将大幅增加的电子回路装入小型终端——村田的5G智能手机用MLCC

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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

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。

0402M尺寸与0201M尺寸MLCC的外观

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

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)。

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

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
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

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。

新MLCC开发合作体制

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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