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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(2/3)

在3系列的第一回中,我们介绍了村田制作所(以下简称“村田”)的车载多层陶瓷电容器(MLCC)在汽车产业大变革中发挥的作用。村田在该领域拥有领先技术,而且是市场占有率达50%的制造商。这些技术和产品的开发走向,将影响着不久的将来车载应用的发展。在系列第2回,将介绍支撑村田车载MLCC优势的技术和生产体制。此外,让我们再来了解一下村田在CASE潮流四要素中的联网(C)和自动化(A)趋势下车载MLCC的开发方向。

利用一条龙生产优势,从材料开始融入车载品质

――为了开发适用于汽车的MLCC,村田在技术开发方面主要做了哪些努力?

如上所述,在车载方面,从支持自动驾驶的低电压驱动型高性能处理器用大容量产品,到电动汽车的电池控制、噪音对策用的高耐压产品,需要的产品十分广泛。作为支撑各种各样的产品的基本技术,我们主要致力于2项技术开发(图1)。

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图1 实现MLCC大容量化和高可靠性的技术

一个是考虑汽车内的使用环境(环境温度、施加电压),以实现与用途相符的特性和可靠性为目标的材料设计技术。在村田,从材料到设备,实施一条龙生产。我们充分运用这一优势,从制作陶瓷粉的阶段就开始融入车载品质。具体来说,我们正在努力实现形成陶瓷和电极的材料的超微粒子化(图5上半部分)和材料偏差与分散方面的均一化(图5下半部分)。

另一个是为了满足车载品质要求而抑制不均衡的陶瓷加工成型技术。在推进电极和介电体薄层化的同时(图5照片中部),致力于实现大容量化和高耐压的浆料*1片材的成型、层叠、烧制工序等技术开发。这样的生产工序,是在与材料开发进行磨合的过程中寻找最适合的工序。利用这种其他公司不具备的一条龙生产体制,在开发阶段纳入品质要求的做法,是保证车载品质的同时扩大产品范围,以及提高村田MLCC竞争力的源泉。

*1浆料是指液体中混入矿物等的泥状混合物。在MLCC的制造中,将介电陶瓷的微粒子与液体粘合剂混合制成浆料,将其延展成薄板状,形成浆料片(也称为生片)。MLCC是在此基础上涂上薄层电极糊后进行层叠、烧结后制作。

――反映市场需求的MLCC要从材料做起,那么,应该在很早之前就规划好市场上需要的产品规格了吧?

没错。村田在开发产品时,坚持以市场动向为起点,描绘明确的路线图。首先,从市场路线图到捕捉电容器市场需求的需求路线图,然后反映到产品路线图中。通过这样的活动,规划在怎样的时机将怎样的产品投入市场,以及将来要供应多少年。

此外,包括材料部门和生产技术部门在内,要制作考虑到应用变化和电路技术变化等因素的技术路线图,材料部门着眼于未来3年到5年,商品部门着眼于未来1年到3年,推进有先行意识的技术开发活动。当然,对未来的预测也会有不准的时候。为了提高预测的准确度,我们以市场部门为中心,认真听取顾客的意见,在内部进行充分的假设论证,与此同时进行路线图的描绘。

根据市场需求建立稳定的供应体制

――村田的车载MLCC是在怎样的体制下生产的呢?

村田车载用MLCC是以位于岛根县出云市的出云村田制作所为母工厂进行生产的(图2)。该工厂创立于1983年,已经取得了汽车产业品质管理体系标准IATF 16949认证。无论产品销往国内还是国外,先进产品都在这里生产。另外,2011年在马尼拉郊区创建的菲律宾工厂也以生产车载产品为主。那里生产的是面向大众消费市场的通用型产品。

除此之外,福井村田制作所和新加坡村田也建立了可以生产车载产品的体制。从业务持续计划(BCP)的观点出发,这些工厂将在出云村田制作所和菲律宾工厂无法生产的时候取代它们,以维持稳定生产体制,完成供给任务。我们的多家工厂均已受到顾客认可,正在致力于在全球范围内优化供应体制。

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图2 村田的MLCC生产体制

在联网方面,适合5G的 MLCC要求达到车载级别

――CASE的4个要素对车载MLCC分别有什么要求呢?首先来说说“C”,也就是联网吧。

为了把汽车与云计算、交通基础设施更紧密地连接起来,利用第5代移动通信系统(5G)的无线通信的速度将会越来越快。可想而知,在尖端智能手机中投入使用的先进MLCC会被寄予达到车载等级的期望。例如,用于天线匹配的高频MLCC等。

另外,引进5G后如果能实现与ITS等协同的V2X*2,有可能会出现与动力总成系统联动的应用,比如在检测到前方拥堵时能自动踩刹车等。因此,需要可靠的MLCC来确保安全。

为了满足这样的要求,需要实现高品质、高可靠性的各种要素技术和加工技术。在村田,能为联网的进步做贡献的产品阵容丰富,比如匹配用的Q值*3高的电容器和V2X通信模块用的电容器等。我们将以面向这些需求的技术为基础,推进车载等级化。

*2 V2X(Vehicle to X)是指借助通信将汽车和其周围的人、其他车辆、交通基础设施等连接起来。

*3 Q值(品质系数:Quality Factor)是表示电容器性能高度的指标。

――5G应该会使用各种各样的频段。在车载MLCC的开发中,村田考虑的是面向哪种规格的产品呢?

主要考虑的是应对 “SUB6 *4”频段。毫米波频率太高,不会产生作为天线匹配用的电容器的需求。不仅仅是应对5G,应对4G LTE也是一样的,对车载通信系统小型化的要求根深蒂固,对车载品质的小型、大容量MLCC的呼声很高。经营通信模块的顾客大多是从民用产品起步的,他们希望与智能手机同等的小型MLCC达到车载品质。响应这些需求是村田的使命。

*4  SUB6是指第5代移动通信系统中使用的频段中在4G及以前未使用过的6GHz以下的频段。

面向消耗大电力的自动驾驶系统电源的MLCC

――那么,关于CASE的“A”,也就是自动化,村田是怎么做的呢?

汽车自动化的进展非常显著,过去的主要作用是辅助司机的驾驶,但今后系统将会成为司机,检测道路状况和行车环境的状态,一边做适当的判断一边操控汽车。为了实现这种高度的自动驾驶功能,需要对配置在汽车各个部位的多种传感器收集到的大量数据进行处理。处理这些数据的高性能CPU和FPGA等应该会比以往搭载在汽车上的ECU消耗更大的电力。

向计算机提供大电力的电源系统的控制电路中,为了使控制IC正常工作,需要使用向其提供所需电荷的大容量MLCC(图3)。随着CPU等消耗的电流量的增加等,电源电路中使用的MLCC将会向大容量化和使用数量增加的方向发展。此外,为了提高安全性,确保电源电路发生故障时自动驾驶功能不会中断,还存在电源电路冗长化的倾向,这也是MLCC使用数量增加的重要原因。

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图3 自动驾驶系统中高性能计算机的电源回路中装配先进MLCC的方案

因此,小型、大容量的MLCC,以及可减少控制IC周边使用的MLCC数量的具有低电感(低ESL*5)特性的MLCC的需求将会增加(图4)。正因为自动驾驶功能是控制车辆运行的重要环节,所以必须拥有高度可靠性的车载级别应用程序。

*5 ESL是指等价串联电感。电容器的等效电路模型可以表现为C、R、L各元件的串联连接,其中的L被称为等效串联电感。

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图4 在CPU周边使用低ESL的MLCC以减少数量

――自动驾驶汽车上会搭载各种各样的传感器,传感器周边会产生对MLCC的新需求吗?

摄像头和毫米波雷达中的电路会采用同样的电源设计。基本上会附带驱动这些传感器的控制IC的电源线路,电源线路中会使用MLCC。这里也有小型、大容量化的要求。

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