创新与危机下中国高端电子陶瓷发展

2020-03-19




介质谐振器天线(DielectricResonatorAntennas,DRA)是由由低损耗、高介电常数的介质材料构成的谐振式天线,一般通过微带线、微带缝隙或探针等馈电结构对其馈电,其谐振频率取决于谐振器尺寸、形状和材料的介电常数。性能角度分析,介质谐振器天线DRA除馈线以外无导体损耗和表面波损耗、具有较高的辐射效率、公差要求较低,且可以通过选择不同介电常数材料,灵活控制天线尺寸和带宽,实现小型化设计,与微带天线相比在5G高频段下具有特殊的优势。目前的介质谐振天线方案主要有宽带/超宽带介质谐振器天线、圆/双极化介质谐振器天线、毫米波介质谐振器天线、高阶模/高增益介质谐振器天线等,从形态上则有矩形、圆柱、多片、阵列等天线结构形态。



在高频段中,介质谐振天线用作小尺寸的增益天线具有特殊优势:


1. 通过选择不同介电常数材料,灵活控制天线尺寸和带宽:与一般天线相比,介质谐振天线相对介电常数越大,介质尺寸越小。谐振频率率取决于谐振器尺寸、形状和材料的介电常数,可选择高介电常数实现天线小型化设计。


2. 辐射频率高,介质损耗小:不存在表面波损耗,且处于谐振状态,所以DRA 的辐射效率很高(可达95%)。


3. 具有多种馈电机制:一般有口径耦合馈电,微带线耦合馈电,同轴探针馈电, 共面波导馈电等方式。


4. 谐振模式丰富:每种形状的介质谐振天线都具有不同的谐振模式,可以利用不同的谐振模式提高天线性能;


5. 具有更宽的阻抗带宽:通过除地面以外的整个谐振器表面辐射,且没有导体和表面波损耗,因而具有较宽的阻抗带宽且介质谐振天线品质因数(Q值)比较高,在微波波段可达103-104,且振荡频率的稳定性好。


6. 更易实现多频特性:相比传统天线,多频介质谐振器天线可以通过引入多个谐振单元、优化馈电方式和利用谐振器本身多模谐振特性等方式实现。


微波介质陶瓷是指应用于微波频率(主要是300MHz〜30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料,是制造谐振器、滤波器、介质基片、介质天线等的关键材料。它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,适于制造多种微波元器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。按照其介电性能大小的不同,微波介质陶瓷可分为低介、中介和高介电常数类3大类。从应用来看,以更高Q值(品质因数)的陶瓷作微波介质,按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列的介质谐振天线叫做陶瓷介质谐振阵列天线,可在手机中作内置天线,也可以广泛用于局域网系统等其它领域。



微波介质陶瓷优势:


高介电系数有利于实现小型化:谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比,微波介质陶瓷材料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化。


高稳定性:微波介质材料的谐振频率随温度变化较小,频率温度系数τf较小稳定性高。


低损耗:微波介质材料Q值与介质损耗tanδ成反比关系Q(=1/tanδ)。Q值越大,滤波器的插入损耗就越低。


陶瓷与金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料,陶瓷分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类。其中先进陶瓷是采用高度精选或合成的原料,按照便于控制的制造技术加工生成的具有精确控制的化学组成、便于进行结构设计的特性优异陶瓷,因其具备高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、电子、机械、航天、生物医学等各个领域。


按其特性和用途,先进陶瓷可分为结构陶瓷与功能陶瓷两大类,结构陶瓷具有机械/热/部分化学功能;功能陶瓷具有电/磁/光/声/滑雪/生物等特性,具有相互转化功能,在先进陶瓷中约占70%的市场份额。从行业来看,电子工业是功能陶瓷产业最大的终端应用市场,因此电子陶瓷是功能陶瓷的最大的细分分支,市场份额达到80%。



以电子陶瓷为例看产业链的情况:工序长门槛高,原材料成本占比大、进口依赖严重,成品供应商同样集中在日美欧。电子陶瓷产业的上游包括电子陶瓷基础粉、配方粉、中游包括电子陶瓷材料及其元器件、下游包括3C/通讯/汽车等;工艺环节主要包括:前端粉体→浆料→成型→烧结→后加工等,从成本占比来看,原材料、成型与烧结、后期加工分别占比约30%、20%、35%。具体分析,上游:陶瓷原材料包括氧化铝、氧化锆等,陶瓷粉产能主要集中在欧美和日本,国内进口依赖严重,电子陶瓷粉CR3=51%(日本Sakai、NCI、FujiTi),纳米氧化锆CR3=31%(法国圣戈班、日本第一稀元素、日本东曹)。从下游供应商格局来看,全球电子陶瓷供应商集中在日美欧,日本、美国及欧洲市场份额分别为50%、30%、10%。国内看,粉体环节主要厂商有国瓷材料、东方锆业等,陶瓷产品供应商主要有三环集团、比亚迪电子等,两家均能实现粉体自制。



凭借硬度高、耐磨损、断裂韧性高等优点,陶瓷材料下游应用范围广阔,涵盖3C电子、机械、光通讯、化工、医疗、航空、汽车七大领域。展望未来,5G高频要求下,高Q低损耗特性陶瓷市场空间打开,看好陶瓷天线、LTCC、陶瓷滤波器等持续受益5G全周期建设,下游行业有望迎来多维度成长,2014-2018年,我国电子陶瓷行业市场规模由346.6亿元增长至576.9亿元,预计2023年中国电子陶瓷行业市场规模达到1145.4亿元。



3C电子领域:我国已进入5G全面建设阶段,2020年5G手机将加速普及,同时叠加可穿戴市场兴起,电子陶瓷市场需求打开。在3C电子领域,陶瓷主要应用于手机及智能手表等场景中。预计陶瓷市场空间随着下游应用的成长而持续提高——手机:2019年为5G手机元年,随5G建设进度推进,预计2019-2023年全球5G手机渗透率由0.9%增长至51.4%;可穿戴:中国已成为全球第一智能可穿戴市场,预计2020-2022年中国可穿戴设备出货量由8847万台增长至11380万台,市场规模由473亿元增长至607亿元。



陶瓷天线满足小型化需求:与PCB天线等相比,陶瓷天线介电常数高,同时可以有效缩小天线尺寸,提升手机内部空间利用效率,同时能助力手机实现轻薄化。具体可分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。多层陶瓷基板(LTCC天线)采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结,天线金属导体可以印在每一层陶瓷介质层上,从而有效缩小天线尺寸。



LTCC技术从单器件到集成模块应用广泛,5G高频化、小型化、一体化有望驱动LTCC产品成长。低温共烧陶瓷技术(LTCC)是一种多层陶瓷微波材料技术,可以将无源元件内埋置到基板内部同时将有源元件贴装在基板表面、实现三维结构,在制成无源/有源器件、功能模块集成等方面有灵活性,具有操作简单、技术成熟、低损耗、优良的高频Q值、小型化等优势,可用于制作基板、器件及功能模块。


基于其性能优势,未来我们持续看好5G高频化、小型化、一体化下LTCC产品的成长——LTCC优良的介电特性决定其将是5G高频天线的最佳方案。随着频率提高,电磁波传播过程中的衰减也会增大,毫米波频段下金属天线的导体损耗重、天线辐射效率大幅下降。相比看,LTCC制造高频通讯模组具备高Q、允许大电流及耐高温、热传导性更好、可将被动元器件埋入多层电路中增加电路密度、小CTE等优点,更适于5G高频天线的应用。



通讯:基站建设:预计5G基站数目将是4G基站的1.5倍;光纤铺设稳定增长:2010-2018年,我国光纤布设长度复合年增速在20%以上,2018年,我国光纤接入用户达3.68亿,占全部互联网宽带用户的比例同比增加6.1%,光纤铺设长度达4358公里,同比增加16.31%;IDC市场随流量增加而扩大:2012-2018年,我国IDC市场规模已由210.8亿元增长至1277.2亿元,CAGR达35.02%。上述三个细分领域将直接拉动相关陶瓷产品如光纤陶瓷插芯、陶瓷介质滤波器需求。



光通讯:光纤陶瓷插芯将直接受益于5G建设。陶瓷在光通讯领域中的应用有套管、插芯等,其中陶瓷插芯将在5G时代需求提升。陶瓷插芯的主要应用领域为光纤连接器(72%)、其他光无源器件(25%)、光有源器件(3%)。与其他光纤插芯材质如氧化铝、玻璃、模塑等相比,光纤陶瓷插芯与石英光纤热匹配性更好,理化性能更稳定,因此成为主流材质。光纤陶瓷插芯主要应用领域包括基站建设、光纤到户、IDC搭建等,将直接受益于5G建设。


基站:微波介质陶瓷滤波器有望成为未来5G基站主流解决方案。5G时代,与传统金属腔体滤波器相比,微波陶瓷粉体较金属腔体具有更高Q值的材料特性,大幅减小了插损,具有高带外抑制、温度漂移特性好、温度适用范围宽泛、多种形式的封装结构和输出接口形式的特点,满足了基站滤波器小型化的发展趋势,判断微波介质陶瓷滤波器有望成为未来5G基站主流解决方案。中国5G建设的推进+微波介质陶瓷滤波器技术的成熟,微波介质陶瓷滤波器空间持续提高,预计2019-2023年中国5G基站介质滤波器市场容量超过336亿元,CAGR为80.32%。



汽车、航空领域:陶瓷在汽车、航空领域中应用主要为锂电池隔膜、氧传感器、固体燃料电池和航空发动机热障涂层,其中锂电池隔膜及固体燃料电池市场规模将随新能源汽车渗透加速而增长。固体燃料电池:目前,燃料电池主要分为固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)与质子交换膜燃料电池(PEMFC)等,其中作为清洁高效的能源系统,SOFC为今后新能源应用的主要方向。陶瓷电解质薄膜能在高温、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性,并在很大氧分压范围内具有纯氧离子导电特性,成为SOFC电解质材料首选。锂电池隔膜:锂电池隔膜作用是防止两极接触而造成短路,陶瓷涂覆隔膜可显著提高锂电子电池的热稳定性,提高其耐刺穿能力,同时陶瓷涂层的孔隙率大于隔膜的孔隙率,利于增强隔膜的保液性和浸润性,因此得到广泛应用。目前,我国已推出多部法律法规推动燃料电池市场发展,同时叠加新能源汽车渗透加速,预计我国燃料电池2020-2024年市场规模将由11.2亿元增长至27.65亿元,我国锂电池隔膜2020年需求总量达到27.33亿平方米。



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介质谐振器天线(DielectricResonatorAntennas,DRA)是由由低损耗、高介电常数的介质材料构成的谐振式天线,一般通过微带线、微带缝隙或探针等馈电结构对其馈电,其谐振频率取决于谐振器尺寸、形状和材料的介电常数。性能角度分析,介质谐振器天线DRA除馈线以外无导体损耗和表面波损耗、具有较高的辐射效率、公差要求较低,且可以通过选择不同介电常数材料,灵活控制天线尺寸和带宽,实现小型化设计,与微带天线相比在5G高频段下具有特殊的优势。目前的介质谐振天线方案主要有宽带/超宽带介质谐振器天线、圆/双极化介质谐振器天线、毫米波介质谐振器天线、高阶模/高增益介质谐振器天线等,从形态上则有矩形、圆柱、多片、阵列等天线结构形态。



在高频段中,介质谐振天线用作小尺寸的增益天线具有特殊优势:


1. 通过选择不同介电常数材料,灵活控制天线尺寸和带宽:与一般天线相比,介质谐振天线相对介电常数越大,介质尺寸越小。谐振频率率取决于谐振器尺寸、形状和材料的介电常数,可选择高介电常数实现天线小型化设计。


2. 辐射频率高,介质损耗小:不存在表面波损耗,且处于谐振状态,所以DRA 的辐射效率很高(可达95%)。


3. 具有多种馈电机制:一般有口径耦合馈电,微带线耦合馈电,同轴探针馈电, 共面波导馈电等方式。


4. 谐振模式丰富:每种形状的介质谐振天线都具有不同的谐振模式,可以利用不同的谐振模式提高天线性能;


5. 具有更宽的阻抗带宽:通过除地面以外的整个谐振器表面辐射,且没有导体和表面波损耗,因而具有较宽的阻抗带宽且介质谐振天线品质因数(Q值)比较高,在微波波段可达103-104,且振荡频率的稳定性好。


6. 更易实现多频特性:相比传统天线,多频介质谐振器天线可以通过引入多个谐振单元、优化馈电方式和利用谐振器本身多模谐振特性等方式实现。


微波介质陶瓷是指应用于微波频率(主要是300MHz〜30GHz频段)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料,是制造谐振器、滤波器、介质基片、介质天线等的关键材料。它具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,适于制造多种微波元器件,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。按照其介电性能大小的不同,微波介质陶瓷可分为低介、中介和高介电常数类3大类。从应用来看,以更高Q值(品质因数)的陶瓷作微波介质,按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列的介质谐振天线叫做陶瓷介质谐振阵列天线,可在手机中作内置天线,也可以广泛用于局域网系统等其它领域。



微波介质陶瓷优势:


高介电系数有利于实现小型化:谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比,微波介质陶瓷材料的高介电常数有利于微波介质滤波器的小型化。


高稳定性:微波介质材料的谐振频率随温度变化较小,频率温度系数τf较小稳定性高。


低损耗:微波介质材料Q值与介质损耗tanδ成反比关系Q(=1/tanδ)。Q值越大,滤波器的插入损耗就越低。


陶瓷与金属材料、高分子材料并列为当代三大固体材料,陶瓷分为普通陶瓷与先进陶瓷两大类。其中先进陶瓷是采用高度精选或合成的原料,按照便于控制的制造技术加工生成的具有精确控制的化学组成、便于进行结构设计的特性优异陶瓷,因其具备高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温、导电、绝缘、磁性、透光、半导体以及压电、铁电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能,被广泛应用于国防、化工、电子、机械、航天、生物医学等各个领域。


按其特性和用途,先进陶瓷可分为结构陶瓷与功能陶瓷两大类,结构陶瓷具有机械/热/部分化学功能;功能陶瓷具有电/磁/光/声/滑雪/生物等特性,具有相互转化功能,在先进陶瓷中约占70%的市场份额。从行业来看,电子工业是功能陶瓷产业最大的终端应用市场,因此电子陶瓷是功能陶瓷的最大的细分分支,市场份额达到80%。



以电子陶瓷为例看产业链的情况:工序长门槛高,原材料成本占比大、进口依赖严重,成品供应商同样集中在日美欧。电子陶瓷产业的上游包括电子陶瓷基础粉、配方粉、中游包括电子陶瓷材料及其元器件、下游包括3C/通讯/汽车等;工艺环节主要包括:前端粉体→浆料→成型→烧结→后加工等,从成本占比来看,原材料、成型与烧结、后期加工分别占比约30%、20%、35%。具体分析,上游:陶瓷原材料包括氧化铝、氧化锆等,陶瓷粉产能主要集中在欧美和日本,国内进口依赖严重,电子陶瓷粉CR3=51%(日本Sakai、NCI、FujiTi),纳米氧化锆CR3=31%(法国圣戈班、日本第一稀元素、日本东曹)。从下游供应商格局来看,全球电子陶瓷供应商集中在日美欧,日本、美国及欧洲市场份额分别为50%、30%、10%。国内看,粉体环节主要厂商有国瓷材料、东方锆业等,陶瓷产品供应商主要有三环集团、比亚迪电子等,两家均能实现粉体自制。



凭借硬度高、耐磨损、断裂韧性高等优点,陶瓷材料下游应用范围广阔,涵盖3C电子、机械、光通讯、化工、医疗、航空、汽车七大领域。展望未来,5G高频要求下,高Q低损耗特性陶瓷市场空间打开,看好陶瓷天线、LTCC、陶瓷滤波器等持续受益5G全周期建设,下游行业有望迎来多维度成长,2014-2018年,我国电子陶瓷行业市场规模由346.6亿元增长至576.9亿元,预计2023年中国电子陶瓷行业市场规模达到1145.4亿元。



3C电子领域:我国已进入5G全面建设阶段,2020年5G手机将加速普及,同时叠加可穿戴市场兴起,电子陶瓷市场需求打开。在3C电子领域,陶瓷主要应用于手机及智能手表等场景中。预计陶瓷市场空间随着下游应用的成长而持续提高——手机:2019年为5G手机元年,随5G建设进度推进,预计2019-2023年全球5G手机渗透率由0.9%增长至51.4%;可穿戴:中国已成为全球第一智能可穿戴市场,预计2020-2022年中国可穿戴设备出货量由8847万台增长至11380万台,市场规模由473亿元增长至607亿元。



陶瓷天线满足小型化需求:与PCB天线等相比,陶瓷天线介电常数高,同时可以有效缩小天线尺寸,提升手机内部空间利用效率,同时能助力手机实现轻薄化。具体可分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。块状天线是使用高温将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部分印在陶瓷块的表面上。多层陶瓷基板(LTCC天线)采用低温共烧的方式讲多层陶瓷迭压对位后再以高温烧结,天线金属导体可以印在每一层陶瓷介质层上,从而有效缩小天线尺寸。



LTCC技术从单器件到集成模块应用广泛,5G高频化、小型化、一体化有望驱动LTCC产品成长。低温共烧陶瓷技术(LTCC)是一种多层陶瓷微波材料技术,可以将无源元件内埋置到基板内部同时将有源元件贴装在基板表面、实现三维结构,在制成无源/有源器件、功能模块集成等方面有灵活性,具有操作简单、技术成熟、低损耗、优良的高频Q值、小型化等优势,可用于制作基板、器件及功能模块。


基于其性能优势,未来我们持续看好5G高频化、小型化、一体化下LTCC产品的成长——LTCC优良的介电特性决定其将是5G高频天线的最佳方案。随着频率提高,电磁波传播过程中的衰减也会增大,毫米波频段下金属天线的导体损耗重、天线辐射效率大幅下降。相比看,LTCC制造高频通讯模组具备高Q、允许大电流及耐高温、热传导性更好、可将被动元器件埋入多层电路中增加电路密度、小CTE等优点,更适于5G高频天线的应用。



通讯:基站建设:预计5G基站数目将是4G基站的1.5倍;光纤铺设稳定增长:2010-2018年,我国光纤布设长度复合年增速在20%以上,2018年,我国光纤接入用户达3.68亿,占全部互联网宽带用户的比例同比增加6.1%,光纤铺设长度达4358公里,同比增加16.31%;IDC市场随流量增加而扩大:2012-2018年,我国IDC市场规模已由210.8亿元增长至1277.2亿元,CAGR达35.02%。上述三个细分领域将直接拉动相关陶瓷产品如光纤陶瓷插芯、陶瓷介质滤波器需求。



光通讯:光纤陶瓷插芯将直接受益于5G建设。陶瓷在光通讯领域中的应用有套管、插芯等,其中陶瓷插芯将在5G时代需求提升。陶瓷插芯的主要应用领域为光纤连接器(72%)、其他光无源器件(25%)、光有源器件(3%)。与其他光纤插芯材质如氧化铝、玻璃、模塑等相比,光纤陶瓷插芯与石英光纤热匹配性更好,理化性能更稳定,因此成为主流材质。光纤陶瓷插芯主要应用领域包括基站建设、光纤到户、IDC搭建等,将直接受益于5G建设。


基站:微波介质陶瓷滤波器有望成为未来5G基站主流解决方案。5G时代,与传统金属腔体滤波器相比,微波陶瓷粉体较金属腔体具有更高Q值的材料特性,大幅减小了插损,具有高带外抑制、温度漂移特性好、温度适用范围宽泛、多种形式的封装结构和输出接口形式的特点,满足了基站滤波器小型化的发展趋势,判断微波介质陶瓷滤波器有望成为未来5G基站主流解决方案。中国5G建设的推进+微波介质陶瓷滤波器技术的成熟,微波介质陶瓷滤波器空间持续提高,预计2019-2023年中国5G基站介质滤波器市场容量超过336亿元,CAGR为80.32%。



汽车、航空领域:陶瓷在汽车、航空领域中应用主要为锂电池隔膜、氧传感器、固体燃料电池和航空发动机热障涂层,其中锂电池隔膜及固体燃料电池市场规模将随新能源汽车渗透加速而增长。固体燃料电池:目前,燃料电池主要分为固体氧化物燃料电池(SOFC)、磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、碱性燃料电池(AFC)与质子交换膜燃料电池(PEMFC)等,其中作为清洁高效的能源系统,SOFC为今后新能源应用的主要方向。陶瓷电解质薄膜能在高温、氧化和还原气氛中保持良好的化学稳定性,并在很大氧分压范围内具有纯氧离子导电特性,成为SOFC电解质材料首选。锂电池隔膜:锂电池隔膜作用是防止两极接触而造成短路,陶瓷涂覆隔膜可显著提高锂电子电池的热稳定性,提高其耐刺穿能力,同时陶瓷涂层的孔隙率大于隔膜的孔隙率,利于增强隔膜的保液性和浸润性,因此得到广泛应用。目前,我国已推出多部法律法规推动燃料电池市场发展,同时叠加新能源汽车渗透加速,预计我国燃料电池2020-2024年市场规模将由11.2亿元增长至27.65亿元,我国锂电池隔膜2020年需求总量达到27.33亿平方米。



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