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2020/03/21

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5G时代开辟散热技术新天地,半固态压铸件大有可为

为响应及全力配合做好新型冠状病毒感染肺炎疫情防控工作,原定于2020年2月26至28日在中国进出口商品交易会展馆A区举办的广州国际铸造、压铸及锻压工业展览会将延期举行。新展期将另行通知,最新消息敬请关注官网:https://fd-asia.gymf.com.cn
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       散热技术方案持续升级,5G时代市场规模快速增长

       热设计和热管理是电子产品组件的核心构成,并且随着组装密度和集成度的持续提升而越来越受到重视。散热下游应用领域众多,包括消费电子、和汽车、基站、服务器和数据中心等,市场空间在千亿级别。根据前瞻产业研究院预估,2018年~2023年散热产业年复合成长率达8%,市场规模有望从2018年的1497亿元增长到2023年的2199亿元。

广州国际铸造、压铸及锻压工业展览会

       手机散热约占行业总规模的7%,2018年约为100亿元。虽然占比低,但是未来受益于5G智能终端持续升级的驱动,手机散热市场有望保持高增长,2018~2022年年平均复合增长率有望达26%。此外,5G商用基站大规模建设也有望驱动半固态压铸壳体和吹胀板散热市场空间的扩大。而从长期发展趋势来看,5G带来的网络流量的增加,服务器散热市场也将持续扩大。

       多元材料构成目前散热设计解决方案

       智能手机出货量有望借力于5G实现大幅增长。根据IDC发布的报告,预计2019年全球智能手机出货量仍延续下滑趋势,同比下降0.8%,达到13.9亿部。但随着可折叠屏和5G手机的商用,2020年智能手机行业有望恢复增长,预估该趋势将一直延续到2023年,届时全球智能手机出货量将达到15.42亿台,其中5G手机渗透率达到25%。

广州国际铸造、压铸及锻压工业展览会

       手机在运行的过程中会产生大量的热量,CPU、电池、摄像头和LED等都是重要热源。同时伴随手机性能的持续升级,包括拍照像素提升、电池容量加大、曲面屏设计以及玻璃陶瓷等非金属机壳的应用,都对散热提出更高要求。良好的散热解决方案成为伴随手机迭代升级的关键之一,也是手机品牌商在推出新一代手机时的重要宣传点。

       总体来看,芯片处理能力、射频功耗、机壳材质和轻薄化的设计是影响手机散热需求的主要因素。一方面,随着智能手机的发展,手机芯片的主频越来越高,功率越来越大。5G芯片处理能力是现有芯片的5倍;5G手机总功率约9.6W,是4G的2倍;5G手机运行在多频段和高频网络,MassiveMIMO(大规模多入多出)天线技术商用,耗能是4G芯片的2.5倍;加上高速处理大量数据,同时手机视频内容、游戏内容等的高清化。

广州国际铸造、压铸及锻压工业展览会

手机散热市场规模及增速

资料来源:Yole

       目前手机终端、平板电脑等轻薄型消费电子受内部空间结构限制的影响,主流的散热方案包括石墨片、石墨烯、金属背板、冰巢散热、导热界面材料(ThermalInterface Materials,TIM)、热管(Heatpipe,HP)和均热板(Vapor Chamber,VC)。导热系数是衡量散热方案的核心指标。以上方案的导热系数,按照由低到高,依次为金属、石墨片、石墨烯、热管和VC。虽然热管和均热板的导热系数更高,但是其功能只是加快热量从手机发热零件转移到散热片的速度,而最终的散热效果,还要看散热片和空气之间的热对流,即散热片材质的热特性对手机散热效果具有不可忽视的影响。

       半固态压铸件+吹胀板,5G基站壳体价值量提升

       基站架构包括BBU和AAU(4G为RRU+天线)。其中BBU(Base Band Unite,基带处理单元)负责集中控制与管理整个基站系统,完成上下行基带处理功能,并提供与射频单元、传输网络的物理接口,完成信息交互。AAU(Active Antenna Unit,有源天线)/RRU(Remote Radio Unit,射频处理单元)+天线通过基带射频接口与BBU通信,完成基带信号与射频信号的转换。

       5G基站引入Massive MIMO技术,典型应用是64T64R,单基站典型功耗超过3500W,而4G基站主要采用4T4R MIMO,单基站典型功耗仅1000W左右。由于设备在运行过程中消耗的部分电能会转化为热能,使得基站一体化机柜内的温度不断上升,因此散热需求大幅提升。

       从基站功耗数据的构成来看,BBU功耗相对稳定,与所插板件相关,受业务负荷的影响不大。根据运营商的测试数据,5G基站BBU功耗平均为300W左右,大约是4G的2倍。5G功耗的增加主要来源于有源天线AAU。5G业务为空载、负荷30%和负荷100%时,AAU平均功耗依次为633W、762W和1127W;4G时代,以上三种业务负荷下RRU的功耗分别为222W、259W和290W。因此,5GAAU功耗相对于4G有3倍左右的提升。

       目前主流的基站散热方案为:BBU正面使用鳍片散热片覆盖PCB,仅仅露出电源部分,背面使用金属散热片和热管/均热板,而内部使用导热界面材料(TIM)。AAU/RRU由于功耗大幅增加,除了在内部使用TIM材料填充缝隙之外,还需要使用重量更轻、散热性能更好的压铸壳体,对翅片设计、壳体材料以及壳体压铸工艺都提出更高要求。半固态压铸件具有重量轻和散热性能好的优势,吹胀板具有热传导效率高、制冷速度快的优势,结合半固态压铸件和吹胀板的散热器件有望大幅提升5G基站的散热价值量。根据产业链调研,5G基站散热价值量为1500~2000元/站。

       理论上,5G基站(宏基站)的覆盖密度将比4G更密。原因在于,5G通信频段提升,基站覆盖范围持续缩小(蜂窝小区的半径缩小),要达到同样的覆盖范围,基站的密度会有所增加。

       重量轻、散热性能好,半固态压铸件广泛应用于基站

       半固态是指金属原料中既有液态也有固态,合金经过连续搅拌后表观粘度低且容易变形,很小的力就可以充填模具型腔。半固态压铸就是利用压铸机将半固态金属熔液压入一定形状的的金属模具内形成精密压铸件。其本质特点就是高压和高速。

广州国际铸造、压铸及锻压工业展览会

图片来源:中国压铸展官方

       相较于传统压铸技术,半固态压铸技术可降低压铸件中气孔的含量,使得压铸件更加密实,既提高了压铸件的导热率,又可以使机箱做得更小、更轻,在通信具有广泛应用,包括基站散热片、散热壳体、手机外壳和风扇叶片等。研究显示,针对同等功耗的芯片,使用半固态压铸件,芯片机箱温度较传统压铸件可以下降7℃以上。

       吹胀板用于散热齿片上,就是将一定规格的铝板用化学方法进行表面处理,在铝板对合面印上蒸发器管路图,烘干图样后,将沿边点焊接,经过热轧、冷轧以及退火后再用氮气吹胀,铝板管路单面外鼓,再对铝板进行剪切和冲压。吹胀板具有热传导效率高、制冷速度快和外形美观等特点,其传统使用场景包括冰箱、冰柜、具备冷藏功能的饮水机、陈列柜、酒柜以及具有特殊散热要求的IT设备。结合半固态压铸工艺和吹胀板技术的散热器件,有望在5G基站成为主流应用。

       上游压铸机行业竞争充分,国产实力强劲

       压铸机是压铸件的上游核心设备,按照下游不同应用,可划分为大型和中小型两类,大型设备主要应用于汽车和通信,中小型设备主要应用于3C。目前我国压铸机市场竞争充分,国内厂商形成了力劲、伊之密和海天三足鼎立的格局,国外进口供应商以布勒、意德拉、富来和意特为主。

       我国通信行业压铸件参与者主要包括银宝山新、润星泰、泰日升、春兴精工、东山精密和大富科技等。根据公司公告,银宝山新和润星泰在半固态压铸件方面专利数量领先。

文章来源:压铸周刊


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