讲讲电子连接器的发展战略

一,连接器简介

连接器是一种机电元件;提供连接系统,子系统或组件的桥梁;传输信号或能量;是电气电子产品不可或缺的产品.连接器使电气电子系统具备可分离性,可分离性使系统不做什么改动却可以维护,保养或更新零部件或子系统,这对电气和电子工业产生极大和深远的影响,工业化发展的重要趋势之一是标准化和模块化,因为标准化和模块化大大简化产品设计,生产,安装和使用,极大降低生产成本.连接器的出现使电气电子产业,甚至别的工业在标准化和模块化方面产生质的飞跃,故连接器产业自问世以来发展速度很快,几乎被用到工业的方方面面,可以这样说,在光电能量传输过程中几乎无法离开连接器,连接器的发展前景很好,被认为是朝阳产业.连接器区别于一般的元器件的地方在于,它不仅不对传输的信号或能量进行处理,而且要求它尽量不影响原来的信号或能量(信号不失真,能量不损耗).这点类似于开关的作用—但开关无法实现分离性.

二,连接器产业的现状

根据Bishop&associates数据,2014年连接器的全球销售额为528.55亿美元.中国,欧洲,北美及日本的市场分别为136.35,113.10,108.59,56.04亿美金. 汽车,通讯数据,电脑及周边,工业,工防行业分别占据连接器去年市场的22%,20%,16%,12%,6%.中国由10年前不到13%的市场占有率发展到去年高于26%的全球第一.正如中国电子工业市场膨胀很快,连接器产业也不例外.

自改革开放以来,中国的制造业年年创新高,不断刷新中国制造业产值全球份额比例,10余年时间中国制造已闻名全球,特别是2008年金融危机后,中国制造逆市向上.2010年制造业产值的全球份额超过美国,成为世界第一.但在这中快速发展的背后,是过于快速扩张带来的“底盘不稳”,科技含量低,关键技术主要依靠国外的状况仍未从根本上改变,产业以劳动密集型为主,自主开发能力仍较薄弱,研发投入总体不足,缺少自主知识产权的高新技术,缺乏世界一流的研发资源和技术知识,对国外先进技术的消化,吸收,创新不足,基本上没有掌握新产品开发的主动权,行业规范缺失,产品附加值不高.知识产权意识薄弱.在国内连接器行业表现为:a,没有自己的产品标准,只能跟随国外成熟的产品标准,也就注定只能生产市场上很成熟的产品,这类产品往往市场价值低,如1394,RJ45,USB等;或仿制国外有知识产权的产品,冒侵权的风险.b,生产可靠度要求较低,产品寿命较短的产品,如手机,桌上型电脑,手提电脑等连接器,这类产品往往对可靠度要求不是很高—即使失效不会产生什么严重后果,或对稳定性要求不是很高—偶尔接触不良也能接收.但这类产品的性能是无法满足像汽车,工业,航空,航海等领域恶劣应用环境的高要求.c,生产精度,性能要求较低的产品,国内能生产高精度(如用于测量)和高性能(如用于工防或太空或高端服务器的高频产品)的连接器的厂家很稀少.d,产品研发严重不足,抄袭普遍,产品质量观念淡薄,行业门槛低,市场大量充斥低端产品,价格战大行其道,产能过剩等日益突出.

三,连接器产业的展望

在这些年“盛世”景象之下,中国制造内部开始经历脱胎换骨式的蜕变与再造:尤其是近年来,随着中国人口红利的日渐消失,外来制造业正逐步转移到东南亚以及印度,巴西,墨西哥等劳动力成本较低的国家;西方发达国家提出制造业回归概念.中国工业的未来应该考虑如何能够长远提升中国创造的能力以及产业投资,经营环境.今天我们看到的“高端上不去、低端难保持”的困局,正是转型期必然的乱象和必经的磨炼.中国制造业要想脱胎换骨,还有许多必须经历的阵痛.那连接器产业该如何迎接挑战,奋勇前进?

A,了解市场,管理市场,服务连接器产业.

在市场经济,市场无疑是企业的风向标,是企业资源配置的决定性因素.对市场的了解研究是企业经营的前提.过去,我们的连接器行业以代工,仿制为主,对市场调研的意识较薄弱,加之政府的服务意识欠缺,对市场数据讳疾忌医,守口如瓶.随着国家进入转型期,产业升级急不可待,制造业研发创新是不二选择,国家迫于形势需要在今年也不得不启动推行大数据战略,市场信息会更详实,精确,开放.组织好连接器行业市场信息的调研,定期产生连接器行业的市场信息数据,如上一年度/季度的销售及增减变化数据,连接器行业各领域(如汽车,电脑及周边,手机,工业)市场比例,结构及增加数据,连接器在新兴产业的市场数据.此外也要做好下游产业的发展趋势及新技术将要孕育出来的新市场的调研.这些数据信息无疑是企业长久经营和行业健康发展必不可少的.提供连接器行业市场信息,引导产业健康发展,服务连接器产业,实现制造业服务化,助力连接器产业升级.

B,加强研发创新,建立自主知识产权和行业规范.

过去国内的连接器产业主要以代工,仿制为主,研发创新甚为薄弱,自主知识产权和行业规范更是无从谈起.近些年有些起色,如国内个别连接器厂家参与到的制定.连接器行业应该加强如下方面的研发创新:

a,分离界面(separable interface)/电接触(electrical contact)/触点物理学(contact physics).上面提到,连接器的分离性是连接器区别于别的元器件的特性或本质,分离界面的理论是连接器设计的理论基础和设计核心,是新兴的交叉学科,前沿理论.国内对连接器分离界面的研究几乎是空白.某国际连接器行业巨头花了10年时间研究连接器的失效,其中一项数据是,接触不良,开路,过热,界面烧焦这四项占据连接器不良的78%,这四项不良直接或间接由不合理的界面结构所致.应用环境(如温度,湿度,腐蚀性,电流,电压…)和界面结构(如材质/镀层种类及它的硬度,纯度,厚度,几何形状,表面粗糙度,正向力大小,是否施敷润滑剂/封孔剂及它的成分,性质,厚度…)决定连接器的性能(如接触电阻,插拔力和插拔寿命/摩擦,磨损,恶劣环境的抵御能力…).在电子产品越来越小的今天,有些领域的连接器的正向力和拭擦(wiping)距离也不得不越来越小,这种情况该如何保证界面的良好接触呢?连接器的应用越来越广泛,那又如何保证连接器在极其恶劣的环境下也能正常工作?国外不少连接器资深专家就指出,目前看,中国生产消费类电子连接器,中低端连接器的能力非常强, 很有竞争力,主要是因为这类连接器的应用环境比较温和,产品寿命要求不高,产品可靠性要求也不高,容易抄袭.他们认为中国一旦开始生产应用环境恶劣,高寿命,高可靠性要求的连接器,缺乏连接器基础研究的问题就会暴露出来,以前少有的问题会频繁出现,面临很大挑战.西方的连接器理论专家认为,不掌握连接器的界面理论/数据,不了解连接器的失效机理,就无法科学评估连接器的可靠性.生产高可靠度的连接器(汽车,工防,工业等领域的产品)和生产极小正向力的连接器会碰到很大的障碍:要不因为不懂而评估不充分,要不过于保守造成过度浪费而没有竞争力.我们只有加强电接触基础应用研究,加强连接器界面的研究才可能创新产品,建立学科合理,有竞争力的自主知识产权和行业规范.

b,大电流传输技术.连接器不可避免地被应用到传输大电流的场合.大电流的传输技术主要两个方向:减少焦耳热的产生/降低电阻和提高散热能力.除了保证合理的界面结构,我们要研究在满足别的性能要求的基础上如何提高端子材料的导电率和导热性,如何增加端子的大小,如何尽量使端子截面扁平化,如何使端子尽量多暴露在空气中(增加对界面稳定性的要求),如何少使用塑胶(需有足够的支撑强度)及降低塑胶的高度.如何测试连接器的载流能力在业界也存在一定的争议,如何将仿真技术应用到大电流连接器研发中,这都需要花精力研究的.

c,高频高速信号传输技术.英特尔公司的创始人摩尔提出非常著名的摩尔定律,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍.这一定律揭示了信息技术进步的速度.尽管这种趋势已经持续了超过半个世纪,信息技术还是保持高速发展—这相当于要求信息技术的元器件的传输速度的进步是无止境的.连接器传输速度日益提升的要求也就无法避免,而且这一要求是在电子元器件微型化,”轻””薄”化前提下提出的,这大大提高了高频高速连接器的技术难度.所以导入高频高速仿真手段来辅助连接器设计也是普遍的做法.连接器微型化后高速传输的空间很有限,为了提高高速传输性能(如调整特性阻抗和减小信号间的串扰),开发利用低介电常数的塑胶料,或尽量多采用空气介质非常重要,这就要求塑胶料有足够的支撑强度和薄壁成型能力/流动性.这在USB type C母头连接器的开发就体现出来.连接器的高频高速传输性能测试离不开测试板.高频高速测试板的研发也是连接器研发的重要组成部分.

d,机械仿真手段在连接器行业的应用.在电子产品微型化的潮流下,加之高频高速传输的性能要求和一定的传输功率的要求,连接器如何利用有限的空间和优化结构以达到相应的机械强度和机械性能的要求变得越发复杂,例如,随着端子的微型化,为了提高端子的正向力,落料的刀口用作分离界面的情况会越来越常见,很显然,落料冲切的表面状况与被轧制的板材的表面状况是很不一样的,如何评估这两种不同表面状况对端子的机械性能的影响是无法避免的.应用机械仿真手段现已成为连接器研发的普遍做法.随着非线性高塑性成形的仿真技术的提升,机械仿真将会被更广泛应用到生产技术领域,如用来分析端子折弯成形的回弹量,再如分析深拉伸无缝金属外壳,空心管,空心针等的成形情况与成形能力助力提升模具的设计水平及降低试模,改模甚至避免改模的工作量.

e,连接器材料的研发.上面已多次谈到材料如何影响产品的性能.大家细想下,其实产品的性能决定于产品的结构和材料.当在微型化驱动下及仿真手段的普遍应用,产品的有限空间会被用到极限,或者说产品结构被优化到极限,在这种情况下产品性能的竞争就是材料的竞争,可见材料研究的重要性.尤其是这些年纳米技术的兴起,纳米技术能明显改变材料的微观结构,使材料的性能显著提高.2014年IEEE官网发表了两种新镀种,纳米晶体银钨合金和银钯合金,这两种合金相对于银,硬度和环境稳定性/防腐蚀能力大为提高,这样相对于目前的连接器镀银界面,镀层磨损和插入力会明显降低,界面在恶劣环境的稳定性和耐高温性能也会提升不少.很多场合能够取代镀金层.这些新材料/镀层无疑丰富了连接器界面的设计技术也为连接器的界面设计提供更多的选择.该文章还报道,泰科电子已经将该镀层应用到很多不同领域的连接器.

f,连接器产品标准的制定.相对于别的元器件,连接器对产品标准的依赖更加浅显—没有产品标准,就根本无法保证公母连接器的配合,连接器压根儿就无法起作用!现代电子产品标准制定的发展趋势之一是,集成化,系统化.即元器件的产品标准往往被提到系统的层面来制定,这样的做法有利于产业的纵向整合.标准的内容往往以通讯协议的形式出现.连接器被提升到更高的层次来标准化，必然使连接器的标准化牵涉面更广,标准的内容就变得庞大复杂,这会大大增加标准制定的难度:参与制定标准化的组织(包括连接器厂商)更多,会牵涉更多的行业,如IC产业;更多的下游产业,如PCBA;更多标准制定参与者的利益博弈,如标准对产品性能水平的要求,新标准产生的新专利的所有权和标准引用现有专利的授权条款和费用.标准的制定变得更纷繁复杂,技术密度和技术含量更高,而且市场要求标准的制定周期或更新周期更短,故通讯技术被普遍使用—电话会议和电子邮件大大加速标准的开发过程.标准的制定流程和制度也要相应调整,VITA(VME Industry Trade Association)最近就调整了有关专利的政策.

g,连接器生产技术.连接器的微型化使端子的中心间距(pitch)越来越小,目前市面上已经存在0.2 pitch 的FPC连接器.国外的连接器技术路线图(roadmapping)指出,2020年会出现0.1 pitch 的连接器,相信会对连接器的制造技术带来深刻的变化,其实这几年连接器的制造技术已开始经历较大的变化, 0.2 pitch的连接器有的已开始突破传统的生产技术—端子不再用冲压/成型,或冲压的模具有的开始用陶瓷材料.塑胶的薄壁成型也面临越来越大的挑战.随着国内人力成本的不断提升,连接器微型化给手工组装带来的困难及产品质量水平的稳定性要求,连接器生产(包装,组装),应用(焊板,接线)的自动化已是必由之路.

C,产业整合及优化.

正如典型的制造业,连接器产业面临产业升级的任务.首先我们应该充分了解行业的状况:连接器产业在各应用领域(如计算机,汽车,手机)的全球需求情况;国内连接器产业在各应用领域的结构/比例,层次/水平/高中低端的结构,产业技术特点,产品线/产能/技术能力的分布状况等.在此基础上我们引导连接器产业合理布局.通过技术升级,专业分工协作,扬长避短,优化产业结构,扩大中高端市场比例,引导过剩产能.如随着连接器微型化,无缝深拉伸的金属件结构会越来越普遍,故宜相应联合相关厂商,强化深拉伸技术,提高专业化程度和专业化生产水平,提升在国际市场的竞争力.伴随着通讯技术的不断进步,互联网+应用的普及,大数据时代的到来,市场信息越来越发达,市场越来越透明.加之国家新一届政府大力反腐倡廉,社会风气会越来越清明,社会环境越来越公平.相信连接器产业的竞争越来越是技术的竞争,专业度的竞争!