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5G高频要求下,高Q低损耗特性陶瓷有望在消费电子领域的需求空间打开

发布时间:2021-01-12  来源:立鼎产业研究网  点击量: 279 

——3C电子领域:我国已进入 5G 全面建设阶段,2020 5G 手机将加速普及,同时叠加可穿戴市场兴起,电子陶瓷市场需求打开。在 3C 电子领域,陶瓷主要应用于手机及智能手表等场景中。预计陶瓷市场空间随着下游应用的成长而持续提高——手机:2019 年为 5G 手机元年, 5G 建设进度推进,随预计 2019-2023 年全球 5G 手机渗透率由 0.9%增长至 51.4%;可穿戴:中国已成为全球第一智能可穿戴市场,预计2020-2022 年中国可穿戴设备出货量由 8847 万台增长至 11380 万台,市场规模由 473 亿元增长至 607 亿元。

陶瓷在3C电子领域中的应用


资料来源:公开资料

——AiP 是目前智能手机毫米波天线的主要方案: 缩短路径损耗、性价比高、符合小型化需求。设计 5G 毫米波天线性能主要考衡/影响因素有:中框设计/材料、高全面屏占比、RFIC 与毫米波天线阵列间的传输路径损耗、毫米波天线阵列材料等,目前提出的毫米波天线方案有:AoBAiPAiMAoCAiP 等方案。在综合考虑成本、良率、损耗、小型化等因素下,目前毫米波天线主要方案是 AiP,已经在三星量产发布的 Galaxy S105G 手机里面使用。AiP 概况如下:

1AiP=RF IC+天线: AiP 是基于封装材料与工艺将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术,是在 SiPsystem in package)的基础上,用 IC 载板来进行多芯片 SiP 系统级封装。AiP 除了必须使用先进的封装技术外(如覆晶、硅穿孔、系统级封装等),还需在内部层采用 LCP 材料,作为 FPC 板用,以降低信号干扰,减少路径损耗,提升信号传输能力

2AiP 优点:1) 缩短路径损耗:AiP 是将天线与芯片集成在封装内实现系统级无线功能的一门技术,缩短了芯片与毫米波天线阵列之间的距离减少了传输的路径损耗。2)成本具优势、制程成熟、符合小型化趋势:AoC 技术方案虽然可以很大程度缩减天线尺寸,但需半导体材料与制程上的统一,且要与其他元件一同结合于单一芯片中,制造成本高,较适合应用于 Terahertz(太赫兹)频段中。相比 AoC 方案,AiP 5G 毫米波波长 1-10mm 之间的频段下,片上天线的尺寸可以小于一般的芯片封装,AiP 将天线集成到芯片中,可以简化系统设计,有利于小型化、低成本。

LTCC AiP(低温共烧陶瓷天线封装)为 5G 多天线关键部件,陶瓷为主要材料。5G通信的关键技术是波束成形,集成许多天线元件的多天线在小型蜂窝基站中起着重要作用。LTCC 技术是为生产高频元件等零件而开发的一种构造方法,具体工艺为:在较低温度(约 900℃)下,将烧制的陶瓷片材被层压成多层用于低温烧制,并且在具有导体图案的电介质陶瓷片上形成金属导体微观布线路径,使其能够起作用作为电感器或电容器。在 LTCC 工艺过程中,为实现小型化和提高特性,不同材质的陶瓷薄板将成为主要材料,即电容器层采用的是高介电系数的陶瓷薄板,电感器层采用的是低介电系数的陶瓷薄板。

LTCC工艺示意图


资料来源:公开资料

——陶瓷天线满足小型化需求:与PCB 天线等相比,陶瓷天线介电常数高,同时可以有效缩小天线尺寸,提升手机内部空间利用效率,同时能助力手机实现轻薄化。具体可分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。多层陶瓷基板(LTCC 天线)采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结,天线金属导体可以印在每一层陶瓷介质层上,从而有效缩小天线尺寸。

块状陶瓷天线和 LTCC 工艺陶瓷天线


资料来源:公开资料

——大厂示范效应下,AiP加速渗透,陶瓷需求提升。目前,AiP已经成为手机毫米波天线主流方案,在以三星等为代表的大厂示范下,AiP模组在手机上的应用预计将进一步加速,从而加大对陶瓷切割等相关方面的需求:

安卓系:以三星GalaxyS105G为例看毫米波AiP应用及中框变化:20192月三星上市了全球首款支持mmWave6GHz以下网络的5G手机,芯片方面搭载了高通骁龙855SoC+高通骁龙x50基带+3个高通QTM052AiP天线模组,具体看内部毫米波天线位置:分别放置于顶部、左边和右边中框内侧。边框采取金属材质,侧边的金属边框更靠近屏幕,呈现出两侧薄、两头厚的金属带结构。后盖采取玻璃后盖(4G版本有玻璃及陶瓷后盖)。

苹果系:判断苹果新机中框有望新增挖槽/打通孔/注塑/覆盖蓝宝石/玻璃等去金属工序,预计为配置 AiP 进行去金属化准备,判断 20 年苹果将推出 5G 手机(毫米波、Sub-6G)。据 DigiTimes,苹果今年将采用自研 5G 毫米波天线模块,预计今年 5G 毫米波 iPhone 实际出货量预计可达 1500 万至 2000 万部,每部手机可能搭载 2-3 AiP 模组,整体估计 iphone 新机 AiP 模组总产量约在 3000-5000 万组。

判断一台智能手机需要 3-4 AiP 模块,价格为 14-16 美元,建议的摆放位置至上下端左右侧面边缘位置,对规避金属屏蔽 AiP 对应中框位置需做去去金属化处理。为了避免用户不同的持有位置对信号的干扰、高频段 mmWave 通信传播损耗较大等因素影响,mmWave手机需要引入多个 AiP 模组以加强覆盖能力及避免“天线门”,判断一支手机估计要用到 3~4 AiP 模块,价格方面看,由于 AiP 模组的集成性、芯片设计/小型化/兼容屏蔽设计复杂性、封测良率等因素,判断目前AiP 模组的价格为 18-22 美元,大幅高于传统天线。从具体应用来看,高通公司为 5G 移动通信系统开发的用户终端参考设计的图片上使用4 AiP, 2 个位于左右侧面,2 个位于上下端。


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