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防水技術在智能手機中的應用


  解決用戶痛點,增加使用場景,在蘋果三星等巨頭引領下,防水產業鏈上的模切產品爆發在即。


  1、消費電子防水滿足多重潛在用戶需求

  防止電子產品意外進水是用戶的痛點。電量、進水、碎屏是智能手機的三大痛點,進水損失最大。

  智能手機繼Type-C之后,轉向正在爆發的消費電子防水主題。防水能解決用戶多項痛點需求(防進水增加壽命、多場景使用/水下拍攝、易清洗更衛生),有望在蘋果(iPhone7/watch2)/三星(S7/Note7)等巨頭引領下,擴散其他品牌,以及跨領域到全部3C 及汽車、醫療領域,市場規模數百億。新一代防水技術環節中硅膠結構件、聲學、連接器、檢測設備等多個產業環節都有望受益市場爆發!解決用戶痛點,增加使用場景,在蘋果三星等巨頭引領下,防水產業鏈上的模切產品爆發在即。

  2、上一代防水技術:三防手機以外殼橡膠密封防水為主

  防水手機概念最早是從功能機時代的三防機開始的。三防機指的是實現防水防振防塵的手機:(1)防水:上下殼體防水,按鍵區域,電池倉,傳感器,SPK,MIC,受話器等;(2)防振:主要考慮外觀件的剛性,按鍵、蓋板保護,內部元器件保護;(3)防塵: 一般來講,若能達到防水,就能達到一定的防塵效果。

  全球最早的防水手機是愛立信的全球首款三防機——愛立信 R250 PRO,R250 PRO 機 身采用了鎂金屬制成,縫隙處嵌入了橡膠材質,在加上諸多特殊的細節處理,很好的保 證了該機的防水性能,同時該手機防水方面的技術工藝影響著后來歷代三防手機的防水設計。

愛立信 R250 PRO

手機潛在進水點

耳機接口防水

  三防機對外觀要求不高,因此外殼多采用軟+硬的雙料注塑工藝。為達到抗跌效果,手 機邊緣多為軟膠設計。在機身防護上面,首先考慮機殼上面潛在的進水點,如前后殼、 側鍵、觸摸屏與前殼之間、耳機和 USB 口、聲學器件、光學器件、電池蓋、鎖緊件等。 前后殼殼體硬膠多采用通常采用 PC+20% 玻纖材料,代表產品是三星 CF3200HF F17003, CF3200HF K2115;殼體軟膠通常采用 TPU 材料,拜耳 TPU 80AP10,材 料硬度 80;硅膠密封圈材料通常采用信越 KE-931-UU,材料硬度 30;固定螺絲通常 采用經耐腐蝕處理的碳鋼螺絲,常用的耐腐蝕處理有電泳黑,鍍鋅鎳合金及 PVD 工藝。

三防電子產品外觀

手機前后殼與防水圈

密封圈防水方式

  前殼與觸摸屏的防水主要采用熱熔膠,背膠等防水方式,類型有結構熱熔膠、防水雙面 背膠、防水雙面背膠+ 密封膠、防水雙面背膠+ 結構熱熔膠、前殼和 TP 等,根據部 件形狀的不同采用不同的密封工藝。Sim 卡和側鍵防水同樣主要采用雙料注塑的方式, 另外防水粘膠也是提升防水可靠度手段之一。

Sim 卡防水

Sim 卡防水

側鍵防水

側鍵防水

  總結來講,三防機所代表的手機防水結構件由防水膠墊、O 型密封環、防水泡棉、背膠 組成,主要材料是以橡膠密封為主,不同的部件密封的塑料有所差異。例如 O 型密封 圈是典型的擠壓型密封,采用彈性塑料,效果主要決定于 O 型圈截面直徑的壓縮率和 拉伸量。其他部位如手機屏幕普遍采用防水背膠和膠水貼合;按鍵用覆蓋膠膜;側鍵用 雙色注塑工藝;接口部分用軟硬膠和過盈配合;MIC 用覆膜和泡棉貼住。

  橡膠密封圈(O 型圈)是指截面為 O 型的橡膠圈。目前在液壓和氣壓傳動系統中應用 廣泛,用于機械部件在靜態和動態調節下防止液體和氣體介質的泄露。O 型密封圈結構 簡單、安裝方便、成本低、易維修、材質多樣,根據不同的條件可以選擇不同的材料與 之適應。

多種類型的防水橡膠圈

防水膠墊、O 型密封環、防水泡棉

三防手機不同不同的防水結構

3、蘋果、三星等巨頭引領新一代3C輕薄防水技術

  智能手機同質化競爭下,手機廠商想方設法提升產品可識別度和區分度,建立核心賣點。 建立有區分度核心賣點是中高端智能手機提升產品單價,增強盈利能力的主要手段,也 是新技術被不斷采用的核心動力。各大手機廠商必須在手機產品上競爭性的采用新技術 來體現產品的可辨識度,而這也是爆款產品的特征之一。因此我們認為在 B 端,手機廠 商提升產品區分度也是其采用防水技術的驅動力之一,有望在接下來逐漸成為手機標配。

  三星已經開始將防水作為產品核心賣點加以宣傳推廣,同時產品防水功力也在持續提升。 我們注意到,今年三星利用奧運會這一契機,將三星 S7 edge 的防水大加宣傳,以“不 一樣的看法,不一樣的奧運”為口號,暗示三星 S7 edge 的多元使用場景,其廣告在 央視奧運節目中異常引人注目。此外,三星新旗艦機型 Galaxy Note 7 主打安全牌,將 虹膜識別和 IP68 等級的防水作為核心賣點,Galaxy Note 7 已經在水深 15m 處測試 30 分鐘而且并沒有造成故障。預期防水將作為未來三星手機差異化的核心賣點持續出現在 其品牌各種機型中。

三星 S7 將防水功能作為核心賣點大肆宣傳

2016 年新款蘋果產品加入防水功能:

1)Apple Watch Series 2

  Apple Watch Series 2 支持 50 米深度防水,游泳時也可以佩戴。新款的蘋果手表使用 的是比一代更加高級防水技術 IPX8,并且其防水性能經過各種方法測試。新款 Apple watch 的深度防水功能超出我們預期。

新款 Apple watch 支持深度防水

新款蘋果手表使用了更加高級的防水技術

2)iPhone 7 實現 IP67 防水等級

  除了手表之外,新發布的 iPhone 7 值得注意的新特性之一是 IP67 防水等級,能在水下 1 米處堅持 30 分鐘。發布會現場,在蘋果講到這個功能時,觀眾的反應非常熱烈,證 明消費者對防水功能的期待。

新款 iPhone7 支持 IP67 防水

iPhone 新防水功能可以防止意外落水損害手機

  蘋果持續布局防水專利,未來有望持續提升防水功能。我們梳理發現,蘋果在過去五年 中有多達 44 件有關防水的專利授權。以下列舉了其中兩件,從中我們可以看到蘋果在不斷深入布局不同手段的防水薄膜技術。在接下來的 iPhone8 中,我們有望看到具有更 高防水等級的蘋果手機。

蘋果防水專利示例

1、Methods for shielding electronic components from moisture
United States Patent 916143
時間:10/13/2015
內容:通過等離子體輔助化學氣相沉積(PACVD)將高度集成的電路板(PCB)用一個疏水涂層覆蓋和保護起來。

蘋果防水專利

2、Electronic devices with moisture resistant openings

United States Patent 8830662B2

時間:09/09/2014

內容:在電子設備潛在的水分進入的接口結構上面覆蓋防水透氣薄膜,包括按鍵,音頻 接口和數據連接接口以及結構件的空隙之間。

蘋果防水專利

蘋果防水專利

防水技術多環節受益,市場規??捎^

  與工業應用相比,手機的防水工藝的各個環節(設計、制造、測試)要求更加嚴格苛刻。 從總體情況來看,要達到高等級的防水技術(IPX6 以上),需要多種工藝的配合,不同部位,防水的手段具有多樣性。部分地方工藝與傳統概念的防水方式差異較大,例如在 麥克風和聽筒部分,由于需要傳導聲音,必須使用只能允許空氣分子通過,而不能讓水 分子通過的特殊工藝??偟膩碇v,智能手機的防水技術在不同的部位采用不同的隔離方 案,首先在外殼上以硅橡膠(圈、墊)密封和防水粘膠、聲學防水(防水透氣隔膜), 進一步采用電路板防水(納米材料覆膜)等多種方式,以達到高等級的防水效果。

防水技術產業鏈、代表產品、防水等級

  從蘋果三星等巨頭旗艦級手機向其他中高端普及,手機防水有望普及到迅速提升滲透率, 行業爆發在即。目前防水已經成為三星旗艦手機的標配,今年蘋果也把 IP67 防水功能 加入新款 iPhone7,17 年在新品(iPhone8)中進一步實現 IP68 等級。據供應鏈了解, 國內手機品牌華為、OPPO、VIVO、小米等也將會跟隨行業趨勢把防水作為賣點之一 加入新款手機中,防水技術有望復制指紋識別等技術的普及路徑,從三星、蘋果的旗艦 手機首先向其他品牌中高端機型(兩千元以上)普及,預計 2017 年蘋果發布防水等級 更高的機型后進一步刺激市場需求,到 2018 年實現中高端機型標配(滲透率 50%), 然后進一步往兩千元以下乃至一千元手機市場滲透。

智能終端防水技術滲透率預測

智能終端防水技術各環節市場規模



  1、硅橡膠密封是第一層級,核心是 LSR 液體硅膠注射成型技術

  相比其他類型橡膠,硅膠突出體現在彈性優良、壓縮率高、耐熱耐寒耐化學溶劑、耐氧 化、電絕緣、散熱等等。

  硅橡膠是目前防水結構件最佳選擇。目前結構件選擇使用的橡膠材料一般考慮硅橡膠或 者三元乙丙橡膠,選擇必須綜合考慮橡膠的性能,其中邵氏硬度、粘接要求、抗拉強度、 伸長率、工作溫度、耐寒度、耐老化等是主要考慮的指標,硅橡膠盡管價格高于三元乙 丙橡膠,但各方面性能均優于三元乙丙橡膠,因此成為電子產品防水首選材料。而液態硅橡膠加工又是其中的前沿技術。

  除了襯墊以外,槽的設計也是關鍵點之一。槽的尺寸,橫截面積必需和襯墊變形量相適 應,設計原則是,槽的截面積是襯墊的截面積。這樣才能使得襯墊壓縮后完全容乃在槽 內,使得槽的邊沿和蓋板緊密接觸,達到防水的效果。
在機身各處潛在進水口采用硅橡膠密封結構件(硅膠圈、硅膠墊)是保證消費電子產品 外殼不漏水的基礎手段。

  以防水智能機的代表三星 S7 為例,我們歸納總結了它 IP68 級防水的實現方案,主要 是通過在 Mic 口、耳機孔、側鍵、Sim 卡話&T card 卡托、Micro-USB 接口等處添加了 與機殼緊密結合的硅膠圈/硅膠墊,此外在 Cover Lens 和后蓋使用了泡棉密封。

三星 S7 各個位置防水構件歸納

三星 S7/edge 耳機口橡膠圈

三星 S7/edge 傳感器口橡膠圈

  三星新款 Note7 進一步驗證了硅膠密封的防水技術路線。我們從三星 16 年發布的新款 Note7 的拆機照片分析,與 Galaxy S7 類似,在耳機孔、Type-C 連接器、音量按鍵、 Sim 卡卡托、針孔等部位都加入了硅膠結構件。

三星 Note 7 耳機孔硅膠結構件

三星 Note 7 的 Type-c 接口硅膠結構件

三星 Note 7 的麥克風部位防水透氣膜

三星 Note 7 的麥克風部位防水透氣膜

三星 Note 7 的音量按鍵硅膠結構

三星 Note 7 的 sim 卡硅膠結構

三星 Note 7 的針孔硅膠結構

互聯網爆料的 iPhone 7 Sim 卡托

  從曝光的 iPhone7 SIM 卡托諜照來看,在 SIM 卡托上面加入了硅膠結構,也側面反應 了 iPhone 7 的防水設計思路與我們總結的路線相一致。

  從密封原理來講,橡膠密封是一種擠壓式密封?;驹硎且揽棵芊饧l生彈性形變, 在密封接觸面上面形成接觸壓力,只要接觸壓力大于密封介質的內壓,就不會發生泄露。

  智能手機采用的防水硅膠結構件與傳統三防機防水技術相比差異巨大。智能手機對外觀 要求高,導致其防水硅膠結構件體積更小,精密度更高,并且要求與金屬嵌件或塑料緊 密結合以實現可靠的防水效果。

新一代防水材料:LSR 液態硅膠市場爆發在即

  與金屬嵌件和塑料復合成型的特殊能力,使液態硅膠 LSR 作為防水硅膠結構首選材料。 LSR 具有眾多優勢和特點,例如優異的電氣絕緣性能、耐老化性能,機械強度高、彈 性好、成型快速方便,反應無副產物、無毒無味,使用溫度較寬,且安全衛生、產品可 延伸性強等優點,可制成不同形態、不同用途的系列化、差別化產品。目前 LSR 的主 要應用領域包括消費電子、汽車、醫療器械和醫療用品等。對比三星 S7 的機身各處的 零組件(包括 Sim 卡托、聽筒、Micro USB 接口、耳機孔等),與以往組件的不同在于 添加了 LSR 與金屬件復合成型,保證了這些部位的防水可靠性。

三星 S7 的 Sim 卡托增加 LSR 復合成型

耳機孔硅膠圈

  目前硅膠密封圈(硅膠結構件)的核心加工生產技術是液體硅橡膠注射成型技術 (LSR/LIM)。LSR 是 Liquid Silicone Rubber 的縮寫,即液體硅橡膠,而 LIM 是 Injection moding liquid silicone rubber 的縮寫,即注射成型液體硅橡膠。注射成型是一種制造工 藝,是指有一定形狀的模型,通過壓力將融溶狀態的膠體(液體硅膠)注入摸腔而成型, 工藝原理是:將固態的硅膠,通過注射機器的壓力,用一定的速度注入模具內,模具通 過水道冷卻將硅膠固化而得到與設計模腔一樣的產品。注射成型是液體硅膠的一種加工 方式,除注射成型外,液體硅橡膠還可以澆注成型和涂布成型,而大多數時候 LSR 采 用的是注射成型方式加工,因此 LSR 也可稱為 LIM。

  智能手機的防水硅膠圈多是在原有的金屬配件上進行二次成型,同時體型比一般使用的 硅膠圈更小,與機殼/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 技術,進一步提升難度。精密注射成型關鍵在于模具制造、溫度控制、上料壓力控制等 方面。模具制造難度在于毫米和微米級尺寸控制,進料等,溫度控制要求保證進料,脫 模的溫度適宜穩定,上料壓力控制會影響產品是否會產生氣孔、缺陷率等方面,直接影 響最終防水功能的可靠性。

  基于我們的分析,用于消費電子領域的防水硅膠結構件精密度和工藝控制要求高,單品 價值量是一般用于機械液壓領域和三防機的硅膠結構件的數倍。我們預計未來防水技術 將加速滲透到在智能手機,平板和可穿戴設備三大方面,硅膠密封結構件將會是采用了 防水技術的設備的基礎必備部件之一。依據這三大領域近三年的全球出貨量以及防水技 術的滲透率對防水技術的市場空間進行估算,到 2020 年防水硅膠結構件市場規模預計 將達到 30 億美金以上。

硅膠防水精密結構件產業鏈和行業企業

智能終端防水硅膠件市場規模

硅膠防水結構件市場規模估測

  智能終端防水之外,LSR/LIM 精密加工技術在汽車和醫療健康領域的潛在市場空間更 大。據 Markets&Markets 估計,汽車用橡膠零部件受到輕質材料使用增加和排放標準 提高、安全性和燃油經濟性的推動,到 2020 年預計將達到 405 億美元的市場規模,其 中在汽車領域 LSR 主要運用于汽車動力系統和電子系統的密封件、O 型環和一些部件 的表面加工等。醫療健康領域是由于 LSR 具有良好的生物惰性,因此廣泛應用在醫療 器械、器官、醫療用品、整容等領域。汽車和醫療市場的廣闊空間為行業企業提供了足 夠高的延展空間。

LSR 精密加工細分市場份額

汽車和醫療領域 LSR/LIM 應用(不完全統計)

  2、防水引領聲學大升級,結構材料重設計提升價值

  除了橡膠結構件外,智能終端產品的聲學防水也是技術關鍵點之一。與橡膠密封不同, 聲學防水要求保證防水的同時不影響聲音透過,同時保證部分散熱功能,因此其設計與橡膠密封有所不同。

  我們仍然以三星 S7 的聲學防水設計為例,一方面,S7 的聲學部件采用了硅膠和泡棉(雙色成型、超聲線、Nano-coating)防水結構件,另一方面在底部揚聲器開孔和揚聲器之間采用了防水透氣膜。代表產品是三星 S7/edge 采用的高分子材料—GORE-TEX 和粘合劑組成的薄膜產品,可以實現 IP67/68 級別的防水效果。除了 Gore-Tex 之外, 防水透氣膜的供應商還包括日東化學等。

三星 S7 的聲學構件中的防水膜

聲學防水結構

三星 S7/edge 采用的 GORE-TEX 材料

三星 S7/edge 采用的 GORE-TEX 材料

  戈爾特斯(GORE-TEX)面料是美國 W.L.Gore & Associates, Inc.(戈爾公司)獨家發明和生產的一種輕、薄、堅固和耐用的薄膜,它具有防水、透氣和防風功能 GORE-TEX。 代表產品是 GORE-TEX(R) 膨體聚四氟乙烯(ePTFE)。目前膨體聚四氟乙烯主要運用 在醫療植入體、含氟聚合纖維、墊圈和密封劑、工業電子設備的高級介質材料中。

  另外,聲學 SPK BOX 的外殼塑料也需要用專用的防水塑料,價格提升明顯。此外,在生產過程中,SPK BOX 結構的壓合也需要用專用的日本超聲波設備。

  防水和立體聲驅動 16-18 年聲學部件大升級,聲學結構復雜度提升單個產品價值量。 聲學構件的防水在原有結構上增添了防水透氣膜,同時還包括相關的橡膠結構件和粘膠等,加工復雜度大幅提升。預計今明兩年蘋果產品將持續升級和換代聲學部件,新增防水功能,并提升音效。據新一代 iPhone7 已經實現揚聲器防水,明年防水等級會更高。 此外結合揚聲器立體聲的實現,聲學器件有望在 16-18 年實現持續升級,聲學零部件的 價格也有望大幅提升(雙揚聲器增加 40~50%單價,耳機增加 30%左右)。

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