随着AI的兴起,传输速率要求越来越高,高速互连是电子元件之间通信的主要瓶颈,每个串行信道25-30Gbps正在成为主流,这样的数据速率甚至更高的数据速率可以在芯片上小规模地产生和传输,但对于传输线像铜这样的良导体,电导率极高,所以随着频率升高,很快就表现出明显的趋肤效应,一般6MHz多一点趋肤深度近似1mil,大概在55MHz左右的时候趋肤深度约0.35mil,1GHz时约0.1mil,趋肤效应必然对高速信号产生很大影响。如下图放大以后看,铜的表面并不像看起来那么光滑,趋肤效应导致信号损耗增加。 高频电流流过导体时,电流会趋向于导体表面分布,越接近导体表面电流密度越大。这种现象就是趋肤效应。频率越高,电流就越集中在导体表面,可以想象,当频率足够高时,电流几乎只分布在导体表面上薄薄的一层,导体内部几乎没有电流.为了减少“趋肤效应”带来的高频信号损耗,而银是自然界中导电性(电阻率最低)最好的金属;镀银导体应运而生.

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铜导体的趋肤效应介绍

考虑一个半径为a、长为l、电导率为σ的圆柱导体,沿纵向流过的直流电流为I。由于直流电流均匀地分布在导体内,因此,直流电阻R和电流密度J为:

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当导体中有交流电或者交变电磁场时,导体内部的电流分布不均匀,电流集中在导体外表的薄层,越靠近导体表面,电流密度越大,导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。

这是因为对于交流电流,导体周围产生磁场,磁场又产生电场。而电场形成与原电流相反的电流密度。在导体中心处,这种效应最强烈,致使导体中心的电流密度明显减小,电流趋于导体表面。

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趋肤深度(穿透深度):是指当场从表面进入导电媒质中一段距离d,其幅度衰减到表面幅度的1/e倍时,此距离叫做趋肤深度d。

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趋肤深度的计算公式为:

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d是趋肤深度(单位:米),ω是角频率(ω=2πf),μ是磁导率;σ是电导率。

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随着频率的增加,趋肤效应更加显著,电流越来越集中在导体表面,导致导体的有效电阻增加。

以铜为例,σ = 5.8×107S/m,

μ = μ0 =4π×10-7H/m,

则:50MHz时,d=9.3mm,

3GHz时,d=1.2um。

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从导体的正式定义开始,导体一般是允许自由电荷流动的材料,自由电荷的宏观运动用麦克斯韦方程组安培定律中的电流密度项Jfree来描述,当电场(基本上是对单位电荷施加的力)作用于内部有自由电荷的材料时,电荷开始朝着电场的方向移动,特别地我们对光滑和粗糙导体表面的趋肤效应进行了详细的物理解释,并举例说明。我们将主要在具有两个或多个导体的传输线中使用准瞬变电磁波进行信号传输的情况下讨论导体效应。基于导体的互连或波导结构通常具有多种优点,并且可以潜在地支持数据速率高达每秒太比特甚至更高。不过,要做到这一点,至少要了解导体的宏观电磁特性。与信号传播速度相比,电荷的移动速度非常慢——在室温下,电场为1V/m时,铜中的电荷移动速度约为5mm/s。电荷的平移运动用测量的宏观电流密度参数A/m^2来描述。通过导体的总电流等于电流密度在导体横截面上的积分(它只是电流密度和直流时导体横截面面积的乘积)。然而,对于LTI各向同性导体,电场强度和电流密度之间的关系特别简单,可以用称为欧姆定律自由J=σE的第一本构或材料方程来表示。对于几乎所有与互连有关的情况,它都是简单的线性依赖关系。其中σ为体积电导率,单位为西门子/米或1/Ohm*m。电导率通常是色散的(它与频率有关),但在太赫兹频率范围内,良导体几乎是恒定的。体积电导率的倒数是体积电阻率ρ=1/σ,单位为Ohm*m。几乎所有现有的材料都有自由电荷,并与体积电导率或电阻率的非零值有关。自由电荷数或电导率或电阻率值可用于将所有材料区分为良好的介电体或绝缘体和良导体,理想的绝缘体或介电体具有零体积电导率或无限大体积电阻率,这只是真空的性质,不存在这样的材料。最好的固体介电石英之一的体积电导率约为10^-17S/m。用于构建pcb和封装互连的隔离材料的电导率范围可从10^-10到10^-12(玻璃)S/m。理想导体具有无限大的体积导电性或零电阻率。它是一种抽象的或不存在的材料,不应与具有极小电阻率的超导体混淆,但也具有与电荷对的动态电感相关的特定时间色散。用于PCB和封装互连的导体的导电性范围可能在5*10^6(铅)到6.1*10^7S/m(银,最佳导体)之间。退火铜的体电导率约为5.8*10^7S/m。这是电阻率的倒数1.724*10^8Ohm*m。经常观察到,由于制造工艺的特殊性和不均匀性,用于制造互连的铜的导电性可能略小(电阻率较大)。然而,它也可能与导体横截面测量的不确定性有关,这种不确定性来自于由于大粗糙度引起的导体OD的不确定性。

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铜导体镀银的优点

频率越高,电流有效流通的横截面积就越小,这相当于导体的有效电阻增大了。这个增大的电阻会导致信号在传输过程中产生严重的损耗(衰减) 和发热,从而限制了传输距离和速率,并可能造成信号失真。既然高频信号只在表面传输,那么我们自然希望导体表面的材料具有最佳的导电性。在所有金属中,银拥有最高的电导率(即最小的电阻率)。在相同条件下,银表面的电子流动最为顺畅,产生的电阻和热量最小。

镀银工艺带来的具体优势:

降低插入损耗:

这是最直接的好处。银层减少了导体表面的电阻,使得信号在传输过程中的能量损失更小,从而可以实现更远的传输距离或支持更高的数据速率。

提升带宽和速率:

更低的损耗意味着线缆能够支持更高的频率带宽,这对于56Gbps、112Gbps乃至更高速率的SerDes(串行器/解串器)技术至关重要。没有镀银,线缆可能无法满足下一代高速互连的标准。

改善散热性能:

电阻小意味着产生的焦耳热也少。在数据中心高密度、大功耗的环境中,更好的散热意味着更高的稳定性和可靠性,能降低系统冷却的负担。

增强耐腐蚀性:

银的化学性质相对稳定,不易氧化。一层致密的银层可以保护内部的铜芯不被氧化。铜氧化后生成的氧化铜是半导体,导电性极差,会进一步加剧信号损耗。镀银层能长期保持稳定的高性能。

与其他方案的对比:

纯铜线缆: 成本最低,但在极高频率下因趋肤效应和表面氧化问题,损耗巨大,通常只用于短距离、较低速率的场景。

镀锡铜线缆:锡的成本低,焊接性好,且能防腐蚀。但锡的电导率远低于银(约为银的15%),高频性能远不如镀银线。常用于消费电子和普通线缆。

银包铜线:这与“镀银”通常是同义词,但工艺上可能略有不同(如压覆而非电镀),核心目的都是让银覆盖导体表面。

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高频下的导体表面镀银虽然可以提供改善后的性能,但是前提是内导体也必须表面光洁,导体表面的光洁度可使总互连损耗增加50%甚至更高。实际上,在较低的频率下,粗糙度只对导体的有效电阻率有影响(可能增加它)。但是,随着频率的增加,集肤深度变得相当,然后小于导体表面的凸起,观察到非平坦导体表面的集肤效应。

镀银铜的市场分布

镀银铜线/导体是一种高性能的复合材料,其市场分布高度集中于高端电子制造领域,并紧跟科技发展趋势。主要分布如下:

高速通信与数据中心:这是最大且最核心的应用市场。用于制造高速数据线缆(如DAC线缆、AOC光缆)、服务器内部连接线、高频射频同轴电缆等,满足高频率、低损耗的信号传输要求。

AI服务器与算力基础设施:AI浪潮催生了巨大的算力需求,AI服务器内部需要大量高速互连线路,镀银铜导体是关键材料。这是当前增长最快、最受关注的市场。

消费电子:高端消费电子产品,如智能手机、平板电脑、笔记本电脑的内部精细线缆、天线、摄像头模组连接线等。

汽车电子:特别是新能源汽车和智能网联汽车,用于车载摄像头、雷达传感器、高速车载网络等的线缆。

医疗电子:高端医疗设备(如影像设备、监护设备)中需要高可靠、抗干扰的精密导线。

航空航天与军工:对材料的可靠性、稳定性和性能要求极高,是高端镀银导体的传统应用领域。

镀银铜市场主要以下重要参与者:

国际巨头厂商:

日本: 古河电工(Furukawa Electric)、住友电工(Sumitomo Electric)等。它们在高端技术、材料和市场份额上仍占据领先地位,特别是在顶级数据中心和军工领域。

美国/欧洲: 科尔登(Carlen Technologies)、萨默(Sammer)等

国内厂商:

镀银铜

精达股份子公司(恒丰特导)

产品方向:年产1500吨镀银高速导体,应用于AI服务器、数据中心、高速通信及消费电子领域。精达股份是该领域的上市公司主体,市场关注度最高,占主流订单地位。

镀银铜

罗尼斯特种导体

产品方向:年产1000吨镀银高速导体,应用于AI服务器、数据中心、高速通信及消费电子领域。

镀银铜

同亚科技

产品方向:年产300吨镀银高速导体,以及0.025mm~0.5mm极细合金导体等。应用于AI服务器、医疗、消费电子等领域。

镀银铜

西维尔

产品方向:年产300吨镀银高速导体,以及0.025mm~0.5mm极细合金导体等。应用于AI服务器、医疗、消费电子等领域。

镀银铜

缔网通讯(吉安至和特导)

产品方向:年产1000吨镀银高速导体,应用于AI服务器、数据中心、高速通信及消费电子领域。

镀银铜

郑州浩昌新材料

产品方向:未来铜导体整个项目一期二期规划产能是5000吨,产品涵盖镀银铜线、镀镍铜线、合金线,其中用于AI高速铜缆镀银铜规划产能2000吨/年。

以上是当前国内主要厂商在高速镀银铜导体这一热门赛道上的布局情况。这对于了解行业竞争格局和供应链情况有一定帮助;由于我们调研数据阶段主要来源于网络,文中观点都是基于公开数据及信息,仅供交流,不构成投资建议!

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