将大幅增加的电子回路装入小型终端——村田的5G智能手机用MLCC(前篇)

性能强大、应用广泛的5G终端,其内部回路的数量大幅增加

第五代移动通信(5G)的商用服务全面开启。它具有超高速、大容量、超低时延、多信号同时连接等特征,5G智能手机的性能得到大幅提升,可在短时间内下载4K画质的视频数据、利用虚拟现实(VR)进行交流、实现计算机和机器的远程联动等,新应用的不断扩展值得期待。另外,对工厂、医疗现场及社会基础设施等领域的数据应用提供支持,为实现丰富多彩、高效节约的社会,筑牢通信基础。

5G手机中配置了结构更为多样而复杂的电子回路。仅在蜂窝通信功能方面,就要求支持3.7GHz频段、4.5GHz频段等Sub6频段、相当于毫米波频段的28GHz频段,以及现有的4G功能。另外,还需配置与外设进行数据通信的Bluetooth®、Wi-Fi、近距离无线通信(NFC)、定位用GPS的应用回路。为了应用多样而高精度的无线通信功能,还全新配置了利用高性能摄像头和显示屏、VR或AR等新应用所需的传感器和信号处理回路等(图1)。因此,终端内部的电子回路数量大幅增加。

图1 5G手机所配置的功能示例

开发出市场青睐的终端,需要将构成内部回路的电子元件进行小型化设计

如果因电子回路增加而加大终端尺寸,将影响商品价值。近年来,为迎合大屏和大容量需求,手机尺寸逐渐增大。但是,随着尺寸达到便于操作的上限,市场上开始出现小型化的呼声。为了制造附加值高、易用性佳的终端,需要使用超高密度贴装技术,从而在维持现有尺寸的基础上配置更多电子回路。

关于构成电子回路的半导体元件,虽然对终端进行了高性能化和多功能化设计,但由于元件在芯片上的集成度提高,以及受到功能软件化等因素的影响,可以使用现有方法进行超高密度制造。使电子回路按照技术规格稳定运行需要使用被称为多层陶瓷电容器(以下称MLCC)的电子元件,因此必须减小该元件的尺寸。

每部智能手机约使用800-1000个MLCC。终端配置的功能越多,其数量也几乎等比例增加。制造高性能、多功能、易操作的5G手机,关键是实现MLCC的小型化。

开发适用于5G手机的0201M/0.1μF和0402M/1μF MLCC

村田制作所(以下简称村田)开发出超小* 0201M(0.25×0.125mm)、静电容量超大* 的0.1μF MLCC“GRM011R60J104M”。与容量相同的本公司旧款产品0402M(0.4×0.2mm)比较,贴装面积为1/2、体积仅为1/5(图2)。

* 本公司调查数据。截至2020年9月29日。

图2 0402M尺寸与0201M尺寸MLCC的外观

村田在MLCC小型化方面达到领先水平,为电子设备小型化作出了自己的贡献。1970年代推出的3216M(3.2×1.6mm)尺寸MLCC实现了小型轻薄便携收音机的商品化、1980年代至1990年代推出2012M(2.0×1.2mm)/1608M(1.6×0.8mm)尺寸,实现AV设备和电脑的小型化和轻便化、2000年代推出1005M(1.0×0.5mm)/0603M(0.6×0.3mm)尺寸,为手机(功能手机)的多功能化提供了支持。通过对MLCC小型化的不懈研究,在智能手机普遍采用的0402M尺寸MLCC中,实现了50%以上的市场份额。

为5G手机量身定制的0201M尺寸、0.1μF的MLCC已在福井村田制作所完成量产准备工作。今后,村田将继续在MLCC小型化方面发挥引领作用,为电子设备的小型化、多功能及高性能化提供支持。

将终端内大量使用的MLCC尺寸缩小为1/5

每部5G手机中配置有大量MLCC。可以说,MLCC是对终端小型化影响较大的一种元件。要在维持易操作尺寸的同时增加终端功能,MLCC小型化是不可或缺的一环。近半个世纪以来,村田一直引领着MLCC小型化的发展。以此业绩为依托,开发了用于5G手机的新一代小型MLCC。通过采访5G手机用MLCC的产品策划师和开发小型大容量MLCC的工程师,了解了所开发MLCC的具体情况和对终端开发的影响。

左起销售经理 水流园、产品开发经理 若岛

每部手机需要使用1000个以上的MLCC,因此它对小型化的影响很大

――5G手机的哪些用途需要使用到MLCC?需要用多少?

现在的智能手机,功能急遽增加。除了无线通信类电子回路以外,还配有执行各种处理的处理器、摄像头、显示屏等许多电子回路。为了使电子回路稳定运行,使用了大量供电和去噪电容器。

智能手机需要在小机身内植入多种电子功能,因此需要尽量减小电容器的体积。智能手机上配置的电容器基本是体积小巧的MLCC,而现在的最新高端智能手机,每部会配置1000个以上的MLCC。

――MLCC的使用量确实很大,是智能手机中使用超多的元件。那么,具有什么特点的MLCC适用于5G手机?

要求MLCC具有小巧、大容量的特点。5G终端配备的功能比4G多,因此预计机身内的电子回路将大幅增加。同时,终端内的MLCC数量和总容量也将增加(图3)。

图3 民生用途MLCC的市场预测与智能手机MLCC的静电容量推移情况

例如,5G终端支持的频带多于4G终端。在1个终端内支持多种频带的情况下实现高品质通信,需要精准过滤相应频带,去除非使用频带所产生的噪声。虽然静电容量较小,但使用了很多容量偏差较小的MLCC。

智能手机维持现有尺寸已属不易,但市场上对小屏手机的需求却有所增加。为此,需要MLCC进一步缩小尺寸。

终端配置的功能增多,使电池容量变大。对大容量电池进行稳定快速的充电,需要配置大容量、高品质的MLCC。部分电子回路通过使用大容量规格以减少MLCC的数量,因此对大容量有着较高要求。

与容量相同的同类产品对比,贴装面积缩小为1/2、体积缩小为1/5

――对于5G手机的回路增多和终端维持或缩小现有尺寸的需求,村田开发了具有什么特点的MLCC?

通过采用新一代制造技术,开发出超小的0201M尺寸MLCC,静电容量达到超大的0.1μF。0201M尺寸的MLCC属于已有型号,但容量很小,仅为0.01μF,只能用在智能手机的特定位置。新型MLCC的额定电压为6.3V,静电容量容许差为±20%,是更适合智能手机的规格。

以往,智能手机配置的许多相同容量MLCC所采用的是0402M尺寸。开发出0201M尺寸后,贴装面积缩小为1/2、体积缩小为1/5,使尺寸大幅减小。另外,采用该MLCC的新型制造技术,又开发了0402M尺寸、1.0μF的MLCC。该产品在同一尺寸的MLCC中,拥有超大的静电容量。

――这些MLCC对5G手机的开发会产生怎样的影响?

正如前面所说,最先进的智能手机使用了1000个以上的MLCC。其中200个以上是此次开发的0.1μF和1.0μF型号。每个MLCC都实现大幅小型化,因此对终端小型化起到了很大作用。

使用这些MLCC后基板面积将减小,可以在节省的空间内配置更多功能或增加电池容量,从而开发附加值更高的终端。如果用于可穿戴设备或IoT终端,则可以提高附加值。即,减轻小型可穿戴设备在穿戴后的不适感,从而拓展使用场景。另外,对于小型IoT设备,可以放宽安装条件,更易收集重要数据。因此,新开发的MLCC可以拓展这些领域的应用。

――额定电压6.3V意味着什么?

智能手机电池的供电电压为3V-4V。额定电压为6.3V的MLCC构成可由上述电池直接驱动的电子回路,使用更方便。智能手机包含以1V驱动的处理器等元件,通常使用额定电压为4V的MLCC。但部分客户为了降低部件管理的繁琐程度,有时会在处理器周围的电路上使用额定电压为6.3V的MLCC。因此,为最小尺寸的产品配置6.3V的额定电压有着重要意义。

为最终量产做好万全准备

――5G用MLCC将在何时何地开始量产?

量产工作已就绪,预计2020年在福井村田制作所开始量产。在村田集团中,福井村田制作所是在技术开发和量产方面,引领MLCC小型化和大容量化的旗舰工厂(图4)。它率先使用有关小型化和大容量化的先进技术,当技术成熟后,将其推广到其他生产基地。

图4 村田主要的MLCC生产基地

为使小型MLCC得到广泛普及,客户的企业需要准备用于贴装小型电子元件的先进贴装机(贴片机)。0201M为最小尺寸,于2014年4月开始量产。当时已与厂商开发出相应的贴片机,客户已做好使用该尺寸MLCC的准备。随着5G手机全面量产,对0201M尺寸的需求将激增,对此我们有充分的把握。

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