5.Xmm時(shí)代超薄智能手機(jī)帶來材料、元器件和天線技術(shù)革命

2016-12-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

智能手機(jī)的發(fā)展除了向“更高 更快 更大”發(fā)展外,也在往“更薄”的方向去發(fā)展。

從大哥大到功能機(jī),再到智能手機(jī),手機(jī)變得越來越薄!手機(jī)集成方案商對(duì)于“超薄”的追求無比狂熱,恨不得立馬推出像紙張一樣薄的智能手機(jī),好在瞬息變化的市場(chǎng)中占領(lǐng)先機(jī)。而在消費(fèi)市場(chǎng)端,多年的市場(chǎng)培育已讓“超薄機(jī)”成為消費(fèi)者購(gòu)機(jī)的首選。

既有超薄金屬機(jī)身又裝載較為主流的硬件配置的手機(jī),這幾乎成了當(dāng)下熱銷機(jī)型的基本要求。因此各大手機(jī)廠商也在不斷加強(qiáng)技術(shù)研發(fā),試圖將手機(jī)做的更薄,比如將觸摸面板與液晶面板結(jié)合的In-cell技術(shù)、將觸摸面板與保護(hù)玻璃一體化的單玻璃觸控技術(shù)OGS、更薄的金屬材質(zhì)背板工藝、“護(hù)玻璃、觸控、液晶、中板,四合一”組裝技術(shù)等等?？梢钥隙ǖ氖?超薄金屬機(jī)身需求的新技術(shù)對(duì)包含屏、電池、注塑、天線等零部件廠商帶來巨大挑戰(zhàn)和市場(chǎng)機(jī)遇。

目前,手機(jī)界主流的幾個(gè)廠商之主流手機(jī)型號(hào)厚度在6mm時(shí)代,如:

表1、代表性手機(jī)厚度趨勢(shì)圖

蘋果將在未來的iPhone中配備AMOLED觸控屏的說法早有傳聞。有爆料稱今年推出的iPhone 7確認(rèn)將搭載AMOLED觸控屏,蘋果向供應(yīng)商提交了訂單,甚至已經(jīng)開始了生產(chǎn)。UBI Research分析師Lee Choong-hoon預(yù)測(cè),曲面AMOLED屏iPhone將會(huì)在2018年發(fā)布,AMOLED版iPhone將占據(jù)當(dāng)年蘋果iPhone出貨量的30%,上述比例在2020年將增至80%。而到了2021年,AMOLED屏在蘋果iPhone上的應(yīng)用將會(huì)超過三星。

蘋果擬采用AMOLED液晶屏,這種屏除可以做成彎曲的側(cè)邊外,還一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是比現(xiàn)在普遍使用的玻璃屏要薄0.7mm

1.2、 高比容的鋰電池已經(jīng)批量出貨

超薄智能金屬手機(jī)厚度的壓縮很大一部分程度來自于手機(jī)電池被壓縮的空間。在電池技術(shù)相比其他硬件發(fā)展幾乎止步不前的今天,手機(jī)不斷增加的屏幕尺寸和日益提升的硬件配置,對(duì)電池續(xù)航都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。然而超薄的機(jī)身縮減了電池的空間和容量再加上越來越多手機(jī)廠商選擇電池不可拆卸的一體化設(shè)計(jì)無形中也就成為了手機(jī)續(xù)航能力較差的首要原因。

超薄智能金屬手機(jī)中鋰電池經(jīng)歷了鋼殼鋰電池、鋁殼鋰電池、聚合物鋰電池三個(gè)時(shí)代,其共同特點(diǎn)是都采用石墨為負(fù)極,由于這種碳基材料的負(fù)極的可逆容量只有372mAh/g。

最新的鋰電池技術(shù)是一種叫硅負(fù)極的鋰電池,用硅碳材料代替石墨。研究員們發(fā)現(xiàn)一種硅元素(Li22Si5)的容量達(dá)到了4200mAh/g,是開發(fā)具有高容量電池極佳的材料。并且使用這種負(fù)極材料做成的電池在使用的過程中幾乎沒有容量衰減,更有利于提高電池的使用壽命。再加上硅在地球上儲(chǔ)量豐富,成本較低,因而是一種非常有發(fā)展前途的鋰離子電池負(fù)極材料。

相對(duì)于目前石墨負(fù)極的鋰離子電池,硅負(fù)極電池可以使電池充電量相當(dāng)于前者的10倍,當(dāng)然,這種提高是理論上的,還需要正極材料的配套改進(jìn),目前,在國(guó)內(nèi)華東有廠商量產(chǎn)的硅負(fù)極鋰電池,容量提升了30%。

和超薄智能金屬手機(jī)息息相關(guān)的指標(biāo)是比容,比容是鋰電池容量與體積之比值,越高則相對(duì)體積的電池容量高,若提升了30%容量的鋰電池在手機(jī)中使用,則同樣的容量,體積可以縮小30%,折算到厚度方向,3000毫安時(shí)的鋰電池,厚度可以減少1mm左右;

圖1圖2:手機(jī)中取消3.5mm音頻孔后,數(shù)字usb c接口將取代音頻、充電、數(shù)傳功能

而其他手機(jī)都會(huì)在不久的一年時(shí)間內(nèi),轉(zhuǎn)用一種新的充電、數(shù)據(jù)傳輸、音頻傳輸?shù)慕涌?

Type-C,它是USB接口的一種連接介面,不分正反兩面均可插入,大小約為8.3mm×2.5mm,和其他介面一樣支持USB標(biāo)準(zhǔn)的充電、數(shù)據(jù)傳輸、顯示輸出等功能。Type-C由USB Implementers Forum制定,在2014年獲得蘋果、谷歌、英特爾、微軟等廠商支持后開始普及。

Type-C相對(duì)于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸,有以下三點(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì):

第一個(gè)優(yōu)勢(shì),就是最為人所知的無方向性,通俗說就是可以正反插,估計(jì)這也是蘋果放棄之前使用的Thunderbolt 2接口的重要原因。

第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是Type-C非常淺薄,約8.3x2.5mm的大小放在移動(dòng)設(shè)備上并不突兀,應(yīng)用在筆記本電腦之上更是節(jié)省空間了三分之二的空間

第三個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其完整支持USB 3.1的全部功能,由于供電標(biāo)準(zhǔn)提升至20V/5A、100W功率,、最高10Gbps的傳輸速率、傳輸影音信號(hào)等。特別的是,Type-C的功率傳輸是雙向的,這意味著它擁 有兩種發(fā)送功率方式,即用戶不僅可以用筆記本為移動(dòng)設(shè)備充電,也可以利用其它設(shè)備或移動(dòng)電源為筆記本充電

另外,有傳聞?wù)f蘋果會(huì)在iPhone 7上用Type-C取代Lightning接口,結(jié)合Type-C支持音頻信號(hào)傳輸?shù)奶匦?早前蘋果要取消耳機(jī)接口的信息并非空穴來風(fēng)。所以得益于Type-C,今后的手機(jī)上很有可能只有一個(gè)接口。

從現(xiàn)在的趨勢(shì)看,Type-C取代Type-A/B介面是必然的結(jié)果,其擁有的纖薄性、便攜性、拓展性特點(diǎn)都助其在與眾多接口的競(jìng)爭(zhēng)中勝出。

圖3:液態(tài)金屬BMG、不銹鋼、鋁合金、塑料等強(qiáng)度、剛性、成型、量產(chǎn)對(duì)比

圖4:不同金屬,材料強(qiáng)度對(duì)比

相對(duì)于航空鋁合金,鈦鋁合金、不銹鋼/鈦美鋁合金和液態(tài)金屬,更合適于超薄智能金屬手機(jī),都適合做外觀和結(jié)構(gòu)一體化的支撐件,如手機(jī)邊框和底蓋、后蓋等。

圖5:不同金屬材料納米注塑后力學(xué)指標(biāo)對(duì)比

圖6:納米注塑手機(jī)金屬——塑膠組件流程,先CNC,再注塑

金發(fā)科技、華力興等企業(yè)都推出了系列納米注塑高分子材料,尤其是能“納米注塑+LDS”雙功能材料,使得納米注塑再往后延伸到天線制造環(huán)節(jié),制成“塑膠-金屬-天線電路”完美的組件;

三、5.Xmm超薄手機(jī)時(shí)代中天線技術(shù)突破

超薄金屬手機(jī)厚度這幾年一直在變薄,天線頻段一直在增加,可是手機(jī)射頻指標(biāo)確沒有降低要求,天線信號(hào)是一個(gè)“場(chǎng)”,需要空間支撐,俗話說“站得高,看得遠(yuǎn)”,手機(jī)天線也一樣,凈空、天線與地線有一定距離,天線圖案向3D方向延伸,這是做好指標(biāo)的要點(diǎn)。手機(jī)超薄化,把天線圖案壓迫到一個(gè)近似平面的空間,再用傳統(tǒng)的FPC(柔性線路板)來做天線,有一定難度。

3.1. FPC天線,將終止于5.X厚度時(shí)代,LDS技術(shù)將是主流工藝

手機(jī)塑膠溝道復(fù)雜,FPC不能共形貼合;FPC粘貼時(shí)侯,用到大量人力資源;FPC粘貼在塑膠上,有兩個(gè)長(zhǎng)期得不到解決的“癌癥”:

其一是FPC基材邊角容易翹起,尤其是過一段時(shí)間就有這個(gè)毛病,使得手機(jī)存在質(zhì)量隱患。在厚機(jī)身時(shí)代,手機(jī)天線信號(hào)有裕量,即使少面積翹起來還不至于性能惡化,但是,超薄手機(jī)天線指標(biāo),多是接近出貨及格線,一旦售出后,天線指標(biāo)惡化,用戶明顯感覺信號(hào)不行。要解決FPC這個(gè)“癌癥”,需用到一些價(jià)錢貴的膠和熱壓工藝,會(huì)大幅提升手機(jī)制造成本;

其二是人工粘貼時(shí),耗費(fèi)大量人力資源同時(shí),粘貼誤差輕易在200微米以上,使得天線指標(biāo)也輕易惡化。目前華為等企業(yè),手機(jī)天線圖案在手機(jī)中空間定位精度都在50微米內(nèi),用FPC去做天線設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足不了一線手機(jī)品牌商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

因此,LDS技術(shù)(激光直接成型電路結(jié)構(gòu)技術(shù),立體電路制造的一種技術(shù),天線直接做在塑膠殼體上),為何這么快就替換了FPC天線市場(chǎng),既省組裝的人工,又提升了天線指標(biāo)的一致性。

3.2、手機(jī)天線在5.Xmm厚度時(shí)代的空間位置

手機(jī)進(jìn)入5.X厚度時(shí)代,天線制造位置前蓋板、底蓋中、中框上(中板)。前蓋中即手機(jī)“TP觸摸屏+玻璃蓋板+塑膠五金結(jié)構(gòu)件”上,這種一體化組裝TP蓋板技術(shù),是群創(chuàng)2016年6月推出的工藝。這種工藝提高了貼合速度20倍,良率也進(jìn)一步提升到99.9%,而在這種一體化TP蓋板上制造好GPS、wifi、藍(lán)牙天線,更是一種創(chuàng)新的制程,其又省了組裝成本和改善了手機(jī)行業(yè)另一個(gè)老大難問題:GPS天線信號(hào)難調(diào)到滿意效果。很多型號(hào)手機(jī),在給運(yùn)營(yíng)商測(cè)試時(shí)候,GPS定位時(shí)間長(zhǎng),因?yàn)樘炀€增益低。GPS天線需要“見天”,最佳安裝位置在面板聽筒附近,而把GPS天線做在TP蓋板上是最佳方案。

圖7:富士康推出的一體化TP蓋板技術(shù)適合在塑膠上做GPS天線

而底蓋若是金屬機(jī)身的話,手機(jī)天線制造在“納米注塑結(jié)構(gòu)件的塑膠上”,如圖8中紅圈所示:

圖8:納米注塑后的鋁合金底殼上的塑膠部位,制造天線

若手機(jī)底蓋采用非金屬材料,則中框是金屬的材質(zhì),天線制造在“金屬包塑膠”結(jié)構(gòu)的塑膠上,見下圖:

圖9:鈦鋁合金、鎂鋁合金、鋁合金中板包塑膠模內(nèi)注塑件,塑膠上制造天線

3.3、超薄金屬手機(jī)天線制造工藝

無論是一體化TP前蓋板還是后蓋板、中框,其有限露出的塑膠上制造天線,采用“增強(qiáng)型LDS工藝”,及E-LDS,這種工藝在含“金屬-塑膠”結(jié)構(gòu)上制造天線,金屬是含鋁、銅、鋅、鎂、鈦等元素的合金。這種制程還有一個(gè)特點(diǎn):

手機(jī)外邊款中被分段的金屬,可以直接與天線連接在一起,不需要通過螺絲或者導(dǎo)電泡棉連接,省了組裝工序。因?yàn)?在后期化學(xué)鍍藥水中,金屬饋電點(diǎn)可以與塑膠上天線線路在藥水中“長(zhǎng)”在一起。而特殊的保護(hù)工藝,使其它金屬部分不被腐蝕。

這類天線制造工藝流程是:

先用“納米注塑+LDS雙功能塑膠”注塑或者用LDS塑膠包覆金屬件模內(nèi)注塑,再通過E-LDS制造流程在塑膠上做天線,E-LDS與所采用金屬種類無關(guān)。

隨著手機(jī)進(jìn)入5.Xmm時(shí)代,以前金屬框通常采用的鋁、鋅合金材質(zhì)已經(jīng)不能滿足超薄手機(jī)的要求,鋅鎂合金、鈦鎂合金等高質(zhì)量的合金材料會(huì)逐步推廣。這些合金優(yōu)勢(shì)在于更輕,韌性更強(qiáng)。同時(shí),合金+天線的技術(shù)會(huì)廣泛使用,但是合金材料的電鍍不良率一直是個(gè)行業(yè)難題。針對(duì)此難題,拓頻通訊與微航公司通力合作,共同開發(fā),成功攻克了合金材料框體的電鍍問題,如鈦鎂合金,目前已經(jīng)為多家手機(jī)品牌廠商進(jìn)行量產(chǎn)。

手機(jī)歸根結(jié)底是一種通信工具,用戶更加需要均衡而具有特色的產(chǎn)品,舒適、方便、耐用才是首要考慮的因素。厚度不是唯一的選項(xiàng),也不是最優(yōu)選項(xiàng),但確是一個(gè)永恒的賣點(diǎn)。

業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì),不遠(yuǎn)的將來,迅速應(yīng)用在超薄手機(jī)商的技術(shù)還有:

1.無線充電功能內(nèi)置

尤其是10W(5V2A)的內(nèi)置無線充電技術(shù),需要占據(jù)0.3mm厚度。

2. 高速近距離秒傳視頻技術(shù),及UWB技術(shù)

目前芯片已經(jīng)成熟,很多手機(jī)設(shè)計(jì)公司在測(cè)試中。閃傳視頻,可以與電視、車輛中顯示屏同步動(dòng)態(tài)共享視頻節(jié)目。視頻播放,可類似微信中共享導(dǎo)航位置功能一樣使用。

以上這些功能,都需要新增加天線和或增加手機(jī)厚度。使得手機(jī)天線制造技術(shù)進(jìn)一步“被逼迫”做到有限空間的塑膠上去。

總之新材料、新器件、新工藝不久將推動(dòng)主流的手機(jī)演化到超薄的5.Xmm時(shí)代。

“納米注塑+LDS雙功能塑膠”型天線設(shè)計(jì)深圳拓頻通訊在此領(lǐng)域具有成熟的研發(fā) 量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。公司多年致力于金屬機(jī)型天線解決方案,具有豐富的各類型金屬機(jī)型天線調(diào)試經(jīng)驗(yàn),同時(shí)與其戰(zhàn)略合作伙伴深圳市微航磁電公司,經(jīng)過大量研發(fā)工作成功攻克“納米注塑+LDS雙功能塑膠”工藝中的天線調(diào)試 機(jī)殼LDS 機(jī)殼化鍍等技術(shù)難題。目前已成功投入量產(chǎn)。

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