性能强大、应用广泛的5g终端,其内部回路的数量大幅增加
第五代移动通信(5g)的商用服务全面开启。它具有超高速、大容量、超低时延、多信号同时连接等特征,5g智能手机的性能得到大幅提升,可在短时间内下载4k画质的视频数据、利用虚拟现实(vr)进行交流、实现计算机和机器的远程联动等,新应用的不断扩展值得期待。另外,对工厂、医疗现场及社会基础设施等领域的数据应用提供支持,为实现丰富多彩、高效节约的社会,筑牢通信基础。
5g手机中配置了结构更为多样而复杂的电子回路。仅在蜂窝通信功能方面,就要求支持3.7ghz频段、4.5ghz频段等sub6频段、相当于毫米波频段的28ghz频段,以及现有的4g功能。另外,还需配置与外设进行数据通信的bluetooth、wi-fi、近距离无线通信(nfc)、定位用gps的应用回路。为了应用多样而高精度的无线通信功能,还全新配置了利用高性能摄像头和显示屏、vr或ar等新应用所需的传感器和信号处理回路等(图1)。因此,终端内部的电子回路数量大幅增加。
图1 5g手机所配置的功能示例
开发出市场青睐的终端,需要将构成内部回路的电子元件进行小型化设计
如果因电子回路增加而加大终端尺寸,将影响商品价值。近年来,为迎合大屏和大容量需求,手机尺寸逐渐增大。但是,随着尺寸达到便于操作的上限,市场上开始出现小型化的呼声。为了制造附加值高、易用性佳的终端,需要使用超高密度贴装技术,从而在维持现有尺寸的基础上配置更多电子回路。
关于构成电子回路的半导体元件,虽然对终端进行了高性能化和多功能化设计,但由于元件在芯片上的集成度提高,以及受到功能软件化等因素的影响,可以使用现有方法进行超高密度制造。使电子回路按照技术规格稳定运行需要使用被称为多层陶瓷电容器(以下称mlcc)的电子元件,因此必须减小该元件的尺寸。
每部智能手机约使用800-1000个mlcc。终端配置的功能越多,其数量也几乎等比例增加。制造高性能、多功能、易操作的5g手机,关键是实现mlcc的小型化。
开发适用于5g手机的0201m/0.1μf和0402m/1μf mlcc
村田制作所(以下简称村田)开发出超小* 0201m(0.25×0.125mm)、静电容量超大* 的0.1μf mlcc“grm011r60j104m”。与容量相同的本公司旧款产品0402m(0.4×0.2mm)比较,贴装面积为1/2、体积仅为1/5(图2)。
* 本公司调查数据。截至2020年9月29日。
图2 0402m尺寸与0201m尺寸mlcc的外观
村田在mlcc小型化方面达到领先水平,为电子设备小型化作出了自己的贡献。1970年代推出的3216m(3.2×1.6mm)尺寸mlcc实现了小型轻薄便携收音机的商品化、1980年代至1990年代推出2012m(2.0×1.2mm)/1608m(1.6×0.8mm)尺寸,实现av设备和电脑的小型化和轻便化、2000年代推出1005m(1.0×0.5mm)/0603m(0.6×0.3mm)尺寸,为手机(功能手机)的多功能化提供了支持。通过对mlcc小型化的不懈研究,在智能手机普遍采用的0402m尺寸mlcc中,实现了50%以上的市场份额。
为5g手机量身定制的0201m尺寸、0.1μf的mlcc已在福井村田制作所完成量产准备工作。今后,村田将继续在mlcc小型化方面发挥引领作用,为电子设备的小型化、多功能及高性能化提供支持。
将终端内大量使用的mlcc尺寸缩小为1/5
每部5g手机中配置有大量mlcc。可以说,mlcc是对终端小型化影响较大的一种元件。要在维持易操作尺寸的同时增加终端功能,mlcc小型化是不可或缺的一环。近半个世纪以来,村田一直引领着mlcc小型化的发展。以此业绩为依托,开发了用于5g手机的新一代小型mlcc。通过采访5g手机用mlcc的产品策划师和开发小型大容量mlcc的工程师,了解了所开发mlcc的具体情况和对终端开发的影响。
左起销售经理 水流园、产品开发经理 若岛
每部手机需要使用1000个以上的mlcc,因此它对小型化的影响很大
――5g手机的哪些用途需要使用到mlcc?需要用多少?
现在的智能手机,功能急遽增加。除了无线通信类电子回路以外,还配有执行各种处理的处理器、摄像头、显示屏等许多电子回路。为了使电子回路稳定运行,使用了大量供电和去噪电容器。
智能手机需要在小机身内植入多种电子功能,因此需要尽量减小电容器的体积。智能手机上配置的电容器基本是体积小巧的mlcc,而现在的最新高端智能手机,每部会配置1000个以上的mlcc。
――mlcc的使用量确实很大,是智能手机中使用超多的元件。那么,具有什么特点的mlcc适用于5g手机?
要求mlcc具有小巧、大容量的特点。5g终端配备的功能比4g多,因此预计机身内的电子回路将大幅增加。同时,终端内的mlcc数量和总容量也将增加(图3)。
图3 民生用途mlcc的市场预测与智能手机mlcc的静电容量推移情况
例如,5g终端支持的频带多于4g终端。在1个终端内支持多种频带的情况下实现高品质通信,需要精准过滤相应频带,去除非使用频带所产生的噪声。虽然静电容量较小,但使用了很多容量偏差较小的mlcc。
智能手机维持现有尺寸已属不易,但市场上对小屏手机的需求却有所增加。为此,需要mlcc进一步缩小尺寸。
终端配置的功能增多,使电池容量变大。对大容量电池进行稳定快速的充电,需要配置大容量、高品质的mlcc。部分电子回路通过使用大容量规格以减少mlcc的数量,因此对大容量有着较高要求。
与容量相同的同类产品对比,贴装面积缩小为1/2、体积缩小为1/5
――对于5g手机的回路增多和终端维持或缩小现有尺寸的需求,村田开发了具有什么特点的mlcc?
通过采用新一代制造技术,开发出超小的0201m尺寸mlcc,静电容量达到超大的0.1μf。0201m尺寸的mlcc属于已有型号,但容量很小,仅为0.01μf,只能用在智能手机的特定位置。新型mlcc的额定电压为6.3v,静电容量容许差为±20%,是更适合智能手机的规格。
以往,智能手机配置的许多相同容量mlcc所采用的是0402m尺寸。开发出0201m尺寸后,贴装面积缩小为1/2、体积缩小为1/5,使尺寸大幅减小。另外,采用该mlcc的新型制造技术,又开发了0402m尺寸、1.0μf的mlcc。该产品在同一尺寸的mlcc中,拥有超大的静电容量。
――这些mlcc对5g手机的开发会产生怎样的影响?
正如前面所说,最先进的智能手机使用了1000个以上的mlcc。其中200个以上是此次开发的0.1μf和1.0μf型号。每个mlcc都实现大幅小型化,因此对终端小型化起到了很大作用。
使用这些mlcc后基板面积将减小,可以在节省的空间内配置更多功能或增加电池容量,从而开发附加值更高的终端。如果用于可穿戴设备或iot终端,则可以提高附加值。即,减轻小型可穿戴设备在穿戴后的不适感,从而拓展使用场景。另外,对于小型iot设备,可以放宽安装条件,更易收集重要数据。因此,新开发的mlcc可以拓展这些领域的应用。
――额定电压6.3v意味着什么?
智能手机电池的供电电压为3v-4v。额定电压为6.3v的mlcc构成可由上述电池直接驱动的电子回路,使用更方便。智能手机包含以1v驱动的处理器等元件,通常使用额定电压为4v的mlcc。但部分客户为了降低部件管理的繁琐程度,有时会在处理器周围的电路上使用额定电压为6.3v的mlcc。因此,为最小尺寸的产品配置6.3v的额定电压有着重要意义。
为最终量产做好万全准备
――5g用mlcc将在何时何地开始量产?
量产工作已就绪,预计2020年在福井村田制作所开始量产。在村田集团中,福井村田制作所是在技术开发和量产方面,引领mlcc小型化和大容量化的旗舰工厂(图4)。它率先使用有关小型化和大容量化的先进技术,当技术成熟后,将其推广到其他生产基地。
图4 村田主要的mlcc生产基地
为使小型mlcc得到广泛普及,客户的企业需要准备用于贴装小型电子元件的先进贴装机(贴片机)。0201m为最小尺寸,于2014年4月开始量产。当时已与厂商开发出相应的贴片机,客户已做好使用该尺寸mlcc的准备。随着5g手机全面量产,对0201m尺寸的需求将激增,对此我们有充分的把握。
mlcc的小型化、大容量化并非易事
――通过制造技术升级实现mlcc的小型化、大容量化需要多长的周期?
根据以往的经验,与静电容量相同的mlcc比较,需要7~10年的周期。
――半导体的精细加工技术和制造技术经历了14nm时代、10nm时代、7nm时代,每2年或3年完成一次迭代。相比之下,mlcc的小型化进程显得比较缓慢。小型化和大容量化过程中,存在哪些难点?
mlcc的小型化无法由电子元件厂商牵头推进。因为部件尺寸变小后,使用这些部件的下游企业需要引进新的贴装技术。例如,在电子设备印制电路板上贴装元件的贴片机(贴装机)需要根据小型电子元件进行改良,并提高贴装精度。因此,mlcc的小型化需要与贴装技术的发展保持同步。
mlcc在小型化和大容量化过程中,存在与半导体精细化不同的技术难题。mlcc采用陶瓷薄膜(薄电介质)与金属电极交替堆叠的结构(图5)。将陶瓷电介质和粘合剂制成浆液后涂在载膜上,干燥后的制品被称为印刷电路基板,在其上反复印刷电极后烧固而成。最新的mlcc,积层数可达数百层。制造mlcc时的突出难点是,烧结前后陶瓷薄膜会大幅缩小。如果单纯减小介电膜和电极的厚度,会因烧结时的缩小导致整体开裂。若要在印刷电极图案的状态下,确保烧结后的元件保持正常结构,需要采用合适的技术和专利。
图5 mlcc的基本结构
在制造本次开发的产品时使用的技术中,陶瓷薄膜的厚度仅为头发丝厚度(约80μm)的1/100。为了提升高品质mlcc的成品率,需要使薄陶瓷薄膜的厚度保持均匀。如果膜厚不均匀,则夹住介电膜的电极可能接触而发生短路,从而失去电容器的功能。即使不发生短路,如果膜厚均匀度很差,也将导致耐电压或可靠性下降等问题。
通过原料开发和制造工艺开发的整合与磨合,打造先进的mlcc
――生产符合要求的mlcc,需要使用高精度制造技术。具体来说,通过怎样的制造技术,开发出最先进的0201m尺寸0.1μf mlcc,以及0402m尺寸的1μf mlcc?
需要进一步提升原材料的品质。首先,通过减小电介质(钛酸钡)粒子的直径、增加均匀度,制造出均质而精细的印刷电路基板。同时,开发了将微细电介质离子均匀分散到薄膜内的成型技术。另外,减小印刷电极图案时的金属(镍)粒径。通过提高填充率以实现薄层化后,使电极和电介质的界面上不出现凹凸现象*。
* 有关薄化技术的相关介绍,请浏览在本公司的会员网站my murata的“ceramic capacitor site”中发布的“电容器业务介绍资料”。
――要实现mlcc的小型化和大容量化,除了制造工艺以外,还需着手开发原料。
没错。磨合材料技术和薄膜成型技术以改善并优化制造技术,是确保高品质和可靠性、实现小型化和大容量化的重点所在。因此,如果企业无法同时开发材料和制造工艺,将无法实现mlcc的小型化和大容量化。
从原料开始由自己开发和制作的体制,在公司成立之初就已确立。此外,除了原料的开发和生产以外,还建立了生产技术、产品策划和销售等各部门合作,为开发相关产品而研制所需原料、并最大限度激发潜力的体制。对于难以解决的原料问题,有时对制造工艺稍加改变就有了解决之策。从原料开始通过跨部门合作开发新的技术和产品是村田的强项,也是mlcc市场份额较高的原因。
――日常的跨部门合作开发体制是否完善?
福井村田制作所汇集了先进mlcc的相关开发功能和量产功能。这里有薄层化和积层的高端技术和丰富的经验和。开发部门、生产技术部门和制造部门在同一场所,因此在产品开发指令下,各领域专家可以随时集合,积极沟通。这种cft(cross function team)开发体制有助于提升技术开发的效率。
另外,技术开发部门位于量产工厂附近,也起到了将领先世界的技术早日投入量产的效果。纸上谈兵式的技术开发无法解决制造现场出现的问题。在现场实际观察,由技术部门和制造部门共同寻找解决方案,这一点非常重要。
诸如mlcc小型化和大容量化的高难度技术课题,不可能仅仅依靠开发部门。正因为生产技术部门、制造部门和销售部门通力合作,才使世界首款产品即将实现量产(图6)。对于共同克服困难,积极寻找解决方案的各位同仁表示衷心感谢。
图6 新mlcc开发合作体制
新一轮小型化和大容量化工作已就绪
――除了智能手机,对电子设备的小型化和多功能化需求也将增多。未来,村田是否继续向mlcc的小型化和大容量化发起挑战?
其实早在小型化需求还不明朗的时候,我们就已开展了mlcc小型化和大容量化的技术开发。其研究成果对电子设备的发展起到了推动作用。现阶段并未开发尺寸小于0201m的mlcc。但电介质和电极的进一步薄层化仍将持续,从而使得mlcc的更加小型化研发成为必然。
――从技术上看,mlcc的小型化和大容量化还有进一步发展的空间吗?
电介质粒子原料的再精细化已经有了头绪,而且掌握了薄膜成型技术。
另外,可以加强电极内镍粒子的细微化,使电极进一步薄膜化。今后,通过将两者进行组合及磨合,确立下一代制造技术,推进小型且大容量的mlcc商品化。
――很早就听说了有关6g技术开发的报道。看准6g应用设备开发的mlcc,今后将如何发展?
有消息称6g将在2030年实现商用。与5g比较,时延更小、通信速度更快,智能手机和可穿戴设备的功能和使用场景可能发生较大变化。例如,可能以“远程操作”为重点推进应用拓展。其中,mlcc厂商需要解决的课题依旧是小型化和大容量化。未来3~5年,需要的技术应该会逐渐明朗。为了能迅速应对这种变化,我们希望提前开展技术开发。
继续支持可穿戴设备和iot终端等的小型化
目前上市的大部分智能手机都使用了村田的mlcc。如果没有高性能mlcc,将无法满足消费者对智能手机的需求,且无法解决技术难题。采用引入新一代制造技术的5g手机用mlcc后,这种倾向可能会更加明显。
5g手机用mlcc将继续支持可穿戴设备和iot终端等其他电子设备的发展。电子设备的急速发展,通常伴随着与之匹配的电子元件创新。催生电脑的微处理器、促成平板电视商用的液晶面板等,类似的例子不胜枚举。借助新一代mlcc将诞生怎样的创新型电子设备,我们将拭目以待。
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