向快充。小米集团董事长雷军认为,5G将是手机业务的春天。


而同样,为手机提供能量的共享充电宝也将随之迎来自身的发展新机遇。高导热石墨材料将助力5G智能手机突破“散热”难题。高导热石墨材料因其碳原子结构具有独特的晶粒取向,可沿两个方向均匀导热,具备极其优异的平面导热性能,导热系数远远高于一般的纯铜。石墨晶体的片层状结构可很好地适应任何表面,同时具有密度低(轻量化)、高比热容(耐高温)、长期可靠等优点。

研究发现,通过对石墨材料进行金属化后,不仅电阻大大降低,且改善了电极在充放电过程中石墨体积的变化,降低了电极膨胀,电极热稳定性和循环性均得到了提高。在智能手机的导热和散热材料中,综合性能和成本考虑,石墨材料是散热解决方案的首选材料。


5、玻璃与表面处理

具有高透过率、高强度、高耐磨性的高铝硅玻璃,会是5G手机、显示终端重要且合适的功能和装饰材料。当5G与玻璃材料相遇后,主要应用于家庭娱乐、智能穿戴、手机与车载与航载上,5G与玻璃还会在汽车、飞机、船只的显示器、挡风玻璃等领域推广开来。


玻璃在智能终端上的应用主要有以下几个方面,第一个是触控防护手机盖板玻璃;另外一个是智能显示玻璃,如LCD玻璃、OLED玻璃、商显触摸屏玻璃等,同时也是5G时代手机后盖玻璃的最佳选择。5G通信采用3GHz以上的无线频谱,毫米波波长很短,将带来更复杂的天线结构,来自金属的干扰非常厉害,现有的天线布局无法满足,金属壳非最佳方案。

玻璃属于非金属不具备催化活性,并且玻璃脆性大、不能塑性变形,与金属性质差异大,为获得玻璃和金属的气密性封接,首先必须解决玻璃金属化问题。但玻璃不具有催化活性,在金属化时必须对其进行前处理。


6、PET与表面处理

5G基站的集成化使得高频覆铜板的需求增长迅速,PET作为5G高频高速覆铜板的主流高频基材之一,在5G时代将迎来巨大的市场增长。PET是一种高分子材料,全称是聚对苯二甲酸乙二酯。PET塑料分子结构高度对称,具有一定的结晶取向能力,具有较高的成膜性。


PET分子结构中的C-F键极短、键能极高及螺线型分布在C-C键周围,使其具有卓越的耐化学性和热稳定性,还具有优良的介电性、不燃性和不粘性,摩擦系数极小等其它许多合成材料所不及的优点,可广泛用于手机、液晶显示、薄膜视窗、光学触摸屏、电子玩具薄膜线路、软性线路板印刷、FPCB软性线路板耗材等领域。未来5G、医学等领域对高端PET需求仍供不应求。

但普通PET薄膜不能完全满足这些领域的要求,因此必须根据不同的使用领域,从不同的角度对PET进行必要表面处理的改性,以提高其硬度、透光性、粘附性、耐水性、抗菌性能。



四、表面处理技术在5G时代的展望

随着5G智能化时代的到来,电子产品越来越趋向轻量化、微型化以及便携式,目前普遍采用非金属壳体代替原来的金属壳体,对表面处理与电子电镀的依赖越来越大。传统的表面工程技术已无法满足5G时代高频高速和高集成化应用场合对材料表面的性能要求。


非金属具有表面光滑、疏水性和表面惰性等因素,金属层与基材之间没有很好的物理或化学结合位点,从而出现两者粘结力不强的弊端,在宏观上就表现为金属层覆盖不全、容易起泡、容易剥落等现象。未来表面处理应在非金属等表面形成一层附着力好、具有导电性等表面涂层,为后续的电子电镀提供一种良好的界面层,在源头上解决非金属金属化技术瓶颈问题。


随着5G时代的到来,传统电镀添加剂已无法满足电子产品在导电性、屏蔽性、耐磨性等性能方面的要求。因此,研发新型高效的电镀添加剂将是未来表面处理行业的一个发展方向。


由于电子电镀工业本身的特点,多年来一直受到各种环保机构和组织的限制,而且电子电镀加工也受到了各种环境法规的限制和影响。因此,研发环保型清洁生产电镀工艺或取代有毒电镀工艺是未来电子电镀技术的一个重要发展方向。


表面处理行业长期以来研发能力不足,缺乏合理布局,行业整体水平不高,且企业构成不尽合理,数量多,规模小,经营分散,并有部分企业尚处于手工操作的作坊式生产状态,现场管理能力较弱,设备陈旧,资源消耗较大。因此,随着5G时代的到来,集研发、生产、加工于一体的产业化发展将是5G时代表面处理新材料的发展方向!