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          5G时代:连接器从材料到设计的新挑战

          连接器作为电子链路中不可或缺的一个器件,是慕尼黑上海站的重点展示版块之一,吸引了诸如中航光电、广濑电机、住友电工、罗森伯格等国内外强劲的连接器龙头企业。5G时代的来临,对信号、电力传输提出了“高速、高效”等要求,这对连接器的材质、性能、设计等都提出了挑战,近日在慕尼黑会展举办的连接器创新论坛上,了解了中航光电、博威合金、KMD等连接器行业专家有关5G时代连接器的机遇以及挑战的见解。

          博威合金:智慧材料持续为客户创造价值

          博威合金是国内领先的材料行业的先进制造企业,是我国有色合金新材料国家和行业标准主要制定单位,目前拥有的专利有185+,制定的国家标准有17+。论坛上博威合金带来的主题是:智慧材料·为客户持续创造价值,分享了有关连接器材料的选材问题。

          连接器的功能就是在电路中充当桥梁,实现电号、信号的低损耗连接,但连接器本身的接触电阻显著高于其连接的两部分,是整个链路中相对比较薄弱的部分。这是目前连接器发展的一个“瓶颈”。

          5G应用具有“大电流、大电压”的特点,目前的连接器,相当于让电力信号从“快车道”聚集在“过路口”,对传输速度形成了阻碍,为改变这种情况,需要在设计连接器时考虑非常多的因素,博威合金从选材的角度对此进行了分析。

          博威合金认为选材优先考虑导电性、导热性。材料的导电性越高,连接器的接触电阻会更小、温升会更低,而材料的导热率越高,连接器的传输热量能力更好、温升更低。

          其次选材要考虑材料的力学性能,连接器需要考虑的力学性能包括屈服强度以及弹性模量,这些因素会影响连接器的保持力。保持力太大会影响连接器的可分离特征,此外插拔会导致连接器额外的磨损;保持力太小又会使得连接器的接触电阻增大,降低其可靠性。

          最后还要考虑选材的耐热性能、耐腐蚀性能、焊接性能、材料成本、加工成型成本等,根据连接器的使用环境尽可能的增大其连接可靠性以及寿命,需要从材料的众多性能中寻找平衡点。

          博威合金提到目前大多数的连接器材料都是使用铜合金,因为铜的导电性和导热性以及可获得性、成本等都非常好,但强度较差,所以使用铜合金。但实际上我们目前所采用的诸如青铜、白铜、黄铜的导电率和强度都不能兼得。

          应对5G应用的发展,连接器材料必然要满足高强度和高导电性能,为此博威合金在不断地研发覆盖高导电、高强度以及兼顾导电和强度的平衡态合金。博威合金目前推出的解决方案有铜铬锆合金boway18150、boway18160、boway18400;铜镍硅合金boway70250、boway70260、boway19010、boway19005;碲铜合金PW14500等,具有更优良的强度、导电性能以及耐高温性能,适用于于汽车、5G通信的高速背板连接器等行业。

          KMD:确保5G时代的稳定高效连接

          KMD(凯美龙)是专注于提供连接器板带材料的全球化公司,是通信连接器材料的国际供应商,客户包括华为、安费诺、莫仕、SCI等大企业。KMD带来的主题是如何确保5G时代的稳定高效连接?分享了5G时代带来连接器变化以及制造新要求。

          5G时代是一个高速互连、万物相连的时代,相比4G时代具有了新的特征:高频高速和高稳定性;大数据的存储和传输;传输方式上的多端输入输出等。其中大数据的高速稳定存储和传输成为5G时代越来越关键的技术挑战,这要求连接器拥有更高的导电性和强度,以保证稳定的连接。此外微型号的连接器正在成为时代趋势。

          5G时代个人智能消费终端数量以及数据量正在双增长。根据思科等咨询机构的预测,未来的5-10年,数据量将以每年20%的速度递增,其中个人消费终端产生的数据量正逐渐上升,预测其在2030年将达到总数据量的53%。这意味着在未来诸如智能手机、平板电脑、智能穿戴以及VR/AR设备等消费终端产品将得到极大的发展,同时对数据的传输和储存提出了更高的要求。据预测2017-2022年,个人智能终端设备的增长量达到10%,而数据增长量将达到30%。

          同时全球大数据高速处理中心的蓬勃发展将成为必然趋势,预测从2016-2024年大数据中心市场规模将以每年17.2%的复合增长率增长,而其中亚太新兴市场2016-2022年将以24%的比例快速增长,成为全球增长较快的区域。

          面对数据的快速增长,应该如何实现连接器稳定、高速、可靠的传输?KMD从材料的角度进行解答。KMD指出具有高导电、高导热的性能铜合金是最合适的连接器材料,而5G 时代对铜合金带材提出了新要求:高强度/低延伸率/高韧性/较高的导电率;优秀的冲压性能及表面质量;合适插入力。

          KDM以新型的连接器端子鱼眼端子为例,因其不需要焊接同时可以保持稳定连接而广泛应用于通讯连接器领域,但是对原材料的设计、制造工艺提出了更高的要求:1. 由于要求长时间保持正压力、接触稳定因此需要高于700MPa的屈服强度并同时具有极好的抗应力松弛水平(≥80%,120°C/1000h);2.由于在制造过程中需要先将厚度0.23-0.25mm打薄到0.15-0.18mm后再成型,因此需要较高的折弯性能(韧性)(R/T=2,180°);3. 数据传输速度要求更高,因此导电率需要从之前40%IACS提高至45-60%IACS;4. 由于端子小型化,因此未来成型方向可能平行于铜带轧制方向,因此对于材料各向同性要求越来越高。

          综合上述,新合金材料要具有更高的强度、韧性以及导电性能特点,同时对于表面要求提出了低粗糙系数/高硬度/低电阻/长久稳定性等特殊要求。KMD带来的解决方案包括高强高导高韧的C7025合金裸带材料及有特殊性能的Sn13(热锡)和Sn28M(SnAg)镀层。

          中航光电:高速互联技术发展研讨

          中航光电是我国连接器的龙头企业,“国家认定企业技术中心”,产品广泛用于航空航天、军用电子、新能源汽车、通信与数据中心、轨道交通等。中航光电带来的主题是高速互联技术发展研讨,分享高速互联的发展趋势以及高速连接器的设计工艺。

          根据IT信息咨询公司IDC的预测,2020年全球的数据总量将达到35ZB(1ZB=109TB=1012GB=1015MB),预计2025年将达到173ZB。而高速连接器的需求将以每年20%以上的速度增长。

          高速连接器以往都是被国际连接器巨头企业所垄断,国内2000年开始接触,2010年才真正起步。随着5G通信技术的发展,高速连接器在我国重大工程中使用的比例逐渐提高,比如量子通信和量子计算机、云计算、国家网络空间安全、5G/北斗导航。

          5G相对3/4G来说,传输速率以及传输量提升10倍不止,在5G架构的支持下,未来车联网、物联网、自动驾驶等成为可能。各个技术领域跟随5G的步伐均在往高速化方向发展,原来的高速互联产品已经承受不起如此大的数据量传输。

          中航光电将“高速互联”比作“高速公路”,高速公路为提升车流量做出的改变是增加车道数、提升单车行驶速度。类比到高速互联产品,3G-5G的发展就是一个增加通道数的过程,5G基站的布站数是3G的1000倍,4G的10倍;其次5G的数据信号的传输速度更快,单个信号电平承载数据量更多。

          高速连接器的突破是5G持续发展的基础,中航光电指出目前已经实现单通道25Gpbs

          链路,但也遇到了瓶颈:25Gpbs以上的背板面临着链路损耗增大、散热难以及成本高等问题。25Gpb往上发展需要使用更先进高端的板材,材料成本以及加工成本均比较高,同时25Gpb背板散热采用背板打孔的方法,而超过25Gpbs的背板散热将更难。

          论坛上中航光电带来了三个解决方案:

          一、传统背板向正交背板发展

          即减少中间的背板,两主板间进行互联。优点:正交架构大大缩减了业务板卡与交换矩阵板卡之间的高速信号传输距离(减少了一块背板的距离),进而链路传输的衰减会减少,为高速信号稳定传输提供了硬件架构基础。

          二、传统的背板向线缆背板转变:

          即用高速线缆替代背板。优点:线缆本身的制造工艺非常成熟、高速线缆本身的损耗比PCB少很多、高速线缆可实现短距离的互联通信,因此这将是一种极具成本效益的高效互联解决方案。缺点:线缆的加工效率低,焊接的效率要远低于抗压效率。

          三、传统的背板转向正交线缆背板方案。

          中航光电在上述三个方案都有布局开发56/112Gpbs,其认为第三个方案将是未来的主流。中航光电目前拥有的56Gpbs的高速连接产品有GF5高速背板连接器、GF5Z高速夹层自对插连接器、BGA高速夹层自对插连接器等。正在预研的112Gpbs高速连接产品有GF6系列高速背板连接器、GF6系列高速正交(OD)连接器等。

          总结

          随着新基建的加速落地,5G赋能各行各业,未来世界必定是智能化、数据化、科技化的,每天将产生海量的数据,需要通过连接器进行稳定又高速的传输,这对连接器的材质、性能、整个设计制造过程都提出了挑战。因此连接器产业链上的企业要跟随5G步伐,提前对连接器未来走向进行预测和布局,同时还要意识到未来的产品是以个性化为主的,无论是材料产商或是连接器产商都需要进行数字化的转型,智能化地与客户进行协同合作,从连接器的生产商逐步转变为应用方案的解决商,提供更优质的产品。

          本文来源:大比特资讯



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