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LCP,5G 时代最有潜力的材料

2022-11-15 来源:全国能源信息平台 浏览数:1

5G 时代已经到来,由于其高频高速的特性,将使得材料端有很大的变化。其 中 LCP 就遇到了这样 0→1 的发展契机,凭借其低阻抗、高耐受的特性,预计将成为最为适合的材料。随着 5G 频率提升,LCP 材料及其制品的渗透率将逐步提升,预计将使 LCP 整个市场快速增加至百亿以上。

一、LCP,性能优异的工程塑料

1、LCP 材料:优异的新型高性能特种工程塑料

液晶高分子(LCP)是指在一定条件下能以液晶相存在的高分子,其特点为分子具有 较高的分子量又具有取向有序。LCP 在以液晶相存在时粘度较低,且高度取向,而将其冷 却,固化后,它的形态又可以稳定地保持,因此 LCP 材料具有优异的机械性能。此外, LCP 材料还由于具有低吸湿性、耐化学腐蚀性、耐候性、耐热性、阻燃性以及低介电常数 和介电损耗因数等特点。

LCP 根据形成液晶相的条件,可分为:(1)溶致性液晶 LLCP,可在有机溶液中形成 液晶相,由于这种类型的聚合物只能在溶液中加工,不能熔融,多能用作纤维和涂料。(2) 热致性液晶 TLCP,在熔点或玻璃化转变温度以上形成液晶相,由于这种类型的聚合可在 熔融状态加工,所以不但可以通过溶液纺丝形成高强度纤维,而且可以通过注射、挤出等 热加工方式形成各种制品。我们本文讨论的 LCP 主要为热致性液晶 TLCP。

热致性 LCP 根据热变形温度高低分为高耐热型(I 型)、中耐热型(II 型)和低耐热 型(III 型) 。I 型 TLCP 的基本结构主要为对羟基苯甲酸(HBA)、联苯二酚(BP)及不同 比例的对苯二甲酸(TA)/间苯二甲酸(IA)引出的单元,抗张强度及模量在 TLCP 中最 高,热变形温度高于 300℃。以苏威的 Xydar 和住友的 SimikaSuper 为代表。II 型 TLCP 的主要成分是 HBA 和 6-羟基-2-萘甲酸(HNA)引出的单元,热变形温度在 240~280℃之 间,加工性能优异,可用挤出机和注塑机加工成型,典型的产品为泰科纳的 Vectra。III 型 LCP 主要为 HBA 和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)合成的共聚物,热变形温度低于 210℃, 如尤尼奇卡的 Rodrun 为代表的非全芳香族系列。

图 1:几种典型的 LCP 结构单元

LCP 材料具有优异的耐热性能和成型加工性能。聚合方法以熔融缩聚为主,全芳香族 LCP 多辅以固相缩聚以制得高分子量产品。非全芳香族 LCP 塑胶原料常采用一步或二步 熔融聚合制取产品。近年连续熔融缩聚制取高分子量 LCP 的技术得到发展。液晶芳香族聚 酯在液晶态下由于其大分子链是取向的,它有异常规整的纤维状结构,性能特殊,制品强度很高,并不亚于金属和陶瓷。机械性能、尺寸稳定性、光学性能、电性能、耐化学药品 性、阻燃性、加工性良好,耐热性好,热膨胀系数较低。

图 2:LCP 材料性能优异

2、产业链:中上游为技术难点,下游应用广泛

LCP 产业链中,LCP 树脂的合成及成膜为技术难点。目前,LCP 树脂主流的合成方 法包括以下 4 种。

(1)氧化酯化法:氧化酯化法是一种芳香族羧酸与酚的直接聚合方法。该方法在吡 啶或者酰胺溶剂中,在含磷化合物或者亚硫酰氯等活化剂以及催化剂作用下进行反应,可 以得到高分子量的 LCP,该方法反应条件较温和,且可以通过单体加入顺序控制分子结构 序列。

(2)硅酯法:芳香族酸类单体通过三甲基硅酯化后,再与乙酰化的酚类单体,通过 溶液或者熔融聚合工艺,去除三甲基硅乙酸酯小分子,可得到高分子量的 LCP。

(3)苯酯法:芳香族羧酸苯酯与酚类单体进行熔融缩聚的方法。但该方法采用的芳 香族羧酸苯酯价格比较昂贵,且在反应过程中会生成小分子苯酚难以除干净。最近住友化 学采用碳酸二苯酯与酚类单体通过“一步法”合成工艺合成出低醋酸残留的 LCP,且树脂 具有良好的流动性,是一种具有潜在优势的合成工艺。

(4)酸解反应法:芳香族二元酸与乙酰化的酚类单体进行熔融缩聚,脱去副产物醋 酸得到 LCP。该方法是目前 LCP 工业化生产的主要方法。

3、LCP 的加工方法主要包括以下 4 种。

(1)注塑成型:注塑成型是 LCP 最主要的成型方法。LCP 不仅具有优异的加工流动 性,且固化速度快,适用于采用注塑成型方法加工。相对于聚苯硫醚(PPS)和耐高温尼 龙(HT-PA),制件具有无飞边等优势。但由于 LCP 分子链是刚性棒状的,易于沿流动方 向取向,从而导致成型制件在平行于流动方向与垂直于流动方向的性能差异以及熔接痕强

度较差等缺点。近年来通过模具设计等方法在一定程度上改善了熔接痕强度差以及各向异 性等缺陷。

(2)挤出成型:挤出成型方法常用于生产塑料薄膜和管材等。由于 LCP 容易呈各向 异性,采用传统挤出工艺加工成型 LCP 薄膜在熔体流动的横向方向性能较弱。因此,目前 LCP 一般与其它各向同性的材料,如 PET、乙烯-乙烯醇共聚物( EVOH) 等通过共挤出加 工成型成多层薄膜或者管材。

(3)溶液浇注成型:LCP 具有较低的热膨胀系数、优良的尺寸稳定性、低吸湿性、 优异的高频特性和电绝缘性能,使其在高频电路基板得以广泛的应用。其中挠性印制板和嵌入式电路板需要布局灵活及高密度的布线,因而对成型工艺要求非常高。传统的注塑、 挤出等方法难以满足其工艺要求。住友化学通过特殊的分子设计生产 LCP 树脂,然后溶解 在特殊的溶剂中通过溶液浇注(solvent-cast)成型后可以得到强度和挠性非常好的薄膜。所采用的溶剂不同于目前所常用的含氟苯酚溶剂,可操作性强。而且通过溶液浇注成型后的制件避免了注塑、挤出成型所造成的各向异性的缺陷。同时可以成型更加复杂的基材, 且可以混入更多的填料。目前该方法加工成型的 LCP 薄膜制件正在电路板中推广使用。

(4)吹塑成型:LCP 具有优异的耐气体透过性和耐溶剂性能,可通过吹塑成型成阻 隔性能优良的中空成型制品或者薄膜制件,例如汽车部件中的油箱和各种配管。但 LCP 熔 体张力低而导致其垂伸严重,因此通过吹塑成型法制备所需形状的成型制品有一定的困难。

二、全球 LCP 树脂材料产能集中在日本、美国和中国

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。

1、市场格局:美日主导,国产材料崛起在即

国内薄膜专用树脂及薄膜开发起步晚,LCP 薄膜用树脂及薄膜生产几乎由日本、美国 垄断。LCP 产业链多家日美厂商拥有垂直整合能力。日本住友集团(住友化学/住友电工) 是目前仅有的一家具有自 LCP 树脂至模组一体化生产能力的厂商。村田制作所 2016 年通 过并购 LCP 膜厂商日本 Primatec 向上游整合,拥有 LCP 膜到软板一体化生产能力(2017年膜退出 LCP 天线模组业务)。日本藤仓电子具有聪 LCP 软板到模组的生产能力,在高频 微波软板和高速接口传输线方面具有优势。

LCP 树脂材料供应商众多,但可商用于 LCP 多层板的非常有限。LCP 树脂材料龙头 宝理塑料、住友化学、塞拉尼斯等在 1985 年已开始研发并商业化生产 LCP。国内厂商沃 特股份、普利特、金发科技和聚嘉新材料已成功进入 LCP 树脂市场。

表 1:全球液晶高分子的主要生产商

2、LCP 材料下游应用领域不断拓展

LCP 的下游应用领域广泛。LCP 兼具高分子材料和液晶材料的特点,具有杰出的综 合性能,其在航空航天、电子、汽车工业等领域都得到了广泛的应用。同时随着 LCP 新产 品的开发,新兴应用领域仍在不断拓展。

图 3:LCP 下游应用广泛

2019 年 LCP 全球需求量在 7.4 万吨左右,主要应用在电子前期领域,随着未来在 5G 等领域的需求的快速增长,消费电子和电子电器领域的需求量将有望快速增长。

三、5G 时代来临,LCP 需求迎来爆发

5G 时代逐步来临,由于 5G 高频高速的特点,对材料的要求也进一步提高,尤其是 在信号传输过程中降低损耗显得非常重要。LCP 是目前工程塑料领域介电损耗最低的材料, 综合优势最强,我们认为未来在基站端和手机端都将大幅增加 LCP 材料的使用。

图 6:LCP 材料介绍

1、手机端,LCP 模组将有望成为手机天线端的终端解决方案

在 5G 领域手机端,LCP 凭借良好的传输损耗、可弯折性、尺寸稳定性及低吸水率, 是技术角度上最符合天线要求的材料。

目前 PI 基板 FPC 天线模组仍是目前手机主流设计方案。但是随着 5G 时代的来临, 预计 MPI 和 LCP 基板的 FPC 将加速替代。以 A 公司为例,在 iPhone8 首次引入 LCP 软 板的天线方案,2018 年三款机型 XR/XS/XS max 仍继续采用 LCP 天线方案,分别使用 3/3/2 个 LCP 天线。我们认为这是 A 公司在为 5G 时代进行提前布局。

目前,MPI 通过调整配方性能已大幅提升,在 Sub-6GHz 频谱下与 LCP 性能相当(但 在毫米波频谱下仍有差距),且成本低于 LCP 天线 20-30%。此外,从供应链的角度而言 目前 LCP 薄膜基本上被日本企业垄断,MPI 的供应商远多于 LCP,从供应链稳定性和议 价能力角度,A 公司短期降低了 LCP 天线的数量;但是考虑到长期国内产能的释放和技术 的逐步突破,我们认为随着 LCP 膜材的逐步国产化,LCP 基材的软板的成本将大幅下降, 市场将加速拓展。

根据 Yole 发布的 5G 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 30-60GHz。在市场应用方面,智能手机等终端天线的信号频率不断提升,高频应用越来越 多,高速大容量的需求也越来越多。为适应当前从无线网络到终端应用的高频高速趋势, 软板作为终端设备中的天线和传输线,我们认为其中的 MPI 天线可能只是过渡,未来主力 市场将是 LCP 天线。

2、基站端,LCP 的振子将有望成为主流路线

5G 基站对于振子有更严格的要求:(1)高度集成,主动天线单元(AAU)集成 RRU 和 AAU,支持更多天线频段需提升生产效率,SMT 成为 AAU 的制造工艺,天线振子材料 耐温超过 260℃。(2)大规模多入多出(Massive MIMO)及波束赋形天线技术,需要更 多的天线,材料需轻量化,塑料天线振子成为趋势。(3)毫米波段的电磁波衰减性大,要 求天线振子材料具有低介电损耗。

目前市场上天线振子类型可大致分为三种:金属压铸、PCB 贴片和塑料振子,其中塑 料振子又有 LDS(激光直接成型技术)和选择性电镀两种工艺方案。4G 时代的天线振子 以金属材质为主,制造工艺以铸造工艺和钣金工艺为主,重量和体积较大,信号传输精度 也不能很好地满足 5G 时代的要求;而 PCB 贴片虽然重量轻、成本可控,但是面损耗高, 对施工安装的要求也较高。

而通过改性塑料材料,用注塑成型的方式将天线振子形状一次性制造出来,再采用特 殊技术将振子的塑料表面金属化,与钣金、压铸式工艺相比,3D 塑料振子除了在重量上 具有优势,还能满足钣金和压铸工艺所不能实现的精度要求,能较好地适应 3.5GHz 以上 的高频场景,将成为 5G 时代天线振子的主流方案。

目前主流的振子使用的改性塑料方案以 PPS(聚苯硫醚)为主,相较于 PPS 材料, LCP 材料具有低介电损耗、耐候性好、综合成本低等优势,未来有望加速进入供应链体系。

四、市场空间超过百亿,价值量上薄膜优于树脂

我们按照手机端和基站端分别进行测算,来测算 LCP 未来市场的需求空间。

我们做了如下假设:

1)手机端, 2019、2020、2021、2022 和 2025 年,苹果系统渗透率分别是 50%、 75%、100%、100%和 100%;安卓系统渗透率分别是 0%、7%、14%、21%和 40%;

2)基站端,LCP 振子的市场占有率 2019、2020、2021、2022 和 2025 年分别为 0、 20%、30%、40%和 80%。

我们认为未来 LCP 市场将超过百亿,其中 LCP 薄膜的市场空间就超过百亿。目前, LCP 薄膜主要的生产企业仍是国外企业,但是国内一些树脂企业和拉膜企业已经在进行试 样并取得了良好的效果,目前正在工业化准备阶段,我们预计 2020 年下半年就会有企业 形成实质性的销售。

LCP 树脂需求将快速增长,预计未来 5 年行业的总需求量将翻番,其中适合拉膜的高 端牌号需求将快速增长。

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