超瓷晶玻璃:智能手机盖板材质的未来?

iPhone 12的重要外观材质变革: 超瓷晶横空出世

第一代5G iPhone如期发布,除了5G功能的导入之外,外观件的升级创新无疑是这次发布会最吸睛的所在:在公司CEO库克介绍iPhone 12系列产品的整体情况之后,iPhone产品市场营销高级总监Kaiann Drance紧随其后出场,介绍了外观件的新成员--Ceramic Shield(超瓷晶盖板),不管是从第一位的展示顺序,还是从介绍所花费的时间篇幅来看,这次超瓷晶盖板所带来的外观革新对于iPhone 12而言极为重要,其程度甚至盖过了5G功能导入和摄像功能升级。而且更为重要的是,此次发布的四款产品(iPhone 12mini/iPhone 12/iPhone 12 Pro/iPhone 12 Pro Max)均搭载了超瓷晶面板,重视程度不言而喻,说明苹果对于这一产品并非仅仅抱持试水的态度,而是决意大面积推开这一材料的市场应用,并且很大概率上将此视为未来2-3代手机盖板零部件的标配。

从发布会上消费者非常直观地了解到,通过对玻璃表面结晶度的控制、分子结构的重排,后期强化处理的改善,超瓷晶面板兼具了坚固和高透光性能,坚固主要表现在抗摔、防刮、防水防尘等方面性能达到了全新的高度,超越了现有的任何智能手机的玻璃外观件,以抗摔性为例,超瓷晶面板的抗摔落表现比普通玻璃优秀四倍。而硬度、抗划伤能力等方面的加强,使得超瓷晶盖板的加工难度成倍提升,这也可以解释为何iPhone 12的盖板形态会重回2D。

 

据了解,目前iPhone12的超瓷晶玻璃材料由康宁独供,蓝思科技则是负责全工段的加工,加工商还包括伯恩光学,但是蓝思的交付占比超过70%,很显然,超瓷晶玻璃的推出,是苹果近几年来最大的一次外观变革,苹果不遗余力地在四款机型的前盖板方向都直接替换超瓷晶玻璃,表明了苹果坚定将更轻、更小、更薄这一设计理念坚定贯彻执行的决心。

 

我们猜测苹果没有前后双面玻璃都改用超瓷晶的主要原因还是成本控制,但未来如超瓷晶玻璃的整体成本得到有效控制,还是极有希望在前后双面玻璃上都应用上超瓷晶玻璃的,届时超瓷晶玻璃的整体销售量还将会有一个新的阶跃。

此外,从苹果今年复古的“小、薄、轻”,以及恢复极简线条设计的思路来看,以超瓷晶玻璃作为外观件所带来的坚固、轻薄、简练的风潮是有可能能兴起的,如果安卓系跟入这种类型的设计变化,那么会显然对超瓷晶玻璃的全球推广带来明确的增量,市场的格局变化也会很明显。

 

如果接下来安卓系没有快速跟进超瓷晶玻璃,iPhone12的外观标识度将会是2020-2021年所有机型中最为显眼的存在,这对于iPhone 12各款机型的销售和存在感提升都会有比较不错的助益。此外,由于舍弃了2.5D和3D的弧面设计,回归平板,面板完全与机身边缘齐平,从本质而言,能使面板获得更多中框的保护,从而进一步提升面板的耐用性。超瓷晶玻璃本身就具备超高的强度和硬度,设计上又尽可能的做到了避免因结构而导致的冲击传导,这些因素奠定了这一代的iPhone 12的耐用性注定是史上最佳。

智能手机玻壳进阶趋势

玻璃的制备工艺可以分为前、后两道,其中前道制作工艺是将原材料加工生产成玻璃坯材,这一环节注重玻璃透光率、强度、硬度、弹性模量和耐磨性等本征属性的强化,当前主要由美国康宁、日本旭硝子、德国肖特和日本NEG等海外企业主导,后道加工工艺则是根据终端品牌厂商的诉求,将玻璃毛坯加工成特定尺寸、形状、色彩的产品,该环节的主要目的是加强玻璃外观件的视觉美观程度,在该领域,以蓝思科技为代表的本土企业已抢过行业话语权。

玻璃外观件在智能手机领域这些年的不断升级迭代,其升级演进趋势主要依托两个维度:

 

  1. 耐用性上的:强度、硬度、抗摔能力和抗刻划性等不断提升;

     

  2. 美观度或者说外观表现效果差异化方向的:更薄、更轻、更加曲润光泽、更好的抗指纹抗反光效果、更不一样的外观构型(比方说3.5D与四曲面环绕等)。

 

但是这些进化有一个共通的问题,没有从根本上解决屏幕落摔易碎、而且不抗划伤的跟结,而且由于机壳表面玻璃覆盖面的扩大,这两个问题的风险还被进一步放大了。这也是苹果手机2017年后至今一直没有采用3D或更为激进的曲面工艺的主要原因,即使苹果作为全球消费手机的龙头霸主,本身成本端消化外观件曲面化所带来的成本抬升是压力最低的,它也并没有丝毫动摇,因为这不符合苹果不求夺目,但苛求用户完美体验感的进化路径。

 

但要真正让用户摆脱对手机套、钢化膜等的依赖,目前的玻壳材料仍远远不够,且不说通过调节玻璃中加入的金属氧化物种类及比例提升大猩猩玻璃的硬度和弹性模数终将面临材料的物理极限:即使使用当前最耐摔的第六代大猩猩玻璃,iPhone 11 Pro碎屏的案例仍屡屡出现,而在硬度方面,每一代玻璃在硬度方面相较前一代的变化幅度都非常有限,而这亦是安卓系智能手机即使配备大猩猩玻璃,仍会被贴一层出厂膜的原因,部分品牌产商甚至建议用户保留贴膜或使用更高端的保护膜。更别说,在机械性能增强时,还伴随着透光率的下降,在此而在此情况下,品牌厂商和玻璃生产商的目光开始往更高硬度、更强抗摔能力的材料聚焦,微晶玻璃便是其中之一。

 

智能手机外观件材质迎来潜在新成员

苹果此次采用的超瓷晶属于微晶玻璃(GlassCeramic),俗称玻璃水晶或者陶瓷玻璃,众所周知,玻璃是非晶体材料,内部没有规则排列的晶体结构亦是玻璃易碎的原因之一。微晶玻璃的制造其实是一种玻璃改质工艺,在玻璃的生产过程中加入了金属氧化物晶粒作为晶种,通过增加新的高温结晶步骤使玻璃基体内的陶瓷晶体生长晶体化,改变玻璃态的非晶体结构比例,来改变晶体与非晶体在玻璃本体里的比例,从而形成致密的微晶相与玻璃相结合的多相复合固体材料。

图表1:第六代大猩猩玻璃与微晶玻璃、不锈钢、蓝宝石和陶瓷部分性能参数比较

 

微晶相的出现保障了材料的本征强化机制,玻璃相的剩余则使得该类材料仍具备玻璃的可加工属性。简而言之,由于微晶相和玻璃相的同时存在,微晶玻璃兼备了玻璃和陶瓷的双重特性,其强度、硬度、透光度、膨胀系数、色调、可加工性和成本等都介于玻璃和陶瓷之间,而且通过玻璃原材料、微晶种类、尺寸、数量等的控制,可以调节其光学、电学、磁学、热学等多种性能。

 

凭借其种类的多样性和优异的产品性能,微晶玻璃在高新技术领域有广泛的应用,举例而言,以铝硅酸盐系玻璃为原材料,析出β-石英固溶体晶相的微晶玻璃,兼具极低的热膨胀系数和较高的透光度,已被应用于大型望远镜镜坯、太阳能电池、光学器件、炊具/餐具、高温观察窗和太空机器人、航天飞机、宇宙飞船、卫星等航空航天设备领域;具备优良介电性能、机械强度和热稳定性的堇青石微晶玻璃已应用于集成电路基板、雷达天线罩等领域;CAS系微晶玻璃凭借其较高的机械强度、高光泽度、强耐腐蚀性以及与天然大理石类似的花纹等特点,常在建筑装饰领域替代天然石材。

 图表2:超瓷晶晶体结构展示

 

使用铝硅酸盐系玻璃可以制备高透光率和低膨胀系数的微晶玻璃,是极具潜力的盖板材料,而且该系列微晶玻璃的透光率除了少量的光吸收外,主要受到晶粒对光的散射效应的影响,因此可以通过工艺的有效控制,制备透过率超过90%的产品,下表中是铝硅酸盐微晶玻璃和康宁大猩猩第六代玻璃部分参数的比较,可以明显看出,其机械力学性能(强度、硬度、弹性模量和耐磨性等)、电绝缘性和化学稳定性均优于普通玻璃。

 

特别是在抗摔落能力方面,微晶玻璃远强于普通玻璃。固体的抗摔落能力一般与其延展性相关,而其延展性在微观层面的表现则是是否具备规则排列的晶格,举例而言,正常情况下,金属属于晶体材料,其内部存在排列整齐的晶格形状,在受到外力冲击时,晶格之间会率先展现滑移现象,宏观层面的展现便是物体塑性形变,只有当外力足够强时,晶格滑移无法完全抵消外力,只能通过脆性断裂释放能量,宏观层面看则是发生断裂现象,而在特殊情况下制备的非晶态金属材料,因为其内部多为非晶结构,几无晶格滑移,因此显得更为脆弱易碎。从这一理解出发,微晶玻璃的制备是先通过特殊处理使得普通玻璃析出微小晶相,然后在一定温度下使之长大,最终的成品是非晶体和晶体的结合体,晶体结构的存在,使得微晶玻璃在抗摔落性能上优于普通的玻璃因此,微晶玻璃有望成为当前智能手机领域最为普及的高性能盖板玻璃的升级版本。

图表3:微晶玻璃盖

 

以上我们所提及的,其实都是传统的微晶玻璃或者说陶瓷玻璃的做法,实际上iPhone12的超瓷晶玻璃应该是有进一步的改良与提升。在10月13日的发表会上,苹果公司营销副总裁Kaiann Drance对超瓷晶面板的介绍中提到这是一种“纳米晶体”微晶玻璃,这种表达实际上的意思应该是指把微晶玻璃内部的晶态晶粒做得很小,尽可能在体积态保留玻璃非晶态的特性,让其容易做薄,而在玻璃表面新增纳米级的微晶态,以获得微晶玻璃的表面特征。

 

此外,值得注意的是,当前康宁的大猩猩系玻璃选用的是铝硅酸盐玻璃,具备较为深厚的铝硅酸盐玻璃的加工工艺积淀,这为制备高质量的微晶玻璃奠定了潜在的原材料优化基础,这也是为何康宁能够在Stookey的基础工作上实现低膨胀系数、高透光率的微晶玻璃在发展和生产上的突破。

超瓷晶玻璃的应用于盖板的工艺制程难度大幅提升

由于超瓷晶玻璃质地坚固,表面硬度极高,在康宁这类玻璃制造工厂把白片玻璃交付给蓝思这类工艺制程厂后,后续的整个切割、薄化、雕工、穿孔、强化等等加工制程的难度都大幅提升,工艺的难度和时长等与普通玻璃相比完全不可同日而语,对后道加工商的先进工艺积累、各种设备与产能储备与技术的完整性提出了更高的要求。此外,受以上先进材料、工艺凝结的微晶玻璃的价值量大幅高于普通玻璃,制程加工企业所面对的困难不仅仅是各环节加工难度大幅提升,如果加工的全通良率较低的话,超瓷晶玻璃成品的最终成本还将成倍上升。某种程度上来看,盖板玻璃的制程加工所面临的难度并不比微晶原片玻璃的制造低,设备投入、技术储备、工艺knowhow都对后道加工厂的选择设置了深厚门槛与壁垒。

 

简而言之,微晶玻璃的导入与应用,使智能手机视窗防护玻璃加工制程领域的护城河进一步加深,未来这一行业强者恒强的竞争格局演变将更为确定。

 

从产业链的调研情况看,在iPhone 12中,不管是超瓷晶前盖板,亦或是经过特殊强化的后盖玻璃背板,其白板玻璃均是由康宁提供,蓝思则负责全工段的加工(交付占比达到全部供应的70%以上),上文已经提及,超瓷晶前盖板(微晶玻璃前盖板)的加工方式与玻璃、陶瓷和蓝宝石等智能手机外观件一脉相承,但步续数量、复杂度和难度相较普通玻璃面板均有大幅提升,而且由于原材料价格上升,对加工企业的产线良率提出了更高的要求。

 

从细节技术角度,我们认为超瓷晶玻璃的加工商,除了前文我们已经提及的常规环节外(即使是常规环节,超瓷晶的坚固特性所所带来的加工难度也大幅提升),还有几个非常重要的关键性技术提升:其一,应用于超瓷晶玻璃表面强化的,经过特殊研发的双离子交换工艺,在苹果发布会上,主持人重点提到了使面板更加抗刮划的双离子交换技术,这一项便来源于蓝思科技;其二,纳米级印刷和镀膜工艺升级对表面附着力技术的提升,比以往的工艺更加精湛;其三,基于超瓷晶玻璃刚性和硬度大幅提升的研磨和抛光工艺提升。如果这些技术不能解决,本质而言是很难把超瓷晶盖板玻璃如此完美地应用于手机的,坦率而言,若干年前我国本土就有玻璃制程公司提出过微晶玻璃的手机端应用,但是当时在后工段的减薄、强化与加工上,以上问题没有得到很好的解决,所以最终并没有得到国内终端品牌的重视与应用。但这次以蓝思为代表的苹果核心制程厂商最终解决了这些问题。

 

诚然,玻壳形态的升级迭代对公司产品价值提升的助益较为明确,但是并非只有2.5D向3D或者3.5D以上的曲度转换才是价值提升;真正意义上能够更好地提升消费者使用体感的是或许正是这次公司在防护属性与耐用属性上的双重提升,因此在超瓷晶这类外观新材料所带来的(因加工难度大幅提升)ASP增量,其实并没有得到投资者充分的理解:高性能超瓷晶材质的导入,后道加工的难度和复杂度抖升,这使得iPhone 12的视窗防护玻璃在形态降级的情况下,全段加工ASP反而有近40%的提升。

 

来源 |公众号:华强微电子

 

关键词:3D玻璃展、显示材料展、手机材料展