MLCC 在5G 領域的應用及發展趨勢

(廣東風華高新科技股份有限公司新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室,廣東肇慶 526020)

隨著移動互聯網技術的高速發展和智能終端的快速普及,現有的第四代移動通訊技術(4G)已無法滿足人們對高效、準確的信息傳遞的需求。依托4G良好技術構架,第五代移動通訊技術(5G)應運而生。它采用擁有極大帶寬的毫米波段,可為用戶提供每秒千兆級的數據傳輸速率、零時延和高可靠的使用體驗。可滿足如車聯網、智能家居、移動終端、虛擬現實、超清視頻、云存儲等場景的運用[1]。在國內外廠商的技術推動下,預計到2020年5G通訊將實現全面的商業化,移動互聯網和物聯網作為未來通訊發展兩大主要驅動力,將為5G提供廣闊的發展前景。在5G技術支撐下,移動互聯網將對人類社會信息交互方式產生深遠的影響,與之對應的移動通訊和產業將升級換代。物聯網將人與人通訊延伸到人與物、物與物的智能互聯,移動通信服務范圍的擴大,與之相應的海量連接設備將會出現一個爆發性的增長[2-3]。多層陶瓷電容器(MLCC)作為電子設備中不可或缺的零組件,將迎來新的發展機遇。通訊技術的升級,對MLCC的各項性能提出了更高的要求。為迎接5G時代的到來,MLCC將逐漸向高頻化、低功耗、小型化和高儲能密度技術方向發展。

筆者長期從事MLCC的研發工作,通過對近年來高性能MLCC研發生產的經驗成果及已有的相關報道和文獻加以整理分析,綜述了高性能MLCC在5G領域的運用及發展方向,以及研發制造所面臨的挑戰。

1 高頻低功耗應對——微波高Q MLCC

為滿足5G通訊的大容量、高速度要求,微波高Q值MLCC將向著更高使用頻率方向發展,在射頻(RF)端MLCC的Q值將直接影響到帶寬[4]。高附加值的高Q值、低Res(等效串聯電阻)和低Les(等效串聯電感)的MLCC產品在通信領域的地位變得尤為重要。

微波高QMLCC使用于所有的RF線路中,其漏電流小、絕緣電阻高的特性,使它具有較好的隔直流特性。其低損耗特性,在耦合電路使用中可減少信號的衰減以保證能量的有效傳遞,同時較低的功率損耗能減少電容器產生的熱量,延長電容器的使用壽命;在旁路電路中使用能提供低阻抗的入地通道[5]。

在高頻電路中,為保證產品的低功耗,MLCC的設計和制造過程中應盡量減小其等效串聯電阻(Res),Res綜合表征了電容器的介質材料損耗和電極損耗。其計算公式可以表示為:

式中:Q是損耗角正切tanδ的倒數;C為MLCC的容量;f為頻率。

另外由于MLCC中等效串聯電感(Les)的存在,使得電容器在高頻下存在串聯諧振頻率(fSR),當電容器的工作頻率高于fSR時,電容器的阻抗會隨著頻率的增加而迅速增大,所以一般電容器的使用頻率應低于其固有諧振頻率。fSR和Les的關系可用如下關系式表示:

要實現MLCC在更高頻率范圍的電路運用,需要從材料、設計及工藝方面進行改進,從而實現高性能的MLCC。

1.1 MLCC材料方面

MLCC在低頻下的損耗主要由介質損耗產生。C0G材質的MLCC損耗小,溫度系數較為穩定,在-55～+125℃的容量變化率不超過±30×10-6℃-1。采用C0G介質材料可以保證較低的介質損耗和高的容量精度。C0G特性材料按介電常數大小可分為三大類:低介電常數型,如MgTiO3[6]、Al2O3-TiO2體系[7]等;中介電常數型,如[8]、(Zr,Sn)TiO4體系[9]等;高介電常數型,如BaO-Ln2O3-TiO2體系[10]等。其中中介電常數型(Sr,Ca)(Zr,Ti)O3體系備受研究者關注,由于(Sr,Ca)ZrO3在Ca/Sr摩爾比約為1時具有較高的Q值(Q≈2860),通過Ti對Zr的少量置換可使其溫度系數調整為零。另外通過Ti對Zr的大量置換可獲得低損耗高介電常數介質材料,但其溫度特性和偏壓特性也會隨之下降,此材料性質可滿足高頻U2J特性的產品[11]。所以此體系的瓷粉在高頻MLCC的制造中得到了廣泛的應用。

高頻下的損耗則主要由電極損耗產生,所以MLCC應盡量選取電阻率低的電極材料。貴金屬Ag/Pa電極具有較小的電阻率,Cu電極與Ag的電阻率接近,為降低生產成本,采用低電阻率的Cu電極是個不錯的選擇。但由于Cu的熔點較低,為1083℃,使得與之匹配的介質材料的燒結溫度需低于其熔點[12]。此外,Cu極易被氧化,這就需要還原性的燒結氣氛,為保證介電性能的穩定性,選取的介質材料應具有良好的抗還原性[13]。風華高科自主開發的賤金屬銅內電極高Q值系列MLCC,物料的最高容量精度達到0.05 pF,其性能已達到同行先進水平。

1.2 產品設計方面

合理的設計可以有效地降低產品的Res和Les,從而提高產品的Q值和使用頻率。相關實驗表明,MLCC可通過適當增加設計層數,合理減少電容器的長寬比,以及采用T形內電極和懸浮內電極設計,均能大大降低產品的Res和Les[14]。另外采用長寬逆轉和3端子設計可使MLCC具有低Les,實現產品在高頻下應用的需求[15-17]。

從式(2)fSR和Les的關系式中可以看出,小容量的MLCC具有很高的fSR,但在高頻應用中對其容量精度的要求非常高,容量誤差級別通常要達到EIA標準規定的B級甚至A級[18]。相關研究表明,采用不同的內電極結構對產品的容量精度有顯著的影響。采用屏蔽結構的產品的容量命中率要明顯高于采用非屏蔽結構的產品,產生此種差異的原因是非屏蔽結構的MLCC最外側的內電極與外電極之間產生了附加容量,導致產品在生產過程中難以準確控制其容量[19-20]。

1.3 產品制造工藝方面

MLCC的生產工序較為復雜,各工序的質量控制點較多。在生產過程中應合理地選取產品的制造工藝,避免因工藝不當造成的產品損耗增加。影響電極損耗的因素可分為兩種:一是內電極的連續性,內電極的連續性可通過調整內電極漿料的絲網印刷厚度來控制,為保證電極具有良好的連續性,可適當地增加內電極印刷厚度,使MLCC具有低Res;二是內外電極的連接情況,要保證內外電極的連接良好,需選取適當的倒角和燒端工藝。倒角是將燒成后的芯片經過介質研磨使其端面的內電極充分暴露的過程,在芯片封端后,配合恰當的燒端工藝,可使MLCC內外電極接觸良好,有利于減小內外電極的接觸電阻[21-22]。

2 小型化應對——01005型MLCC

通信標準的不斷升級,終端產品中MLCC的用量不斷增加。預計2020年適配于LTE-advanced標準的手機滲透率將接近50%,滿足LTE-advanced標準的高端智能手機需要的MLCC數量將達到550～900顆。同時終端產品如手機、電視、電腦等越來越向輕薄化方向發展,01005甚至008004等小型化MLCC的普及應用可有效地節約設備空間。小型化將是MLCC產品發展的主要趨勢。但由于受材料及工藝技術水平的制約,小尺寸高容量產品的制備還有許多技術問題需要突破[23-24]。

小型化高容量的MLCC要求做到介質薄層化,介質厚度小于1 μm,要求粉體顆粒的粒徑小于0.25 μm,這對陶瓷粉體的粒徑、純度、結晶度、形狀和均一性等有較高的要求。另外具有高介電常數的鐵電性粉體存在明顯的尺寸效應,當粉體粒徑低于一定尺度時,隨著粉體粒徑的減小,其介電常數也會隨之降低[25-26]。采用高結晶度的粉體,可使粉體的細晶化和高介電常數成為可能[27-28]。目前國產瓷粉很難達到上述要求,高性能的陶瓷粉體是制約我國電子陶瓷產業發展的瓶頸。

高性能的材料還需要配備高精度制備工藝。國內MLCC廠家對超薄介質膜流延、高精度的絲印、疊層和切割等關鍵技術還需要摸索和突破。由于制造工藝難度的加大,小型化產品的合格率較低,導致生產成本有所增加。目前國內廠家在MLCC小型化的制備工藝上不斷取得突破,最小規格已做到01005,與日系同行的差距正在縮小。

3 電源濾波應對——中壓高容MLCC

中壓高容的MLCC具有容量大(≥1 μF)、額定電壓高(≥25 V)、良好偏壓特性、高可靠性的特點,廣泛應用在各種電源線路中,如智能家居、汽車電子及通訊基站等領域。由于MLCC的工作環境的溫度變化大,所以產品的溫度特性應符合X7R特性,才能保證其高可靠性的要求。

在產品尺寸不變的情況下,需要通過把介質層減薄并增加產品設計的層數以獲得高容量,但在將介質薄層化的同時要保證產品具有較高的耐電壓及良好的可靠性,這對介質材料、產品設計及制造工藝等要求較高。中壓高容產品所使用的新介質材料在具有高介電常數低損耗的同時,還要求有較好的溫度特性和更高的耐電壓特性。另外配合特殊的設計可以進一步提升產品的耐電壓,將常規的內電極設計成圓角矩形,合理地增加產品的留邊量及保護層厚度,可以在保證高容量的同時大幅提升其耐電壓[29]。在制造工藝方面,薄介質成膜技術、高清晰度內電極印刷、氣氛燒結等關鍵技術對中壓高容MLCC的性能和可靠性的影響尤其顯著。國內廠家對中壓高容MLCC的材料和制造工藝還需要深入研究和努力攻關。

4 結語

MLCC作為電子信息產業的基礎元器件之一,其性能優劣將直接影響各類電子產品的發展。5G時代的到來,為MLCC的發展帶來了新的發展機遇。小型化、中壓高容、高頻低功耗的MLCC將是未來5G市場需求量巨大的產品。但機遇與挑戰并存,國內高端MLCC的開發制造由于受材料、設備及工藝技術水平的限制,產品發展緩慢,高端產品市場主要被國外廠家占領。近年來,國內廠家通過技術創新突破,取得了一定的成果,相信借助5G技術發展的契機,我國高性能MLCC技術領域將會有更快的發展。