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[分享] “隐形冠军”助力5G

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发表于 2020-7-3 19:00:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 gaosmile 于 2020-7-3 19:01 编辑


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全球及国内5G发展形势:一片大好

在当下,全球范围内,以5G为核心的信息通信有着“成为新的经济增长点”这一发展态势。据5G Americas在6月24日发布的统计结果,尽管COVID-19大流行并由此导致经济下滑,但全球5G网络部署、5G用户增长仍在继续——2020年第一季度末,全球5G连接的数量已超过6360万,比2019年第四季度增长308.66%,6月底时的5G用户数已突破1亿;截至2020年6月,全球已有82个5G商用网络(全球移动供应商协会在7月1日发布的数据已经达到84个),预计到2020年底时的5G商用网络个数将增加1倍以上,达到206个。

作为“新基建”之首,国内正在进行的大规模5G网络建设为世界所瞩目。经过2019年风起云涌的5G应用示范和持续的大众消费市场预热后,随着国家大力推动以数字基建为核心的新型基础设施建设,2020年,国内5G发展进入加速的网络建设和务实的市场推广阶段。中国移动、中国电信、中国联通正在大力部署5G基站,加速进行全国范围的5G组网工作,组网速度达到全球领先水平,计划今年新建成5G基站55万个,到年底时共达到超过60万个5G基站,实现全国所有地级市室外连续覆盖、县城及乡镇有重点覆盖、重点场景室内覆盖。华为无线网络首席营销官甘斌6月30日在GSMA举办的“新基建与企业数字化”论坛上作主题演讲时分析,2019年年底国内5G站点数量13万个、2020年6月20万个、预计将在年底达到80万+。

这一全球最大规模精品5G网络的建设,加之预期中更多中低端5G手机的上市、越来越多创新型5G应用落地,这些因素势必为后续各类5G创新应用的落地、5G用户的快速发展奠定坚实的基础。爱立信6月16日发布的2020年6月版“Mobility Report”预计全球5G用户数量到今年年底将达到1.9亿,而去年11月份发布的2019年11月版“Mobility Report”所预计的数值为1亿。为何将预测数值提高近1倍之多?2020年6月版报告称主要是由于中国5G迅速普及的程度超过了此前的预期。华为的相关预测更为乐观,甘斌6月30日在上述论坛指出,国内5G用户2019年年底600万、2020年6月突破1亿、预计到年底时将突破两亿。

可见,2020年拉开了5G大规模商用的序幕,5G投资开始向高峰期迈进,由此正在成为经济发展的“新动能”,中国信通院预测,2020年5G带动的直接产出将达0.48万亿元、到2030年将达6.3万亿元;2020年5G带动的间接产出将达1.2万亿元、到2030年将达10.6万亿元。

为实现上述目标,从目前发展态势看来,在网络侧,5G基站需要不断向设备高集成化、小型化发展;在用户侧,5G终端需要不断向“亲民化”发展,比如快速散热、轻薄化等。这两大因素均关乎5G能否快速普及渗透到大众的日常生活与工作之中,重要性可见一斑。而促进这两大领域发展的一大关键因素是“新材料”。在这几天的“2020慕尼黑上海电子展”期间,5G微信公众平台(ID:angmobile)深度观察到,宁波博威合金材料股份有限公司(下文简称“博威合金”)在自主研发相关新材料方面取得了很大的进展,成为业界公认的助力5G基站不断演进、助力5G手机越发亲民的“隐形冠军”。

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“隐形冠军”助力5G基站不断演进

作为未来整个数字社会的基础,5G时代势必将有着超高品质的底层通信网络,业内人士普遍预计仅5G宏站就将有数百万个的部属量,再加上于室外和室内覆盖环境部署的5G小基站,国内5G基站的总数将超过1000万个。

5G网络将进入快速发展阶段,海量数据引发的能耗也必将成倍增长,移动通信网络的能耗问题将进一步加剧。资深技术专家,预计到2025年,通信行业将消耗全球20%的电力,电费将成为运营商最高的运营支出,至少占总运营成本的15%。在移动通信网络的能耗构成中,基站设备的能耗占比最高,与4G基站相比,5G基站支持更大带宽、更多通道数、更复杂的空口协议,硬件处理能力相应提高,设备架构及功能更为复杂,功耗相比4G基站也大幅增加。

5G基站有着较多的重要演进趋势,其中之一是“设备高集成化”,随着相关硬件产业链的发展,需要5G芯片的处理能力不断提高,半导体工艺也需要更新换代,通过采用高性能、高集成度的芯片(比如大规模应用AISC专用芯片),采用更先进的半导体工艺技术(比如7nm工艺甚至下一代的5nm工艺),5G基站设备的集成度将会不断提高,从而发展方向是“设备体积更小、功耗更低”,以利于节约机房空间,并降低耗电量和后期运营成本。

对于采用BBU(基带处理单元)-AAU(有源天线单元)架构的5G基站,AAU设备的功耗远高于BBU,单站超过80%的能耗来自AAU。第一大原因是5G AAU在sub-6GHz频段支持100MHz单载波带宽,在毫米波频段支持400-800MHz带宽,如此大的载波带宽对基带及数字中频芯片的性能要求非常高高,功耗随之增加。第二大原因是为了降低前传带宽的要求,5G AAU采用eCPRI前传接口,部分物理层的功能需要在AAU上处理,从而需要增加基带芯片,由此增加了整机的功耗——以基带芯片处理64T64R的100MHz/200MHz带宽信号为例,功耗高达几十瓦。第三大原因是为了支持Massive MIMO技术,5G AAU的通道数较大,而业界目前支持多通道的数字中频器件还不成熟,单芯片支持的通道数有限,使得AAU集成度不足、功耗较高。

sub-6GHz频段5G AAU存在多种不同规格,支持64T64R、32T32R等不同有源通道数。以64T64R为例,各厂家AAU整机功耗在1200 W以上,宽度在500 mm左右、高度均在900 mm左右,重量小于47 kg。5G AAU整机的尺寸和重量,代表着各个设备厂家的市场竞争力,在同等功耗的条件下,如何把整机的体积和重量都做到最小是每个设备厂家研究的重点方向,也是5G基站外场轻量化部署以及国际化推广的强烈需求。这就使整机的散热面临重大的挑战,整机散热需要不断提升散热密度以满足5G基站小型化需求。

在5G AAU整机散热设计中,高功耗的中射频芯片与基带芯片的热耗密度越来越大,成为散热瓶颈,如果把芯片下方的散热基座全部加高,则会带来整机体积和重量的大幅增加。这就要求芯片下的基座传输损耗和散热性能更高,对相关材料要求更高。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,博威合金很好地解决了这一问题,自主创新研发的智能互联高传输高强高导系列合金新材料产品具有优良的力学性能、导电性能和抗热应力松弛性能,在高温工况中使用稳定性、可靠性很好,不易出现软化现象,适用于5G基站芯片下的散热基座,助力芯片高效散热。

另一大方面,基于我国信息化战略的要求,5G通信领域快速发展。在应用了毫米波等技术之后,5G系统将有最高达20 Gbit/s的峰值速率,这就要求5G基站内部连接背板和插件板之间的基础组件、整机系统中信号传输的“桥梁”——连接器承载更高的传输速率,在此背景下,小型化、工作噪声低、几乎无斜插、能够承受高速数据传输、具有“连接器明珠”之称的高速背板连接器被应用于5G基站。

鱼眼型免焊接端子(鱼眼端子)作为5G基站高速背板连接器的重要组成部分,其所用材料的性能、制造工艺关系着连接器高速传输的稳定性。比如,鱼眼端子插针0.5-1.2mm的宽度,需要制作材料在具有良好塑性和强度的同时具备低弹性模量。这些需求对材料性能提出了很大的挑战。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,博威合金自主研发的boway47100已经被成功用于众多5G基站(高速背板连接器),成为制造5G连接器鱼眼端子的理想材料。据悉,这是由于boway47100具有高屈服强度、优异的折弯性能,满足了5G连接器小型化、轻薄化的设计要求,且出色的耐高温性能则为连接器的可靠性使用提供了保障;此外,TM06状态下850MPa的屈服强度,提供了更好的正向接触力,保证了信号的稳定传输;再者,45% IACS的导电率,解决了数据高频、稳定传输问题。相比C7025,boway47100在高速稳定传输方面表现更为优异。

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“隐形冠军”助力5G手机越发亲民

随着5G网络开始获得广泛部署,当下进入了5G用户发展的关键阶段。全球移动供应商协会在6月23日发布的最新预测数据显示,到2024年年底全球将有24.6亿5G智能手机用户。

到时能否发展这么多用户、是否能发展更多用户,关键在于5G用户体验是否优秀。5G手机是5G对普通大众的最直接呈现,其功耗水平直接影响用户的主观体验。5G手机的功耗一般要比4G手机的大。一是由于与4G手机相比,5G手机面临更高的通信功能和性能方面的要求,高频段、大带宽、高速的数据传输和处理过程增加了功耗。二是由于5G目前最大的需求场景是高速率业务,终端髙速率的要求导致基带芯片和应用处理器复杂度和处理开销增大,造成功耗增大。三是由于5G采用的主流频段比4G高,存在上行覆盖不足的问题,终端上行采用高功率发射以增强上行覆盖,导致功耗增大。四是由于考虑到上行流量的增长需求,5G手机需支持更高的调制阶数,带来基带功耗提升。五是由于系统带宽的增大可能造成功放的工作效率降低,从而增大功耗。六是由于从全球漫游、支持2G/3G/4G的角度出发,5G终端的2G/3G/4G/5G“四世同堂”(最多需要七模十七频),会增加能耗。七是由于比如射频前端及天线设计更复杂,增加了能耗。

影响5G用户体验的因素有很多,比如5G网络覆盖率、5G应用创新性、5G终端舒适度等。按照目前的发展态势,无论是室外还是室内,5G网络覆盖率必然会迅速地提高。此外,沉浸式视频(超清/VR/AR/全息视频/多角度个性化直播等)、大型(云)游戏等早期5G典型应用也正在落地。5G用户在使用这些重型应用时,“舒适感”对于其主观体验质量至关重要,比如,5G手机在运行大型程序载荷的时候一方面由于CPU结温上升过快导致很快降频影响手机性能(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℃时的六分之一),例如在玩大型(云)游戏时,一旦温度过高降频后,就会造成游戏卡顿;另一方面5G手机表面温度会超出人体感知的舒适温度,影响消费者的用机体验,甚至如果热量未能及时散发出去可能会造成死机等。

可见,对于功耗较大的5G手机,需要能及时散去所发热量,以确保用户使用时的舒适感,进而保障5G能够获得广泛普及。随着5G手机集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小,其功率密度快速增加,散热问题已经成为电子设备亟需解决的问题。另一方面,5G手机面向“轻薄化”的发展趋势,也给其散热带来了严峻挑战,如何提升其散热能力成为解决发热难题的关键。传统的散热解决方案已经显得“力不从心”,均温板(VC)已经普及使用,将成为5G手机的标配。华为Mate 20X、三星Note 10等已经搭载了VC。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,5G终端散热材料首批供应商之一的博威合金,其自主研发的boway49700已经被成功用于众多5G智能终端。

散热能力强、市场需求强劲的VC,技术门槛很高,而且制造工艺要求很高——VC的制程很复杂,蚀刻工艺和高温焊接工艺对铜合金材料提出了特殊要求,材料的平整度以及经过高温制程处理后材料的稳定性和可靠性均制约着VC的应用。这体现了博威合金对于核心技术的自主创新能力。据悉,解决了5G手机VC散热问题的boway49700是博威合金针对VC应用市场开发的一款高性能铜合金材料,具有优异的耐高温性能和良好的蚀刻加工性。面对手机的轻薄化趋势,VC的厚度设计从0.4mm逐渐减薄至0.3mm以下,超薄的设计对材料强度及蚀刻加工后的平整度提出了更高的要求。boway49700特殊的强化机制使得材料能够更好地应对高温复杂的应用工况和制程。在高温焊接制程下,boway49700表现出了良好的强度与稳定性,满足了VC的冷热循环及抽真空等极限测试条件。据了解,相较于普通青铜,boway49700材料的应用,可降低芯片温度2℃,极大地提升了用户使用5G手机时的握持感与舒适度,同时增加了设备使用的安全性。

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另一大方面,随着5G手机集成电路芯片和电子元器件体积不断缩小,对于“连接器”提出了新的要求,以电子元器件进一步小型化、5G散热为代表的连接器等新的应用场景不断显现,要求材料供应商不断的开发新型材料来满足技术进步的要求。连接器通过传输信号和电流,将各个单元的电气模块和元件连接成一个完整的系统,实现目标功能。随着5G终端向小型化设计方向发展,连接器产品也正在逐渐向高频、高速、小型化、精密化方向发展。

传统的连接器材料(固溶强化合金),性能有一定的局限性。黄铜的机械性能不够高、磷青铜的导电性很低。两者的抗热应力松弛性能不足。这两种合金越来越难以满足连接器行业日益增长的功能设计需求。此外,预镀材角料如镀锡黄铜、镀镍锡磷青铜合金、镀锡铜镍硅合金等的回收是亟需解决的痛点问题,由于镀层元素与合金本体元素不同,回收难度大,且回收造成大量的环境污染问题。从而,能够吸收预镀材角料的新型合金对于降低成本、绿色环保具有重要意义。

据了解,这一问题已经得到很好的解决。博威合金自主研发的环保型高性能铜合金boway42300通过固溶强化、时效强化、细晶强化和加工硬化等多机制进行协同强化,具有良好的导电性能、更好的抗应力松弛性能、耐高温软化性能、优异的耐腐蚀性,在消费电子终端如5G智能手机中的应用,可满足5G智能手机的演进需求。

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5G开始乘风破浪,新材料奠定坚基

在目前一片大好的发展形势之下,2020年5G网络规模部署、5G终端快速普及,5G与高/超高清、AR/VR等产业同步推进、深度结合,在文娱、教育、医疗等领域商用推广,工业、能源、车联等行业形成一批可复制的样板工程。由此,5G开始乘风破浪,奔向风光无限。高性能的合金新材料是5G基站核心连接器、5G智能手机散热均温板制作的必备材料,其重要程度不言而喻。作为宁波39家国家级制造业单项冠军企业的代表,深耕合金新材料行业三十余载、坚持“面向市场,面向高端,面向未来”创新策略的博威合金以强大的自主创新实力已经发展为5G基站、5G手机背后的“隐形冠军”。

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