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电子产品防水结构设计现状与市场空间

发布时间:2016-12-30 11:47:02

  防止电子产品进水一直是产品设计的痛点,增加防水功能明显增加电子产品的耐用性和寿命,同时让用户扩大使用场景,实现水下拍摄、游泳听音乐等功能,提升可玩性,另外,支持随意清洗将大大改善手机洁净度,保护用户健康。日韩等国家防水电子产品已经普遍应用,并成为消费者选购的重要指标。

  新一代防水技术的成熟使得电子产品在增加防水功能的同时又不必像三防机那么臃肿,以手机为例,索尼系列手机和三星旗舰S7/NOTE7为代表的旗舰型手机已经成熟应用最高等级的IP68防水功能,而苹果的iPhone 7亦支持IP67防水,手表支持IP68 50m防水,苹果历来是技术风向标,有望引领明年国产品牌的跟进,且防水亦望从手机、手表全面延伸至可穿戴等3C产品,亦能在汽车、医疗等多领域大有作为。预计明年国产品牌望全面参与防水创新,数百亿市场爆发在即。

  与工业应用相比,手机的防水工艺的各个环节(设计、制造、测试)要求更加严格苛刻。从总体情况来看,要达到高等级的防水技术(IPX6以上),需要多种工艺的配合,不同部位,防水的手段具有多样性。部分地方工艺与传统概念的防水方式差异较大,例如在麦克风和听筒部分,由于需要传导声音,必须使用只能允许空气分子通过,而不能让水分子通过的特殊工艺。总的来讲,智能手机的防水技术在不同的部位采用不同的隔离方案,首先在外壳上以硅橡胶(圈、垫)密封和防水粘胶、声学防水(防水透气隔膜),进一步采用电路板防水(纳米材料覆膜)等多种方式,以达到高等级的防水效果。

表1:防水技术产业链、代表产品、防水等级.png

表1:防水技术产业链、代表产品、防水等级


一、硅橡胶密封是第一层级,核心是LSR 液体硅胶注射成型技术

  相比其他类型橡胶,硅胶突出体现在弹性优良、压缩率高、耐热耐寒耐化学溶剂、耐氧化、电绝缘、散热等等。硅胶是以从石英中获得的硅元素为基础,并由硅原子粘附诸如甲基、乙烯基等侧链而形成的饱和非极性橡胶。不同的侧链会导致硅橡胶具有不同的特性。甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)是应用较多的一种硅橡胶材料。硅胶原料一般为凝胶状,无色半透明,无味。主要特点是既耐高温(最高300℃)又耐低温(最低-100℃),是目前最好耐寒、耐高温橡胶;同时电绝缘性优良,对热氧化和臭氧的稳定性很高,化学惰性大。缺点是机械强度较低,耐油、耐溶剂和耐酸碱性差,较难硫化,价格较贵。邵氏硬度有20至90度。

  硅橡胶是目前防水结构件最佳选择。目前结构件选择使用的橡胶材料一般考虑硅橡胶或者三元乙丙橡胶,选择必须综合考虑橡胶的性能,其中邵氏硬度、粘接要求、抗拉强度、伸长率、工作温度、耐寒度、耐老化等是主要考虑的指标,硅橡胶尽管价格高于三元乙丙橡胶,但各方面性能均优于三元乙丙橡胶,因此成为电子产品防水首选材料。而液态硅橡胶加工又是其中的前沿技术。

  除了衬垫以外,槽的设计也是关键点之一。槽的尺寸,横截面积必需和衬垫变形量相适应,设计原则是,槽的截面积是衬垫的截面积。这样才能使得衬垫压缩后完全容乃在槽内,使得槽的边沿和盖板紧密接触,达到防水的效果。

  在机身各处潜在进水口采用硅橡胶密封结构件(硅胶圈、硅胶垫)是保证消费电子产品外壳不漏水的基础手段。

  以防水智能机的代表三星S7 为例,我们归纳总结了它IP68 级防水的实现方案,主要是通过在Mic 口、耳机孔、侧键、Sim 、T card 卡托、Micro-USB 接口等处添加了与机壳紧密结合的硅胶圈/硅胶垫,此外在Cover Lens 和后盖使用了泡棉密封。

  三星新款Note7 进一步验证了硅胶密封的防水技术路线。我们从三星16年发布的新款Note7 的拆机照片分析,与Galaxy S7 类似,在耳机孔、Type-C 连接器、音量按键、Sim卡卡托、针孔等部位都加入了硅胶结构件。


  从密封原理来讲,橡胶密封是一种挤压式密封。基本原理是依靠密封件发生弹性形变,在密封接触面上面形成接触压力,只要接触压力大于密封介质的内压,就不会发生泄露。智能手机采用的防水硅胶结构件与传统三防机防水技术相比差异巨大。智能手机对外观要求高,导致其防水硅胶结构件体积更小,精密度更高,并且要求与金属嵌件或塑料紧密结合以实现可靠的防水效果。

三星 S7/edge 耳机口橡胶圈.png

三星 S7/edge 耳机口橡胶圈


三星 S7/edge 传感器口橡胶圈.png

三星 S7/edge 传感器口橡胶圈


三星新款 Note7 进一步验证了硅胶密封的防水技术路线。我们从三星 16 年发布的新款 Note7 的拆机照片分析,与 Galaxy S7 类似,在耳机孔、Type-C 连接器、音量按键、 Sim 卡卡托、针孔等部位都加入了硅胶结构件。



三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜.png

三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜


三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜.png

三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜


三星 Note 7 的音量按键硅胶结构.png

三星 Note 7 的音量按键硅胶结构


三星 Note 7 的 sim 卡硅胶结构.png

三星 Note 7 的 sim 卡硅胶结构


三星 Note 7 的针孔硅胶结构.png

三星 Note 7 的针孔硅胶结构


  与金属嵌件和塑料复合成型的特殊能力,使液态硅胶LSR 作为防水硅胶结构首选材料。LSR 具有众多优势和特点,例如优异的电气绝缘性能、耐老化性能,机械强度高、弹性好、成型快速方便,反应无副产物、无毒无味,使用温度较宽,且安全卫生、产品可延伸性强等优点,可制成不同形态、不同用途的系列化、差别化产品。目前LSR 的主要应用领域包括消费电子、汽车、医疗器械和医疗用品等。对比三星S7 的机身各处的零组件(包括Sim 卡托、听筒、Micro USB 接口、耳机孔等),与以往组件的不同在于添加了LSR 与金属件复合成型,保证了这些部位的防水可靠性。

  目前硅胶密封圈(硅胶结构件)的核心加工生产技术是液体硅橡胶注射成型技术(LSR/LIM)。LSR 是Liquid Silicone Rubber 的缩写,即液体硅橡胶,而LIM 是Injection moding liquid silicone rubber 的缩写,即注射成型液体硅橡胶。注射成型是一种制造工艺,是指有一定形状的模型,通过压力将融溶状态的胶体(液体硅胶)注入摸腔而成型。工艺原理是:将固态的硅胶,通过注射机器的压力,用一定的速度注入模具内,模具通过水道冷却将硅胶固化而得到与设计模腔一样的产品。注射成型是液体硅胶的一种加工方式,除注射成型外,液体硅橡胶还可以浇注成型和涂布成型,而大多数时候LSR 采用的是注射成型方式加工,因此LSR 也可称为LIM。

  LSR 典型的生产流程包括混合、注射、硫化、脱件等步骤。液体硅橡胶LSR 是双组份加成型的,两个组份A:B=1:1。A 组份中包括硅生胶,填料,催化剂和抑制剂;B 组份包括硅生胶,填料,交联剂和抑制剂,使用铂金催化剂,加在A 组份中,AB 组份都含有抑制剂保证了常温下液体硅橡胶几乎不反应,通过注射出成型的方法加入模具,通过化学反应成弹性体制品。模具温度通常在140℃-230℃范围内。

  LSR 与传统热塑性胶料加工存在诸多区别,增大加工难度。LSR 在收缩率、脱模、模具材料、冷流道系统、温度控制等方面都与传统热塑材料加工存在较大区别,使得LSR的加工难度比普通热塑性胶要大。

表2 LSR 加工难点

表2:LSR 加工难点


  智能手机的防水硅胶圈多是在原有的金属配件上进行二次成型,同时体型比一般使用的硅胶圈更小,与机壳/配件配合程度要求更高,需要采用更加精密(微量)的注射成型技术,进一步提升难度。精密注射成型关键在于模具制造、温度控制、上料压力控制等方面。模具制造难度在于毫米和微米级尺寸控制,进料等,温度控制要求保证进料,脱模的温度适宜稳定,上料压力控制会影响产品是否会产生气孔、缺陷率等方面,直接影响最终防水功能的可靠性。

表3 微注射成型的工艺特征

 表3:微注射成型的工艺特征

  基于我们的分析,用于消费电子领域的防水硅胶结构件精密度和工艺控制要求高,单品价值量是一般用于机械液压领域和三防机的硅胶结构件的数倍。我们预计未来防水技术将加速渗透到在智能手机,平板和可穿戴设备三大方面,硅胶密封结构件将会是采用了防水技术的设备的基础必备部件之一。依据这三大领域近三年的全球出货量以及防水技术的渗透率对防水技术的市场空间进行估算,到2020 年防水硅胶结构件市场规模预计将达到30 亿美金以上。

表4 硅胶防水结构件市场规模估测 资料来源:IDC

 表4:硅胶防水结构件市场规模估测 资料来源:IDC

  智能终端防水之外,LSR/LIM 精密加工技术在汽车和医疗健康领域的潜在市场空间更大。据Markets&Markets 估计,汽车用橡胶零部件受到轻质材料使用增加和排放标准提高、安全性和燃油经济性的推动,到2020 年预计将达到405 亿美元的市场规模,其中在汽车领域LSR 主要运用于汽车动力系统和电子系统的密封件、O 型环和一些部件的表面加工等。医疗健康领域是由于LSR 具有良好的生物惰性,因此广泛应用在医疗器械、器官、医疗用品、整容等领域。汽车和医疗市场的广阔空间为行业企业提供了足够高的延展空间。


二、防水引领声学大升级,结构材料重设计提升价值

  除了橡胶结构件外,智能终端产品的声学防水也是技术关键点之一。与橡胶密封不同,声学防水要求保证防水的同时不影响声音透过,同时保证部分散热功能,因此其设计与橡胶密封有所不同。

  仍然以三星S7 的声学防水设计为例,一方面,S7 的声学部件采用了硅胶和泡棉(双色成型、超声线、Nano-coating)防水结构件,另一方面在底部扬声器开孔和扬声器之间采用了防水透气膜。代表产品是三星S7/edge 采用的高分子材料膨体聚四氟乙烯(ePTFE)。目前膨体聚四氟乙烯主要运用在医疗植入体、含氟聚合纤维、垫圈和密封剂、工业电子设备的高级介质材料中。

  另外,声学SPK BOX 的外壳塑料也需要用薄膜产品,可以实现IP67/68 级别的防水效果。专用的防水塑料,价格提升明显。此外,在生产过程中,SPK BOX 结构的压合也需要用专用的日本超声波设备。

  防水和立体声驱动16-18年声学部件大升级,声学结构复杂度提升单个产品价值量。声学构件的防水在原有结构上增添了防水透气膜,同时还包括相关的橡胶结构件和粘胶等,加工复杂度大幅提升。预计今明两年苹果产品将持续升级和换代声学部件,新增防水功能,并提升音效。据新一代iPhone7 已经实现扬声器防水,明年防水等级会更高。

  此外结合扬声器立体声的实现,声学器件有望在16-18 年实现持续升级,声学零部件的价格也有望大幅提升(双扬声器增加40~50%单价,耳机增加30%左右)。


三、连接器防水防尘:应用领域极为广阔,防水手段不断升级

  相对于消费电子终端防水,连接器防水的概念已经大范围应用在工业、通信、消费、汽车、军工等多种领域。很多特殊领域的连接器需要达到IP68 级别,甚至要求在10米深的水中连续工作数天到数月。IP68 级别的防水连接器可分为电源类和数据类两种。电源类主要用于水下照明、城市照明等;数据类连接器包括网线、USB连接器、蓝牙等。

  典型的连接器防水方案也是通过在接口部分加装O 型圈,密封圈等结构件完成防水功能。近年来,以金属注射成型(MIM)为代表的制造工艺被使用于连接器,例如Tyco的IP68 级Micro USB 2.0 连接器,使用MIM(金属注射成型)结构的不锈钢外壳,实现了IP68 等级的防尘防水性能。

  我们预计未来Type-C 接口也将会普及防水技术,进一步提升Type-C 连接器工艺的难度和价值。以最新发布的三星Galaxy Note 7 为例,三星Galaxy Note7 的防尘防水级别与S7 同样达到了IP68,理论上可以在1.5 米的水中浸泡半个小时。其采用的Type-C接口是裸露式的防尘防水设计,原理是机身的接口内部都采用了密封(硅胶结构)的设计,仅保留金属触点裸露在外面。此外,三星S7 的连接器接口能够自动检测是否干燥,如果过于湿润,手机将自动屏蔽充电功能,以防短路。我们判断三星在连接器部分采用了某种传感器装置,以提升手机防水的安全性。预计未来这项黑科技也有望提升渗透率,同时增加防水连接器的单价。

三星 Note 7 耳机孔硅胶结构件.png

三星 Note 7 耳机孔硅胶结构件


三星 Note 7 的 Type-c 接口硅胶结构件.png

三星 Note 7 的 Type-c 接口硅胶结构件

  除了手机type-C 接口外,手机搭配的耳机接口也将实现防水功能。针对众多用户在运动时可能出现的汗水渗入耳机接口,造成耳机接口失灵等问题,目前市面上已经有许多专业防汗耳机出售。我们判断接下来伴随手机等智能终端的防水功能的实现,手机搭配的耳机接口也将进一步实现防水功能。


四、电路板防水技术:新型纳米材料涂层

  电路板防水是智能终端防水的最后一道防线,主要技术方案是采用具有荷叶效应的高分子纳米材料技术。高分子纳米复合材料是指分散相尺寸至少有一维小于100 纳米的复合材料。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质,可以使涂料获得的功能。其中一类的纳米材料具备荷叶效应,可以实现荷叶一般的超强疏水性,作为防水材料,由于表面张力的作用,落到涂层表面上的水会变为水珠,不会破坏电子设备的内部材料。

  为电子设备增加防水纳米涂层的方法大体可分为喷涂、浸涂、刷涂、淋涂,近几年出现较多的喷涂,也叫气相沉积,是将电子设备放入到真空环境中,在低压状况下注入气态的防水纳米材料,使气体包围住电子设备,此时设备就会放出等离子体方便纳米材料附着到电子设备表面,进而凝固,电子设备的元件表面都会包含一层纳米材料。设计过程结束后,整个电子设备上的纳米涂层厚度约为头发直径的千分之一,同时表面比较光滑,具备了与荷叶相似的表面。但这种方法大多都采用了对电子产品整机进行涂敷的做法,并非直接作用于电路板上,而且产品外观结构的密封程度会影响电路板上膜层的完整度,所以劣势慢慢暴露出来。

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TIS-NM纳米涂层浸泡施工

    浸涂是直接把电路板浸泡到纳米材料溶液中,无须真空环境,无须进行气化,纳米溶液在电路板表面所形成的涂层很均匀也很完整,个别有维修的地方可以配合刷涂,比如青山新材料的TIS-NM纳米涂层,只需要浸泡3秒即可,并且干燥时间很短,常温下5-10分钟即可干燥,无须烘干,也非常适合产线批量应用。

    对于采用纳米涂层做电路板防水,除了作业方式的选择之外,更重要的是纳米材料的选择,基于微观结构的表面涂层都可以理解为纳米涂层,但其性能各异,所能达到的效果也就不同,青山新材料TIS-NM纳米涂层以优异的性能处于行业领先地位,拥有RoHS,REACH认证,通过NSS中性盐雾试验,耐盐雾能力明显强于同类产品,安全环保,无毒不燃烧,目前已获得国内多家上市公司测试认可,并实现批量应用。


五、OLED 显示屏防水要求较高,阻隔膜受益最大

  OLED 显示技术被公认是继阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、等离子显示(PDP)之后的新一代显示技术。目前OLED 技术已经成熟,有望逐步替代LCD 扩大渗透率,行业相关投资也如火如荼。国际显示巨头三星、LG、友达、Sharp 等投入巨资扩大产能,国内京东方、深天马、华星光电等也在加紧进行产线扩建,产能有望在2017 年底到2018年全面爆发。

  LED 有机材料对水和氧气敏感,遇水或遇氧容易发生反应而失效,所以 OLED 封装材料需要具有良好的阻隔性能,尤其是基板和封装盖板的阻隔性能要更好。

  OLED 器件的基本原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光。寿命相对较短是目前制约OLED 商业化的重要因素之一。研究表明,空气中的水汽和氧气等成分对OLED 的寿命影响很大,其原因主要是:OLED 器件工作时要从阴极注入电子,这就要求阴极功函数越低越好,但做阴极的这些金属如铝、镁、钙等,一般比较活波,易与渗透进来的水汽发生反应。另外,水汽还会与空穴传输层以及电子传输层(ETL)发生化学反应,这些反应都会引起器件失效。

  OLED 显示(包括柔性OLED 显示)涉及的膜材料包括阻隔膜、ITO 导电膜、PI 膜、COP 偏光膜、反射膜、增亮膜等等,其中在(柔性)基板和盖板表面沉积多层堆叠结构和粘贴阻隔膜是主要的防水实现形式。沉积的方式与电路板沉积纳米防水材料相接近,主要有磁控溅射法、电子束蒸镀法或等离子体增强化学气相沉积法等等。同时,硬屏OLED 和柔性OLED 都需要用到水汽阻隔膜,柔性OLED 更是两面都需要用到。目前最先发展阻隔膜的公司是3M,国内京东方等企业用的膜都来自3M,单价较高。

  阻隔膜处于爆发的前夕,目前国内有一些企业正处于送样测试阶段。未来行业将伴随OLED 渗透率的不断提升市场空间迅速增长。


六、防水气密性检测对设备提出特殊要求

  对于手机防水技术,后期的检测是比较特殊的一环,全检、气压检查法都是其特征之一,同时,为了保证防水的可靠性,手机必须逐个检测,这对防水检测设备的便利性也提出了更高的要求。

  防水检测代表性的方法有三种:差压法、压力表法、歪量法。差压法和歪量法的准确度都比压力表法高,但差压法耗材成本低。一般电子产品要求测试准确度较高,因此差压法和歪量法较常用在手机、手表等消费电子领域。

表5 三种防水的测试方法和设备.png

表5:三种防水的测试方法和设备

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