電子產(chǎn)品防水結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)狀與市場空間
防止電子產(chǎn)品進水一直是產(chǎn)品設計的痛點，增加防水功能明顯增加電子產(chǎn)品的耐用性和壽命，同時讓用戶擴大使用場景，實現(xiàn)水下拍攝、游泳聽音樂等功能，提升可玩性，另外，支持隨意清洗將大大改善手機潔凈度，保護用戶健康。日韓等國家防水電子產(chǎn)品已經(jīng)普遍應用，并成為消費者選購的重要指標。
新一代防水技術的成熟使得電子產(chǎn)品在增加防水功能的同時又不必像三防機那么臃腫，以手機為例，索尼系列手機和三星旗艦S7/NOTE7為代表的旗艦型手機已經(jīng)成熟應用最高等級的IP68防水功能，而蘋果的iPhone 7亦支持IP67防水，手表支持IP68 50m防水，蘋果歷來是技術風向標，有望引領明年國產(chǎn)品牌的跟進，且防水亦望從手機、手表全面延伸至可穿戴等3C產(chǎn)品，亦能在汽車、醫(yī)療等多領域大有作為。預計明年國產(chǎn)品牌望全面參與防水創(chuàng)新，數(shù)百億市場爆發(fā)在即。
與工業(yè)應用相比，手機的防水工藝的各個環(huán)節(jié)(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(tǒng)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。總的來講，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。
表1：防水技術產(chǎn)業(yè)鏈、代表產(chǎn)品、防水等級
一、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(xiàn)在彈性優(yōu)良、壓縮率高、耐熱耐寒耐化學溶劑、耐氧化、電絕緣、散熱等等。硅膠是以從石英中獲得的硅元素為基礎，并由硅原子粘附諸如甲基、乙烯基等側(cè)鏈而形成的飽和非極性橡膠。不同的側(cè)鏈會導致硅橡膠具有不同的特性。甲基乙烯基硅橡膠(VMQ)是應用較多的一種硅橡膠材料。硅膠原料一般為凝膠狀，無色半透明，無味。主要特點是既耐高溫(最高300℃)又耐低溫(最低-100℃)，是目前最好耐寒、耐高溫橡膠;同時電絕緣性優(yōu)良，對熱氧化和臭氧的穩(wěn)定性很高，化學惰性大。缺點是機械強度較低，耐油、耐溶劑和耐酸堿性差，較難硫化，價格較貴。邵氏硬度有20至90度。
硅橡膠是目前防水結(jié)構(gòu)件最佳選擇。目前結(jié)構(gòu)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(yōu)于三元乙丙橡膠，因此成為電子產(chǎn)品防水首選材料。而液態(tài)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(nèi)，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(jié)構(gòu)件(硅膠圈、硅膠墊)是保證消費電子產(chǎn)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(jié)了它IP68 級防水的實現(xiàn)方案，主要是通過在Mic 口、耳機孔、側(cè)鍵、Sim 卡卡托、T card 卡托、Micro-USB 接口等處添加了與機殼緊密結(jié)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(fā)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(jié)構(gòu)件。
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(fā)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(zhì)的內(nèi)壓，就不會發(fā)生泄露。智能手機采用的防水硅膠結(jié)構(gòu)件與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)合以實現(xiàn)可靠的防水效果。
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(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
三星 Note 7 的 sim 卡硅膠結(jié)構(gòu)
三星 Note 7 的針孔硅膠結(jié)構(gòu)
與金屬嵌件和塑料復合成型的特殊能力，使液態(tài)硅膠LSR 作為防水硅膠結(jié)構(gòu)首選材料。LSR 具有眾多優(yōu)勢和特點，例如優(yōu)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(chǎn)物、無味，使用溫度較寬，且安全衛(wèi)生、產(chǎn)品可延伸性強等優(yōu)點，可制成不同形態(tài)、不同用途的系列化、差別化產(chǎn)品。目前LSR 的主要應用領域包括消費電子、汽車、醫(yī)療器械和醫(yī)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。
目前硅膠密封圈(硅膠結(jié)構(gòu)件)的核心加工生產(chǎn)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(tài)的膠體(液體硅膠)注入摸腔而成型。工藝原理是：將固態(tài)的硅膠，通過注射機器的壓力，用一定的速度注入模具內(nèi)，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(chǎn)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(shù)時候LSR 采用的是注射成型方式加工，因此LSR 也可稱為LIM。
LSR 典型的生產(chǎn)流程包括混合、注射、硫化、脫件等步驟。液體硅橡膠LSR 是雙組份加成型的，兩個組份A:B=1:1。A 組份中包括硅生膠，填料，催化劑和抑制劑;B 組份包括硅生膠，填料，交聯(lián)劑和抑制劑，使用鉑金催化劑，加在A 組份中，AB 組份都含有抑制劑保證了常溫下液體硅橡膠幾乎不反應，通過注射出成型的方法加入模具，通過化學反應成彈性體制品。模具溫度通常在140℃-230℃范圍內(nèi)。
LSR 與傳統(tǒng)熱塑性膠料加工存在諸多區(qū)別，增大加工難度。LSR 在收縮率、脫模、模具材料、冷流道系統(tǒng)、溫度控制等方面都與傳統(tǒng)熱塑材料加工存在較大區(qū)別，使得LSR的加工難度比普通熱塑性膠要大。
表2：LSR 加工難點
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(wěn)定，上料壓力控制會影響產(chǎn)品是否會產(chǎn)生氣孔、缺陷率等方面，直接影響最終防水功能的可靠性。
表3：微注射成型的工藝特征
基于我們的分析，用于消費電子領域的防水硅膠結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的數(shù)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(jié)構(gòu)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(jù)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(jié)構(gòu)件市場規(guī)模預計將達到30 億美金以上。
表4：硅膠防水結(jié)構(gòu)件市場規(guī)模估測 資料來源：IDC
智能終端防水之外，LSR/LIM 精密加工技術在汽車和醫(yī)療健康領域的潛在市場空間更大。據(jù)Markets&Markets 估計，汽車用橡膠零部件受到輕質(zhì)材料使用增加和排放標準提高、安全性和燃油經(jīng)濟性的推動，到2020 年預計將達到405 億美元的市場規(guī)模，其中在汽車領域LSR 主要運用于汽車動力系統(tǒng)和電子系統(tǒng)的密封件、O 型環(huán)和一些部件的表面加工等。醫(yī)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(yī)療器械、器官、醫(yī)療用品、整容等領域。汽車和醫(yī)療市場的廣闊空間為行業(yè)企業(yè)提供了足夠高的延展空間。
二、防水引領聲學大升級，結(jié)構(gòu)材料重設計提升價值
除了橡膠結(jié)構(gòu)件外，智能終端產(chǎn)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。
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(jié)構(gòu)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(chǎn)品是三星S7/edge 采用的高分子材料膨體聚四氟乙烯(ePTFE)。目前膨體聚四氟乙烯主要運用在醫(yī)療植入體、含氟聚合纖維、墊圈和密封劑、工業(yè)電子設備的高級介質(zhì)材料中。
另外，聲學SPK BOX 的外殼塑料也需要用薄膜產(chǎn)品，可以實現(xiàn)IP67/68 級別的防水效果。專用的防水塑料，價格提升明顯。此外，在生產(chǎn)過程中，SPK BOX 結(jié)構(gòu)的壓合也需要用專用的日本超聲波設備。
防水和立體聲驅(qū)動16-18年聲學部件大升級，聲學結(jié)構(gòu)復雜度提升單個產(chǎn)品價值量。聲學構(gòu)件的防水在原有結(jié)構(gòu)上增添了防水透氣膜，同時還包括相關的橡膠結(jié)構(gòu)件和粘膠等，加工復雜度大幅提升。預計今明兩年蘋果產(chǎn)品將持續(xù)升級和換代聲學部件，新增防水功能，并提升音效。據(jù)新一代iPhone7 已經(jīng)實現(xiàn)揚聲器防水，明年防水等級會更高。
此外結(jié)合揚聲器立體聲的實現(xiàn)，聲學器件有望在16-18 年實現(xiàn)持續(xù)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)。
三、連接器防水防塵：應用領域極為廣闊，防水手段不斷升級
相對于消費電子終端防水，連接器防水的概念已經(jīng)大范圍應用在工業(yè)、通信、消費、汽車、軍工等多種領域。很多特殊領域的連接器需要達到IP68 級別，甚至要求在10米深的水中連續(xù)工作數(shù)天到數(shù)月。IP68 級別的防水連接器可分為電源類和數(shù)據(jù)類兩種。電源類主要用于水下照明、城市照明等;數(shù)據(jù)類連接器包括網(wǎng)線、USB連接器、藍牙等。
典型的連接器防水方案也是通過在接口部分加裝O 型圈，密封圈等結(jié)構(gòu)件完成防水功能。近年來，以金屬注射成型(MIM)為代表的制造工藝被使用于連接器，例如Tyco的IP68 級Micro USB 2.0 連接器，使用MIM(金屬注射成型)結(jié)構(gòu)的不銹鋼外殼，實現(xiàn)了IP68 等級的防塵防水性能。
我們預計未來Type-C 接口也將會普及防水技術，進一步提升Type-C 連接器工藝的難度和價值。以最新發(fā)布的三星Galaxy Note 7 為例，三星Galaxy Note7 的防塵防水級別與S7 同樣達到了IP68，理論上可以在1.5 米的水中浸泡半個小時。其采用的Type-C接口是裸露式的防塵防水設計，原理是機身的接口內(nèi)部都采用了密封(硅膠結(jié)構(gòu))的設計，僅保留金屬觸點裸露在外面。此外，三星S7 的連接器接口能夠自動檢測是否干燥，如果過于濕潤，手機將自動屏蔽充電功能，以防短路。我們判斷三星在連接器部分采用了某種傳感器裝置，以提升手機防水的安全性。預計未來這項黑科技也有望提升滲透率，同時增加防水連接器的單價。
三星 Note 7 耳機孔硅膠結(jié)構(gòu)件
三星 Note 7 的 Type-c 接口硅膠結(jié)構(gòu)件
除了手機type-C 接口外，手機搭配的耳機接口也將實現(xiàn)防水功能。針對眾多用戶在運動時可能出現(xiàn)的汗水滲入耳機接口，造成耳機接口失靈等問題，目前市面上已經(jīng)有許多專業(yè)防汗耳機出售。我們判斷接下來伴隨手機等智能終端的防水功能的實現(xiàn)，手機搭配的耳機接口也將進一步實現(xiàn)防水功能。
四、電路板防水技術：新型納米材料涂層
電路板防水是智能終端防水的最后一道防線，主要技術方案是采用具有荷葉效應的高分子納米材料技術。高分子納米復合材料是指分散相尺寸至少有一維小于100 納米的復合材料。納米材料具有表面效應、小尺寸效應、光學效應、量子尺寸效應、宏觀量子尺寸效應等特殊性質(zhì),可以使涂料獲得的功能。其中一類的納米材料具備荷葉效應，可以實現(xiàn)荷葉一般的超強疏水性，作為防水材料，由于表面張力的作用，落到涂層表面上的水會變?yōu)樗?，不會破壞電子設備的內(nèi)部材料。
為電子設備增加防水納米涂層的方法大體可分為噴涂、浸涂、刷涂、淋涂，近幾年出現(xiàn)較多的噴涂，也叫氣相沉積，是將電子設備放入到真空環(huán)境中，在低壓狀況下注入氣態(tài)的防水納米材料，使氣體包圍住電子設備，此時設備就會放出等離子體方便納米材料附著到電子設備表面，進而凝固，電子設備的元件表面都會包含一層納米材料。設計過程結(jié)束后，整個電子設備上的納米涂層厚度約為頭發(fā)直徑的千分之一，同時表面比較光滑，具備了與荷葉相似的表面。但這種方法大多都采用了對電子產(chǎn)品整機進行涂敷的做法，并非直接作用于電路板上，而且產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)的密封程度會影響電路板上膜層的完整度，所以劣勢慢慢暴露出來。
浸涂是直接把電路板浸泡到納米材料溶液中，無須真空環(huán)境，無須進行氣化，納米溶液在電路板表面所形成的涂層很均勻也很完整，個別有維修的地方可以配合刷涂，比如青山新材料的TIS-NM納米涂層，只需要浸泡3秒即可，并且干燥時間很短，常溫下5-10分鐘即可干燥，無須烘干，也非常適合產(chǎn)線批量應用。
對于采用納米涂層做電路板防水，除了作業(yè)方式的選擇之外，更重要的是納米材料的選擇，基于微觀結(jié)構(gòu)的表面涂層都可以理解為納米涂層，但其性能各異，所能達到的效果也就不同，青山新材料TIS-NM納米涂層以優(yōu)異的性能處于行業(yè)領先地位，擁有RoHS,REACH認證，通過NSS中性鹽霧試驗，耐鹽霧能力明顯強于同類產(chǎn)品，環(huán)保不燃燒，目前已獲得國內(nèi)多家上市公司測試認可，并實現(xiàn)批量應用。
五、OLED 顯示屏防水要求較高，阻隔膜受益最大
OLED 顯示技術被公認是繼陰極射線管(CRT)、液晶顯示(LCD)、等離子顯示(PDP)之后的新一代顯示技術。目前OLED 技術已經(jīng)成熟，有望逐步替代LCD 擴大滲透率，行業(yè)相關投資也如火如荼。國際顯示巨頭三星、LG、友達、Sharp 等投入巨資擴大產(chǎn)能，國內(nèi)京東方、深天馬、華星光電等也在加緊進行產(chǎn)線擴建，產(chǎn)能有望在2017 年底到2018年全面爆發(fā)。
LED 有機材料對水和氧氣敏感，遇水或遇氧容易發(fā)生反應而失效，所以 OLED 封裝材料需要具有良好的阻隔性能，尤其是基板和封裝蓋板的阻隔性能要更好。
OLED 器件的基本原理是通過正負載流子注入有機半導體薄膜后復合產(chǎn)生發(fā)光。壽命相對較短是目前制約OLED 商業(yè)化的重要因素之一。研究表明,空氣中的水汽和氧氣等成分對OLED 的壽命影響很大，其原因主要是:OLED 器件工作時要從陰極注入電子,這就要求陰極功函數(shù)越低越好,但做陰極的這些金屬如鋁、鎂、鈣等,一般比較活波,易與滲透進來的水汽發(fā)生反應。另外,水汽還會與空穴傳輸層以及電子傳輸層(ETL)發(fā)生化學反應,這些反應都會引起器件失效。
OLED 顯示(包括柔性OLED 顯示)涉及的膜材料包括阻隔膜、ITO 導電膜、PI 膜、COP 偏光膜、反射膜、增亮膜等等，其中在(柔性)基板和蓋板表面沉積多層堆疊結(jié)構(gòu)和粘貼阻隔膜是主要的防水實現(xiàn)形式。沉積的方式與電路板沉積納米防水材料相接近，主要有磁控濺射法、電子束蒸鍍法或等離子體增強化學氣相沉積法等等。同時，硬屏OLED 和柔性OLED 都需要用到水汽阻隔膜，柔性OLED 更是兩面都需要用到。目前最先發(fā)展阻隔膜的公司是3M，國內(nèi)京東方等企業(yè)用的膜都來自3M，單價較高。
阻隔膜處于爆發(fā)的前夕，目前國內(nèi)有一些企業(yè)正處于送樣測試階段。未來行業(yè)將伴隨OLED 滲透率的不斷提升市場空間迅速增長。
六、防水氣密性檢測對設備提出特殊要求
對于手機防水技術，后期的檢測是比較特殊的一環(huán)，全檢、氣壓檢查法都是其特征之一，同時，為了保證防水的可靠性，手機必須逐個檢測，這對防水檢測設備的便利性也提出了更高的要求。
防水檢測代表性的方法有三種：差壓法、壓力表法、歪量法。差壓法和歪量法的準確度都比壓力表法高，但差壓法耗材成本低。一般電子產(chǎn)品要求測試準確度較高，因此差壓法和歪量法較常用在手機、手表等消費電子領域。
表5：三種防水的測試方法和設備
