5.Xmm時代超薄智能手機帶來材料、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,再到智能手機,手機變得越來越薄!手機集成方案商對于“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,好在瞬息變化的市場中占領(lǐng)先機。而在消費市場端,多年的市場培育已讓“超薄機”成為消費者購機的首選。

既有超薄金屬機身又裝載較為主流的硬件配置的手機,這幾乎成了當(dāng)下熱銷機型的基本要求。因此各大手機廠商也在不斷加強技術(shù)研發(fā),試圖將手機做的更薄,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、“護玻璃、觸控、液晶、中板,四合一”組裝技術(shù)等等。可以肯定的是,超薄金屬機身需求的新技術(shù)對包含屏、電池、注塑、天線等零部件廠商帶來巨大挑戰(zhàn)和市場機遇。

目前,手機界主流的幾個廠商之主流手機型號厚度在6mm時代,如:

表1、代表性手機厚度趨勢圖

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,曲面AMOLED屏iPhone將會在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,還一個重要優(yōu)點是比現(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

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

超薄智能金屬手機中鋰電池經(jīng)歷了鋼殼鋰電池、鋁殼鋰電池、聚合物鋰電池三個時代,其共同特點是都采用石墨為負(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,目前,在國內(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,越高則相對體積的電池容量高,若提升了30%容量的鋰電池在手機中使用,則同樣的容量,體積可以縮小30%,折算到厚度方向,3000毫安時的鋰電池,厚度可以減少1mm左右;

圖1圖2:手機中取消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

而其他手機都會在不久的一年時間內(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相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸,有以下三點明顯的優(yōu)勢:

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

第二個優(yōu)勢是Type-C非常淺薄,約8.3x2.5mm的大小放在移動設(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

第三個優(yōu)勢在于其完整支持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設(shè)備充電,也可以利用其它設(shè)備或移動電源為筆記本充電

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

從現(xiàn)在的趨勢看,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、拓展性特點都助其在與眾多接口的競爭中勝出。

圖3:液態(tài)金屬BMG、不銹鋼、鋁合金、塑料等強度、剛性、成型、量產(chǎn)對比

圖4:不同金屬,材料強度對比

相對于航空鋁合金,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,都適合做外觀和結(jié)構(gòu)一體化的支撐件,如手機邊框和底蓋、后蓋等。

圖5:不同金屬材料納米注塑后力學(xué)指標(biāo)對比

圖6:納米注塑手機金屬——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超薄手機時代中天線技術(shù)突破

超薄金屬手機厚度這幾年一直在變薄,天線頻段一直在增加,可是手機射頻指標(biāo)確沒有降低要求,天線信號是一個“場”,需要空間支撐,俗話說“站得高,看得遠(yuǎn)”,手機天線也一樣,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。手機超薄化,把天線圖案壓迫到一個近似平面的空間,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厚度時代,LDS技術(shù)將是主流工藝

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

其一是FPC基材邊角容易翹起,尤其是過一段時間就有這個毛病,使得手機存在質(zhì)量隱患。在厚機身時代,手機天線信號有裕量,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,用戶明顯感覺信號不行。要解決FPC這個“癌癥”,需用到一些價錢貴的膠和熱壓工藝,會大幅提升手機制造成本;

其二是人工粘貼時,耗費大量人力資源同時,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),手機天線圖案在手機中空間定位精度都在50微米內(nèi),用FPC去做天線設(shè)計已經(jīng)滿足不了一線手機品牌商的產(chǎn)品設(shè)計。

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,既省組裝的人工,又提升了天線指標(biāo)的一致性。

3.2、手機天線在5.Xmm厚度時代的空間位置

手機進入5.X厚度時代,天線制造位置前蓋板、底蓋中、中框上(中板)。前蓋中即手機“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行業(yè)另一個老大難問題:GPS天線信號難調(diào)到滿意效果。很多型號手機,在給運營商測試時候,GPS定位時間長,因為天線增益低。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

而底蓋若是金屬機身的話,手機天線制造在“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。這種制程還有一個特點:

手機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。因為,在后期化學(xué)鍍藥水中,金屬饋電點可以與塑膠上天線線路在藥水中“長”在一起。而特殊的保護工藝,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)。

隨著手機進入5.Xmm時代,以前金屬框通常采用的鋁、鋅合金材質(zhì)已經(jīng)不能滿足超薄手機的要求,鋅鎂合金、鈦鎂合金等高質(zhì)量的合金材料會逐步推廣。這些合金優(yōu)勢在于更輕,韌性更強。同時,合金+天線的技術(shù)會廣泛使用,但是合金材料的電鍍不良率一直是個行業(yè)難題。針對此難題,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)為多家手機品牌廠商進行量產(chǎn)。

手機歸根結(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,也不是最優(yōu)選項,但確是一個永恒的賣點。

業(yè)內(nèi)人士預(yù)計,不遠(yuǎn)的將來,迅速應(yīng)用在超薄手機商的技術(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,很多手機設(shè)計公司在測試中。閃傳視頻,可以與電視、車輛中顯示屏同步動態(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厚度。使得手機天線制造技術(shù)進一步“被逼迫”做到有限空間的塑膠上去。

總之新材料、新器件、新工藝不久將推動主流的手機演化到超薄的5.Xmm時代。

“納米注塑+LDS雙功能塑膠”型天線設(shè)計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。公司多年致力于金屬機型天線解決方案,具有豐富的各類型金屬機型天線調(diào)試經(jīng)驗,同時與其戰(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 機殼LDS 機殼化鍍等技術(shù)難題。目前已成功投入量產(chǎn)。

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