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智能手机连接器的机遇与挑战

日期: 2020-05-12
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  一、连接器:信号流通的桥梁

  molex连接器在电子设备中主要用以实现电线、电缆、印刷电路板和电子元件之间的连接,进而起到传输能量和交换信息的作用,连接器可以增强电路设计和组装的灵活性,是不可或缺的关键组件,因此,多年来,全球以及我国的连接器整体市场基本均维持成长的态势,根据 Bishop Assiciate 预测,至 2023 年,全球以及我国的连接器市场将分别超过 900 亿和 300 亿美元。

智能手机连接器的机遇与挑战

  安费诺连接器的应用领域非常广泛,几乎囊括所有需要电信号、光信号传输和交互的场景,其中占比最高的前五个领域为汽车电子、通讯及数据传输(包含手机、网络设备、无线网络基础设施、电缆设备等方面) 、电脑及外设、工业控制和军工航天等。近几年,智能手机轻薄化以及信号高频化等趋势,带动了用于其上的连接器在引脚间距、材质等方面的不断升级,此文将着重围绕手机为代表的消费电子用连接器进行展开,探讨手机行业发展趋势下各类连接器的机遇及挑战,以及相关受益的上市公司情况。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  全球连接器的市场份额集中在少数国外企业中,全球前十的公司占据一半以上市场份额,我国虽然是全球最大的连接器销售市场,但是由于国内的企业发展较晚,当前还少有能够进入全球前十者,不过由于连接器的下游应用市场和品类较为分散,国内部分中小型连接器厂商凭借在特定应用领域、特定品类市场的客户资源和技术积累,树立了自身的进展优势,未来迎头赶上未必是全无机会。

 智能手机连接器的机遇与挑战

   

二:智能手机连接器的机遇与挑战

  智能手机连接器按照形态可以划分为 I/0 连接器、金手指、弹片、同轴连接器(主要用于射频信号传输)和板对板(BTB)连接器等,其中,由于手机内部空间紧缺且 BTB在紧凑设计模式下可以提供更为稳定的链接,金手指这一形式的连接器已经很少被用于智能手机中。弹片连接器则主要用于电池的连接,未来在用量和单价方面的增长较为有限。其余三类连接器则将迎来或单机用量的增长、或单品价值量的提升、或量价齐升的趋势。整体而言,在 2020 年开始 5G 带动换机潮的情况下,智能手机连接器市场有望迎来持续增长,我们预估 2020 年全球智能手机市场有望达到 42 亿美元。

  (一)射频同轴连接器:精密制作和仿真测试铸就行业护城河

  连接测试两用,微型射频同轴连接器是手机射频电路的重要元件。射频同轴连接器的基本结构包括中心导体(阳性或阴性的中心接触件) 、内导体外的介电材料(绝缘材料)以及最外面的外接触件(屏蔽作用,即电路的接地元件) 。

  射频同轴连接和同轴传输线缆组件在智能手机中起到各类射频模块端口和主板之间射频信号传输的作用,此外,射频连接器还可以用来分断射频电路,进而引出被测单元的射频信号,实现射频电路的可测试性。

智能手机连接器的机遇与挑战

  智能手机轻薄化需求下的微型射频同轴连接器“更微型化”。射频同轴连接器并不是智能手机的专属组件,在传输和处理射频信号的设备(如基站)中几乎都需要,但由于智能手机内部空间的捉襟见肘,用于其中的射频同轴连接器需要微型化,即使如此,如何使微型射频同轴连接器 “更微型化”仍是行业的主旋律。

  轻薄化是过去几年智能手机主流的趋势之一,以 iPhone 手机为例,从 2008 年的 iPhone 3G 开始到 2016 年的 iPhone 7S,几乎每一代新机型相较前一代产品都有厚度上的减薄(2013 年发布的 iPhone 5C 廉价版本) ,智能手机轻薄化趋势要求微型射频同轴连接器的尺寸相应减小,2017 年,电连技术可批量供应的第五代 USS RF 产品的嵌合高度(设备上安装后连接器的高度,代表连接器的微型化水平)为 1mm,彼时正小批量试生产的第六代 USS RF 产品的嵌合高度则仅为 0.8mm。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  精密制备和射频仿真测试能力筑起微型射频连接器行业壁垒。微型射频同轴连接器的生产环节包括设计,模具开发,生产制造,测试和交付,其中生产制造环节包括冲压、电镀和注塑。高精密的生产制备能力以及射频信号的仿真测试能力是射频连接器的天然护城河:首先,正如前文所述,微型射频同轴连接器的嵌合高度不断减小,当前最低的嵌合高度已达到 1mm 以下,这对模具以及冲压成型、注塑等加工设备精密度提出极高的要求;其次,射频信号在传输线缆以驻波形式传播,射频同轴连接器和线缆之间需要实现较好的阻抗匹配,从而降低射频连接器组件产品的电压驻波比,提升其传输效率,这便要求射频连接器生产企业具备较强的射频信号仿真测试能力。

  (二)BTB 连接器:功能增多带来的单价用量提升

  板对板(BTB)连接器是智能手机中极为常见的连接器,其主要由两部分组成:负责信号传递的端子和负责固定的外壳,其中端子一般由金属制备而成,外壳则主要以塑胶材质为主。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  智能手机中,诸如显示模组、摄像模组、指纹识别模组、人脸识别模组、耳机、扬声器和侧键等功能模块都通过“FPC—BTB 连接器—PCB 板”的方式实现与芯片之间的信号交互,因此,随着智能手机的功能不断增加,BTB 连接器的单机用量亦不断提升,在 iPhone 11 Pro Max 中用了约十几对 BTB 连接器。展望未来,智能手机中 BTB 连接器的需求量有望受到以下因素催化:新的功能模块的不断引入以及手机内部结构紧凑度的不断提升带动单机用量进一步增长。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  尽管智能手机中各类 BTB 连接器在规格、材质、Pin 数等方面有所差异,比如 iPhone 11 Pro Max 中,负责电池、侧键、马达和扬声器的 BTB 连接器的 Pin 数明显少于摄像模组和人脸识别模组的 BTB 连接器,但由于手机内部空间的限制以及新功能的不断集成,PCB 尺寸不断缩小,进而压缩了 BTB 连接器所能使用的空间,为了容纳足够的 Pin 数,Pin 之间的间距(Pitch)不断被缩小。此外,与微型射频同轴连接器类似,尺寸(嵌合高度)是 BTB 连接器另一个重要的考量参数。多 Pin 数、窄 Pitch 和微型化拔高了 BTB 连接器精密制作要求,而这无疑是 BTB 连接器行业天然的护城河。

  (三)5G 时代手机连机器的变与不变

  信号高频化带来的低损耗诉求。与 2G/3G/4G 相比,5G 最明确的变化便是射频信号频率的升高。在非理想介质中传播时,信号频率越高往往意味着传输损耗越大,为了降低 5G 信号的传输损耗,介电常数和损耗正切角成为天线基板材质选择时的重要考量因素,与传统的天线基板材料(塑料、玻璃或者聚酰亚胺(PI))相比, LCP 和 MPI(ModifiedPI)的 介电常数和损耗正切角更符合 5G 信号的要求,在 iPhone Xs 和 iPhone 11 Pro Max中已分别使用两者制备天线。

  射频连接器及组件的变化:从同轴线缆+射频同轴连接器到 LCP/MPI FPC+射频 BTB连接器。与天线基材一样,为了减少传输过程中 5G 射频信号的损耗,用于传输的组件亦将使用 LCP 或者 MPI 为基材的柔性线路板,FPC 的使用还能节省更多空间,这对内部空间拙荆见肘的智能手机而言无疑是不容错过的,此外,使用 LCP 或者 MPI 基材的天线和射频传输线可以进行一体化设计制备。与 LCP/MPI FPC 配套使用的射频连接器的形态一般 BTB 连接器,其中,用于 BTB 连接器支撑的外壳的材质有望由损耗较低的 LCP 取代塑胶。

  在此情况下,天线、射频传输线和射频连接器的组合将不再局限于“传统天线(包括FPC 天线和 LDS 天线)+同轴线缆+射频同轴连接器”,而是有更多组合可能性:( 1)传统天线+LCP/MPI FPC+射频 BTB 连接器,iPhone 8 和华为 Mate 30 Pro(5G 版本)中便是使用此搭配;(2)LCP/MPI 天线+ LCP/MPI FPC+射频 BTB 连接器,此类组合的代表机型有 iPhone X/Xs/Xs Max/11 Pro/11 Pro Max。

  此外,由于 5G 终端对整体信号传输速率的高要求,其余功能模组的软板材质或者配套的 BTB 连接器外壳的材质亦都有望采用低损耗的材料(LCP 或者 MPI 等),比如在 iPhone X 中,首次引入的人脸识别模组的软板基材便是使用 LCP。

 智能手机连接器的机遇与挑战

  LCP 或者 MPI 的使用无疑会拔高相应产品的价格,比如,iPhone X 中使用的 LCP 天线的单价达到 5 美金左右,传统的 FPC 天线价格在 0.1~0.2 美金左右,LDS 天线(基板为塑胶、玻璃等)大约 0.3~0.4 美金。当然,不同产品的价格涨幅不尽相同,LCP天线和射频传输线的生产流程包括“树脂—薄膜—FCCL—FPC—模组”环节,其中,薄膜是工艺难度极高的环节,当前全球范围内,高质量、低损耗的 LCP 薄膜几乎被村田的 Primatec 和 Kuraray 所垄断,这亦是造成 LCP 天线高昂价格的原因之一。而用作连接器的外壳,生产制备无需制膜环节,在树脂中加入玻璃纤维和无机填充物等更是可以有效缓解 LCP 的各向异性从而减弱或者避免成型品的“翘曲”(如下图),因此,在 LCP BTB 连接器的材料供给方面形成寡头垄断局面的可能性并不高,价格的涨幅因此相较天线和射频传输线更低。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  不变的原则和可参与玩家。5G 带来的射频连接器的变化并不是非零即一的取代,而是提供了性能更加优化的方案,在对不同组合进行最终选择时,仍将遵循一个原则:成本、性能和所占用空间等诸多因素的综合考量。此外,另一个不变的点是能够参与其中的玩家,以手机射频连接器为例,不管采用何种形式的连接器,其生产制备的内在核心均是企业的高精密度模具的开发能力和生产设备运行维护、连接器的结构设计、以及射频信号的仿真测试能力。

  

(四)I/O 连接器:集成化、轻薄化、便利化

  I/O 连接器主要负责外界与设备或者不同设备之间的信号交互,最初的智能手机中需要几类不同的 I/O 连接器,譬如充电连接器、Audio 连接器和 USB 连接器等,分别负责电信号、音频信号和数据的传输交互。此类连接器受 5G 影响较小,但却是智能手机中不可或缺的部件之一。

  从单一功能到多功能集成。为了增强防水防尘能力,智能手机的少孔甚至无孔化成为重要趋势,这使得手机的I/O连接器从最初的单一功能、各司其职往多功能集成发展,当前,几乎所有智能手机都已经移除了专门用于充电原形充电接口,并将充电功能集成至 USB 接口,以 iPhone 为代表的高端旗舰智能手机中亦已经开始移除用于音频信号传输的 3.5mm 耳机接口。

 

I/O 连接器多功能集成化趋势其实是由 USB 接口规范和形式升级所推动的。USB(Universal Serial Bus)是 intel 开发的总线架构,目前已经经历三代标准,最新的接口规范(USB 3.1)不仅向下兼容 USB 2.0、USB 3.0 等上一代接口,还兼容供电、HDMI,DP 和 VGA 等,这亦是基于 USB 3.1 规范而衍生的 Type-C 连接器可以集成充电、音频信号传输功能的主要原因,极大地提高了连接器的通用性。当然,用于 iPhone 的Lightning 接口虽然是基于 USB 3.0 规范开发的,但亦集成了充电和音频传输功能。

除了兼容性方面的优势,与传统的Type-A和Type-B形式的USB连接器相比,Type-C在尺寸,功能,寿命,传输速率及兼容性等诸多方面存在优势,因此有望实现对传统USB 连接器的全面替代。


智能手机连接器的机遇与挑战

  

I/O 连接器多功能集成化趋势其实是由 USB 接口规范和形式升级所推动的。USB(Universal Serial Bus)是 intel 开发的总线架构,目前已经经历三代标准,最新的接口规范(USB 3.1)不仅向下兼容 USB 2.0、USB 3.0 等上一代接口,还兼容供电、HDMI,DP 和 VGA 等,这亦是基于 USB 3.1 规范而衍生的 Type-C 连接器可以集成充电、音频信号传输功能的主要原因,极大地提高了连接器的通用性。当然,用于 iPhone 的Lightning 接口虽然是基于 USB 3.0 规范开发的,但亦集成了充电和音频传输功能。

除了兼容性方面的优势,与传统的Type-A和Type-B形式的USB连接器相比,Type-C在尺寸,功能,寿命,传输速率及兼容性等诸多方面存在优势,因此有望实现对传统USB 连接器的全面替代。

  

 支持正反拔插:传统 Type-A/B 有特定的拔插方向,用户使用时常常需要进行事先判断,有时甚至会出现误插等情况;而 Type-C 连接器则采用上下对称的设计,可以很好地解决无法双面拔插的痛点,从而提升使用的便捷度。

 传输速率快:Type-C 是基于 USB 3.1 规范而衍生的接口形式,其接口带宽达10Gbps,最高传输速率可达 1Gb/s,是 USB 3.0 标准的 2 倍,

 传输功率高:Type-C 接口最高可支持 100W 的电力传输,从而使得 Type-C 可以整合笔记本电脑的电源接口功能,目前MacBook基本使用Type-C作为电源接口;另一方面,快充是解决智能手机电池续航问题的技术路径之一,要实现快速充电,需要较大的电压或者电流,在 USB PD 规范下,Type-C 最高输出功率下的电压和电流分别为 20V 和 5A,均远高于传统的 USB 接口,符合快充的技术要求。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  当前时点,3C 产品已经相当普及,设备之间的信息传输变得越来越频繁,然而,用户需要面对包括 USB 自身的多种接口版本,外加视频传输线、各种互不通用的电源线插口,专线专用实际上带来了大量的不便,Type-C 的出现,理论上满足了对几乎所有 I/O 连接器的需求,一线多用亦成为可能,因此被各大厂商重视,未来有可能成为统一的接口标准。

  诺基亚在2015年首次采用Type-C连接器,之后苹果、谷歌和华硕相继推出配备Type-C连接器的笔记本电脑,这开启了 Type-C 接口在 3C 领域的推广趋势,目前为止,三星、华为、中兴、LG、小米、联想和 OPPO 等国内外主流品牌厂商基本都已推出配备 Type-C的产品。 据 IHS 预测,2021 年全球配备 Type-C 接口的设备出货量有望接近 50 亿部,其中智能手机、平板和笔记本电脑等消费电子产品及其相关配套组件将是出货主力。

智能手机连接器的机遇与挑战Type-C   在接口规范上几乎兼容目前市面上所有的连接器接口,然而,接口形式上的不兼容反而导致配备 Type-C 的新设备与原有设备之间的交互矛盾,转接器可以较好的解决此矛盾,因此,在渗透过程中,转接器有望迎来阶段性的旺盛需求。

  智能手机连接器的机遇与挑战

  


  

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