MLCC在5G領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

紀緒寶，霍永輝

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250101）

0 引言

隨著現(xiàn)代智能設(shè)備的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)范圍不斷擴大，現(xiàn)有的4G通信技術(shù)無論是在通信時效還是傳輸容量方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代商業(yè)社會的新需求，迫切需要進行通信技術(shù)的革新。基于此，5G技術(shù)應(yīng)運而生，而MLCC在5G領(lǐng)域中的應(yīng)用則成了5G體系的建立健全過程中需要重點關(guān)注的對象。

1 5G技術(shù)發(fā)展時代背景

在國內(nèi)外各高新技術(shù)企業(yè)新技術(shù)以及雄厚資金的背景支持下，在2020年之后，世界各地將會陸續(xù)實現(xiàn)5G通信的全面發(fā)展，新的5G通信技術(shù)已逐漸開始取代現(xiàn)有的4G技術(shù)。移動互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)將是該技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要體現(xiàn)，5G的全面建設(shè)為通信技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景。物聯(lián)網(wǎng)借助高速的網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)了物體和物體之間的信息連接，實現(xiàn)了高效穩(wěn)定的管理模式，信息的服務(wù)范圍將會呈幾何級的趨勢擴大，通過信息設(shè)備的連接將會直接把人類社會帶入一個信息爆炸的時代[1]。在這樣的背景下，MLCC作為電子設(shè)備中不可或缺的基本元件，也會迎來一個全新的發(fā)展機遇。通信設(shè)備的升級換代給原本的MLCC系統(tǒng)提出了更高的運行質(zhì)量需求，隨著5G時代的到來，MLCC接下來必然會朝著高頻化、低功耗以及小體積的方向發(fā)展。下面將對近年來MLCC取得的研究成果進行分析，論述在新時代背景下該技術(shù)的發(fā)展走向以及需要迎接的各種挑戰(zhàn)。

2 高頻低功耗的MLCC

MLCC的全稱為多層陶瓷電容器，該電容器在電路中有著廣泛的應(yīng)用范圍，同時也是電子元件中重要的組成部分，屬于被動電子元件和電阻，與電容以及電感等類型元件類似，同樣都是比較復(fù)雜的電路系統(tǒng)，在平常電路運行的工作中主要負責儲存電荷，提供協(xié)調(diào)震蕩等基本作用。當前我國已經(jīng)形成了完整的MLCC產(chǎn)業(yè)鏈，并且分為三個不同的建設(shè)部分。首先，第一個部分材料生產(chǎn)行業(yè)包括陶瓷粉末、電子材料及芯片三個部分；其次，第二個部分主要是參與制造業(yè)；最后，第三個部分根據(jù)產(chǎn)品需求則分為軍用和民用兩個部分。

在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用在航天，軍工等方面居多，因此對于產(chǎn)品的精確度要求相對較高[2]。隨著我國電子市場的快速發(fā)展，民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴大，在中國市場中MLCC的生產(chǎn)需求不斷增加，下游市場的擴張帶動了整個行業(yè)的進步。MLCC的生產(chǎn)工藝主要分為干式、濕式以及陶瓷移模等幾種方式。隨著各種高端產(chǎn)品對于該結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的不斷增加，濕式以及陶瓷移模這兩種施工工藝因其嚴謹性而受到制造商的廣泛關(guān)注，并且成為研究的重點對象。

3 MLCC材料使用

MLCC材料為了能夠滿足5G通信技術(shù)對于容量和傳輸速度的超高要求，在微波Q值的設(shè)置方面需要提高使用頻率。而射頻端的Q值將會直接影響到寬帶的結(jié)果，通過高附加的Q值以及低電阻串聯(lián)能夠提高MLCC產(chǎn)品在通信產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用地位。

MLCC的Q值應(yīng)用在射頻線路中，能夠憑借絕緣性能較好，漏電少的特征實現(xiàn)較好的使用性能保證。另外在一些其他的耦合線路中能夠防止信號出現(xiàn)陸續(xù)衰減，保證信息傳輸?shù)木_性，能夠延長線路設(shè)備以及電容器的使用壽命。在一些旁邊的電路系統(tǒng)中還能夠提供相應(yīng)的入地通道[3]。

在高頻線路系統(tǒng)中，為了保證能量的最大程度保存，MLCC的改進工作應(yīng)該首先能夠從減少串聯(lián)電阻值的角度入手，因為在集合電路中始終存在等效的串聯(lián)電感，所以在高頻的工作環(huán)境中，電容器內(nèi)部頻率過大的情況下，內(nèi)部的阻值會因此迅速增加，因此在一般的工作環(huán)境中往往會將使用的頻率值設(shè)置在固有諧振頻率之下。在未來如果想實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的更大范圍使用，需要分別從材料、制作工藝等方面進行提升和改進。

在材料制作方面，MLCC在低頻工作狀態(tài)下產(chǎn)生的能量損耗主要是因為外部介質(zhì)所導致，經(jīng)過多次的試驗分析和判斷，最終發(fā)現(xiàn)COG材料能夠?qū)⒛芰繐p耗降低到最小并且保持工作溫度恒定，致使一定范圍內(nèi)容量體積的變化差距不是很大，并且可以接收，所以可以初步得出該種材料使用性能良好的結(jié)論。COG材料根據(jù)介電常數(shù)的劃分范圍可以分為三個等級，分別為高階、中階以及低階三個部分。其中當前國內(nèi)外普遍的研究重點主要集中在中階常數(shù)類型中。一些研究人員發(fā)現(xiàn)利用化學元素Ti以及Zr的置換能夠?qū)囟认禂?shù)重新調(diào)整到0。另外這兩種元素的置換能夠獲得低損耗的高階介質(zhì)材料。置換工作結(jié)束之后材料的溫度特性以及偏壓特點會略微降低，但是依舊能夠滿足正常的工作要求，因此這種類型的材料得到廣泛應(yīng)用[4]。

在高頻工作條件下產(chǎn)生的能量損耗主要由電極位置產(chǎn)生，因此MLCC在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中最好能夠選擇電阻率較低的電極。雖然貴重金屬的電阻率降低，但是一旦大量投入生產(chǎn)和使用往往不會產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟收益，因此從實際情況考慮和出發(fā)，最終利用銅元素代替原本的銀元素，但是銅元素本身熔點較低無法滿足相應(yīng)介質(zhì)材料的工作溫度條件，非常容易在高溫中出現(xiàn)溶解的情況。同時銅元素非常容易出現(xiàn)氧化，因此需要營造一種還原性的工作環(huán)境，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，周圍相匹配的介質(zhì)材料同樣需要具備一定的還原性，防止在這樣的長期環(huán)境中工作被還原。我國風華科技有限公司開發(fā)的金屬銅電極Q值性能已經(jīng)達到了國內(nèi)領(lǐng)先的水平[5]。

4 產(chǎn)品設(shè)計功效

有效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計往往能夠大大降低內(nèi)部電阻值以及電流損害，提高產(chǎn)品的Q值以及使用壽命。經(jīng)過相應(yīng)的試驗案例證明了可以通過適當增加MLCC的設(shè)計層數(shù)來減少電容器的實際體積，并且在內(nèi)部通過增加T型號的電極以及懸浮電極降低產(chǎn)品的電能損耗。部分的設(shè)計師嘗試了利用長寬逆轉(zhuǎn)以及3端子的設(shè)計方案，結(jié)果顯示同樣能夠起到不錯的應(yīng)用效果。體積縮小之后的MLCC雖然同樣能夠具備較大的電容量，但是在高頻的工作環(huán)境中通常對于容量劃分的精度要求較高，往往需要專門制定判斷容量誤差的規(guī)范等級。國外一些研究數(shù)據(jù)表明，采用不同的內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)對于產(chǎn)品的容量精度具有很大的影響。例如屏蔽結(jié)構(gòu)對于產(chǎn)品的容量精度影響往往大于非屏蔽的結(jié)構(gòu)。而這種差異出現(xiàn)的主要原因在于前者的MLCC外側(cè)內(nèi)外電極之間增加了附加的電極容量，一旦投入生產(chǎn)之后難以控制和確定實際的容量大小[6]。

MLCC在生產(chǎn)的過程中不僅工藝流程較多，同時內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各個部分的銜接位置需要嚴格控制質(zhì)量。在投入生產(chǎn)之后技術(shù)人員需要科學選擇各個產(chǎn)品的制作工藝，防止因為工序不當增加更多的經(jīng)濟成本投入。一般情況下專家學者認為影響電極出現(xiàn)損耗的情況主要有兩種，首先內(nèi)部電極，因為其具有一定的連續(xù)性，所以常?？赡軙驗椴粩嗟卣{(diào)整導致內(nèi)部電極漿料厚度被影響，為了保證該部分連續(xù)性的穩(wěn)定，往往需要定期不斷向內(nèi)部增加厚度，保證MLCC的電阻穩(wěn)定。另外一種情況就是內(nèi)部外部電極出現(xiàn)了不確定的連接情況，為此需要做好這個部分的工作，首先需要在施工之前選擇有效的燒端和倒角技術(shù)，倒角工藝就是將制作好的芯片暴露在外部的過程中，在芯片被徹底封閉之前，需要及時配合有效的燒端工藝，保證內(nèi)外部的連接情況良好，減少接觸電阻[7]。

5 MLCC小型化應(yīng)對方法

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，一些智能終端產(chǎn)品和MLCC的結(jié)合方式不斷豐富。在2020年之后我國的智能手機普及率已經(jīng)基本實現(xiàn)完全普及，同時一些中高端的智能手機也將會陸續(xù)實現(xiàn)30%以上的普及。另外一些重要智能設(shè)備例如耳機，電腦以及手機等將會朝著更加微型化的方向發(fā)展。因為小型的MLCC將會與之配合發(fā)展，節(jié)約更多的空間。然而這種發(fā)展趨勢在短時間內(nèi)還是無法得到有效普及，其主要的原因在于受到當前材料性能以及技術(shù)制作水平的限制，很多智能設(shè)備雖然實現(xiàn)了小型化，但仍然需要克服很多的問題以及困難。

MLCC朝著小型化方向發(fā)展首先需要克服介質(zhì)輕薄化的問題，對于介質(zhì)的厚度要求需要縮小到1微米之下，粉末的顆粒直徑則需要縮小到介質(zhì)厚度的1/4以下，對于陶瓷的純度，均勻性等特征同樣具有很多的厚度要求。前文已經(jīng)提到電常數(shù)分為三種類型，對于高階電常數(shù)而言，當顆粒直徑低于一定數(shù)值的之后，隨著體積的不斷減少，電常數(shù)會因此不斷降低。目前國內(nèi)的技術(shù)很難達到這樣的標準，高性能的陶瓷粉末因此成為制約我國MLCC技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸[8]。

與此同時我國在高精度的制作工藝方面同樣需要面臨很多的問題有待解決。例如在高精度的絲印，介質(zhì)薄膜的拓展以及切割工藝等方面需要進行更加深入的研究和探索。由于這些工藝對于技術(shù)的要求較高導致一些小型工藝產(chǎn)品的完成度較低，即使完成建設(shè)其成本也相對較高。雖然一些工廠在這些方面已經(jīng)取得了很大的進步，但是仍然與日本以及西方一些發(fā)達國家存在一定的差距。

6 電源濾波改進方法

雖然中壓高容量的MLCC能夠具備較高的容量以及額定電壓，具有良好的工作環(huán)境以及穩(wěn)定的工作特性，并且逐漸開始投入到智能汽車、生產(chǎn)家居以及通信基站的建設(shè)工作中，但是因為MLCC工作時候外部的環(huán)境變化較大，因此產(chǎn)品的溫度特性難以得到有效的保證。在保證外部大小尺寸不變的情況下需要通過不斷減少外部介質(zhì)的層數(shù)來增加內(nèi)部的空間容積，但是在減少厚度的同時還需要保證外殼部分具有良好的抗電壓能力以及穩(wěn)定程度。這對于當前的生產(chǎn)材料、制造工藝以及評定標準全部都提出了新的要求要求。例如在一般中高壓的電容產(chǎn)品中使用新型介質(zhì)材料不僅需要具備良好的溫度特征同時更加需要具備有效的耐電性能。隨著技術(shù)的革新及升級當前已經(jīng)能夠通過外部特殊設(shè)備的幫助合理增加產(chǎn)品周圍的流變量以及保護厚度，從而提高整體結(jié)構(gòu)的耐電性能。

7 結(jié)語

MLCC是未來電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要結(jié)構(gòu)。在5G時代，該結(jié)構(gòu)需要進行積極改革創(chuàng)新以滿足新型技術(shù)的發(fā)展需求。在機遇和挑戰(zhàn)并存的時代，相關(guān)研究人員需要積極借助現(xiàn)有的技術(shù)資源、人才優(yōu)勢，大力克服自身生產(chǎn)過程中的缺點，積極推動國產(chǎn)MLCC材料技術(shù)的發(fā)展和進步，實現(xiàn)經(jīng)濟與技術(shù)二者共贏。