MLCC在5G领域的应用及发展趋势

2020-12-11纪绪宝霍永辉

电子元器件与信息技术 2020年8期

纪绪宝，霍永辉

（山东省邮电规划设计院有限公司，山东济南 250101）

0 引言

随着现代智能设备的飞速发展，物联网服务范围不断扩大，现有的4G通信技术无论是在通信时效还是传输容量方面已经无法满足现代商业社会的新需求，迫切需要进行通信技术的革新。基于此，5G技术应运而生，而MLCC在5G领域中的应用则成了5G体系的建立健全过程中需要重点关注的对象。

1 5G技术发展时代背景

在国内外各高新技术企业新技术以及雄厚资金的背景支持下，在2020年之后，世界各地将会陆续实现5G通信的全面发展，新的5G通信技术已逐渐开始取代现有的4G技术。移动互联网以及物联网将是该技术发展和应用的主要体现，5G的全面建设为通信技术的发展提供广阔的前景。物联网借助高速的网络通信实现了物体和物体之间的信息连接，实现了高效稳定的管理模式，信息的服务范围将会呈几何级的趋势扩大，通过信息设备的连接将会直接把人类社会带入一个信息爆炸的时代[1]。在这样的背景下，MLCC作为电子设备中不可或缺的基本元件，也会迎来一个全新的发展机遇。通信设备的升级换代给原本的MLCC系统提出了更高的运行质量需求，随着5G时代的到来，MLCC接下来必然会朝着高频化、低功耗以及小体积的方向发展。下面将对近年来MLCC取得的研究成果进行分析，论述在新时代背景下该技术的发展走向以及需要迎接的各种挑战。

2 高频低功耗的MLCC

MLCC的全称为多层陶瓷电容器，该电容器在电路中有着广泛的应用范围，同时也是电子元件中重要的组成部分，属于被动电子元件和电阻，与电容以及电感等类型元件类似，同样都是比较复杂的电路系统，在平常电路运行的工作中主要负责储存电荷，提供协调震荡等基本作用。当前我国已经形成了完整的MLCC产业链，并且分为三个不同的建设部分。首先，第一个部分材料生产行业包括陶瓷粉末、电子材料及芯片三个部分；其次，第二个部分主要是参与制造业；最后，第三个部分根据产品需求则分为军用和民用两个部分。

在军事领域中应用在航天，军工等方面居多，因此对于产品的精确度要求相对较高[2]。随着我国电子市场的快速发展，民用领域的应用范围不断扩大，在中国市场中MLCC的生产需求不断增加，下游市场的扩张带动了整个行业的进步。MLCC的生产工艺主要分为干式、湿式以及陶瓷移模等几种方式。随着各种高端产品对于该结构质量要求的不断增加，湿式以及陶瓷移模这两种施工工艺因其严谨性而受到制造商的广泛关注，并且成为研究的重点对象。

3 MLCC材料使用

MLCC材料为了能够满足5G通信技术对于容量和传输速度的超高要求，在微波Q值的设置方面需要提高使用频率。而射频端的Q值将会直接影响到宽带的结果，通过高附加的Q值以及低电阻串联能够提高MLCC产品在通信产业中的应用地位。

MLCC的Q值应用在射频线路中，能够凭借绝缘性能较好，漏电少的特征实现较好的使用性能保证。另外在一些其他的耦合线路中能够防止信号出现陆续衰减，保证信息传输的精确性，能够延长线路设备以及电容器的使用寿命。在一些旁边的电路系统中还能够提供相应的入地通道[3]。

在高频线路系统中，为了保证能量的最大程度保存，MLCC的改进工作应该首先能够从减少串联电阻值的角度入手，因为在集合电路中始终存在等效的串联电感，所以在高频的工作环境中，电容器内部频率过大的情况下，内部的阻值会因此迅速增加，因此在一般的工作环境中往往会将使用的频率值设置在固有谐振频率之下。在未来如果想实现该结构的更大范围使用，需要分别从材料、制作工艺等方面进行提升和改进。

在材料制作方面，MLCC在低频工作状态下产生的能量损耗主要是因为外部介质所导致，经过多次的试验分析和判断，最终发现COG材料能够将能量损耗降低到最小并且保持工作温度恒定，致使一定范围内容量体积的变化差距不是很大，并且可以接收，所以可以初步得出该种材料使用性能良好的结论。COG材料根据介电常数的划分范围可以分为三个等级，分别为高阶、中阶以及低阶三个部分。其中当前国内外普遍的研究重点主要集中在中阶常数类型中。一些研究人员发现利用化学元素Ti以及Zr的置换能够将温度系数重新调整到0。另外这两种元素的置换能够获得低损耗的高阶介质材料。置换工作结束之后材料的温度特性以及偏压特点会略微降低，但是依旧能够满足正常的工作要求，因此这种类型的材料得到广泛应用[4]。

在高频工作条件下产生的能量损耗主要由电极位置产生，因此MLCC在进行结构设计的过程中最好能够选择电阻率较低的电极。虽然贵重金属的电阻率降低，但是一旦大量投入生产和使用往往不会产生相应的经济收益，因此从实际情况考虑和出发，最终利用铜元素代替原本的银元素，但是铜元素本身熔点较低无法满足相应介质材料的工作温度条件，非常容易在高温中出现溶解的情况。同时铜元素非常容易出现氧化，因此需要营造一种还原性的工作环境，保证内部结构的稳定性，周围相匹配的介质材料同样需要具备一定的还原性，防止在这样的长期环境中工作被还原。我国风华科技有限公司开发的金属铜电极Q值性能已经达到了国内领先的水平[5]。

4 产品设计功效

有效的内部结构设计往往能够大大降低内部电阻值以及电流损害，提高产品的Q值以及使用寿命。经过相应的试验案例证明了可以通过适当增加MLCC的设计层数来减少电容器的实际体积，并且在内部通过增加T型号的电极以及悬浮电极降低产品的电能损耗。部分的设计师尝试了利用长宽逆转以及3端子的设计方案，结果显示同样能够起到不错的应用效果。体积缩小之后的MLCC虽然同样能够具备较大的电容量，但是在高频的工作环境中通常对于容量划分的精度要求较高，往往需要专门制定判断容量误差的规范等级。国外一些研究数据表明，采用不同的内部电极结构对于产品的容量精度具有很大的影响。例如屏蔽结构对于产品的容量精度影响往往大于非屏蔽的结构。而这种差异出现的主要原因在于前者的MLCC外侧内外电极之间增加了附加的电极容量，一旦投入生产之后难以控制和确定实际的容量大小[6]。

MLCC在生产的过程中不仅工艺流程较多，同时内部组合结构比较复杂，各个部分的衔接位置需要严格控制质量。在投入生产之后技术人员需要科学选择各个产品的制作工艺，防止因为工序不当增加更多的经济成本投入。一般情况下专家学者认为影响电极出现损耗的情况主要有两种，首先内部电极，因为其具有一定的连续性，所以常常可能会因为不断地调整导致内部电极浆料厚度被影响，为了保证该部分连续性的稳定，往往需要定期不断向内部增加厚度，保证MLCC的电阻稳定。另外一种情况就是内部外部电极出现了不确定的连接情况，为此需要做好这个部分的工作，首先需要在施工之前选择有效的烧端和倒角技术，倒角工艺就是将制作好的芯片暴露在外部的过程中，在芯片被彻底封闭之前，需要及时配合有效的烧端工艺，保证内外部的连接情况良好，减少接触电阻[7]。

5 MLCC小型化应对方法

随着通信技术的不断发展和完善，一些智能终端产品和MLCC的结合方式不断丰富。在2020年之后我国的智能手机普及率已经基本实现完全普及，同时一些中高端的智能手机也将会陆续实现30%以上的普及。另外一些重要智能设备例如耳机，电脑以及手机等将会朝着更加微型化的方向发展。因为小型的MLCC将会与之配合发展，节约更多的空间。然而这种发展趋势在短时间内还是无法得到有效普及，其主要的原因在于受到当前材料性能以及技术制作水平的限制，很多智能设备虽然实现了小型化，但仍然需要克服很多的问题以及困难。

MLCC朝着小型化方向发展首先需要克服介质轻薄化的问题，对于介质的厚度要求需要缩小到1微米之下，粉末的颗粒直径则需要缩小到介质厚度的1/4以下，对于陶瓷的纯度，均匀性等特征同样具有很多的厚度要求。前文已经提到电常数分为三种类型，对于高阶电常数而言，当颗粒直径低于一定数值的之后，随着体积的不断减少，电常数会因此不断降低。目前国内的技术很难达到这样的标准，高性能的陶瓷粉末因此成为制约我国MLCC技术发展的主要技术瓶颈[8]。

与此同时我国在高精度的制作工艺方面同样需要面临很多的问题有待解决。例如在高精度的丝印，介质薄膜的拓展以及切割工艺等方面需要进行更加深入的研究和探索。由于这些工艺对于技术的要求较高导致一些小型工艺产品的完成度较低，即使完成建设其成本也相对较高。虽然一些工厂在这些方面已经取得了很大的进步，但是仍然与日本以及西方一些发达国家存在一定的差距。

6 电源滤波改进方法

虽然中压高容量的MLCC能够具备较高的容量以及额定电压，具有良好的工作环境以及稳定的工作特性，并且逐渐开始投入到智能汽车、生产家居以及通信基站的建设工作中，但是因为MLCC工作时候外部的环境变化较大，因此产品的温度特性难以得到有效的保证。在保证外部大小尺寸不变的情况下需要通过不断减少外部介质的层数来增加内部的空间容积，但是在减少厚度的同时还需要保证外壳部分具有良好的抗电压能力以及稳定程度。这对于当前的生产材料、制造工艺以及评定标准全部都提出了新的要求要求。例如在一般中高压的电容产品中使用新型介质材料不仅需要具备良好的温度特征同时更加需要具备有效的耐电性能。随着技术的革新及升级当前已经能够通过外部特殊设备的帮助合理增加产品周围的流变量以及保护厚度，从而提高整体结构的耐电性能。