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防水技术仍是智能手机的一大痛点

2017-03-16 [责任编辑:wenwei]
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【导读】智能手机继Type-C之后,转向正在爆发的消费电子防水主题。新一代防水技术环节中硅胶结构件、声学、连接器、检测设备等多个产业环节都有望受益市场爆发!解决用户痛点,增加使用场景,在苹果三星等巨头引领下,防水产业链上的模切产品爆发在即。
 
一、防水技术渗透消费电子领域,巨头引领行业爆发

1、消费电子防水满足多重潜在用户需求
 
防止电子产品意外进水是用户的痛点。电量、进水、碎屏是智能手机的三大痛点,进水损失最大。
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
智能手机继Type-C之后,转向正在爆发的消费电子防水主题。防水能解决用户多项痛点需求(防进水增加寿命、多场景使用/水下拍摄、易清洗更卫生),有望在苹果(iPhone7/watch2)/三星(S7/Note7)等巨头引领下,扩散其他品牌,以及跨领域到全部3C 及汽车、医疗领域,市场规模数百亿。
 
2、上一代防水技术:三防手机以外壳橡胶密封防水为主
 
防水手机概念最早是从功能机时代的三防机开始的。三防机指的是实现防水防振防尘的手机:
 
1)防水:上下壳体防水,按键区域,电池仓,传感器,SPK,MIC,受话器等;
 
2)防振:主要考虑外观件的刚性,按键、盖板保护,内部元器件保护;
 
3)防尘: 一般来讲,若能达到防水,就能达到一定的防尘效果。
 
全球最早的防水手机是爱立信的全球首款三防机——爱立信 R250 PRO,R250 PRO 机 身采用了镁金属制成,缝隙处嵌入了橡胶材质,在加上诸多特殊的细节处理,很好的保 证了该机的防水性能,同时该手机防水方面的技术工艺影响着后来历代三防手机的防水设计。
 
爱立信 R250 PRO
  
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
手机潜在进水点
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
耳机接口防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三防机对外观要求不高,因此外壳多采用软+硬的双料注塑工艺。为达到抗跌效果,手 机边缘多为软胶设计。在机身防护上面,首先考虑机壳上面潜在的进水点,如前后壳、 侧键、触摸屏与前壳之间、耳机和 USB 口、声学器件、光学器件、电池盖、锁紧件等。
 
前后壳壳体硬胶多采用通常采用 PC+20% 玻纤材料,代表产品是三星 CF3200HF F17003, CF3200HF K2115;壳体软胶通常采用 TPU 材料,拜耳 TPU 80AP10,材 料硬度 80;硅胶密封圈材料通常采用信越 KE-931-UU,材料硬度 30;固定螺丝通常 采用经耐腐蚀处理的碳钢螺丝,常用的耐腐蚀处理有电泳黑,镀锌镍合金及 PVD 工艺。
 
三防电子产品外观
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
手机前后壳与防水圈
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
密封圈防水方式
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
前壳与触摸屏的防水主要采用热熔胶,背胶等防水方式,类型有结构热熔胶、防水双面 背胶、防水双面背胶+ 密封胶、防水双面背胶+ 结构热熔胶、前壳和 TP 等,根据部 件形状的不同采用不同的密封工艺。Sim 卡和侧键防水同样主要采用双料注塑的方式, 另外防水粘胶也是提升防水可靠度手段之一。
 
Sim 卡防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
Sim 卡防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
侧键防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
侧键防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
  
总结来讲,三防机所代表的手机防水结构件由防水胶垫、O 型密封环、防水泡棉、背胶 组成,主要材料是以橡胶密封为主,不同的部件密封的塑料有所差异。
 
例如 O 型密封 圈是典型的挤压型密封,采用弹性塑料,效果主要决定于 O 型圈截面直径的压缩率和 拉伸量。其他部位如手机屏幕普遍采用防水背胶和胶水贴合;按键用覆盖胶膜;侧键用 双色注塑工艺;接口部分用软硬胶和过盈配合;MIC 用覆膜和泡棉贴住。
 
橡胶密封圈(O 型圈)是指截面为 O 型的橡胶圈。目前在液压和气压传动系统中应用 广泛,用于机械部件在静态和动态调节下防止液体和气体介质的泄露。O 型密封圈结构 简单、安装方便、成本低、易维修、材质多样,根据不同的条件可以选择不同的材料与 之适应。
 
多种类型的防水橡胶圈
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
防水胶垫、O 型密封环、防水泡棉
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三防手机不同不同的防水结构
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
3、苹果、三星等巨头引领新一代3C轻薄防水技术
 
智能手机同质化竞争下,手机厂商想方设法提升产品可识别度和区分度,建立核心卖点。 建立有区分度核心卖点是中高端智能手机提升产品单价,增强盈利能力的主要手段,也 是新技术被不断采用的核心动力。
 
各大手机厂商必须在手机产品上竞争性的采用新技术 来体现产品的可辨识度,而这也是爆款产品的特征之一。因此我们认为在 B 端,手机厂 商提升产品区分度也是其采用防水技术的驱动力之一,有望在接下来逐渐成为手机标配。
三星已经开始将防水作为产品核心卖点加以宣传推广,同时产品防水功力也在持续提升。 我们注意到,今年三星利用奥运会这一契机,将三星 S7 edge 的防水大加宣传,以“不 一样的看法,不一样的奥运”为口号,暗示三星 S7 edge 的多元使用场景,其广告在 央视奥运节目中异常引人注目。
 
此外,三星新旗舰机型 Galaxy Note 7 主打安全牌,将 虹膜识别和 IP68 等级的防水作为核心卖点,Galaxy Note 7 已经在水深 15m 处测试 30 分钟而且并没有造成故障。预期防水将作为未来三星手机差异化的核心卖点持续出现在 其品牌各种机型中。
 
三星 S7 将防水功能作为核心卖点大肆宣传
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
2016 年新款苹果产品加入防水功能:
 
1)Apple Watch Series 2
 
Apple Watch Series 2 支持 50 米深度防水,游泳时也可以佩戴。新款的苹果手表使用 的是比一代更加高级防水技术 IPX8,并且其防水性能经过各种方法测试。新款 Apple watch 的深度防水功能超出我们预期。
 
新款 Apple watch 支持深度防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
新款苹果手表使用了更加高级的防水技术
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
2)iPhone 7 实现 IP67 防水等级
 
除了手表之外,新发布的 iPhone 7 值得注意的新特性之一是 IP67 防水等级,能在水下 1 米处坚持 30 分钟。发布会现场,在苹果讲到这个功能时,观众的反应非常热烈,证 明消费者对防水功能的期待。
 
新款 iPhone7 支持 IP67 防水
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
  
iPhone 新防水功能可以防止意外落水损害手机
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
苹果持续布局防水专利,未来有望持续提升防水功能。我们梳理发现,苹果在过去五年 中有多达 44 件有关防水的专利授权。以下列举了其中两件,从中我们可以看到苹果在不断深入布局不同手段的防水薄膜技术。在接下来的 iPhone8 中,我们有望看到具有更 高防水等级的苹果手机。
 
苹果防水专利示例

1、Methods for shielding electronic components from moisture

United States Patent 916143
 
时间:10/13/2015
 
内容:通过等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)将高度集成的电路板(PCB)用一个疏水涂层覆盖和保护起来。
 
苹果防水专利
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
苹果防水专利
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
2、Electronic devices with moisture resistant openings

United States Patent 8830662B2
 
时间:09/09/2014
 
内容:在电子设备潜在的水分进入的接口结构上面覆盖防水透气薄膜,包括按键,音频 接口和数据连接接口以及结构件的空隙之间。
 
苹果防水专利
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
苹果防水专利
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
防水技术多环节受益,市场规模可观
 
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。
 
防水技术产业链、代表产品、防水等级
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
从苹果三星等巨头旗舰级手机向其他中高端普及,手机防水有望普及到迅速提升渗透率, 行业爆发在即。目前防水已经成为三星旗舰手机的标配,今年苹果也把 IP67 防水功能 加入新款 iPhone7,17 年在新品(iPhone8)中进一步实现 IP68 等级。
 
据供应链了解, 国内手机品牌华为、OPPO、VIVO、小米等也将会跟随行业趋势把防水作为卖点之一 加入新款手机中,防水技术有望复制指纹识别等技术的普及路径,从三星、苹果的旗舰 手机首先向其他品牌中高端机型(两千元以上)普及,预计 2017 年苹果发布防水等级 更高的机型后进一步刺激市场需求,到 2018 年实现中高端机型标配(渗透率 50%), 然后进一步往两千元以下乃至一千元手机市场渗透。
 
智能终端防水技术渗透率预测
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
智能终端防水技术各环节市场规模
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
  
二、防水产业链详解:多种结构多层次防护的结合

1、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 卡话&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 S7 各个位置防水构件归纳
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 S7/edge 耳机口橡胶圈
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 S7/edge 传感器口橡胶圈
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
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 耳机孔硅胶结构件
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的 Type-c 接口硅胶结构件
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的麦克风部位防水透气膜
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的音量按键硅胶结构
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的 sim 卡硅胶结构
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 Note 7 的针孔硅胶结构
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
互联网爆料的 iPhone 7 Sim 卡托
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
从曝光的 iPhone7 SIM 卡托谍照来看,在 SIM 卡托上面加入了硅胶结构,也侧面反应 了 iPhone 7 的防水设计思路与我们总结的路线相一致。
 
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。
 
新一代防水材料:LSR 液态硅胶市场爆发在即
 
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。
 
三星 S7 的 Sim 卡托增加 LSR 复合成型
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
耳机孔硅胶圈
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
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。
 
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。
 
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。
 
硅胶防水精密结构件产业链和行业企业
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
智能终端防水硅胶件市场规模
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
硅胶防水结构件市场规模估测
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
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。
 
LSR 精密加工细分市场份额
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
汽车和医疗领域 LSR/LIM 应用(不完全统计)
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
2、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。
 
我们仍然以三星 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—GORE-TEX 和粘合剂组成的薄膜产品,可以实现 IP67/68 级别的防水效果。除了 Gore-Tex 之外, 防水透气膜的供应商还包括日东化学等。
 
三星 S7 的声学构件中的防水膜
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
声学防水结构
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
三星 S7/edge 采用的 GORE-TEX 材料
 
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三星 S7/edge 采用的 GORE-TEX 材料
 
防水技术仍是智能手机的一大痛点
 
戈尔特斯(GORE-TEX)面料是美国 W.L.Gore & Associates, Inc.(戈尔公司)独家发明和生产的一种轻、薄、坚固和耐用的薄膜,它具有防水、透气和防风功能 GORE-TEX。 代表产品是 GORE-TEX(R) 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)。
 
本文来源于传感器技术。
 
 
 
 
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关键字:防水技术 智能手机 痛点 
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