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LCP行业深度全面研究报告推荐
LCP行业深度全面研究报告
前言和4G相比,5G最重要的变化在于高频和高速,但频率越高,信号的衰减越大,对低损耗的天线材料的需求越迫切。
传统材料已经无法适应新的挑战。
LCP(液晶高分子材料)将成为5G天线的首选材料。
但目前全球范围内成熟的产业化技术被日本和美国所掌握,因此包括华为在内的中国企业,必须掌握材料的主导权,否则将被国外企业扼住咽喉。
LCP的国产化势在必行,产业链的投资机会巨大。
我们系统研究了LCP薄膜材料的竞争格局、市场空间,以及国产化进程,供投资者参考。
一、LCP性能优越,广泛应用于电子领域
(一)LCP材料简介
液晶高分子(LiquidCrystalPolymer,LCP)是一种新型的高分子材料。
液晶聚合物是一种介于晶体和液体之间的中间相态聚合物,在受热熔融或者被溶剂溶解后会由刚性固定转变为具有流动性的液体物质,同时又保持着晶态物质的取向有序性,从而形成兼具液态流动性和晶态分子有序排列特征的液晶态。
从分子结构看,LCP具有刚性棒状分子链结构,分子链可高度取向排列,结构堆积紧密,大分子间作用力较大。
因此,与其他有机高分子材料相比,LCP表现出优异的性能如耐高温、高强度机械性能、优越的电性能和加工性能等。
根据生成液晶的条件不同,LCP可以分为溶致性液晶(LLCP)、热致性液晶(TLCP)、压致性液晶。
其中,压致性液晶比较少见;溶致性液晶需要在溶液中加工,一般用作纤维和涂料;热致性液晶可在熔融状态加工,可生产注塑级、纤维级和薄膜级材料,目前应用最为广泛。
(二)LCP材料的发展历程
LCP的研发生产集中在美国和日本,美国率先发明,日本后来居上。
LCP产品根据合成单体的不同可划分Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。
I型液晶聚合物单体由PHB、BP和TPA构成,结构中的苯环属于刚性链段,因此耐热性能极高,热变形温度可达到300℃以上且拉伸性能好,其下游产品主要用于电子元件如连接器等。
Ⅱ型单体由PHB和HNA构成,单体构成最简单,聚合物相对分子量最大,机械性能突出,是最适宜生产天线材料的LCP类型。
Ⅲ型单体由HBA和PET构成,酯基结构使得使分子链中柔性链段增加,从而导致材料热变形温度降低,目前只用于生产连接管和传感器的塑料。
I型液晶聚合物最早在1972年由美国CBO公司的EconomyJ.和CottisS.率先研发并投入生产,申请牌号为Ekonol,这是第一款商业化LCP产品。
1979年住友化学公司引进该技术,并自主研发E2000系列,标志着日本也拥有了生产LCP的技术。
1984年CBO将技术转让给Dart,索尔维通过整合Dart公司掌握LCP生产技术,并推出Xydar牌号产品。
I型LCP产品具有较高的耐热性,但是其加工性能较一般。
II型液晶聚合物于1984年由Hoechst-Celanese公司开发成功,1985年开始生产Vectra牌号产品。
后来,塞拉尼斯把技术转让给旗下的Ticona(泰科纳)公司生产,泰科纳成为当时全球最大的LCP生产商。
1995年杜邦推出牌号为Zenite的产品,这项业务后来也被泰科纳所收购。
1964年,为了保证在亚洲地区的化工生产,美国泰科纳与日本大赛珞化学公司合资成立Polyplastics(宝理塑料)。
1996年,宝理塑料从塞拉尼斯引进LCP生产技术,生产牌号为LAPEROS的LCP产品。
II型液晶聚合物综合性能表现十分突出,既有高耐热性能,也有很好的加工性能,因此是目前市占率最高的产品类型。
Ⅲ型LCP是1976年由伊斯曼-柯达公司研发,于1986年开始生产以X-7G为牌号的产品。
东丽公司在1994年开始生产Siveras牌号的LCP。
Ⅲ型产品的主链由单体HBA和PET构成,其特有的含有乙二醇形成的酯基结构使得使分子链中柔性链段增加,从而导致材料热变形温度降低,因此Ⅲ型产品耐热性能略差,是目前使用最少的产品类型。
(三)LCP全球规模9.5亿美元,电子领域应用占比近3/4
2002年,全球LCP市场需求量仅为1.6万吨,2016年总需求量达5.4万吨,规模达9.5亿美元。
根据ZionMarketResearch预测,2023年全球LCP市场规模将达14.5亿美元,2016-2023年复合增速为6.2%。
LCP下游应用十分广泛。
最初,美国发明TLCP材料后将其主要用于微波炉或其他炉具等耐高温材料,由于利润不高美国逐渐退出生产领域,而日本厂商则对LCP材料的生产和研发持续关注。
随着工程领域对特殊性材料的需求日益增长,LCP因其特有的物理性能而被重新纳入大众的视野。
根据Prismaneconsulting统计,从产品应用上看,电子电器及消费电子、工业、汽车是主要的下游应用领域,分别占据80%、7%和6%,其中连接器用量近2/3。
LCP在电子电器中的应用主要为高密度连接器(SMT)、天线、线圈、开关、插座等;在工业领域用于泵零件和阀零件,如化学装置中使用的阀门、泵、蒸馏塔填料、耦合器等装置;在汽车领域应用于汽车燃烧系统元件、燃烧泵、隔热部件、精密元件、电子元件等。
其他功能应用也很广泛,如消费材料类用于电磁炉灶容器、包装材料以及体育器材;医疗器材类用于外科设备、插管、腹腔镜和齿科材料等;体育器材用于网球拍、滑雪器材等;视听设备用于耳机开关、扬声器振动板等材料。
二、受益5G加速建设,LCP市场快速增长
(一)当前从需求量角度来看,LCP粒子在连接器领域增长明显,需求空间有望达40亿元
大陆已正式成为全球最大连接器市场,根据统计,1999~2011年之间,中国连接器区域占有率自4%增至22.5%,成长率近5倍。
在中国大陆3C品牌抬头的带动下,中国大陆本土连接器/线厂商崛起,产业链体系快速成形,也逐步培育出部分大型本土CableAssembly厂商,包括立讯精密、长盈精密、中航光电、恩尼特克电子等。
电子连接器是一种连接两个导体、使电流或讯号在导体间传递的导体设备,其结构分为连接器本体,接触弹片和外壳等其他部分。
现今连接器本体主要材料有LCP、尼龙(PA)、PPS等高温塑料。
上世纪90年代之前,连接器市场占有率最大的热塑树脂材料为尼龙和热塑聚酯;90年代之后,随着应用要求的严格化,LCP、PPS等其他材料需求增长较快。
连接器是手机中至关重要的电子元件,其质量直接关系到手机的使用。
手机连接器的产品种类有很多种,平均每个手机约使用5~9种不同种类的连接器,其种类可以分为FPC连接器、板对板连接器、I/O连接器,电池连接器、卡连接器和天线连接器等。
FPC连接器用于LCD显示屏到驱动电路的连结,是使用柔性的线路板连结,可以弯曲,主要用于DVD、手机、平板电脑等电子产品,具有密度高、体积小、重量轻、线槽间距小等特点。
FPC连接器绝缘薄膜最为常用的材料是PI和聚酯材料,截止至2015年,美国柔性电路制造商中约有80%使用PI薄膜材料,另外20%使用聚酯薄膜材料。
LCP材料也被应用于FPC连接器中,早在2004年,就有高端产品使用能耐受更高温度的LCP材料。
板对板连接器用于连接两块驱动电路(PCB)。
因其对塑胶体零件的耐热性、尺寸安定性、成型性和强度等几个方面的要求较高,难有材料能够满足。
但通过塑胶结构和模具结构的设计,可以弥补LCP材料在强度方面的不足,因此板对板材料通常选用LCP材料。
I/O连接器,即Input/Output连接器,负责手机与外部设备的连接。
高温尼龙和LCP材料都有在I/O连接器中应用。
电池连接器可分为弹片式、闸刀式和FTB(FPCToBoard)电池连接器。
塑胶部分主要用LCP材料。
卡连接器主要用于连接SIM卡、SD卡等卡,其结构分为绝缘体、触摸件、外壳和其他附件。
绝缘体的作用是使触摸件按所需方位和距离摆放,并使触摸件之间、触摸件与外壳之间绝缘。
绝缘体材料需要具备杰出的绝缘电阻、耐电压功能以及易加工性。
连接器绝缘体常用尼龙和LCP材料。
LCP的应用划分中,电子占比约为80%。
我们假设未来电子领域用LCP的比例仍保持80%,且连接器市场在电子中占比约为50%,由此可测算,到2023年,LCP在连接器领域的市场规模将达5.8亿美元,近40亿人民币。
(二)从价值角度来看,LCP膜级树脂潜力巨大,而薄膜远期市场空间近140亿元
1、手机通信的高频化影响天线材料的选择天线(antenna)是在空间传播的无线电波和在金属导体中移动的电流之间的变换器。
在传输时,无线电发射器向天线的终端提供电流,天线从电流辐射能量产生电磁波;在接收时,天线截取无线电波的一些能力,在其终端产生电流,并将电流施加到接收器中放大。
天线是所有无线电设备的重要组成部分,所有利用电磁波来传递信息的设备,如广播、电视、手机以及物联网和汽车通信都需要天线的存在。
由于电磁波在空间传输的过程中会产生损耗,天线的增益、天线与收发信器传送射频能量的传输线的损耗、发射器的发射功率和接收器的灵敏度都是影响天线传输性能的重要因素。
不仅如此,电磁波还会被金属反射、吸收和消除,从而引起信号屏蔽,电子元件很容易干扰到电磁波,因此,在设计时,天线需放在远离金属零部件和干扰元件的地方。
根据不同的功能,手机天线可分为Wi-Fi天线、蓝牙天线、GPS天线、网络天线、NFC天线等,由于部分功能有相同的工作频段,有些天线可以共用,只要通过软件进行切换就不会互相干扰。
比如手机蓝牙和Wi-Fi的工作频率都是2.4GHZ,蓝牙天线和Wi-Fi天线很多时候会整合在一起。
天线是定制化产品,无设计标准。
不同的终端机可能使用不同的芯片、采用不同的电路、由不同的材质制成,手机外形、屏幕大小也在不断创新,这些都是设计天线时需要考虑的因素。
最早的手机采用的天线是外置式的,从诺基亚开始转为内置式的天线。
起初内置式天线由金属片制成,后来FPC(FlexiblePrintedCircuits,柔性电路板)工艺代替了金属片。
FPC因自身材质较软,不仅可贴合曲面,还能转折,比起金属对天线的外形和结构设计的要求少了许多,从1G时代至今一直是主流的技术。
随着天线产业进一步的研发和创新,LDS(LaserDirectStructuring,激光直接成型)天线技术被发展了出来。
LDS天线技术在特殊材料上将天线用激光雕刻出来,避免了因天线过多导致手机内部元器件互相干扰。
这项技术最早在2007年开始运用于手机天线的制作,但由于在2012年前价格较贵,直到4G时代才开始被广泛采用。
目前三星、HTC、华为等品牌的超薄型手机的主天线就采用了LDS天线技术。
随着通讯技术的不断发展,手机通讯中无线电波应用的频率逐渐升高。
为了满足性能需求,以iPhone为代表的手机天线经历了一系列设计结构、制造工艺和材料选择的改良。
以iPhone手机为例:
2007年~2009年,手机通信从2G迈向了3G。
这期间,从初代iPhone到iPhone3GS的天线设计中,均使用了FPC天线搭配支架的设计。
初代iPhone支持EDGE网络,Wi-Fi和蓝牙无线通信。
其背部由两种材料制成,上半部分为金属,下半部分为塑料,内置FPC天线位于手机底部,由射频同轴连接线连至主板。
iPhone3G和iPhone3GS支持3G网络,增加了GPS天线。
两者均采用塑料背板且机内天线被分为两个部分。
iPhone3G的蜂窝网络天线位于手机下部,WLAN、蓝牙和GPS天线则安装在手机上部。
2010年,iPhone4创新使用了金属边框天线,之后的中高端机型中金属后盖也因此被广泛使用。
也由于iPhone4手机的两段式金属边框天线设计,有些使用者的握机方式引起了天线短路,于是出现了轰动的“天线门”事件。
2011年发布的iPhone4和iPhone4S由四条狭缝将边框分成上、中、下三段式设计,中间为隔离,上、下两部分为手机天线,解决了天线可能短路的缺陷。
同时,iPhone4S创新性地采用了1T2R的接收分集技术,上面的天线只做接收器使用,下面的主天线则用作发射和接收,这种架构延续到iPhone6。
这种两路接收的方案能够选择电波状态好的天线接收信号,降低了信号到达接收器时已经衰弱的可能性,给手机用户带来了更好的通信体验。
2012年~2016年,手机通信迎来了4G时代。
iPhone5和iPhone5c的天线设计基本沿用4S的三段式边框天线的设计方案,内置天线位于手机的顶部和底部,后盖中部则为金属。
2013年推出的iPhone5s支持双频Wi-Fi(2.4GHz/5GHz)导致Wi-Fi天线数量增加。
为了控制天线模组占用的空间,部分天线革新了制备工艺。
FPC一体型软板取代了射频同轴连接线。
也是从iPhone5s开始,为了使手机更加轻薄,苹果手机的部分天线使用了Insert-molding技术。
以iPhone6、iPhone7为代表的机型则采用纳米注塑工艺(NMT,NanoMoldingTechnology),通过纳米注塑工艺在全金属背板上形成白色塑胶条纹,将金属后盖分割成与iPhone5的边框类似的三段。
2017年开始,手机行业为5G展开布局。
iPhone8/8s,iPhoneX延用了上边框(GPS+副天线)+下边框(主天线)+LDS内置(Wi-Fi天线)的三段式设计。
手机通信的高频化也影响了天线材料的选择,iPhoneX抛弃传统的PI材料,采用多层LCP天线的设计。
虽然LCP天线制作工艺复杂,难度非常高,但因其介质和导体的损耗小,与5G技术的发展适配,日后有望成为主流。
2、5G高频低损耗要求,LCP将成为天线主流材料随着1G、2G、3G、4G的发展,手机通信使用的无线电波频率逐渐提高。
目前主流的4GLTE技术属于特高频和超高频的范畴,即频率0.3GHz~30GHz。
5G的频率最高,分为6GHz以下和24GHz以上两种。
现在正在进行的5G技术试验主要以28GHz进行。
由于电磁波具有频率越高,波长越短,越容易在传播介质中衰减的特点,频率越高,要求天线材料的损耗越小。
①随着天线技术的升级,天线材料变得越来越多样。
最早的天线由铜和合金等金属制成,后来随着FPC工艺的出现,4G时代的天线制造材料开始采用PI膜(聚酰亚胺)。
PI通常通过二酸酐和芳香族二的两种单体的加成缩合反应来合成聚酰胺酸(聚酰亚胺的前体),将该溶液酰亚胺化后,通过浇铸法将其加工成薄膜。
PI材料具有优异的耐高温、耐低温、高电绝缘、耐腐蚀等优点,主要在FPC中被用作绝缘材料。
但PI在2.4Ghz以上频率损耗偏大,不能用于10Ghz以上频率,且吸潮性较大、可靠性不足,将在高频的5G时代被逐渐替代。
②由于PI在10Ghz以上损耗明显,无法满足5G终端的需求,于是MPI(ModifiedPolyimide,改性聚酰亚胺)登上了舞台。
MPI是改良的聚酰亚胺是非结晶性的材料,基本上在各种温度下都可进行操作,特别是在低温压合铜箔时,能够容易地与铜的表面接着。
MPI氟化物的配方被改良,在10-15GHz的超高频甚至极高频的信号处理上的表现可以满足5G时代的信号处理需求。
目前性能表现与LCP相当,价格较LCP更具优势、低约30%,且生产企业更多,均为PI生产商转产。
③LCP(LiquidCrystalPolymer)是对5G信号表现最佳的材料,电学性质十分优异:
即使在在极高频也能保持介电常数恒定,具有一致性;介质损耗与导体损耗小,能够应用于毫米波的处理;热可塑性强,容易实现多层叠层。
随着高频高速的5G时代的到来,LCP应用前景光明,很有可能替代PI成为新的软板材料。
目前商业应用为苹果公司率先在iPhoneX中使用多层LCP天线,去年发布的iPhoneXS,iPhoneXSMax及iPhoneXR中均使用了六根LCP天线。
此外,iPhoneX采用全面屏后,留给天线的净空间减少,天线设计需要改变,LCP天线可以节省空间、代替射频同轴连接器。
但LCP的缺点也很明显,其制作工艺的复杂性导致目前的良品率不高,掌握该技术的天线供应商少,也正因为如此,LCP的成本很高,单组LCP天线的成本约为PI天线的10~20倍。
通过上述的比较,我们将PI、MPI、LCP比较结果汇总为下表,性能比较来看,LCP>MPI>PI,而价格LCP≈20PI、MPI≈70%LCP,所以当前MPI与LCP处于并存状态、共同应用于5G天线。
但随着后期LCP生产规模扩大、生产成本降低,凭借其损耗低等优势,有望获得5G天线材料领域最终胜利。
3、天线用LCP膜级粒子需求空间近8亿元①iPhoneLCP天线材料需求测算苹果从iPhone8开始尝试在局部使用基于LCP软板的天线模组,iPhoneX首次使用了两组LCP天线,随后推出的iPhoneXS/XSMax/XR也都使用了LCP天线。
但LCP天线的技术壁垒导致了供货商严重不足,苹果对上游供货商难以发挥议价能力,2019年新款iPhone的部分LCP天线可能会被价格更低且供货量更充足的MPI天线取代。
下面以首次使用LCP天线的iPhoneX为例,阐述LCP材料需求空间测算的方法。
在iPhoneX中,苹果使用了两组LCP天线和两组PI天线,顶部天线用于实现WIFI和蓝牙等功能,底部天线用于实现扬声器等功能。
通过分别测算天线中LCP的长宽,可以推断出iPhoneX天线中LCP材料的面积。
LCP薄膜是由颗粒或颗粒形式的热塑性LCP树脂制成,在天线中LCP软板多为双层板结构,因而在每片LCP软板上有两层LCP薄膜,则耗材面积是软板面积的两倍。
2018年,苹果手机销量约为1.96亿部,其中iPhoneX约6000万部,10月开始热卖的iPhoneXS系列和XR系列共约6000万部。
生产一部iPhoneX需要2根LCP天线,生产一部iPhoneXS系列和XR系列手机需要6根LCP天线。
根据LCP材料的耗材面积、LCP材料密度、LCP薄膜市场售价和LCP材料厚度即可以大致测算出2018年苹果对LCP材料的需求规模。
首先双层板结构的LCP软板有两层,一层的厚度为25μm。
一部iPhoneX所耗用的LCP薄膜面积S为142.46cm2,根据长方体体积公式V=Sh可以得出一部iPhoneX的LCP薄膜体积V为0.36cm3。
其次,已知LCP材料的相对密度ρ为1.62g/cm3,根据公式m=ρV,可得一部iPhoneX的LCP薄膜质量m为0.58g。
天线用LCP膜的售价约为270元/kg、2018年iPhoneX销量6000万部,可以得出2018年共使用在iPhoneX的LCP薄膜材料约为34.62吨,价值约0.10亿元。
类似地,将这种方法推广到iPhoneXS、iPhoneXSMAX和iPhoneXR中,可以估算2018年苹果手机天线公用LCP材料138.47吨,价值0.39亿元。
假设苹果未来销售的全部手机数量与2018年持平、约2亿部,且每部手机平均应用6根LCP天线,则LCP膜材料需求量约为346.18吨,规模可达0.97亿元。
②LCP天线材料远期空间达7.74亿元近年来全球整体的智能手机出货量呈现稳定上涨趋势,这与终端设备软硬件的不断更新换代和3G、4G的逐渐普及有密不可分的关系。
根据IDG的报告显示,2016年全球智能手机出货量达到顶峰,为14.73亿部。
2016年之后,由于全球智能手机保有量达到较高水平、各大厂商新机缺乏亮点,全球用户换机欲望较低,全球智能机出货量出现缓步下滑的趋势,2018年出货量为14.05亿部。
IDC预测,从2019年起全球智能机出货量的复合增长率将为2.6%,2023年达到15.97亿部。
假设未来5G布局符合大众预期,在5年全球范围内实现全覆盖,以2018年iPhoneXS系列和XR系列的6根LCP天线需求量为基准,可以预测2023年LCP天线材料需求量将达到2764.92吨,市场规模可达到7.74亿元,年均复合增长率达到82.00%。
4、天线用LCP薄膜远期市场空间远超材料、近140亿元2018年,一部iPhoneX用到2根LCP天线,所耗用的LCP薄膜面积为142.46cm2、对应的LCP树脂质量为0.58g。
我们假设远期用到6根LCP天线,且随着技术的发展LCP成本降低、售价从2019-远期分别为500/500/400/300/200元/平米,再结合LCP膜在手机中应用比例10%/12%/15%/20%/100%,可以估算出5年LCP薄膜市场规模近40亿美元、超出LCP树脂材料空间一个数量级,而远期空间可以达到140亿,发展潜力巨大。
三、LCP材料主要被日美企业垄断,国内LCP企业处于突破及验证阶段
(一)LCP天线产业链核心为膜级树脂及薄膜成型,主要被宝理、塞拉尼斯等垄断
LCP天线的产业链由上游的原材料供应商和FCCL(FlexibleCopperCladLaminates,柔性覆铜板)制造商,中游的FPC软板制造商,和下游的天线模组制造商组成。
上游原材料有LCP树脂/膜和压延铜箔等材料。
FCCL制造商利用这些材料制造FCCL,软板制造商再利用FCCL和其他生产材料,加工制造FPC软板,最后天线模组制造商根据不同的天线设计将FPC软板加工成天线模组。
LCP天线多个环节均有技术壁垒,最难的是LCP纯树脂合成及拉膜两个环节。
(1)LCP树脂的合成本身就是高难度的,因为有两到三种的单体参与合成,聚合工艺特殊,且最佳路线被宝理和塞拉尼斯的专利所保护。
且对杂质、分子量分布有严格要求,对生产设备也有很高的要求。
(2)成膜工艺难度高,膜的制备需要大量实践,且由于树脂生产企业和薄膜企业的封闭供应链导致新进入者很难买到膜级树脂、更不用说制成合格的薄膜出来。
目前宝理-可乐丽(吹膜)-松下电工组合,宝理-村田(双拉)组合是市场上最成功的组合。
住友也在和包括日本千代田等企业在合作开发。
此外,膜的制备后还要进行热处理和涂覆工艺,里面也有非常多的knowhow。
(3)其他环节,如FCCL的环节需要压铜,而LCP的热熔性导致该工艺对温度控制的要求非常高;再者,在LCP软板上钻孔有难度,因为LCP软板有很多层,传统材料的FPC软板用的机械打孔方式不适用于LCP软板,目前日本村田制作所采用的是埋容埋感技术,台湾嘉联益则用的是激光打孔。
材料的高技术壁垒,使得LCP天线产业链核心为上游电子级LCP材料,主要被日美企业垄断。
LCP材料供应商主要包括日本的村田制作所,可乐丽,Gore-Tex和美国杜邦公司,沃特股份也有参与。
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