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柔性線路板FPC在動力電池上

特普生科技 特普生科技 2023-03-28 12 632

FPC 產業鏈概況

——PCB領域的重要構成,順應硬件創新需求

FPC,即柔性印制線路板,簡稱軟板,是以聚酰亞胺或聚酯薄膜為基材制成的可撓性印刷電路板。與傳統的PCB硬板相比,具有生產效率高、配線密度 高、疊彎曲、厚度薄重量輕、可三維布線等顯著優勢,更符合下游電子行業智能化、輕薄便攜趨勢的要求,可廣泛應用于航天、移動通訊、軍事、筆記本電腦、計算機外設、PDA、等領域或產品上,是近年來 PCB 行業各細分產品中增速最快的品類。

上游:主要原材料包括撓性覆銅板(FCCL)、覆蓋膜、元器件、屏蔽膜、膠紙、 鋼片、電鍍添加劑、干膜等八大類;

中游: FPC 制造;

各類應用,包含顯示/觸控模組、攝像頭模組、指紋識別模組、等,最終應用包括通訊設備、汽車電子、消費電子、工控醫療、航空航天等領域。


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技術演進展空間,順應電子硬件創新需求

隨著消費電子向小型化、輕型化發展, FPC 為適應下游行業趨勢也正在向高密度、超精細、多層化方向發展,FPC上用于連接電子元器件線路和孔徑需要滿足更加精細的尺寸要求。

目前,全球領先企業在 FPC 產品制程能力上,其線寬線距可達30-40μm、孔徑達到 40-50μm,并進一步向 15μm 及以下線寬線距、40μm 以下孔徑方向發展。

國內盡管與國際領先企業有所差距,但經過不到十年的發展也突破了 40-50μm 線寬線距、 70-80μm 孔徑技術,并進一步向 40μm 以下線寬線距、60μm 以下孔徑制程能力突破,其中以景旺電子、弘信電子為首的本土頭部企業在 FPC 產品制程能力上非常突出

FPC生產工藝由“片對片”向“卷對卷”轉變

基于提高生產良率的要求,FPC 生產工藝由“片對片”向“卷對卷”轉變。由于生產 FPC的主要原材料 FCCL 是成卷提供,在“片對片”生產工藝下,需將成卷的 FCCL 裁剪成片(規格通常為250mm*320mm),方能進行后續生產。

而“卷對卷”生產工藝 ,可一次性全自動完成前期繁復的放卷、清潔、壓膜、收卷等多道工序,直接將成卷的 FCCL 加工生產,在生產流程的后端再按照設計的要求進行剪裁。卷對卷”生產工藝逐漸達至穩定狀態,FPC 生產將由半自動化生產向全自動化生產轉變,這將極大 提升 FPC 生產效率及良率。

加成法替代減成法,成為主流 FPC線路制備工藝

減成法即預先在 FCCL 的設計線路上添加抗腐蝕層作為保護,再經過腐蝕工序去除設計線 路以外的銅箔,形成 FCCL 所需的線路圖形。該工藝雖然技術門檻較低,但流程較為繁 瑣,且需腐蝕大量銅箔,因此生產成本高昂,一般適合制作 30-50μm 的線路。

加成法可分為:全加成法、半加成法

半加成法

是減成法向全加成法過渡的中間工藝,核心工序為電鍍銅和銅箔腐蝕工序,其優勢為可一定程度上減少減成法導致的銅資源浪費和腐蝕廢 液排放,適合制作 10-50μm間的精細線寬線距;

全加成法

指直接通過電鍍銅工藝形成 所需線路圖形,而無銅箔腐蝕工序,該技術工藝流程簡單,且成本較低,可制作 30μm 以 下的線寬線距,適用于生產高附加值的精細化產品。

FPC 傾向于使用尺寸穩定性高的基材

基于高產量和低成本的要求,FPC 傾向于使用尺寸穩定性高的基材。對于高密度互連結構撓性多層板生產過程而言,所選基材尺寸的穩定性是制造成功與否的關鍵因素,由于基材幾何尺寸的收縮會直接影響電路層與覆蓋膜之間的精確定位,從而影響器件組裝的對準性,所以選擇尺寸控制更為嚴格的撓性板基材非常重要。

隨著新的聚脂系列材料的開發,FPC基材各項性能有了很大改善,尺寸的穩定性也進一步提高。以 Apical NP 基材為例,其相比現行的其它材料有著明顯的、更好的尺寸穩定性。


FPC需求端

需求回升疊加創新拉動,消費電子復蘇仍可期

FPC廣泛應用于通信、消費類電子、汽車電子、工業、軍事、航天等多個領域,其市 場需求與下游終端電子產品需求密切相關。

從 FPC 下游主要應用結構來看,根據 Prismark 數據,2019 年全球 FPC 產值主要集中于通訊電子和計算機領域,其中通訊電子占比分 33.0%,計算機占比28.6%,以手機為主的消費類電子構成了FPC產值規模的主要貢獻點。未來隨著通訊電子、電動汽車、可穿戴設備等消費類電子產品的放量,市場對 FPC 的需 求將逐步上升,預計全球 FPC市場規模于2025年將達到 287 億美元。

智能手機是 FPC 下游第一大應用領域

涉及顯示、電池、觸控、 連接、攝像頭等多功能模組模塊,一般而言,一部智能手機大約需要 10-15 片 FPC。當 前智能手機已步入存量時代,導致以手機為代表的消費電子出貨量下降明顯。但隨著創新型應用技術的發展,5G 通訊技術普及、攝像模組升級、屏下指紋識別、 OLED 屏、折疊屏等新興技術在智能手機上的應用不斷深化,有望拉動智能手機出貨需 求回升,為 FPC 在智能手機領域的發展創造新的增長點。

以折疊屏技術應用為例,折疊屏手機兩塊屏幕之間需要使用 FPC 來進行跨鉸鏈柔性連接, 相比于普通手機,在 FPC 用量上會有所增加。2019 年以來,三星、華為、小米等手機廠 商相繼推出各類型號折疊屏手機,隨著折疊屏手機產業鏈日趨成熟,全球及國內折疊屏手機出貨量將有望呈現快速增長趨勢。

可穿戴設備新興市場崛起,助推FPC市場

近年AI等技術普及,TWS 耳機、VR/AR、智能手表/手環等新興消費類電子產品智能可穿戴設備快速發展。據 ID 數據,2021 年全球可穿戴設備出貨量 5.34 億臺,同比增長19.99%。FPC因輕薄、可彎曲,與可穿戴設備的契合度最高,是可穿戴設備的首選連接器件,為最大受益者之一。

目前 ,AR/VR 設備從普通機型到中高端機型,單機用 FPC 用量范圍達 10 - 20 條,部分高端機型由于傳感器多、電路復雜、 對于產品重量和性能要求更嚴格等因素,FPC 用量可能在20 條以上。

未來隨著產品迭代升級,功能更加豐富,引入的傳感器攝像頭數目更多,產品對于輕量化、散熱性 能的要求提升,FPC 用量會進一步增加。全球 AR/VR 市場出貨量有望從 2020 年的 585 萬臺增長至 2024 年的 2130 萬臺,年均復合增長率為 29.49%。中國 VR 設備出貨量整體呈現增長趨勢,預計 2025 年出貨量為 1266 萬臺,市場潛力巨大。

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汽車電子需求新藍海,儲能市場蓄勢待發

FPC的性能與新能源汽車契合度高,是連接汽車電子元器件的良好線路載體,在安全性、組裝效率、續航以及降低自重等方面的明顯優勢,FPC連接方案已成為乘用車動力電池中的絕對主力方案。

傳統的線路載體,汽車線束較為笨重、連接方式復雜,無法順應新能源汽車電子元器件數量持續增加的發展趨勢,而FPC憑借其輕量化、結構簡單、線路連接方便等優勢, 在新能源汽車中得到廣泛應用。并且,隨著汽車智能化程度愈加提高,照明系統、顯示系統、動力系統、電池管理系統以及傳感器等裝 置對電子元器件的需求量擴大,對連接電子元器件所需的線路載體的數量相應增加。

新能源汽車的爆發式增長帶動了新能源領域中動力電池的高速發展,FPC 是新能源動力電池的重要配件,而與傳統線束相比, FPC 能實現模塊化和自動化生產,可通過自動化生產來提高生產效率,并且憑借著 FPC 自身顯著的特性能實現電池輕量化,更高安全性能,FPC 替代傳統線束是大勢所趨。

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汽車電子化開啟 FPC 需求新藍海。

汽車電子產品應用主要集中于動力系統、底盤系統、 車身系統、駕駛信息系統、安全系統和保全系統等。

隨著汽車的電子化水平日益提高, 傳感器得到廣泛應用,汽車電子占整車成本的比重逐步提升。根據賽迪智庫電子信息研究所發布的《2019 汽車電子產業發展白皮書》的數據,預計 2030 年汽車電子占整車成本將達到 50%。FPC 在車載領域的用量將不斷提高,預計 FPC 單車用量超過 100 片, 未來汽車對 FPC 的需求可達傳統汽車的 5—8倍。

動力電池FPC逐步替代傳統線束,成為主流

線束是汽車的神經系統,由 多種尺寸和形狀的電線和連接器組件組成。

相比于傳統線束,FPC線束添加了熔斷保護 電流設計,避免引起電池的燃燒或者爆炸,安全性能高,電池包內所占空間更小,符合汽車電子輕量化的發展方向,制造工藝靈活性高,生產效率高,尺寸精度高,適合規模 化大批量生產。在技術方面,FPC 線束方案有高度集成、自動化組裝、裝配準確性、超 薄厚度、超柔軟度、輕量化等諸多優勢。

一臺車選用 FPC柔性扁平線束,線束整體重量比傳統線束降低約50%,體積下降約60%;另外把電子模塊、開關和FPC線束集成一體化,能減少連接器和附件的使用,降低成本。所以 FPC線束能更好的優化空間、 降低能耗,實現整車綠色出行。目前,新能源汽車已開始大量應用FPC替換傳統的電池采樣線。

FPC供給端

規模+技術打造行業壁壘,國產替代漸入佳境

2021年全球 FPC市場規模182 億美元,預 2025 年將達到 287 億美元,年均復合增 速12.06%。

從競爭格局上看,2019年全球 Top3 FPC 廠商分別為旗勝、鵬鼎和住友,共 計占據FPC市場60.5%的份額,市場集中度較高。近年來,隨著下游終端產品更新換代加速及其品牌集中度日益提高,對 FPC 廠商大批量生產能力和技術研發能力提出更高的要求,頭部 FPC 廠商憑借已有的技術和規模優勢,積極進行技術研發和產能擴充,實現營收規模的新一輪擴張,通過筑高行業壁壘,鞏固競爭中的優勢地位,進一步提高了 行業市場集中度。FPC 廠商大型化、集中化的趨勢日趨明顯,行業步入寡頭競爭階段。

資金及客戶渠道,構成FPC行業準入門檻

由于行業步入寡頭競爭階段,所以對于FPC新進企業,資金及客戶的準入門檻拔高。

從資金準入門檻來看:

FPC行業作為資本密集型行業,前期投入和持續經營對企業資金實力的要求高,當前新建一條年產能百萬平方米以上的印制電路板生產線至少需投入數億元;同時,為保持產品的持續競爭力, 廠商還必須不斷對生產設備及工藝進行升級改造,并保持較高的研發投入,以緊跟行業更迭步伐;此外,FPC 制造商還需要在下游客戶的生產集中地區建廠布局以保持其快速 供貨和交付能力。

從客戶準入門檻來看:

電子產品制造商選擇 FPC 供應商時,一般需經過 1-3 季度長時間的嚴格認證考核,并且雙方在形成合作關系的基礎上,也是采用逐步加大訂單及供應量的方式進行合作。此外,一旦形成長期穩定的合作關系,不會輕易啟用新的 FPC 供應商,形成較高的客戶認可壁壘。

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提升供應鏈安全,國產替代漸入佳境

FPC行業是全球充分競爭的行業,日本、韓國、中國臺灣承接歐美國家的 FPC產業轉移迅速成長,目前在 FPC 行業占據主導地位。

由于國內FPC企業起步較晚,目前綜合競爭力與國際領先企業相比還存在一定差距,但近年來東山精密、弘信電子、傳藝科技、上達電子等本土 FPC 企業發展迅速,不斷縮短與國外企業規模及技術實力等方面的差距。

海外PCB廠商產能收緊,國內廠商份額快速提升

FPC 是 PCB 的重要構成,從 PCB 的 總量轉移亦可見 FPC 產業轉移趨勢的動向。日韓PCB企業最早布局 FPC 產品,蘋果業務占比較高。

2016年蘋果手機銷量增速放緩后,日韓廠商開始謹慎對待 FPC 板塊資本開 支,產品更新迭代速度變慢,競爭力逐漸下降。

2018年PCB全球產值分布中,日本企業位居第一,占比為 37%;中國大陸位居第四,占比僅為 16%;而在2021年的PCB 產值分布中,中國臺灣32.8%的占比位居第一,中國大陸上升第二,占比至31.3%,日本的產值占比下降至17.2%,降幅超過一半,50%,中國大陸PCB產值及其在全球的占比快速提升。

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國內FPC企業加強產業鏈合作,提升供應鏈安全性

上游

原材料方面,FCCL是生產 FPC 最重要的基材,占比40%,FPC的所有加工工序均是在 FCCL 上完成的。全球 FCCL 產能中國大陸占比為 21%,位列第三,FPC企業逐步實現在 FPC 上游原材料領域的國產替代,掌握 FCCL 生產的主動權,并通過穩定的供給減小 FPC 價格的波動,增強國產化供應的穩定性。

中下游

以弘信電子為例,公司通過與京東方、深天馬和歐菲光及聯想等大型模組 廠商和終端手機廠商合作,建立了穩定的業務關系。

伴隨中國 FPC 產業鏈配套的進一步完善、技術水平的穩步提高以及產能規模的不斷提升,內資 FPC 企業有能力滿足新能源 汽車與新興消費電子產品對于 FPC 的需求,國內 FPC 企業競爭力將持續增強,市場份額也將隨之增加。

消費電子為 FPC 產業鏈國產化提供先機

汽車電子切入國產 FPC 產業鏈時機已到。國內 FPC 龍頭廠商營業收入已達億級規模,通過募投項目擴大產能,提高 FPC 國產化程度。

東山精密在鹽城建設無限模塊生產基地,鵬鼎控股在淮安和臺灣高雄建廠擴產。國產手機培育出技術過關的國產 FPC 產業鏈,為汽車電子的切入奠定良好基礎。

東山精密已取得安德魯、安弗施和波爾威等客戶的體系認證,奕東電子擁有手機電池保護板 FPC 開發 技術、手機 FPC 設計和生產技術等核心技術,弘信電子服務于國產安卓系手機。生產基地、技術和客戶優勢助力汽車電子切入 FPC 產業鏈,奕東電子憑借新能源動力電池 FPC 技術,為儲能領域知名客戶成功實現 FPC 在儲能領域對傳統線束的取代。弘信電子將廈 門翔海廠逐步調整為車載動力電池專業工廠,供應多家國內外知名新能源汽車終端。

各汽車電子領域內的發展變化

采樣線束分幾個階段

1)電池模塊

一開始是通過導線將極柱測量點延長至接插件,再由接插件與LECU連接。采樣的線束長、接插點多、且未設計過流熔斷機制。

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存在的突出問題:

如果接插件方面沒有仔細考慮,線束短路會引起這3種不同的失效模式:不同電壓間的短路、連接器凝露和進水 ,或者是ASIC芯片內部的短路。

2)采樣線采用電路板代替部分采樣線

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3)FPC的線路板

一個是可以采用不同的工藝材質連接采樣點,

一個是可以設計線路保險絲,還可以給溫度傳感器NTC留出位置。

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總的來看,FPC可降低Module集成工藝復雜度,減重和節約成本,所以成為采用較多的主流方案。

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Yazaki在日本的電氣化車輛里面也在原有的基礎上有應用了

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在其他領域里面,FPC也用的有些多了,傳統銅線連接方面有所改變:

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儀表系統

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燈光系統和手機攝像頭

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動力電池 FPC 廣獲應用,替代銅線線束趨勢明確

采集線,是新能源汽車BMS系統所需配備的重要部件。主要能有三,

① 實現監控新能源動力電池電芯的電壓和溫度;

② 連接數據采集和傳輸并自帶過流保護功能;

③ 保護汽車動力電池電芯,異常短路自動斷開等功能。

傳統銅線線束方案

常規線束由銅線外部包圍塑料而成,連接電池包時每一根線束到達一個電極,當動力電池包電流信號很多時,需很多根線束配合,空間擠占大。并且在Pack裝配環節,傳統線束依賴將端口固定在電池包上,自動化程度低。

FPC

相較銅線線束,FPC具有高度集成、超薄厚度、超柔軟度等特點,在輕量化、安全性、布局規整等方面有突出優勢。此外FPC厚度薄,電池包結構定制,裝配時可通過機械手臂抓取直接放置電池包上,自動化程度高,適合規模化大批量生產。

所以,隨著 FPC 展現出的優異性能及規模化生產帶來的快速降本,FPC替代傳統線束的進程明顯提速,趨勢明顯。

升級 CCS 單車價值提升 

FPC 廠商正在進一步布局下游的集成產品 CCS(Cells Contact System,集成母排,線束板集成件),通過FPC向CCS的拓展提升單車價值和盈利空間。

CCS產品由FPC、銅鋁排、塑膠結構件等組成,銅鋁排將多個電芯通過激光焊接進行串并聯,FPC通過與銅鋁排、塑膠結構件連接從而構成電氣連接與信號檢測結構部件。 

FPC/CCS 市場空間廣闊 

基于對未來新能源汽車的銷售、FPC 產品單價等假設,對未來新能源汽車動力電池 FPC 和 CCS 市場空間進行框算。 

根據EVTank 數據,2020 年全球新能源汽車銷量331萬輛,預計 2025 年將達到 1800 萬輛。2020-2025年復合增速 40%,2030年預計新能源汽車滲透率將達到 50%左右,達到 4000 萬輛。根據中汽協數據,2020 年我國汽車總銷量 2531 萬輛,其中新能源136.7 萬量,預計 2025 年我國汽車總銷量有望達到 3000 萬輛。

儲能電池領域新增需求,預計再增厚33%空間

全球:

2015 年《巴黎協定》設定了本世紀后半葉實現凈零排放的目標,包括歐盟、 英國、美國、日本、韓國、中國等多個國家和政府提出了相關規劃和愿景,帶動全球儲能市場發展。

國家:

國家發改委、國家能源局印發《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》,明確到 2025 年,實現新型儲能從商業化初期向規模化發展轉變,裝機規模達30GW 以上;到 2030 年,實現新型儲能全面市場化發展,技術創新和產業水平穩居全球前列,裝機規模 基本滿足新型電力系統相應需求。

儲能產業的發展會直接帶動儲能鋰電池的銷售。根據 GGII 數據,2020 年全球儲能鋰離子電池出貨量為 27GWh,同比增長58.8%,其中中國儲能鋰離子電池出貨量為 16.2GWh,同比增長 70.5%。根據 GGII 預計,2025 年全球儲能電池出貨量將達到 416GWh,未來 5 年年復合增長率約為 72.8%。

安全穩定運行是儲能電站核心要求,對儲能電池運行狀態的監控和信息傳輸同樣是 非常重要的環節,FPC 應用有望進一步拓展到儲能領域,公開信息顯示業內已經有部分 公司有相關方案。儲能傳感器研究院預測,2025年、2030年全球動力鋰電池出貨量預計出貨量為 873.6GWh、4704.1GWh,全球儲能鋰電池預計出貨量為 167.5GWh、1566.7GWh。

中國汽車動力電池產業創新聯盟數據,2021 年 1 月我國新能源汽車按車型劃分的平 均裝車電量 44.4kWh,其中純電動乘用車平均帶電量分別為 45.2kWh,假設新能源單車電力容量40-60 度,參考新能源汽車動力電池 FPC、CCS 單車價值量 400-600 元、1000-1500 元假設,按照電池規模進行框算,則 1GWh 的儲能電池 FPC、CCS 投資有望達到 800-1200 萬元、2000-3000 萬元。

國內FPC具備優勢,需求端/供應端向國內集中

據起點鋰電統計,寧德時代、比亞迪、中航鋰電、億緯鋰能、蜂巢能源等多家企業規 劃產能已達到 3155GWh,相較于 2020 年底 461 GWh 的總產能增長幅度巨大。其中,國 內動力電池廠商占有超 40%優勢份額,有利于帶動國內供應鏈發展。

供應端同樣向國內集中

FPC 領域最早由歐美等地區主導,隨著歐美等地生產成本的提高等逐步轉移日本、 韓國、中國臺灣等為主的亞洲地區,近十年來國內制造成本優勢和需求規模充分體現,海 外 FPC 廠商在國內設立廠,同時國內制造占比大幅提升。

我國已經成為全球印制線路板的主要生產基地。PR Newswire 數據顯示,2020 年中 國大陸的 PCB 市場空間占據全球市場總額的約 53.8%。FPCworld 數據顯示,按制造地來 看,2018 年中國大陸 FPC 產值占比達到 56%,中國臺灣占比 6%。

車載動力 FPC 具有一定門檻

由于每臺新能源汽車的電池模組形態和數量不一,因而動力電池 FPC 的規格和用量也存在差異,前期需要定制化設計開發。一般電池模組容量越大,所需的 FPC 長度相應越長,FPC產品在工藝難度和成本方面相應也會越高。此外,當前行業內以單面板產品為主,未來隨著動力電池密度的進一步提升等,FPC 產品材料工藝等也面臨進一步升級。并且新能源汽車動力電池 FPC 產品需要一定的驗證周期,在設備、工藝等環節存在壁壘,FPC在長度、可靠性等方面要求高于消費電子,有一定門檻。

由于車載動力 FPC 具有的門檻,及早年各廠商的投入策略的差異,目前新能源汽車動力電池 FPC行業的競爭格局與消費電子領域截然不同:基于新能源汽車動力電池 FPC 行業的廣闊成長空間,包括弘信電子在內的廠商積極在動力電池 FPC 領域進行布局。內供應商已經成為寧德、比亞迪、中航鋰電等核心電池廠商的主力供應商。

新能源汽車FPC全面替代傳統線束方案,行業需求迎來爆發

著新能源車滲透率升,新能源汽車動力電池 FPC 空間更為廣闊,預計 2025 年全球、國內新能源汽車動力電池 FPC 市場空間有望達到 64-108 億元、32-54 億元,2025 年全球、國內新能源汽車動力電池 CCS 市場空間有望達到 160-270 億元、80- 135 億元。2030年全球、國內新能源汽車 FPC 市場空間有望達到 140-240 億元、72-120 億元, 2030 年全球、國內新能源汽車 CCS 市場空間有望達到 350-600 億元、180-300 億元。

此外儲能產業步入高速發展期,帶動儲能電池 FPC/CCS 產品需求,2025 年、2030 年 規模貢獻有望達到新能源汽車領域的 19%、33%。計2025年全球儲能電池 FPC、CCS 市場空間有望到 12-21 億元、30-51 億元,2030 年達到 46-79 億元、116-198 億元。

特普生,成立于2011年,是國家高新技術、專精特新企業。主要研制NTC芯片熱敏電阻溫度傳感器儲能線束儲能CCS集成采集母排儲能模組鋁巴等溫度采集產品系列。一體化研制、一致性品質的特普生,競爭力優勢明顯:自主研制NTC芯片核心技術及實現醫用0.3%精度;專利百項,保留不公開技術2項;為全球新能源產品、大消費品與工業品提供了定制化的溫度采集技術。

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