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全球5G天线用LCP薄膜行业发展前景预测:远期市场空间可达233亿元[图]

2020年05月06日 14:05:20字号:T|T

    一、LCP材料产能集中度及市场规模分析

    TLCP材料是1976年Eastman Kodak公司首次发现PET改性PHB(聚对羟基安息香酸)显示热致性液晶后开始研发,20世纪80年代中后期进入应用阶段。LCP材料分子主链上具有大量刚性苯环结构,决定了其特殊的物化特征和加工性质,具有低吸湿性、耐化学腐蚀性、良好的耐候性、耐热性、阻燃性以及低介电常数和低介电损耗因数等特点,广泛应用于电子电器、航空航天、国防军工、光电通讯等高新技术领域。

    智研咨询发布的《2020-2026年中国LCP膜行业产销情况分析及投资风险研究报告》显示:目前全球LCP树脂材料产能约7.6万吨/年,全部集中在日本、美国和中国,产能分别为3.4万吨、2.6万吨和1.6万吨,占比分别为45%、34%和21%,其中美国和日本企业在20世纪80年代就开始量产LCP材料,我国进入LCP领域较晚,长期依赖美日进口,近几年来随着金发科技、普利特、沃特股份、聚嘉新材料等企业陆续投产,LCP材料产能快速增长。随着5G时代到来,未来LCP材料需求将有望迎来快速增长。
LCP产能分布

    全球LCP树脂产能分布

数据来源:公开资料整理

    LCP材料全球市场规模及增长走势

数据来源:公开资料整理

    二、、5G时代对天线模组中电路板基材提出更高要求

    1、LCP软板分类

    未来智能手机的发展将向着高频化和小型化发展,柔性电路板(Flexible Printed Circuit Board,FPC软板)目前已成为天线主流工艺,占有率超过7成,其超薄设计将天线由早期的外置天线发展为内置天线,随着5G时代到来,LCP天线有望得到广泛应用。

    3GPP定义了5G的频率范围,分为Sub-6G和毫米波。根据3GPP的定义,5GNR包括了两大频谱范围,分别是FR1(对应450MHz到6000MHz,通常被称作Sub-6G)和FR2(24250MHz到52600MHz)。按频段分类,FR1属于厘米波,而FR2则属于毫米波。(波长=光速/频率,即频率越高,波长越短)

    无线电通讯按波长和频率分类

分类
波长
频率
用途
甚低频
VLF10-100km(甚长波)
3KHz-30KHz
远距离导航、海底通信
低频
LF1-10km(长波)
30KHz-300KHz
远距离导航、海底通信、无线信标
中频
MF0.1-1km(中波)
300KHz-3MHz
海上无线通信、调幅广播
高频
HF10-100m(短波)
3MHz-30MHz
业余无线电、国际广播、军事通信、远距离飞机、轮船间通信、电话、传真
甚高频
VHF1-10m(超短波)
30MHz-300MHz
VHF电视、调频双向无线通信、飞行器调幅通信、飞行器辅助导航
特高频
UH0.1-1m(分米波)
300MHz-3GHzUHF
电视、蜂窝电视、协助导航、雷达、GPS、微波通信、个人通信系统
超高频
SHF0.01-0.1m(厘米波)
3GHz-30GHz
卫星通信、雷达、微波通信
极高频
EHF0.001-0.01m(毫米波)
30GHz-300GHz
卫星通信、雷达、微波通信
红外线
0.78-400um
3x1011-4x1014Hz
光纤通信、探测、医疗
可见光
400-780nm
4x1014-8x1014Hz
-
紫外线
100-400um
8x1014-3x1015Hz
光化学、灭菌

数据来源:公开资料整理

    除美国外大部分国家和地区优先发展Sub-6G频段,再逐步过渡到毫米波。根据各国情况,中、欧等地主要先发展Sub-6G,再逐步过渡到毫米波;而美国则由于军用频谱是Sub-6G的原因,则直接选择了毫米波路线,但值得注意的是,近日美国联邦通信委员会(FCC)决定斥资97亿美元加速回购3.7GHz-4.2GHz频谱,并将其用于5G网络建设,这一消息可能意味着美国或将重新规划5G布局,前期重心有望转移至Sub-6G。

    由于5G高速、高频等特点,为保证可靠性、减少信号在传输过程中的损耗,5G通信对天线材料的介电常数、介质损耗因子等指标有更高要求。目前4G时代手机天线所用的柔性电路板(FPC)基材主要是聚酰亚胺(PI),这是综合考虑了PI其优良的机械强度、弯折性能、持续稳定性、耐热性、绝缘特性等优点。但是,由于PI基材吸水率太大,介电常数(Dk)和介质损耗因子(Df)也较大,尤其对工作频率超过10GHz的产品影响显著,因此很难满足5G时代对天线材料的要求。

    目前主流的解决方式有两种:改性PI(MPI)或者LCP,其中MPI在Sub-6G具备一定综合优势,但随着5G商用化进程的推进,毫米波阶段仍将以LCP为主。传输可靠性方面,LCP>MPI>PI;防潮性方面,LCP>MPI>PI;但成本方面,目前LCP薄膜受制于产品良率和薄膜供应垄断,成本最高,经济性最低,而PI膜作为成熟应用产品成本最低,但无法用于5G时代的天线传输。经过改性后的MPI在Sub-6G阶段能够和LCP分庭抗礼,但在毫米波频段损耗较LCP差距进一步拉大,因此在毫米波阶段LCP仍将是主要天线膜材。

    2、受益5G高频与小型化趋势,LCP材料有望快速发展

    相较于PI,LCP可大幅减少高频传输损耗。根据住友电气工业数据,LCP和PI材料相比,在5GHz频率时传输损耗更小,且随着频率的逐渐提升,损耗减少幅度进一步扩大。

    LCP材料的极低吸水率注定其成为5G天线传输的核心膜材。相比PI,除了LCP拥有较低的介质损耗因子Df外,还有一个重要指标便是其吸水率极低,即几乎不会吸潮,因此其基材的损耗-频率曲线在吸湿前后迁移并不明显,相反PI基材的损耗-频率曲线在吸湿前后迁移较为明显,传输损耗较大。

    传统软板由导电材料、绝缘基材、覆盖层等构成的多层结构组成,一般使用铜箔作为导体电路材料,聚酰亚胺(Polyimide, PI)膜、改性聚酰亚胺(Modified Polyimide, MPI)膜、LCP膜等作为电路绝缘基材,环氧树脂粘合剂作为保护和隔离电路的覆盖层,经过一定的制程加工成FPC软板。

    LCP、PI、MPI性能对比

 -
传输损耗
可弯折性
尺寸稳定性
吸湿性
耐热性
PI
较差
较差
较差
较高
较高
MPI
一般
一般
一般
一般
一般
LCP
较好
较好
较好
较低
较差

数据来源:公开资料整理

    随着无线网络从4G向5G过渡,通信频率将全面进入高频高速领域。根据5G的发展路线图,未来通信频率将分两个阶段进行提升。第一阶段的目标是在2020年前将通信频率提升到6GHz,第二阶段的目标是在2020年后进一步提升到毫米波(30-60GHz)的应用。

通信频率的演变

 -
频段
波长
2G
0.8-1Ghz、1.8Ghz
20-30cm
3G
1.8-2.2Ghz
13-16cm
4G
1.8-2.7Ghz
11-16cm
5G
低频3-5Ghz、高频20-30Ghz
6-10cm、10-15cm

数据来源:公开资料整理

    高频高速电路的需求内涵是传输信号的速度和品质,影响这两项的主要因素是传输材料的电气性能,包括介电常数与介电损耗,具体而言,信号传输的速度与介电常数负相关,信号品质与介电损耗负相关。传统天线短板的PI基材已经逐渐显示出应用的劣势,尤其在高频传输方面,其对2.4G的射频信号产生3db损耗,并且频率越高损耗越大。相比PI材料,LCP具有介电常数低(典型值为2.9)、正切损耗小(其值为0.0025)、热膨胀系数低、介电常数温度特性好、高强度、灵活性、密封性(吸水率小于0.004%)等优点。在微波频段,LCP具有非常稳定的介电特性,损耗相比传统基材的电磁损耗要小10倍以上,能够有效降低信号损失。并且,基于LCP的微波器件不仅可以在平面状态下使用,也可以在弯曲甚至折叠的环境下使用。伴随智能手机对空间利用的极致追求,LCP软板将凭借更优的空间效率替代天线传输线。

    LCP天线是指采用LCP为基材的FPC软板,并承载部分天线功能。LCP可以保证在较高可靠性的前提下实现高频高速,具有以下电学特性:(1)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;(2)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。而目前应用较多的主要是PI天线,但是由于PI基材的介电常数和损耗因子较大、吸潮性较大、可靠性较差,因此PI软板的高频传输损耗严重、结构特性较差,已经无法适应当前的高频高速趋势,尤其是不能用于10Ghz以上频率。

    3、低频5G时代MPI与LCP天线有望共存,中高频5G时代LCP优势明显

    MPI是一种改性的聚酰亚胺材料,具有非结晶性因此在各种温度条件下均能够进行操作,尤其在低温压合铜箔时更易与铜的表面附着。其在15GHz以下的信号处理表现不逊色于LCP天线。在5G初期sub-6GHz时代,由于MPI也可以满足5G信号处理需求,且价格相对LCP材料较低,因此MPI有望与LCP共同成为天线主流材料。但是在15GHz以上的信号处理方面,LCP的优势依然十分明显。

    根据公开资料,2018款iPhone XS/XS Max/XR各使用3/3/2个LCP,单机价值6-10美元,2018年iPhone销量2.25亿台,其中X系列出货约5千万台,综合考虑2019年部分LCP天线可能替换为MPI天线,以及未来5G手机中国生产厂商天线材料的转变,预计2019、2020LCP/MPI天线市场为15、20亿美元。

    智能手机LCP/MPI天线市场空间预测

数据来源:公开资料整理

    从成本端来看,LCP天线价值主要在软板环节,其成本约占到天线价值的70%,其中LCP材料占LCP软板的成本的15%左右,占LCP天线成本的10%左右。

    因此2020年LCP天线端市场规模有望超过2亿美元,2018-2020年复合增长有望达到70%。

    LCP天线成本结构

数据来源:公开资料整理

    LCP软板本结构

数据来源:公开资料整理

    4、 智能手机小型化为带来LCP材料带来新机遇

    随着智能手机全面屏、更多功能组件、更大电池容量等趋势的发展,持续压缩手机空间,内部空间不断减少,手机设计不断向着一体化和高度集成化发展,手机天线已经从早期的外置天线发展为内置天线,但是目前天线可用设计空间越来越小,天线小型化需求日益迫切。

    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)将信号从天线传输至主板,随着多模多频技术的发展,在狭小空间内放置多根天线的需求愈发迫切。①LCP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。②LCP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。③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。④LCP软板是热塑性材料,可以自由设计形状,从而充分利用智能手机中的狭小空间,进一步提升空间利用率。

    5、 LCP性能突出,有望应用于5G高频封装材料,应用前景广阔

    从性能上看,MPI在Sub-6G阶段综合表现并不输LCP,且供给可由原先PI厂商转产。改性PI(即MPI)全称ModifiedPI,是通过引入氟原子、硅氧烷等方法制备而成。MPI的介电常数、介质损耗因子指标要优于PI、接近LCP,吸水率也较PI大为改善、但仍不及LCP。相关数据显示,在Sub-6G的频段内,MPI材料和LCP材料的传输损耗差异并不明显,MPI在6-15GHz的频段内的表现也只是略微低于LCP,可满足5G时代天线传输的要求,但在15GHz以上的更高频段,MPI材料同LCP材料的差距逐渐明显并拉大。需要注意的是,Taimide的MPI产品LKA-025在25-30GHz频段内的损耗曲线几乎和LCP相同,不过LCP极低的吸水率还是注定了MPI无法在毫米波阶段替代LCP作为天线用电路板基材。

    MPI和LCP传输损耗对比

数据来源:公开资料整理

    LCP材料还可以用作射频前端的塑封材料,相比如LTCC工艺,使用LCP封装的模组具有烧结温度低、尺寸稳定性强、吸水率低、产品强度高等优势,目前已被行业认作5G射频前端模组首选封装材料之一,应用前景广阔。

    LTCC是一种早期的埋层技术,电容电感陶瓷类的用的都是LTCC的工艺技术,通过在封装体的垂直多层空间内埋置无源器件可以节省空间。但是由于LTCC的工艺温度高达850摄氏度,无法直接封装芯片裸片;并且LTCC不具有柔性特点,无法更好的利用狭小的可用空间。由于LCP具有较低的层压温度,因此可以直接将芯片裸片封装在LCP叠层内,并在同一热压工艺中进行层压,同时保持较好的可靠性和散热性。三种埋层封装工艺中,LCP是最具有优势的。
仅考虑基站天线市场,预计到2022年高频印刷电路板基材市场规模将达到76亿美元,CAGR超过115%。

    2018-2022年便于高频印刷电路板东奔西走市场规模及增长走势

数据来源:公开资料整理

    6、全球5G天线用LCP薄膜市场空间远期可达233亿元

    实际应用中,苹果Apple公司在2017年末新发行的iPhoneX首次将LCP材料应用于天线,旨在提高天线高频高速性能的同时减小空间的占用。根据电子发烧友等产业拆机报告,iPhoneX应用了两组LCP天线,分别是上天线和下天线,此外上下天线仍各应用1组PI天线,整个手机中LCP和PI天线各有两组。而2018年iPhoneXS/XSMax/XR则分别拥有3/3/2组LCP天线,但2019年的新机系列中,由于该系列仍不支持5G且受制于成本及供应商等因素,减少了LCP天线数目,使用MPI天线替代。苹果此举让市场认为Sub-6G频段下,MPI由于供应商较多、性能够用且经济性更好,不失为过渡到5G毫米波频段前的LCP替代材料。但长期看,随着5G商业化逐步成熟后步入毫米波频段,叠加LCP材料的产能和良率瓶颈打破后材料成本的进一步降低,LCP终将是5G天线材料的最终归宿。

    单机天线用LCP薄膜使用量测算:以iPhoneX为例,其下部天线的尺寸为9cm*7cm,上部天线的尺寸为6cm*4cm,则单机使用的双层FPC所需的初始LCP薄膜耗材总面积为174cm2。以双层板结构单层LCP膜厚度25μm和LCP材料密度1.61g/cm3(取宝理公司某型号产品)计算可得到单机使用的天线用LCP薄膜体积为0.435cm3,质量为0.70g。天线用LCP薄膜价格:天线用LCP薄膜目前市场上主要由村田独家供货但以自用为主,其价格对未来放量后的情况并不具备太大参考性(树脂厂商打破制膜壁垒进入、改进工艺提高良率等)。当前LCP薄膜按等级价格分布在300-1600元/平米,空间测算选取的价格是300元/平米,主要是基于对未来产能和良率瓶颈提高后带动渗透率和供货商数目的提升导致价格逐步下跌的假设。

    天线用LCP薄膜市场空间有望达到233亿: 2019年全球智能手机总出货量为14.86亿台。以此为基数测算可得,当LCP天线渗透率达100%时,若每部手机6根天线皆为LCP天线,远期天线用LCP薄膜市场空间可达233亿元;外,测算得薄膜级树脂远期空间为9.4亿元。

    2019-2022年全球全球手机出货量及CP天线渗透率测算

数据来源:公开资料整理

    2019-2022年全球LCP薄膜需求总量测算

数据来源:公开资料整理

    2019-2022年全球LCP薄膜市场空间测算

数据来源:公开资料整理

    2019-2022年全球LCP薄膜级树脂市场空间测算

数据来源:公开资料整理

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