MLCC 在5G 领域的应用及发展趋势

(广东风华高新科技股份有限公司新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室,广东肇庆 526020)

随着移动互联网技术的高速发展和智能终端的快速普及,现有的第四代移动通讯技术(4G)已无法满足人们对高效、准确的信息传递的需求。依托4G良好技术构架,第五代移动通讯技术(5G)应运而生。它采用拥有极大带宽的毫米波段,可为用户提供每秒千兆级的数据传输速率、零时延和高可靠的使用体验。可满足如车联网、智能家居、移动终端、虚拟现实、超清视频、云存储等场景的运用[1]。在国内外厂商的技术推动下,预计到2020年5G通讯将实现全面的商业化,移动互联网和物联网作为未来通讯发展两大主要驱动力,将为5G提供广阔的发展前景。在5G技术支撑下,移动互联网将对人类社会信息交互方式产生深远的影响,与之对应的移动通讯和产业将升级换代。物联网将人与人通讯延伸到人与物、物与物的智能互联,移动通信服务范围的扩大,与之相应的海量连接设备将会出现一个爆发性的增长[2-3]。多层陶瓷电容器(MLCC)作为电子设备中不可或缺的零组件,将迎来新的发展机遇。通讯技术的升级,对MLCC的各项性能提出了更高的要求。为迎接5G时代的到来,MLCC将逐渐向高频化、低功耗、小型化和高储能密度技术方向发展。

笔者长期从事MLCC的研发工作,通过对近年来高性能MLCC研发生产的经验成果及已有的相关报道和文献加以整理分析,综述了高性能MLCC在5G领域的运用及发展方向,以及研发制造所面临的挑战。

1 高频低功耗应对——微波高Q MLCC

为满足5G通讯的大容量、高速度要求,微波高Q值MLCC将向着更高使用频率方向发展,在射频(RF)端MLCC的Q值将直接影响到带宽[4]。高附加值的高Q值、低Res(等效串联电阻)和低Les(等效串联电感)的MLCC产品在通信领域的地位变得尤为重要。

微波高QMLCC使用于所有的RF线路中,其漏电流小、绝缘电阻高的特性,使它具有较好的隔直流特性。其低损耗特性,在耦合电路使用中可减少信号的衰减以保证能量的有效传递,同时较低的功率损耗能减少电容器产生的热量,延长电容器的使用寿命;在旁路电路中使用能提供低阻抗的入地通道[5]。

在高频电路中,为保证产品的低功耗,MLCC的设计和制造过程中应尽量减小其等效串联电阻(Res),Res综合表征了电容器的介质材料损耗和电极损耗。其计算公式可以表示为:

式中:Q是损耗角正切tanδ的倒数;C为MLCC的容量;f为频率。

另外由于MLCC中等效串联电感(Les)的存在,使得电容器在高频下存在串联谐振频率(fSR),当电容器的工作频率高于fSR时,电容器的阻抗会随着频率的增加而迅速增大,所以一般电容器的使用频率应低于其固有谐振频率。fSR和Les的关系可用如下关系式表示:

要实现MLCC在更高频率范围的电路运用,需要从材料、设计及工艺方面进行改进,从而实现高性能的MLCC。

1.1 MLCC材料方面

MLCC在低频下的损耗主要由介质损耗产生。C0G材质的MLCC损耗小,温度系数较为稳定,在-55～+125℃的容量变化率不超过±30×10-6℃-1。采用C0G介质材料可以保证较低的介质损耗和高的容量精度。C0G特性材料按介电常数大小可分为三大类:低介电常数型,如MgTiO3[6]、Al2O3-TiO2体系[7]等;中介电常数型,如[8]、(Zr,Sn)TiO4体系[9]等;高介电常数型,如BaO-Ln2O3-TiO2体系[10]等。其中中介电常数型(Sr,Ca)(Zr,Ti)O3体系备受研究者关注,由于(Sr,Ca)ZrO3在Ca/Sr摩尔比约为1时具有较高的Q值(Q≈2860),通过Ti对Zr的少量置换可使其温度系数调整为零。另外通过Ti对Zr的大量置换可获得低损耗高介电常数介质材料,但其温度特性和偏压特性也会随之下降,此材料性质可满足高频U2J特性的产品[11]。所以此体系的瓷粉在高频MLCC的制造中得到了广泛的应用。

高频下的损耗则主要由电极损耗产生,所以MLCC应尽量选取电阻率低的电极材料。贵金属Ag/Pa电极具有较小的电阻率,Cu电极与Ag的电阻率接近,为降低生产成本,采用低电阻率的Cu电极是个不错的选择。但由于Cu的熔点较低,为1083℃,使得与之匹配的介质材料的烧结温度需低于其熔点[12]。此外,Cu极易被氧化,这就需要还原性的烧结气氛,为保证介电性能的稳定性,选取的介质材料应具有良好的抗还原性[13]。风华高科自主开发的贱金属铜内电极高Q值系列MLCC,物料的最高容量精度达到0.05 pF,其性能已达到同行先进水平。

1.2 产品设计方面

合理的设计可以有效地降低产品的Res和Les,从而提高产品的Q值和使用频率。相关实验表明,MLCC可通过适当增加设计层数,合理减少电容器的长宽比,以及采用T形内电极和悬浮内电极设计,均能大大降低产品的Res和Les[14]。另外采用长宽逆转和3端子设计可使MLCC具有低Les,实现产品在高频下应用的需求[15-17]。

从式(2)fSR和Les的关系式中可以看出,小容量的MLCC具有很高的fSR,但在高频应用中对其容量精度的要求非常高,容量误差级别通常要达到EIA标准规定的B级甚至A级[18]。相关研究表明,采用不同的内电极结构对产品的容量精度有显著的影响。采用屏蔽结构的产品的容量命中率要明显高于采用非屏蔽结构的产品,产生此种差异的原因是非屏蔽结构的MLCC最外侧的内电极与外电极之间产生了附加容量,导致产品在生产过程中难以准确控制其容量[19-20]。

1.3 产品制造工艺方面

MLCC的生产工序较为复杂,各工序的质量控制点较多。在生产过程中应合理地选取产品的制造工艺,避免因工艺不当造成的产品损耗增加。影响电极损耗的因素可分为两种:一是内电极的连续性,内电极的连续性可通过调整内电极浆料的丝网印刷厚度来控制,为保证电极具有良好的连续性,可适当地增加内电极印刷厚度,使MLCC具有低Res;二是内外电极的连接情况,要保证内外电极的连接良好,需选取适当的倒角和烧端工艺。倒角是将烧成后的芯片经过介质研磨使其端面的内电极充分暴露的过程,在芯片封端后,配合恰当的烧端工艺,可使MLCC内外电极接触良好,有利于减小内外电极的接触电阻[21-22]。

2 小型化应对——01005型MLCC

通信标准的不断升级,终端产品中MLCC的用量不断增加。预计2020年适配于LTE-advanced标准的手机渗透率将接近50%,满足LTE-advanced标准的高端智能手机需要的MLCC数量将达到550～900颗。同时终端产品如手机、电视、电脑等越来越向轻薄化方向发展,01005甚至008004等小型化MLCC的普及应用可有效地节约设备空间。小型化将是MLCC产品发展的主要趋势。但由于受材料及工艺技术水平的制约,小尺寸高容量产品的制备还有许多技术问题需要突破[23-24]。

小型化高容量的MLCC要求做到介质薄层化,介质厚度小于1 μm,要求粉体颗粒的粒径小于0.25 μm,这对陶瓷粉体的粒径、纯度、结晶度、形状和均一性等有较高的要求。另外具有高介电常数的铁电性粉体存在明显的尺寸效应,当粉体粒径低于一定尺度时,随着粉体粒径的减小,其介电常数也会随之降低[25-26]。采用高结晶度的粉体,可使粉体的细晶化和高介电常数成为可能[27-28]。目前国产瓷粉很难达到上述要求,高性能的陶瓷粉体是制约我国电子陶瓷产业发展的瓶颈。

高性能的材料还需要配备高精度制备工艺。国内MLCC厂家对超薄介质膜流延、高精度的丝印、叠层和切割等关键技术还需要摸索和突破。由于制造工艺难度的加大,小型化产品的合格率较低,导致生产成本有所增加。目前国内厂家在MLCC小型化的制备工艺上不断取得突破,最小规格已做到01005,与日系同行的差距正在缩小。

3 电源滤波应对——中压高容MLCC

中压高容的MLCC具有容量大(≥1 μF)、额定电压高(≥25 V)、良好偏压特性、高可靠性的特点,广泛应用在各种电源线路中,如智能家居、汽车电子及通讯基站等领域。由于MLCC的工作环境的温度变化大,所以产品的温度特性应符合X7R特性,才能保证其高可靠性的要求。

在产品尺寸不变的情况下,需要通过把介质层减薄并增加产品设计的层数以获得高容量,但在将介质薄层化的同时要保证产品具有较高的耐电压及良好的可靠性,这对介质材料、产品设计及制造工艺等要求较高。中压高容产品所使用的新介质材料在具有高介电常数低损耗的同时,还要求有较好的温度特性和更高的耐电压特性。另外配合特殊的设计可以进一步提升产品的耐电压,将常规的内电极设计成圆角矩形,合理地增加产品的留边量及保护层厚度,可以在保证高容量的同时大幅提升其耐电压[29]。在制造工艺方面,薄介质成膜技术、高清晰度内电极印刷、气氛烧结等关键技术对中压高容MLCC的性能和可靠性的影响尤其显著。国内厂家对中压高容MLCC的材料和制造工艺还需要深入研究和努力攻关。

4 结语

MLCC作为电子信息产业的基础元器件之一,其性能优劣将直接影响各类电子产品的发展。5G时代的到来,为MLCC的发展带来了新的发展机遇。小型化、中压高容、高频低功耗的MLCC将是未来5G市场需求量巨大的产品。但机遇与挑战并存,国内高端MLCC的开发制造由于受材料、设备及工艺技术水平的限制,产品发展缓慢,高端产品市场主要被国外厂家占领。近年来,国内厂家通过技术创新突破,取得了一定的成果,相信借助5G技术发展的契机,我国高性能MLCC技术领域将会有更快的发展。