当PPA遇上金属 智能手机外壳的“神助攻”

历代iPhone天线隔离的方式

2007年，苹果推出了首款iPhone，并创造了一个新的市场。智能手机此后赢得了巨大的成功。但是现在，市场开始逐步饱和，同时，OEM也出现了巨大的变化，以前熟悉的全球品牌如诺基亚、摩托罗拉以及Research Motion消失了。由于在中国市场占有率高，华为、Vivo、Oppo等跻身于全球最大的5家智能手机厂商之列。此前有预测称，华为2017年底有望从排名第二的位置，超过苹果成为全球第一大智能手机厂商。在手机的性能、功能和设计方面，这些智能手机几乎没有什么差别。从技术上来看，智能手机成为越来越大众化的产品。

生产商努力探寻应用和新技术进步的领域，以便领先于其它厂商。除了常规性能改进外，今年的移动通讯行业还将看到新的硬件技术，如柔性显示屏、特殊人工智能芯片的发展。有了这些新技术，企业甚至可以进一步通过智能手机渗透进消费者的生活，从而扩大市场占有率。

金属外壳的利与弊

长期以来，苹果提供了带铝质外壳的智能手机。这种高品质设备的概念源自上世纪80年代末索尼公司的随身听。iPhone的广受欢迎使得金属外壳成为流行趋势。现在可用的金属材料包括铝、不锈钢、钛或镁（表1）。

表 1：不锈钢合金SUS304目前最常用于替代铝材（来源：帝斯曼）

这些材料兼具强度和高品质外观、优雅的设计。材料与生俱来的导热性方便散热，甚至可以适用于功能更强大的处理器。出色的导电性能影响了各种集成天线中射频信号（RF）的传输。智能手机外壳内部的其它部件如印刷电路板、电子屏蔽、金属涂层都降低了RF信号的传输能力。

这些不受欢迎的屏蔽特性可以通过将某些外壳部件接地等措施予以消除，这样外壳最终会充当天线的延伸。现代智能手机有各种集成的天线，以支持移动通讯（GSM、EDGE、3G、4G、LTE）、导航（GPS）、无线局域网(WLAN)，以及设备间数据的短程传输（蓝牙）。同时它们还有两个移动无线天线，即使存在信号吸收的情况，如手持设备时，依然能很好地接收信号。

金属外壳通常被分为三个区，以便将良好的RF接收性能和引人瞩目的外观设计糅合在一起。为起到额外的天线增强作用，手机上部与背面的上部天线相连，设备的主体接地。而在背面，同样为了作天线增强之用，下部也与额外的天线相连。因此，手机上下方单个金属部件必须彼此绝缘。

相较以往，全金属iPhone 6/7 手机外壳内的天线隔离条变得更宽了。由于RF信号穿过塑料天线隔离条，因此信号接收能力更好，天线可以在手机壳内接收和传输信号。与原来的机型相比，更宽的塑料天线隔离条减少了电容性泄漏电流，但在此情况下聚合物必须具有较高的电阻。尽管工程技术上没有问题，但是必须保证金属外壳能完全满足RF信号的传输，尤其是当数据传输速率达到10千兆比特/秒时，未来的移动无线(5G)的频率会显著增加。

玻璃外壳

由于金属外壳已经成为设计标准，因此不再是OEM实现差异化的手段。采用玻璃制造手机面板和背板在业内正成为趋势。华为已经于2016年12月推出了采用玻璃外壳的荣耀Magic智能手机，并在2017年拉斯维加斯的CES消费电子展上展出。与金属外壳相比，玻璃外壳使得手机无线充电成为可能，并且不会吸收任何RF信号。另外，手机越来越薄是另一个趋势。目前最薄的这类移动设备是Vivo X5，厚度为4.75mm。

采用全玻璃手机外壳是许多业内设计师的梦想。但是，这种外壳的机械强度可能不足以通过跌落和冲击测试，而这对于确保日常使用的可靠性却至关重要。因此，金属外框还会继续得到使用，除非未来某个时候能使用纯柔性显示屏。

框架材料的选择影响到弯曲强度、重量、可靠性和可能的加工方式。由于密度低、可回收、材料和生产成本低，因此铝材得到了应用。但是，如果长期用于金属外壳，铝合金容易腐蚀。与这些相比，不锈钢合金提供了更好的设计性能，比如哑光、高光版本、抛光或拉丝金属和各种纹理。不锈钢合金可以用真空金属化、物理气相沉积(PVD)或电泳方式进行处理。

PVD是替代涂镍的可行办法，以避开镍过敏以及与废弃物排放相关的环保法规等问题。但是用不锈钢替代铝材会增加手机重量。由于不锈钢机械性能更优，这个问题可以通过降低壁厚得到弥补。未来，钛也会被越来越多地用于替代不锈钢。

纳米成型：首选的复合技术

智能手机和其它多种产品要求使用金属和塑料混合结构。这些产品和部件的设计通常对选择相应的结合技术起着决定性作用。如介电性能、对后续工艺的高温耐受性、应用中的弹性恢复能力、密封性和其它胶粘剂、底漆的出气等影响至关重要。

图1 纳米成型技术（NMT）不用粘胶或底涂即可产生很强的连接，这一工艺可分成三步。（来源：帝斯曼）

纳米成型技术（NMT）是一种高弹性金属-塑料结合技术（图1）。在多个工艺步骤和湿化学蚀刻阶段，会在金属表面形成微米、纳米级的微孔。当对金属表面完成了蚀刻并且进行清理，就把塑料注塑成型到其上（图2 ）。由于塑料渗透进了微孔表面结构，因此金属和塑料之间进而形成非常牢固的结合。结合会受到金属表面、加工状况以及聚合物特性的影响。

图2 适用于NMT连接的铝材和不锈钢背板的扫描电子显微镜图像，左图为铝材的背板，右图为不锈钢背板。（ 来源：帝斯曼）

NMT工艺并不一定会用到胶粘剂和底漆。这对于因胶粘剂出气问题不受欢迎的应用是一大优势；所得到的结合材料拥有很好的气体和水密封性能，这对敏感电子产品又是优势。接下来的加工步骤如表面精整用的阳极电镀、PVD可以在NMT工艺之后进行。牢固的金属-塑料复合体系被用于航空航天、汽车等各个行业（图3）。

图 3 金属-塑料复合材料在NMT工艺中互相结合的一些应用实例示图，该工艺用于航空航天、汽车制造、电子电气行业。（来源：帝斯曼）

用不锈钢而非铝质外壳的智能手机在如何选用合适的塑料材料方面面临着挑战。铝材通常被阳极电镀，以防止表面刮伤、腐蚀，并可以根据设计进行着色。由于阳极电镀是在NMT工艺之后，因此所用聚合物必须能承受这一处理过程。聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、PBT和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的混合物、聚苯硫醚（PPS）、聚砜（PSU）都是适用的材料。

阳极电镀非常适合铝材，但不适合不锈钢和钛金属。这两种金属现在是智能手机最常用的材料，因此需要采用能与这些金属通过NMT工艺结合，并能承受高温加工技术如PVD的聚合物。PVD加工要在180 ℃~240 ℃的温度范围内进行三个小时，涂层时的温度越高，品质越高。一般用于NMT的聚合物在这里是不适用的。如PPS就不适合用于明显暴露在外的外壳部件，因为它的抗紫外光和着色能力差，因此，OEM会选择耐高温塑料如聚醚醚酮（PEEK）。而另一种新型的玻璃化转变温度（Tg）为160℃、性质类似于PEEK的聚酞酰胺（PPA）可作为替代材料。

玻璃转化温度最高的耐高温塑料

NMT的结合质量主要受三个因素的影响：金属表面质量、与随后塑料涂层相联系的孔隙率，以及此过程中使用的塑料。在2016K展上，荷兰皇家帝斯曼公司推出了所开发的非常适合NMT工艺的塑料材料PPA ForTii Ace。C4分子的化学性质能确保更好的结晶特性，因此与其它PPA材料相比，玻璃转化温度最高。该材料所含的高比例芳香化合物也导致Tg高达160℃，使其耐高温和耐化学性能可以媲美PEEK。在高温加工过程中的刚度实际上超过了PEEK，而且，ForTii Ace的分子结构使材料的机械强度达到了很高的水平。

图4 通过比较经NMT处理后的各种塑料与不锈钢的结合强度，发现新材料PPAForTii Ace以很高的表现数据脱颖而出。（来源：帝斯曼）

由于聚合物所具有的结构及良好的加工特性，因此这种PPA可以与钛或不锈钢合金获得非常高的NMT结合力（图4）。为了对微米/纳米孔进行合适的涂层，聚合物的流动性能和结晶特性非常重要。一旦金属表面结构填充完毕，聚合物开始的结晶就有望实现高结合力、高刚度、高强度。

图5 除了文中提到的两种PPA之外，帝斯曼广泛的产品组合中还包含了其他用于NMT工艺的塑料。（来源：帝斯曼）

帝斯曼开发了两种特别适用于钛和不锈钢合金结合的NMT产品ForTii NMX33和ForTii Ace NMX5，它们与不锈钢和钛的结合强度可以达到峰值（图5）。熔融温度分别高达320 ℃和340 ℃，与这些聚合物的结合能耐受很高的温度，并能适应后续的PVD加工。ForTii Ace适用于浅色、尺寸稳定、耐高温、耐紫外线，或者对介电性能要求很高的应用，现在两种产品都可以商业供应。帝斯曼同时还供应NMT工艺用PBT和PPS材料。

展望

OEM目前希望开发可穿戴、智能家居产品在内的新市场。移动应用以及与新的互联家居和智慧城市、语音控制设备、无人机等领域相关的新发展将引领高度可靠的金属-塑料混合材料的市场需求。PBT、PBT/PET和PPS被当今NMT工艺视为标准材料。来自帝斯曼的ForTii Ace聚合物则可以带来与PEEK相媲美的性能，它们的化学、机械和耐高温性能可与PEEK一比高下，同时兼具优良的尺寸稳定性、与金属的结合强度以及很高的机械强度。