电子产品微型化，散热石墨成为最佳选择.pdf

请仔细阅读本报告末页声明 证券研究报 告 | 行业深度 2018 年 08 月 07 日 中小盘 电子 产品微型化 ， 散热石墨成为最佳选择 散热石墨 具有 优良 的 物理 特性， 成为 电子 产品 目前 最佳 散热 材料 选择 。 随着电子器件的高频、高速以及集成电路的密集和小型化， MEMS ( Micro Electro-Mechanical System)技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加。 试验已经证明，电子元器件温度每升高 2，可靠性下降 10%；温升 50时的寿命只有温升 25时的 1/6。传统依靠铜质和铝制材料高的热传导率直接散热，或者配合硅胶、风扇及流液散热难以满足现有需求。 散热 石墨材料 具有高导热系数、各向异性、低密度和小体积的特点， 成本 大幅下降 ，是 目前 最佳 的散热材料。 散热石墨材料市场规模快速增长。 消费电子向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下， 手机等 消费电子散热石墨应用比例 正 迅速提升 ， 根据 Credence Research 数据，全球热界面材料市场规模从 2015 年 7.74 亿美元，预计将提高至 2022 年的 17.11 亿美元， 2015-2022 年期间年复合增长率为 12.0%。我们估算 石墨导热材料 潜在 市场规模为 82.64 亿元 （仅测算 智能手机、平板电脑、笔记本计算机、可穿戴设备 这 四个领域市场规模 ） 。 未来散热石墨市场 增长主要依靠 新 的 应用领域拓展， 尤其 在 汽车 电子、 5G 等 领域，其他 在LED 照明、卫星电路、激光武器等高功率、高集成度系统 等领域 亦 有 散热需求 。 行业呈 垄断竞争 格局 。 上游聚酰亚胺膜（ PI 膜）市场集中度高 ， 全球主要的PI 膜生产厂商占有 90%的市场份额。 中游散热石墨行业呈垄断竞争 ， 高导热石墨膜行业正在经历从寡头垄断到垄 断竞争的过程，少数大规模量产企业面临新增的小规模企业的价格竞争 。 高导热石墨膜下游客户主要为大型消费类电子制造商如三星、苹果等 ， 有较高的进入壁垒 。 石墨烯 有望替代 散热 石墨 成为主流散热材料 。 石墨烯具有极高的热导率（ 5300W/mK） 和热辐射系数， 超高导电性能提供的电磁屏蔽性能使得石墨烯散热膜具有更优异的价值。 因此石墨烯作为辅助散热的导热塑料或者膜片导热性能强同时具备电磁屏蔽性能，具有巨大的应用前景。 石墨烯的大规模、高质量生产依然是其实现大规模应用的瓶颈。 我们认为凭借石墨烯的优异性能，未来有望取代现有的石墨薄膜，成为市场主流散热材料。 投资策略 ： 散热石墨材料市场规模快速增长 ，我们 建议 重点 关注 中石科技 （ 苹果公司石墨材料供应商和模切供应商 ） ， 积极关注 碳元科技 （ 三星、华为、VIVO、 OPPO 等 智能手机 供应商 ） 。 风险提示 ： 合成石墨材料产品价格进一步下跌的风险、行业竞争及原材料价格波动导致毛利率波动的风险 、贸易壁垒风险 。 增持 （ 维持 ） 行业 走势 作者 分析师 张俊 执业证书编号： S0680518010004 邮箱： zhangjun1gszq 联系人 郑树明 邮箱： zhengshuminggszq 相关研究 1、中小盘：电子烟兴起，卡位千亿级赛道 2018-06-27 2、中小盘：宠物经济蓬勃发展，自主品牌建设是趋势2018-05-08 重点标的 股票 股票 投资 EPS （元） P E 代码 名称 评级 2017A 2018E 2019E 2020E 2017A 2018E 2019E 2020E 300684 中石科技 - 0.95 2.37 3.46 4.59 74 29 20 15 603133 碳元科技 - 0.25 - - - 74 - - - 资料来源：贝格数据，国盛证券研究所 注 ： 中石科技 、碳元科技为 wind 一致预期 -32%-16%0%16%32%2017-08 2017-12 2018-04 2018-07中小板指 沪深 3002018 年 08 月 07 日 P.2 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 电子元器件总功率密度大幅增长，散热需求激增 . 4 电子产品微型化，散热石墨成为最佳选择 . 5 传统散热方式难以满足现有需求 . 5 电子元器件小型化、高功率化 . 5 散热石墨性能优异 . 7 散热石墨材料市场规模快速增长 . 10 行业呈垄断竞争格局 . 15 上游聚酰亚胺膜（ PI 膜）市场集中度高 . 15 中游散热石墨行业呈垄断竞争 . 16 下游客户为大型消费电子制造商，有较高的进入壁垒 . 18 石墨烯有 望替代散热石墨成为主流散热材料 . 18 重点公司分析 . 20 中石科技 . 20 碳元科技 . 21 风险提示 . 22 图表目录 图表 1：元器件温度与可靠性呈反比 . 4 图表 2：电子产品热量传递过程 . 4 图表 3：笔记本风扇散热 . 5 图表 4：智能手机硅胶散热 . 5 图表 5： Intel 部分芯片散热设计功耗 . 6 图表 6：轻薄本占比持 续提升 . 6 图表 7：手机厚度趋薄 . 7 图表 8：石墨散热膜 . 7 图表 9：石墨晶体结构图 . 8 图表 10：石墨均匀散热示意图 . 8 图表 11：各种材料 a-b 面的热传导率（以松下产品为例）（单位： W/（ mK） . 8 图表 12：石墨导热性能优异 . 8 图表 13：不同导热材料 . 9 图表 14：散热膜材料 . 9 图表 15：人工石墨生产工序 . 9 图表 16：合成石墨价格大幅下降（元 /平方米） . 10 图表 17：全球热管理产品市场规模（亿美元） . 10 图表 18：全 球热界面材料市场规模（亿美元） . 10 图表 19：石墨导热材料市场规模 . 11 图表 20：全球智能手机出货量（百万台） . 11 图表 21： 2017 年全球各大手机出货量（百万台） . 12 图表 22：全球平板电脑出货量（百万台） . 12 图表 23：全球笔记本计算机出货量（百万台） . 13 图表 24：苹果电脑采用高导热石墨膜散热 . 13 2018 年 08 月 07 日 P.3 请仔细阅读本报告末页声明 图表 25：全球基 本可穿戴、智能可穿戴出货量（百万台） . 14 图表 26：中国汽车产量（万辆） . 14 图表 27：新能源汽车产量及增速（万辆） . 14 图表 28：功率电子器件被大量应用于汽车带来散热需求 . 15 图表 29：通信网络建设带来的散热需求 . 15 图表 30：散热石墨膜产业链 . 16 图表 31：全球 PI 膜主要制造商产能概况 . 16 图表 32：行业参 与者 . 17 图表 33：中石科技与碳元科技合成石墨出货量（万平方米） . 18 图表 34： 2017 年智能手机各品牌出货量（百万台） . 18 图表 35： 2017 年平板电脑各品牌出货量（百万台） . 18 图表 36：石墨烯具有极高的热导率（单位： W/（ mK） . 19 图表 37：石墨烯 具备超高导电性能 . 19 图表 38：各产品收入占营收比重 . 20 图表 39：各产品毛利率情 况 . 20 图表 40： 2014-2017 营业收入及增速 . 20 图表 41： 2014-2017 净利润及增速 . 20 图表 42：各产品收入占营收比重 . 21 图表 43：各产品毛利率情况（ 2017） . 21 图表 44： 2014-2017 营业收入及增速 . 21 图表 45： 2014-2017 净利润及增速 . 21 2018 年 08 月 07 日 P.4 请仔细阅读本报告末页声明 电子元器件 总功率密度大幅增长，散热需求激增 电子 产品在 运行 过程中 会 产生热量 ， 这 将直接影响电子产品的性能和可靠性。 随着电子器件 的 高频、 高速以及集成电路 的密集 和小型化 ， MEMS ( Micro Electro-Mechanical System)技术的进步，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加 。 试验已经证明，电子元器件温度每升高 2，可靠性下降 10%；温升 50时的寿命只有温升 25时的 1/6。 高温的温度环境影响电子元器件的性 能，这就要求对其进行更加高效的热控制 ，而 导热材料主要用于解决电子设备的热管理问题。 图表 1： 元器件温度 与可靠性呈反比 资料来源： 中石科技 招股说明书， 国盛证券研究所 导热 、对流、辐射 是 热传递的三种基本方式 。 在热量传递的过程中，依据散热器结构的不同，会结合导热、对流、辐射的方式进行热传递。电子产品散热的原理 是 通过导热界面材料 从产热器件中将热量取到散热器中，最终 将热量散至外部环境，降低电子产品温度。 图表 2： 电子产品热量 传递过程 资料来源：国盛证券研究所 0%20%40%60%80%100%120%25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 50温度（ C ）可靠性 寿命2018 年 08 月 07 日 P.5 请仔细阅读本报告末页声明 电子 产品 微型化， 散热 石墨成为最佳选择 传统 散热方式难以满足现有需求 散热问题一直是消费电子行业高度关注的热点和难点。 导热材料主要是应用于系统热界面之间，通过对粗糙不平的结合表面填充，用导热系数远高于空气的热界面材料替代不传热的空气，使通过热界面的热阻变小，提高半导体组件的散热效率，行业又称“热界面材料”。 过去消费电子产品的散热，主要利用铜质和铝 制材料 高 的 热 传导 率 直接散热，或者配合硅胶、风扇及流液形成散热系统 ， 将器件散发出的热量带走 。 图表 3： 笔记本风扇 散热 图表 4： 智能 手机 硅胶 散热 资料来源： 百度 图片， 国盛证券研究所 资料来源： 百度 图片， 国盛证券研究所 在消费电子向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下，产品内部空间越来越狭小，仅靠利用铜质、铝制材料配合硅胶等设计出的散热通道已经很难满足需求。 散热 石墨 具有优良的 散热 效果， 叠加 成本不断下降， 我们 认为 散热 石墨 片 成为 目前 电子 产品散热 材料的 最佳选择。 电子 元器件小型化 、 高功率化 以 Intel 芯片为 代表， 我们 可以看到 芯片 发展趋势呈现单核到多 核 、 低频 到高频、 低散热设计功耗到高 散热 设计功耗。 一般 散热 设计功耗 主要应用于 CPU， CPU 散热 设计功耗 值对应系列 CPU 的最终版本在满负荷 （ CPU 利用率为 100%的理论上 ） 可能会达到的最高散热热量，散热器必须保证在处理器 TDP 最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围之内。 2018 年 08 月 07 日 P.6 请仔细阅读本报告末页声明 图表 5： Intel 部分芯片 散热设计功耗 型号 制程 线程 TDP 主频 核心数量 Core i3-530 32nm 2C/4T 73W 2.93GHz 双核 Core i3-540 32nm 2C/4T 73W 3.06GHz 双核 Core i5-655K 32nm 2C/4T 73W 3.2GHz 双核 Core i5-660 32nm 2C/4T 73W 3.33GHz 双核 Core i5-661 32nm 2C/4T 87W 3.33GHz 双核 Core i5-670 32nm 2C/4T 73W 3.46GHz 双核 Core i5-680 32nm 2C/4T 73W 3.6GHz 双核 Core i5-750 45nm 4C/4T 95W 2.66GHz 四核 Core i7-860 45nm 4C/8T 95W 2.80GHz 四核 Core i7-880 45nm 4C/8T 95W 3.06GHz 四核 Core i7-930 45nm 4C/8T 130W 2.80GHz 四核 Core i7-940 45nm 4C/8T 130W 2.93GHz 四核 Core i7-950 45nm 4C/8T 130W 3.06GHz 四核 Core i7-960 45nm 4C/8T 130W 3.2GHz 四核 Core i7-980X 至尊版 32nm 6C/12T 130W 3.33GHz 六核 Core i7-990X 至尊版 32nm 6C/12T 130W 3.46GHz 六核 资料来源：百度 百科， 国盛证券研究所 笔记本 电脑 、 智能手机呈重量变轻、厚度变薄的趋势。 消费者 更加 喜好 轻薄 产品 ，我们可以看到轻薄本的占比正在持续提升， 智能 手机厚度变得越来越薄 。 随着集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小，其功率密度却快速增加， 散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。 图表 6： 轻薄本占比 持续提升 资料来源： 捷孚凯市场咨询， 国盛证券研究所 30% 32% 33%36% 41%46% 48%0%10%20%30%40%50%60%17Q1 17Q2 17Q3 17Q4 18Q1 18-Apr 18-May2018 年 08 月 07 日 P.7 请仔细阅读本报告末页声明 图表 7： 手机厚度趋薄 年度 手机型号 手机厚度（ mm） 主流厂商 2010 iphone 4 9.3 苹果 2011 xperia Arc 8.7 Sony 2011 Droid RAZR 7.1 摩托罗拉 2012 OPPO Finder 6.65 OPPO 2013 Ascend P6 6.18 华为 2014 ELIFE S5.5 5.55 金立 2015 vivoX5 Max 4.75 VIVO 2015 Oppo R5 4.85 OPPO 2016 Moto Z 5.2 联想 2017 iphone 8 7.3 苹果 资料来源： 百度 百科， 国盛证券研究所 散热石墨 性能优异 散热石墨膜又称为导热石墨膜，导热石墨片，石墨散热 膜 等， 是一种全新的导热散热材料， 具有高导热系数、各向异性、低密度和小体积的特点， 具有 独特的晶粒取向，沿两个方向均匀导热， 具有很高的导热性能，是由一种高度定向的石墨聚合物薄膜制成。 片层状结构可很好地适应任何表面，屏蔽热源与组件 同时改进消费类电子产品的性能。 图表 8： 石墨散热 膜 资料来源： 搜狐 ， 国盛证券研究所 研究发现石墨晶体具有六角平面网状结构，具有耐高温、热膨胀系数小、良好的导热导电性、化学性能稳定、可塑性大的特点。 石墨独特的晶体结构，使其热量传输主要集中在两个方向： X-Y 轴和 Z 轴。其 X-Y 轴的导热系数为 3001,900W/(m K)，而铜和铝在X-Y 方向的导热系数仅为 200400W/(m K)之间，因此石墨具有更好的热传导效率，可以更快将热量传递出去。与此同时，石墨在 Z 轴的热传导系数仅为 520W/(m K)，几乎起到了隔热的效果。因此石墨具有良好的均热效果，可以有效防止电子产品局部过热。从比热容的角度看，石墨的比热容与铝相当，约为铜的 2 倍，这意味着吸收同样的热量后，石墨温度升高仅为铜的一半。因石墨在导热方面的突出特性，可以替代传统的铝质或者铜质散热器，成为散热解决方案的优秀材料。 2018 年 08 月 07 日 P.8 请仔细阅读本报告末页声明 图表 9：石墨晶体结构图 图表 10：石墨均匀散热示意图 资料来源： 碳元科技 招股说明书， 国盛证券研究所 资料来源： 碳元科技 招股说明书， 国盛证券研究所 在消费电子向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下，产品内部空间越来越狭小，仅靠利用铜质、铝制材料配合硅胶等设计出的散热通道已经很难满足需求 。 石墨特殊的晶体结构使其导热性主要集中在水平方向（ a-b 面） ， 而在石墨晶体的垂直方向上 ， 石墨导热性能很低 ， 隔热性能良好 ， 因此石墨晶体具备良好的水平导热、垂直阻热效果 ， 是良好的导热介质。与其他材料相比，石墨导热性能优秀。 由于石墨的导热性能良好，可以实现热量的快速传递，因此常作为导热器件被用于电子产品的散热系统中。 中低端 手机散热 一般 使用硅脂 ， 存在价格优势 ， 一部手机 大约 花费 0.32 元 ， 但 导热 性能 较低 ， 适用于对价格敏感的 客户 。 中高端 机主要 采用散热 石墨 ， 其每部 手机 成本大约 3.3 元 ， 与 中低端手机相比 使用 成本 相差 10 倍 。 图表 11： 各种材料 a-b 面的热传导率（以松下产品为例） （单位 ： W/（ m K） 资料来源： 百度文库， 国盛证券研究所 图表 12： 石墨导热 性能优异 石墨导热性能与铜、铝对比 导热系数 W/(m K) 比热容 J/kg K 密度 g/cm3 铝 200 880 2.7 铜 380 385 8.96 石墨 水平 3001,900，垂直520 710 0.72.1 资料来源： 碳元科技 招股说明书， 国盛证券研究所 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20002018 年 08 月 07 日 P.9 请仔细阅读本报告末页声明 图表 13： 不同 导热 材料 产品类型 技术特点 价格 合成石墨材料 各向异性和均热性能优良，平面方向的导热系数较高 。 3.3 元 /部 导热填隙材料 导热系数范围广；高粘性表面，减少接触阻抗；长时间工作导热稳定度好；柔软，并且有优秀的电绝缘性能 。 - 导热凝胶 质软且对器件反作用力较小，低热阻，优异的电绝缘性 。 导热硅脂 高导热系数，低热阻，优良的表面湿润性能 。 0.32 元 /部 相变材料 低总热阻，具有自粘性，高可靠性，固态状易于处理 。 - 资料来源： 淘宝网 ， 国盛证券研究所 注 ： 价格 为 每部手机 估算数据 消费电子产品发展的核心问题之一，是如何降低电子元件的峰值温度 。 石墨散热膜增加散热效果的主要途径 : 热量通过平面内快速传送到机壳与框架； 表面增强红外线 辐射 效果； 扩大平面散热面积，迅速消散 热点。 目前 主流散热膜 材料 主要 分为三类 ，分别 是天然石墨散热膜、人工石墨散热膜、 纳米碳 散热膜。 三种类型的散热膜各有优缺点，目前广泛应用在各个品牌手机等消费类电子产品上。 图表 14： 散热膜 材料 名称 优点 缺点 发展前景 天然石墨散热膜 价格低 最薄只能做到0.1mm；散热效果最差 差 人工石墨散热膜 目前市面上最薄的产品可以做到0.01mm；散热效果好 加工工艺复杂，良率较低，因此价格较高 目前在市面上广泛应用，例如iPhone 纳米碳散热膜 最薄可以做到 0.03mm；散热效果最好；加工工艺简单，价格低（甚至可能低于天然石墨） - 好 资料来源： 新浪 ， 国盛证券研究所 图表 15： 人工 石墨生产工序 工序 主要 化学和物理变化 碳化 高温下 PI 膜结构分子径向排列被打乱，羰基断裂，非碳成分全部或大部分挥发，最后形成乱层结构的聚酰亚胺碳化膜，为一种芳杂环多环化合物。 石墨化 高温下多环化合物分子重整，有序性增大，无序性减少，向六角平面的层状石墨结构转变，最后形成高结晶度的大面积石墨原膜。 压延 在特制机器上经特定操作，挤压延展后形成柔软且高密度的石墨原膜。 贴合 与丙烯酸类胶带进行复合，