性能強大、應(yīng)用廣泛的5G終端，其內(nèi)部回路的數(shù)量大幅增加

性能強大、應(yīng)用廣泛的5G終端，其內(nèi)部回路的數(shù)量大幅增加

第五代移動通信（5G）的商用服務(wù)全面開啟。它具有超高速、大容量、超低時延、多信號同時連接等特征，5G智能手機的性能得到大幅提升，可在短時間內(nèi)下載4K畫質(zhì)的視頻數(shù)據(jù)、利用虛擬現(xiàn)實（VR）進行交流、實現(xiàn)計算機和機器的遠程聯(lián)動等，新應(yīng)用的不斷擴展值得期待。另外，對工廠、醫(yī)療現(xiàn)場及社會基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持，為實現(xiàn)豐富多彩、高效節(jié)約的社會，筑牢通信基礎(chǔ)。

5G手機中配置了結(jié)構(gòu)更為多樣而復(fù)雜的電子回路。僅在蜂窩通信功能方面，就要求支持3.7GHz頻段、4.5GHz頻段等Sub6頻段、相當(dāng)于毫米波頻段的28GHz頻段，以及現(xiàn)有的4G功能。另外，還需配置與外設(shè)進行數(shù)據(jù)通信的Bluetooth、Wi-Fi、近距離無線通信(NFC)、定位用GPS的應(yīng)用回路。為了應(yīng)用多樣而高精度的無線通信功能，還全新配置了利用高性能攝像頭和顯示屏、VR或AR等新應(yīng)用所需的傳感器和信號處理回路等(圖1)。因此，終端內(nèi)部的電子回路數(shù)量大幅增加。

圖1 5G手機所配置的功能示例

開發(fā)出市場青睞的終端，需要將構(gòu)成內(nèi)部回路的電子元件進行小型化設(shè)計

如果因電子回路增加而加大終端尺寸，將影響商品價值。近年來，為迎合大屏和大容量需求，手機尺寸逐漸增大。但是，隨著尺寸達到便于操作的上限，市場上開始出現(xiàn)小型化的呼聲。為了制造附加值高、易用性佳的終端，需要使用超高密度貼裝技術(shù)，從而在維持現(xiàn)有尺寸的基礎(chǔ)上配置更多電子回路。

關(guān)于構(gòu)成電子回路的半導(dǎo)體元件，雖然對終端進行了高性能化和多功能化設(shè)計，但由于元件在芯片上的集成度提高，以及受到功能軟件化等因素的影響，可以使用現(xiàn)有方法進行超高密度制造。使電子回路按照技術(shù)規(guī)格穩(wěn)定運行需要使用被稱為多層陶瓷電容器(以下稱MLCC)的電子元件，因此必須減小該元件的尺寸。

每部智能手機約使用800-1000個MLCC。終端配置的功能越多，其數(shù)量也幾乎等比例增加。制造高性能、多功能、易操作的5G手機，關(guān)鍵是實現(xiàn)MLCC的小型化。

開發(fā)適用于5G手機的0201M/0.1μF和0402M/1μF MLCC

村田制作所(以下簡稱村田)開發(fā)出超小* 0201M(0.25×0.125mm)、靜電容量超大* 的0.1μF MLCC“GRM011R60J104M”。與容量相同的本公司舊款產(chǎn)品0402M(0.4×0.2mm)比較，貼裝面積為1/2、體積僅為1/5(圖2)。

* 本公司調(diào)查數(shù)據(jù)。截至2020年9月29日。

圖2 0402M尺寸與0201M尺寸MLCC的外觀

村田在MLCC小型化方面達到領(lǐng)先水平，為電子設(shè)備小型化作出了自己的貢獻。1970年代推出的3216M(3.2×1.6mm)尺寸MLCC實現(xiàn)了小型輕薄便攜收音機的商品化、1980年代至1990年代推出2012M(2.0×1.2mm)/1608M(1.6×0.8mm)尺寸，實現(xiàn)AV設(shè)備和電腦的小型化和輕便化、2000年代推出1005M(1.0×0.5mm)/0603M(0.6×0.3mm)尺寸，為手機（功能手機）的多功能化提供了支持。通過對MLCC小型化的不懈研究，在智能手機普遍采用的0402M尺寸MLCC中，實現(xiàn)了50%以上的市場份額。

為5G手機量身定制的0201M尺寸、0.1μF的MLCC已在福井村田制作所完成量產(chǎn)準備工作。今后，村田將繼續(xù)在MLCC小型化方面發(fā)揮引領(lǐng)作用，為電子設(shè)備的小型化、多功能及高性能化提供支持。

將終端內(nèi)大量使用的MLCC尺寸縮小為1/5

每部5G手機中配置有大量MLCC。可以說，MLCC是對終端小型化影響較大的一種元件。要在維持易操作尺寸的同時增加終端功能，MLCC小型化是不可或缺的一環(huán)。近半個世紀以來，村田一直引領(lǐng)著MLCC小型化的發(fā)展。以此業(yè)績?yōu)橐劳校_發(fā)了用于5G手機的新一代小型MLCC。通過采訪5G手機用MLCC的產(chǎn)品策劃師和開發(fā)小型大容量MLCC的工程師，了解了所開發(fā)MLCC的具體情況和對終端開發(fā)的影響。

左起銷售經(jīng)理 水流園、產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理 若島

每部手機需要使用1000個以上的MLCC，因此它對小型化的影響很大

――5G手機的哪些用途需要使用到MLCC？需要用多少？

現(xiàn)在的智能手機，功能急遽增加。除了無線通信類電子回路以外，還配有執(zhí)行各種處理的處理器、攝像頭、顯示屏等許多電子回路。為了使電子回路穩(wěn)定運行，使用了大量供電和去噪電容器。

智能手機需要在小機身內(nèi)植入多種電子功能，因此需要盡量減小電容器的體積。智能手機上配置的電容器基本是體積小巧的MLCC，而現(xiàn)在的最新高端智能手機，每部會配置1000個以上的MLCC。

――MLCC的使用量確實很大，是智能手機中使用超多的元件。那么，具有什么特點的MLCC適用于5G手機？

要求MLCC具有小巧、大容量的特點。5G終端配備的功能比4G多，因此預(yù)計機身內(nèi)的電子回路將大幅增加。同時，終端內(nèi)的MLCC數(shù)量和總?cè)萘恳矊⒃黾?圖3)。

圖3 民生用途MLCC的市場預(yù)測與智能手機MLCC的靜電容量推移情況

例如，5G終端支持的頻帶多于4G終端。在1個終端內(nèi)支持多種頻帶的情況下實現(xiàn)高品質(zhì)通信，需要精準過濾相應(yīng)頻帶，去除非使用頻帶所產(chǎn)生的噪聲。雖然靜電容量較小，但使用了很多容量偏差較小的MLCC。

智能手機維持現(xiàn)有尺寸已屬不易，但市場上對小屏手機的需求卻有所增加。為此，需要MLCC進一步縮小尺寸。

終端配置的功能增多，使電池容量變大。對大容量電池進行穩(wěn)定快速的充電，需要配置大容量、高品質(zhì)的MLCC。部分電子回路通過使用大容量規(guī)格以減少MLCC的數(shù)量，因此對大容量有著較高要求。

與容量相同的同類產(chǎn)品對比，貼裝面積縮小為1/2、體積縮小為1/5

――對于5G手機的回路增多和終端維持或縮小現(xiàn)有尺寸的需求，村田開發(fā)了具有什么特點的MLCC？

通過采用新一代制造技術(shù)，開發(fā)出超小的0201M尺寸MLCC，靜電容量達到超大的0.1μF。0201M尺寸的MLCC屬于已有型號，但容量很小，僅為0.01μF，只能用在智能手機的特定位置。新型MLCC的額定電壓為6.3V，靜電容量容許差為±20％，是更適合智能手機的規(guī)格。

以往，智能手機配置的許多相同容量MLCC所采用的是0402M尺寸。開發(fā)出0201M尺寸后，貼裝面積縮小為1/2、體積縮小為1/5，使尺寸大幅減小。另外，采用該MLCC的新型制造技術(shù)，又開發(fā)了0402M尺寸、1.0μF的MLCC。該產(chǎn)品在同一尺寸的MLCC中，擁有超大的靜電容量。

――這些MLCC對5G手機的開發(fā)會產(chǎn)生怎樣的影響？

正如前面所說，最先進的智能手機使用了1000個以上的MLCC。其中200個以上是此次開發(fā)的0.1μF和1.0μF型號。每個MLCC都實現(xiàn)大幅小型化，因此對終端小型化起到了很大作用。

使用這些MLCC后基板面積將減小，可以在節(jié)省的空間內(nèi)配置更多功能或增加電池容量，從而開發(fā)附加值更高的終端。如果用于可穿戴設(shè)備或IoT終端，則可以提高附加值。即，減輕小型可穿戴設(shè)備在穿戴后的不適感，從而拓展使用場景。另外，對于小型IoT設(shè)備，可以放寬安裝條件，更易收集重要數(shù)據(jù)。因此，新開發(fā)的MLCC可以拓展這些領(lǐng)域的應(yīng)用。

――額定電壓6.3V意味著什么？

智能手機電池的供電電壓為3V-4V。額定電壓為6.3V的MLCC構(gòu)成可由上述電池直接驅(qū)動的電子回路，使用更方便。智能手機包含以1V驅(qū)動的處理器等元件，通常使用額定電壓為4V的MLCC。但部分客戶為了降低部件管理的繁瑣程度，有時會在處理器周圍的電路上使用額定電壓為6.3V的MLCC。因此，為最小尺寸的產(chǎn)品配置6.3V的額定電壓有著重要意義。

為最終量產(chǎn)做好萬全準備

――5G用MLCC將在何時何地開始量產(chǎn)？

量產(chǎn)工作已就緒，預(yù)計2020年在福井村田制作所開始量產(chǎn)。在村田集團中，福井村田制作所是在技術(shù)開發(fā)和量產(chǎn)方面，引領(lǐng)MLCC小型化和大容量化的旗艦工廠(圖4)。它率先使用有關(guān)小型化和大容量化的先進技術(shù)，當(dāng)技術(shù)成熟后，將其推廣到其他生產(chǎn)基地。

圖4 村田主要的MLCC生產(chǎn)基地

為使小型MLCC得到廣泛普及，客戶的企業(yè)需要準備用于貼裝小型電子元件的先進貼裝機(貼片機)。0201M為最小尺寸，于2014年4月開始量產(chǎn)。當(dāng)時已與廠商開發(fā)出相應(yīng)的貼片機，客戶已做好使用該尺寸MLCC的準備。隨著5G手機全面量產(chǎn)，對0201M尺寸的需求將激增，對此我們有充分的把握。

MLCC的小型化、大容量化并非易事

――通過制造技術(shù)升級實現(xiàn)MLCC的小型化、大容量化需要多長的周期？

根據(jù)以往的經(jīng)驗，與靜電容量相同的MLCC比較，需要7～10年的周期。

――半導(dǎo)體的精細加工技術(shù)和制造技術(shù)經(jīng)歷了14nm時代、10nm時代、7nm時代，每2年或3年完成一次迭代。相比之下，MLCC的小型化進程顯得比較緩慢。小型化和大容量化過程中，存在哪些難點？

MLCC的小型化無法由電子元件廠商牽頭推進。因為部件尺寸變小后，使用這些部件的下游企業(yè)需要引進新的貼裝技術(shù)。例如，在電子設(shè)備印制電路板上貼裝元件的貼片機（貼裝機）需要根據(jù)小型電子元件進行改良，并提高貼裝精度。因此，MLCC的小型化需要與貼裝技術(shù)的發(fā)展保持同步。

MLCC在小型化和大容量化過程中，存在與半導(dǎo)體精細化不同的技術(shù)難題。MLCC采用陶瓷薄膜（薄電介質(zhì)）與金屬電極交替堆疊的結(jié)構(gòu)(圖5)。將陶瓷電介質(zhì)和粘合劑制成漿液后涂在載膜上，干燥后的制品被稱為印刷電路基板，在其上反復(fù)印刷電極后燒固而成。最新的MLCC，積層數(shù)可達數(shù)百層。制造MLCC時的突出難點是，燒結(jié)前后陶瓷薄膜會大幅縮小。如果單純減小介電膜和電極的厚度，會因燒結(jié)時的縮小導(dǎo)致整體開裂。若要在印刷電極圖案的狀態(tài)下，確保燒結(jié)后的元件保持正常結(jié)構(gòu)，需要采用合適的技術(shù)和專利。

圖5 MLCC的基本結(jié)構(gòu)

在制造本次開發(fā)的產(chǎn)品時使用的技術(shù)中，陶瓷薄膜的厚度僅為頭發(fā)絲厚度(約80μm)的1/100。為了提升高品質(zhì)MLCC的成品率，需要使薄陶瓷薄膜的厚度保持均勻。如果膜厚不均勻，則夾住介電膜的電極可能接觸而發(fā)生短路，從而失去電容器的功能。即使不發(fā)生短路，如果膜厚均勻度很差，也將導(dǎo)致耐電壓或可靠性下降等問題。

通過原料開發(fā)和制造工藝開發(fā)的整合與磨合，打造先進的MLCC

――生產(chǎn)符合要求的MLCC，需要使用高精度制造技術(shù)。具體來說，通過怎樣的制造技術(shù)，開發(fā)出最先進的0201M尺寸0.1μF MLCC，以及0402M尺寸的1μF MLCC？

需要進一步提升原材料的品質(zhì)。首先，通過減小電介質(zhì)(鈦酸鋇)粒子的直徑、增加均勻度，制造出均質(zhì)而精細的印刷電路基板。同時，開發(fā)了將微細電介質(zhì)離子均勻分散到薄膜內(nèi)的成型技術(shù)。另外，減小印刷電極圖案時的金屬(鎳)粒徑。通過提高填充率以實現(xiàn)薄層化后，使電極和電介質(zhì)的界面上不出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象*。

* 有關(guān)薄化技術(shù)的相關(guān)介紹，請瀏覽在本公司的會員網(wǎng)站my Murata的“Ceramic Capacitor Site”中發(fā)布的“電容器業(yè)務(wù)介紹資料”。

――要實現(xiàn)MLCC的小型化和大容量化，除了制造工藝以外，還需著手開發(fā)原料。

沒錯。磨合材料技術(shù)和薄膜成型技術(shù)以改善并優(yōu)化制造技術(shù)，是確保高品質(zhì)和可靠性、實現(xiàn)小型化和大容量化的重點所在。因此，如果企業(yè)無法同時開發(fā)材料和制造工藝，將無法實現(xiàn)MLCC的小型化和大容量化。

從原料開始由自己開發(fā)和制作的體制，在公司成立之初就已確立。此外，除了原料的開發(fā)和生產(chǎn)以外，還建立了生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品策劃和銷售等各部門合作，為開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品而研制所需原料、并最大限度激發(fā)潛力的體制。對于難以解決的原料問題，有時對制造工藝稍加改變就有了解決之策。從原料開始通過跨部門合作開發(fā)新的技術(shù)和產(chǎn)品是村田的強項，也是MLCC市場份額較高的原因。

――日常的跨部門合作開發(fā)體制是否完善？

福井村田制作所匯集了先進MLCC的相關(guān)開發(fā)功能和量產(chǎn)功能。這里有薄層化和積層的高端技術(shù)和豐富的經(jīng)驗和。開發(fā)部門、生產(chǎn)技術(shù)部門和制造部門在同一場所，因此在產(chǎn)品開發(fā)指令下，各領(lǐng)域?qū)＜铱梢噪S時集合，積極溝通。這種CFT(Cross Function Team)開發(fā)體制有助于提升技術(shù)開發(fā)的效率。

另外，技術(shù)開發(fā)部門位于量產(chǎn)工廠附近，也起到了將領(lǐng)先世界的技術(shù)早日投入量產(chǎn)的效果。紙上談兵式的技術(shù)開發(fā)無法解決制造現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。在現(xiàn)場實際觀察，由技術(shù)部門和制造部門共同尋找解決方案，這一點非常重要。

諸如MLCC小型化和大容量化的高難度技術(shù)課題，不可能僅僅依靠開發(fā)部門。正因為生產(chǎn)技術(shù)部門、制造部門和銷售部門通力合作，才使世界首款產(chǎn)品即將實現(xiàn)量產(chǎn)(圖6)。對于共同克服困難，積極尋找解決方案的各位同仁表示衷心感謝。

圖6 新MLCC開發(fā)合作體制

新一輪小型化和大容量化工作已就緒

――除了智能手機，對電子設(shè)備的小型化和多功能化需求也將增多。未來，村田是否繼續(xù)向MLCC的小型化和大容量化發(fā)起挑戰(zhàn)？

其實早在小型化需求還不明朗的時候，我們就已開展了MLCC小型化和大容量化的技術(shù)開發(fā)。其研究成果對電子設(shè)備的發(fā)展起到了推動作用?，F(xiàn)階段并未開發(fā)尺寸小于0201M的MLCC。但電介質(zhì)和電極的進一步薄層化仍將持續(xù)，從而使得MLCC的更加小型化研發(fā)成為必然。

――從技術(shù)上看，MLCC的小型化和大容量化還有進一步發(fā)展的空間嗎？

電介質(zhì)粒子原料的再精細化已經(jīng)有了頭緒，而且掌握了薄膜成型技術(shù)。

另外，可以加強電極內(nèi)鎳粒子的細微化，使電極進一步薄膜化。今后，通過將兩者進行組合及磨合，確立下一代制造技術(shù)，推進小型且大容量的MLCC商品化。

――很早就聽說了有關(guān)6G技術(shù)開發(fā)的報道?？礈?G應(yīng)用設(shè)備開發(fā)的MLCC，今后將如何發(fā)展？

有消息稱6G將在2030年實現(xiàn)商用。與5G比較，時延更小、通信速度更快，智能手機和可穿戴設(shè)備的功能和使用場景可能發(fā)生較大變化。例如，可能以“遠程操作”為重點推進應(yīng)用拓展。其中，MLCC廠商需要解決的課題依舊是小型化和大容量化。未來3～5年，需要的技術(shù)應(yīng)該會逐漸明朗。為了能迅速應(yīng)對這種變化，我們希望提前開展技術(shù)開發(fā)。

繼續(xù)支持可穿戴設(shè)備和IoT終端等的小型化

目前上市的大部分智能手機都使用了村田的MLCC。如果沒有高性能MLCC，將無法滿足消費者對智能手機的需求，且無法解決技術(shù)難題。采用引入新一代制造技術(shù)的5G手機用MLCC后，這種傾向可能會更加明顯。

5G手機用MLCC將繼續(xù)支持可穿戴設(shè)備和IoT終端等其他電子設(shè)備的發(fā)展。電子設(shè)備的急速發(fā)展，通常伴隨著與之匹配的電子元件創(chuàng)新。催生電腦的微處理器、促成平板電視商用的液晶面板等，類似的例子不勝枚舉。借助新一代MLCC將誕生怎樣的創(chuàng)新型電子設(shè)備，我們將拭目以待。

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