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兼具可靠性、小体积、大容量,顺应CASE潮流不断进化的车载MLCC(1/3)

电气与电子电路的进步与应用范围的扩大支撑着CASE潮流

当下,汽车行业掀起一股CASE潮流,正处于百年一遇的变革期(图1)。所谓CASE潮流,是指汽车常时连接网络的“Connectivity(联网)”、实现自动驾驶的“Autonomous(自动化)”、刷新移动与运输商务模式 “Sharing and Service(分享与服务)”、以及将主动力源从引擎变为马达的“Electric(电动化)”这4大方面,它们将极大地改变汽车和汽车商务的形态。

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图1 汽车行业百年一遇的大变革“CASE潮流”

CASE潮流的4大变化有一个共同点。那就是,作为实现车载功能的手段,每一个变化都是以电气与电子技术、IT技术的应用为前提的。如果说,迄今为止的汽车是高度机械技术的集合体,那么,下一代的汽车则是 “行驶的电脑”、“半导体块”、“移动的数据中心”,将是性质完全不同的存在。

现在,已经出现了一台汽车上搭载100个以上电子控制单元(Electronic Control Unit:ECU)的例子。为了提高汽车的便利性、舒适性、安全性和环保性能,这个数量还在持续增长。而且,混合动力车和纯电动汽车等电动汽车(xEV)已经搭载大量精密控制数百伏高电力的电子电路。CASE潮流将会使得这种高水准的电气与电子电路的多样化愈演愈烈。

MLCC支撑车载电路的稳定工作,是确保安全性与可靠性的关键所在

用于实现各种车载功能的电气与电子电路并不仅仅由CPU、存储器、功率器件等半导体芯片构成的。在电气与电子系统中,还使用了大量用以稳定运行半导体芯片、对所处理的数据信号和电源波形进行整理的电容器和电感器等被动元件。如果没有这些被动元件,电气与电子系统就无法达成设计的效果。

在数量庞大的被动元件中,多层陶瓷电容器(Multilayer Ceramic Capacitor:MLCC)是在车载电子与电气系统中广为应用的元件之一。由于MLCC可实现小体积、大容量,并具有在恶劣的环境条件下保持稳定性能的优点,这与汽车在狭小而严酷的空间内搭载电气与电子电路的要求不谋而合。现在,1辆汽车上搭载的MLCC约为3000~5000个。然而,即便是作为高度电子化典型案例的智能手机,在其最新的高端机上使用的MLCC也仅为1000个。如此而言,现代汽车简直就是“MLCC的集合体”。今后,随着CASE潮流的不断深化,汽车上搭载的MLCC无论在种类和数量上都有可能进一步增加。

正因为应用要求严苛,村田的MLCC技术优势更显突出

村田制作所(以下简称“村田”)是供应约40%的MLCC的行业领头羊(图2)。如果限定车载MLCC,则市场份额更高,占50%。这意味着,正是由于使用MLCC的技术条件严苛,村田的MLCC技术优势才更加突出。车载MLCC是安装在与人的性命息息相关的设备上的部件。所以,和一般的民生设备所用的MLCC不同,车载MLCC对高品质和高可靠性的要求更高,不在同一段位。能够开发和供应车载MLCC的厂商本来就屈指可数,而在尖端产品方面,村田更是处于行业领先地位。

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图2 村田MLCC的市场份额

随着CASE潮流的发展,汽车上将配置更多更先进的电气与电子电路。当然,对MLCC的技术要求也会水涨船高。同时,这也要求MLCC的供应商要有稳定供应与汽车安全性和可靠性直接相关的高级零部件的完善的生产体制。村田在技术开发和生产体制两个方面,均可以做到提供与CASE时代所要求的质与量相符的车载MLCC。今后,村田将继续以自己的技术力、生产力、支持力来支撑汽车行业的大变革。

利用一条龙生产优势,率先开发车载MLCC

现代汽车使用了大量的MLCC。MLCC是准确、稳定地运行汽车上搭载的各种电气与电子电路不可或缺的部件。车载MLCC和智能手机中的MLCC一样,要求小型化、大容量。但是,由于汽车的安全性和可靠性事关人的性命,比起民生设备使用的MLCC,车载MLCC要求更优先实现更高级别的品质。村田以领先的技术和生产力,提供支撑CASE时代汽车不断进化的MLCC。CASE时代所要求的MLCC是怎样的?为了满足这一需求,技术开发的前沿与今后的发展又将如何?我们听一听熟悉车载市场应用和技术动向的车载MLCC商品技术负责人是如何说的。

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左为市场营销经理吉田智司,右为市场营销高级经理吉田高裕

汽车是“MLCC的集合体”,也是“MLCC的博物馆”

――CASE时代的汽车上大约使用了多少MLCC呢?

现代汽车配置了用于实现各种功能的电气与电子电路,MLCC也被用于各种用途。MLCC的使用数量很多,即使是不具备自动驾驶功能的引擎车,也有大约3000个。如果电动化和高度的自动驾驶功能的配置继续深化的话,MLCC的使用量肯定还会进一步增加。举个例子,某个搭载了等级2+*1自动驾驶功能的电动汽车(BEV: Battery Electric Vehicle)的高级车型中,MLCC的使用数量已经达到了1万个以上(图3)。

*1 美国汽车产业行业团体SAE International根据自动驾驶系统中由系统负责判断和操作的程度,将等级分为从0到5的级别来进行定义。其中,等级2是指“在限定条件下由系统控制方向盘和加减速”的程度,驾驶基本上由司机来进行,系统根据情况辅助驾驶。等级3是指“除了紧急情况外,基本上由系统进行驾驶”的程度。等级2+是指能够实现比等级2更高的判断和控制,但基本上还是由司机来驾驶汽车的系统。

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图3 搭载了等级2+自动驾驶功能的电动汽车(BEV)的高级车型中使用的MLCC

――说到先进的MLCC的应用,智能手机是一个例子。那么,手机用的MLCC和车载MLCC有什么不同呢?

车载MLCC追求更高品质,品类繁多。

首先,在品质方面,车载MLCC必须要实现更高段位的品质,被称为“车载等级”。产品的开发和生产措施要以“零缺陷”为目标,同时也要求产品的使用寿命更长。有些手机用MLCC是以保证最短使用寿命5年以上为目标进行设计的。但是,车载等级MLCC需要保证20年以上。为了提高品质,即使是同尺寸、同容量的MLCC,车载MLCC也需要更先进的技术和严格的生产体制,可以说,实现车载等级的技术门槛相当高。

除了要求更高的品质,车载还需要更多样的MLCC。智能手机也配置了各种各样的电子电路,其中使用的MLCC主要是小型、大容量的产品。与之对应的是,在车载MLCC中,与自动驾驶功能和联网相关的部分要使用车载品质的小型、大容量产品。根据联网、自动驾驶功能等的应用程序的不同,对MLCC的规格和技术要求也各不相同。另外,xEV的主马达的驱动、控制和控制电池的部分则需要能够应对高电压的高品质MLCC。

――不久的将来的汽车,从数量而言可以称作 “MLCC的集合体”,从品类而言可以称作“MLCC的博物馆”。随着CASE潮流的发展,这种倾向会变得更加明显吗?

是的。随着汽车沿着CASE潮流的方向不断完善,可以想象一下由电气和电子系统实现的功能十分完备的汽车的样子,那就是具备自动驾驶功能的联网型BEV的样子。为了达成这个目标,需要比以往更先进的电气与电子电路,MLCC的搭载数量也会增加。当然,车载MLCC也需要随着车载应用的发展而不断进化,同时也需要强化供给体制,以便与适应需求的增加。

但是,比起现在1辆车1万个MLCC的使用量,今后数量是否进一步增加,这还需要视情况而定。如果电气与电子电路的零部件数量增加的话,故障率也会提高,所以可能会出现以尽可能少的MLCC来组装高级的多功能电路的技术开发潮流。以后可能会需要这样的解决方案,就是以1个MLCC来实现过去多个MLCC的功能。这也是我们今后应该解决的课题之一。我们已经开始向顾客建议减少MLCC使用量的对策。

关于MLCC的产品结构,这要视我们现在看到的应用程序的发展而定,估计应该会稳定在一定的范围内。但是,如果系统和电路构成有什么新发展的话,可能会有新的MLCC的需求。例如,在BEV逆变器和DC-DC转换器中,目前主要使用硅功率设备。但是,如果使用SiC(碳化硅)*2设备和GaN(氮化镓)设备的话,电路的规格和结构就会发生变化,可能就需要新规格的电容器。

*2 SiC和GaN可代替硅来制造功率器件,能源效率高,是备受瞩目的半导体材料。SiC已经被用于电动汽车的车载充电器和逆变器中。GaN作为可实现AC转换器等小型化的功率元件材料也已投入实用。

先进产品陆续投放市场

――现在村田向市场投放的MLCC是面向什么用途、怎样的产品?

我们面向相当广泛的用途,投入了各种各样的产品(图4)。作为与CASE潮流中的“C”和“A”,也就是联网和自动化对应的产品,投入了车载等级的小型、大容量、低电感(低ESL*3)产品。以先进的小型、大容量产品为例,推出了尺寸1608M(1.6×0.8mm)、容量10μF、耐压6.3V的产品,以及3216M(3.2×1.6mm)、47μF、4V产品和3225M(3.2×2.5mm)、100μF、2.5V的产品等。这些都是村田抢先投放市场并引领车载MLCC小型、大容量化潮流的产品。

*3  ESL指等效串联电感,是表示寄生在MCC等设备容量上的串联交流信号传输的困难程度的指标。

*4  2020年12月

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図4 村田车载电容器产品阵容

在用于自动驾驶系统的电源控制用IC周边、可减少使用数量的低ESL产品方面,我们投入了尺寸1005M(1.0×0.5mm)、1μF、4V和尺寸1608M、10μF、4V的3端子电容器(型号:NFM)这一具有特色的产品。这也是村田率先投入市场的。现在,随着自动驾驶的程度越来越高,CPU的处理能力也提高了,出现了封装内安装电容器的需求。为了应对这样的需求,我们投放了嵌入封装中的薄型(最大厚度0.22mm)低ESL、尺寸050M(0.5×1.0mm)、1μF、4V的LW逆转电容器。

另一方面,在“E”、即电动化的应对中,作为用于给锂离子二次电池充电的车载充电器*5(OPC)中使用的MLCC,投放了尺寸3216M(3.2×1.6mm)、C0G(稳定的温度特性)、10nF、630V的产品,尺寸3225M(3.2×2.5mm)、C0G、33nF、630V的产品,以及尺寸5750M(5.7×5.0mm)、C0G、54nF、1kV带金属端子的电容器。

*5  车载充电器(On Board Charger: OBC)是指将家用交流电源转换成直流电,对电动汽车等搭载的电池进行充电的装置。

――抢先发布的产品很多,感觉在行业里处于领先地位。

的确,就面向联网和自动驾驶的产品来说,村田是领先的。但是,对于应电动化的产品,包括MLCC以外的其他品种的电容器在内,还存在着竞争对手领先的领域。在这些领域我们要尽早迎头赶上,这是当然的。不过,村田的最大优势在于高品质,车载领域最重视也是品质,所以我们希望投放高品质的产品。

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