一般我们所知的热接和机械固定,是直接破坏基材材料表面,来达成固定的目的;那么设计当然也受到基材选择的限制。在某些应用点上,向这些传统固定方法发起挑战的是胶带、胶粘剂。把材料“粘结”起来听起来是个挺草率的方案,可靠性真的可以吗?

材料应用领域,有一些听起来很有趣的技术在潜移默化中发挥作用。比如现在仍处在5G基础设施的大规模建设阶段,5G基站及配套通讯设施数量猛增。而5G需求更复杂的天线结构、更强的结构支撑和更轻的天线模组。以往机械固定和铆接的方案,在5G基站中就变得没那么可靠了。

一般我们所知的热接和机械固定,是直接破坏基材材料表面,来达成固定的目的;那么设计当然也受到基材选择的限制。在某些应用点上,向这些传统固定方法发起挑战的是胶带、胶粘剂。把材料“粘结”起来听起来是个挺草率的方案,可靠性真的可以吗?

3M公司有一种VHB胶带,就是干这活儿的。据说3M在美国、日本多个不同气候地区,对VHB胶带做了长期使用的数据收集。上面这张图是将VHB胶带的几种不同型号放在明尼苏达州室外,经过5年时间收集到老化后的性能数据,表现出的稳定性还是超出了很多人的预期的。

当然胶粘对于焊接、铆接的替代并不仅限于5G基站,手机、汽车等应用市场都很广泛。在针对3M大中华区交通运输与电子产品事业部研发总经理朱敦深 的采访中,他也谈到:“用胶粘的话,解决方案会比较轻薄;生产过程中也没有潜在的泄漏点;也有更均匀的应力分布;从外观上更美观;整体能够提升生产效率。”

他补充说道:“另外粘接的优势还在于:因为焊接不同的材料,在热胀冷缩的影响下,长期使用效果不是很好。最后,从减震性能上来看,胶粘产品也会比传统方案来得更好。”

不过这还只是3M面向5G应用,乃至电子行业的冰山一角。而藉由本次采访,我们也期望更深入地了解材料供应商在这一时期的产品和市场布局,也将有利于我们更深入地理解产业热点和市场潜力。

电子行业,伴随不确定性的未来在哪儿?

2019年,3M公司内部整合为四大事业部,分别是安全与工业产品事业部(Safety & Industrial)、交通运输与电子产品事业部(Transportation & Electronics)、医疗产品事业部(Health Care)、消费品事业部(Consumer)。比如一般人熟知的N95口罩隶属于安全与工业产品事业部,创可贴来自消费品事业部,医院、牙科诊所会用到的部分材料如医用胶粘剂、补牙、正畸材料等都来自于医疗产品事业部。

从3M 2021财年的财报来看,各项业务均有不错成长。这家公司年度累计营收354亿美元。我们所关心的交通运输与电子产品事业部的营收占到公司总营收的28%左右。

而交通运输与电子产品事业部下面还有一些细分的产品部,包括电子材料解决方案(如手机、iPad等电子产品中用到的胶粘等材料,还有半导体解决方案也隶属于此)、显示材料与系统(如光学膜、光学级透明胶、防窥片等应用)、汽车与航空航天(如汽车减震材料)、商用解决方案(如便利店、银行、集装箱、地铁等的标识、招牌、贴膜)、交通安全(如交通相关的路标、反光膜等)、先进材料(如玻璃微珠、氟材料、导热导电材料等)。

“2019年,交通运输与电子产品事业部刚刚宣布重组合并的时候,大家都还很惊讶。因为原来交通运输和电子分属于不同的事业部。”朱敦深谈到,“但这两年的趋势已经很显著,汽车电子化,比如很多手机厂商也逐步开始进入汽车市场。所以公司在这一块还是比较有前瞻性的。”“交通运输和电子这两块结合在一起,是非常适配当前的市场趋势的。”

不过电子产业本身,当前正遭遇大量不确定性,比如上游半导体市场受制于地缘政治、新冠疫情等因素出现了供应链方面的挑战,而且渐有“区域化”走势;宏观经济不确定性,以及消费电子市场出现疲软,都为该市场蒙上阴影。我们看到不少机构最近都表达了对电子、半导体产业市场近未来的担忧。

前不久3M公开的2022 Q1季报显示,其交通运输与电子产品事业部的营收同比小有下滑(-0.3%)。3M在季报中提到,半导体供应链方面的挑战仍然影响到了全球汽车制造和电子产品终端市场;与此同时原材料物流成本提升,生产因此受到影响。不过3M对该业务的Q2预期仍有同比增长。而且实际上3M这一季的整体仍有源于业务内生成长的(organic growth)增长产生,这与3M产品覆盖市场的多样性有很大关系——毕竟前文就已经提到了那么多应用方向。

“交通运输与电子事业部所跨的市场,有的行业比预期好,有的则可能正遭受挑战。这是3M多元化经营的优势所在。我们整体可以更好地平衡内部资源,去支持一些有更好发展前景的行业。”朱敦深表示,“多平台的优势,让我们能够应对市场上的动荡,不管是疫情、缺芯,还是现在可能部分市场出现产能过剩,我们都能积极、敏捷地调配资源去应对这些改变。”

“所以我们对大中华区接下来整个市场的发展势头是非常看好的。”“要说电子材料领域,除了传统的手机、笔记本电脑、平板这些领域,大中华区虽然今年预期会有小幅下跌,但整体仍保持增长趋势。”朱敦深谈到几个主要的潜在增长点:“一些高速增长的领域,我们会和合作伙伴一起去共赢。比如5G、IoT、电动汽车、半导体、AR/VR,甚至还有元宇宙。”

“我们不断看到有新的发展机会。而在交通运输方面,除了传统交通基建的一些解决方案,我们也在积极探索。尤其从传统汽车到电动汽车过渡的这个过程,我们会去发现还有哪些增长机会,比如电动车的三电系统,其实是需要不少材料方面的创新的。”

5G基建市场就有不少发展点

实际上仅是某一个应用方向,3M作为材料供应商参与的部分都相当多样化,“我们能做的东西很多”——朱敦深这样说。5G、半导体大概是其中颇具代表性的两个应用,我们以这两个方向为代表,来谈谈3M当前在电子产业领域的相关产品和解决方案布局。

5G市场发展的显著机遇,在于5G基础设施——包括基站,以及5G终端设备数量未来还将有显著增长;尤其随着5G阶段性建设和标准的持续迈进,5G尚有长远的技术规划路径。这对3M这样参与5G市场应用的材料供应商而言,自然是重要的机会。

除了文首提及,在5G基站上以胶带、胶粘剂来替代机械固定和铆接方案以外,“基站里面我们主要在看高频高速板材、吸波及屏蔽导热,还有线路板保护的一些应用。”朱敦深补充说,“要覆盖更高的频段,那么材料在高频段就需要更低的介电常数、介电损耗。这对新材料开发带来了极大的挑战。很少有材料公司能够在这方面开发出稳定的、满足客户需求的产品。”比如未来还将大举来袭的毫米波,对材料厂商就是新的挑战和机遇。

“我们和很多行业合作伙伴在深挖市场。”“一些大厂的数据中心也会应用3M的氟材料来做浸没式冷却,这种解决方案在5G基站中也很好用。”

“终端部分,如果以手机为例,那么比如在壳体材料方面,原本4G手机的材料对5G的信号屏蔽影响会非常大,所以壳体材料的开发,不管是陶瓷还是玻璃,这些都是非常热门的材料需求。”“另外5G手机轻薄化设计趋势,也会需要轻薄化的胶带;加上手机也追求好的声音效果,就会有减震材料需求。”

“当然手机里面也有导电、屏蔽的胶带需求。尤其5G手机要布控更多天线,这对3M而言也是增长点。”朱敦深说,“其实单单一个手机里面,3M面临的机会就有上百个。只不过我们是由不同的团队来攻克的。”

就5G新材料部分,我们来举两个具体的例子。其中让我们印象颇为深刻的透明天线膜。这是一种肉眼几乎看不到金属配线的透明导电膜,以超细微网格的方式附着在透明薄膜上,适用于5G的隐形天线阵列。

“看上去就是一片透明的薄膜。很多人不希望抬头就看到5G天线。那么运营商布置这样的天线,又满足大家通话质量、5G使用的要求,同时也能满足对天线的隐形要求。”朱敦深介绍说。

另一个颇具代表性的,朱敦深在采访中提到的例子是玻璃微珠。3M在官方介绍中提到,5G信号每次通过材料都会失去动能和速度。而3M的中空玻璃珠就能帮助稳定5G信号——据说能够提高数据传输速度、减少信号传输功率损耗。这是一种用于树脂材料的低损耗添加材。具体地说,在天线系统天线罩盖、天线分叉、5G网络设备外壳都能应用这种材料。

朱敦深说玻璃微珠的应用还有不少,汽车、手机,甚至汽油开采中的轻量化应用。而5G时代的新应用,则在于“利用其高机械强度、低介电损耗”。

类似这些5G新材料开发,以及应用场景的开发,实际在3M内部是跨部门、跨平台合作达成的。“电子材料、商用解决方案、先进材料产品部都有5G材料;而安全与工业产品事业部下面的一些工业胶带及胶胶粘剂产品部也有一些5G材料。”“5G是个蛮大的市场,我们很难仅通过一个业务部门覆盖所有的产品。”

而在具体面向5G通信领域的客户时,“我们在大事业部上有专门负责5G的业务经理。技术方面,我们也会派资深专家来负责5G市场的拉通。他们会把我们3M内部的解决方案整合到一起,把整体解决方案推给客户,也就不需要单个业务部去面向客户;客户也就能更加了解3M在哪些方面能够帮助他们做提升。”

不止于5G,3M在针对半导体、电动汽车、数据中心等市场之时,都有跨平台提供解决方案的操作。这实际上也从侧面表明了当前电子产业市场热点的多样性。

延续摩尔定律,3M材料也有不少机会

聊完5G,再来谈一个热门领域:半导体。实际上3M在半导体制造和封装领域都有对应的材料产品提供。比如在制造部分,其材料产品囊括了湿法清洗的表面活性剂、衬底片研磨的研磨垫和研磨液、离子注入的三氟化硼气体、化学药液输送的氟塑料等等;而在封装部分,3M提供过程保护的晶圆键合、遮蔽胶带,以及封测的载盖带等。

从材料的角度,我们始终很关心的一个话题是,为延续摩尔定律或者半导体工艺技术的持续进步,材料供应商都做了些什么。“半导体芯片尺寸越做越小,摩尔定律整体放缓。大家公认,继续提高芯片性能,除了持续推进2nm、1nm等制程的发展,还会采用先进封装、多层堆叠的技术。”

“这个过程中就需要用到多层导线。”朱敦深说,“多层导线里面的每一层金属,里面有个非常重要的步骤,需要把表面磨平才能再堆一层。3M有对应的产品——化学平坦化的研磨片或者研磨片的修整器,能够在这个过程中起作用。主要是把表面磨平。这个过程听起来很容易,但半导体制造精度、效率要求非常高,对半导体制造的成败很重要。”

“除了普通烧结的、研磨修整器,还有我们专利的Trizact技术——像金字塔一样的研磨修整器,还有钻石级的。相比于市面上的同类产品,我们产品的最大优点在切削力、寿命、表面的粗糙度上,能够取得非常好的平衡。”

另一方面,“现在2.5D/3D先进封装技术受到青睐。我们期望在先进封装技术普及的过程中,除了CMP产品,我们也整合了材料技术,配合客户工艺要求,目前主要有两个技术平台。”朱敦深在谈3M在先进封装技术时代的布局时谈到。

“一个是临时键合(bonding)、解键合的技术平台,主要用在芯片支撑和保护上。在晶圆级芯片封装(WLP)时,需要很多的、临时的一些保护,通过胶带的键合来保护,例如像薄化、fan-out。这些工艺,在完成激光解离之后,我们又能够实现解键合,而且确保移除没有残胶。这是我们的拳头产品。”

“第二个是高温制程的保护胶带。因为3M在胶粘上有很多方案,我们就利用高温胶粘的配方,更好地支撑、保护这些晶圆和晶圆的bump,保证准确的堆叠。完成这些步骤以后,协助客户实现高效率、高良率的先进封装,实现量产。”

可见像3M这样的材料供应商作为foundry和设备厂的上游,在制造和封装领域,对于推动半导体技术进步有举足轻重的地位。

3M的中国本土化发展

电子产业发展过程里,中国也是个相当大的市场。比较有趣的是,朱敦深告诉我们3M在面向中国本土客户推产品时,一方面会藉由本土化的研发团队,基于客户需求做产品和技术;另一方面则将3M本身的“一些先进技术、解决方案,引进给客户。有的时候给客户一些解决方案,他们会突然眼前一亮,发现这能够解决他的问题”。“这两种方式,我们都会用。”

朱敦深介绍说,3M在美国、日本、德国等地都有很强大的研发团队,“尤其是美国的中央研究院,有很多先进材料、先进工艺、数字化、先进分析测试技术。这就给我们贡献了很多先进技术。”

而在本土化方面,3M这家公司是入驻中国比较早的外企之一,早在1984年3M中国就在上海注册成立了。目前3M在中国有9个生产基地、20个办事处、4个技术中心和1个研发中心。中国研发中心目前就在上海。而本土研发相关的,当前3M在中国已经有500多名本土研发人员。

“在中国这么多年,我们也贡献了不少发明专利。我们本土开发的产品,比较有名的如9501+,9502+等KN95口罩系列——疫情期间相信很多人应该都用过。”朱敦深表示。上海贡献了不少本地研发的产品,比如半导体封测的保护胶带,载带、盖带产品——“这是我们上海漕河泾工厂开发出来的。”在上海新桥、浦江、金山等工厂,也都有适配本地客户需求的产品研发与生产。

“只要有本地工厂的布局,其实都会有不少本地化产品推出。其实全球客户,80%以上需求都一样,但不同地区会有本地法规的要求或者本地客户的需求,我们在开发新产品的时候都会考虑进去。”

从3M今年Q1的季报来看,其最大的市场仍在美洲(占到季度销售额的50.3%),其次就是亚太地区(占比31.4%)。3M虽不会给出基于国家地区的营收情况,但基本都会提及中国市场的销售额对于营收的影响,基于市场的变化,无论是正向的还是负向的,也就足以表明中国和亚太市场对3M的重要性。

作为一家庞大的跨国企业,3M涉足的应用领域之广自然不只是本文所探讨的几个组成部分——只不过5G和半导体是我们认为颇具代表性的应用方向。“像芯片市场,我个人认为这是个组合问题。像电动车在中国发展这么快,超过了所有人的预期,其中就会用到大量芯片。或许某些芯片会存在产能过剩的问题,但要是加上汽车芯片,整个半导体行业的增长趋势应当是不会变的。”

就像朱敦深说的,电子产业未来的热点还有不少,如IoT、AR/VR、电动汽车,甚至元宇宙;而这些热点在中国的发展也将有个长期而快速的过程,3M也必然是要参与到这个过程中来的。

即便当前受制于各种客观因素、半导体供需关系的变化及全球经济大环境,电子产业会有个短期的抑制发展过程,但就长远来看,这是个仍有大量热点和蓬勃发展潜力的市场。其实从过去我们采访的不少半导体行业上游市场参与者,从材料到设备供应商,都能看出这样的趋势:3M也是其中之一。

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