紀(jì)緒寶，霍永輝

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著現(xiàn)代智能設(shè)備的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有的4G通信技術(shù)無論是在通信時(shí)效還是傳輸容量方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代商業(yè)社會(huì)的新需求，迫切需要進(jìn)行通信技術(shù)的革新?；诖?，5G技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而MLCC在5G領(lǐng)域中的應(yīng)用則成了5G體系的建立健全過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

1 5G技術(shù)發(fā)展時(shí)代背景

在國(guó)內(nèi)外各高新技術(shù)企業(yè)新技術(shù)以及雄厚資金的背景支持下，在2020年之后，世界各地將會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)5G通信的全面發(fā)展，新的5G通信技術(shù)已逐漸開始取代現(xiàn)有的4G技術(shù)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)將是該技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要體現(xiàn)，5G的全面建設(shè)為通信技術(shù)的發(fā)展提供廣闊的前景。物聯(lián)網(wǎng)借助高速的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)了物體和物體之間的信息連接，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定的管理模式，信息的服務(wù)范圍將會(huì)呈幾何級(jí)的趨勢(shì)擴(kuò)大，通過信息設(shè)備的連接將會(huì)直接把人類社會(huì)帶入一個(gè)信息爆炸的時(shí)代[1]。在這樣的背景下，MLCC作為電子設(shè)備中不可或缺的基本元件，也會(huì)迎來一個(gè)全新的發(fā)展機(jī)遇。通信設(shè)備的升級(jí)換代給原本的MLCC系統(tǒng)提出了更高的運(yùn)行質(zhì)量需求，隨著5G時(shí)代的到來，MLCC接下來必然會(huì)朝著高頻化、低功耗以及小體積的方向發(fā)展。下面將對(duì)近年來MLCC取得的研究成果進(jìn)行分析，論述在新時(shí)代背景下該技術(shù)的發(fā)展走向以及需要迎接的各種挑戰(zhàn)。

2 高頻低功耗的MLCC

MLCC的全稱為多層陶瓷電容器，該電容器在電路中有著廣泛的應(yīng)用范圍，同時(shí)也是電子元件中重要的組成部分，屬于被動(dòng)電子元件和電阻，與電容以及電感等類型元件類似，同樣都是比較復(fù)雜的電路系統(tǒng)，在平常電路運(yùn)行的工作中主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電荷，提供協(xié)調(diào)震蕩等基本作用。當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)形成了完整的MLCC產(chǎn)業(yè)鏈，并且分為三個(gè)不同的建設(shè)部分。首先，第一個(gè)部分材料生產(chǎn)行業(yè)包括陶瓷粉末、電子材料及芯片三個(gè)部分；其次，第二個(gè)部分主要是參與制造業(yè)；最后，第三個(gè)部分根據(jù)產(chǎn)品需求則分為軍用和民用兩個(gè)部分。

在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用在航天，軍工等方面居多，因此對(duì)于產(chǎn)品的精確度要求相對(duì)較高[2]。隨著我國(guó)電子市場(chǎng)的快速發(fā)展，民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在中國(guó)市場(chǎng)中MLCC的生產(chǎn)需求不斷增加，下游市場(chǎng)的擴(kuò)張帶動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。MLCC的生產(chǎn)工藝主要分為干式、濕式以及陶瓷移模等幾種方式。隨著各種高端產(chǎn)品對(duì)于該結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求的不斷增加，濕式以及陶瓷移模這兩種施工工藝因其嚴(yán)謹(jǐn)性而受到制造商的廣泛關(guān)注，并且成為研究的重點(diǎn)對(duì)象。

3 MLCC材料使用

MLCC材料為了能夠滿足5G通信技術(shù)對(duì)于容量和傳輸速度的超高要求，在微波Q值的設(shè)置方面需要提高使用頻率。而射頻端的Q值將會(huì)直接影響到寬帶的結(jié)果，通過高附加的Q值以及低電阻串聯(lián)能夠提高M(jìn)LCC產(chǎn)品在通信產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用地位。

MLCC的Q值應(yīng)用在射頻線路中，能夠憑借絕緣性能較好，漏電少的特征實(shí)現(xiàn)較好的使用性能保證。另外在一些其他的耦合線路中能夠防止信號(hào)出現(xiàn)陸續(xù)衰減，保證信息傳輸?shù)木_性，能夠延長(zhǎng)線路設(shè)備以及電容器的使用壽命。在一些旁邊的電路系統(tǒng)中還能夠提供相應(yīng)的入地通道[3]。

在高頻線路系統(tǒng)中，為了保證能量的最大程度保存，MLCC的改進(jìn)工作應(yīng)該首先能夠從減少串聯(lián)電阻值的角度入手，因?yàn)樵诩想娐分惺冀K存在等效的串聯(lián)電感，所以在高頻的工作環(huán)境中，電容器內(nèi)部頻率過大的情況下，內(nèi)部的阻值會(huì)因此迅速增加，因此在一般的工作環(huán)境中往往會(huì)將使用的頻率值設(shè)置在固有諧振頻率之下。在未來如果想實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的更大范圍使用，需要分別從材料、制作工藝等方面進(jìn)行提升和改進(jìn)。

在材料制作方面，MLCC在低頻工作狀態(tài)下產(chǎn)生的能量損耗主要是因?yàn)橥獠拷橘|(zhì)所導(dǎo)致，經(jīng)過多次的試驗(yàn)分析和判斷，最終發(fā)現(xiàn)COG材料能夠?qū)⒛芰繐p耗降低到最小并且保持工作溫度恒定，致使一定范圍內(nèi)容量體積的變化差距不是很大，并且可以接收，所以可以初步得出該種材料使用性能良好的結(jié)論。COG材料根據(jù)介電常數(shù)的劃分范圍可以分為三個(gè)等級(jí)，分別為高階、中階以及低階三個(gè)部分。其中當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍的研究重點(diǎn)主要集中在中階常數(shù)類型中。一些研究人員發(fā)現(xiàn)利用化學(xué)元素Ti以及Zr的置換能夠?qū)囟认禂?shù)重新調(diào)整到0。另外這兩種元素的置換能夠獲得低損耗的高階介質(zhì)材料。置換工作結(jié)束之后材料的溫度特性以及偏壓特點(diǎn)會(huì)略微降低，但是依舊能夠滿足正常的工作要求，因此這種類型的材料得到廣泛應(yīng)用[4]。

在高頻工作條件下產(chǎn)生的能量損耗主要由電極位置產(chǎn)生，因此MLCC在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中最好能夠選擇電阻率較低的電極。雖然貴重金屬的電阻率降低，但是一旦大量投入生產(chǎn)和使用往往不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)收益，因此從實(shí)際情況考慮和出發(fā)，最終利用銅元素代替原本的銀元素，但是銅元素本身熔點(diǎn)較低無法滿足相應(yīng)介質(zhì)材料的工作溫度條件，非常容易在高溫中出現(xiàn)溶解的情況。同時(shí)銅元素非常容易出現(xiàn)氧化，因此需要營(yíng)造一種還原性的工作環(huán)境，保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，周圍相匹配的介質(zhì)材料同樣需要具備一定的還原性，防止在這樣的長(zhǎng)期環(huán)境中工作被還原。我國(guó)風(fēng)華科技有限公司開發(fā)的金屬銅電極Q值性能已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平[5]。

4 產(chǎn)品設(shè)計(jì)功效

有效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往能夠大大降低內(nèi)部電阻值以及電流損害，提高產(chǎn)品的Q值以及使用壽命。經(jīng)過相應(yīng)的試驗(yàn)案例證明了可以通過適當(dāng)增加MLCC的設(shè)計(jì)層數(shù)來減少電容器的實(shí)際體積，并且在內(nèi)部通過增加T型號(hào)的電極以及懸浮電極降低產(chǎn)品的電能損耗。部分的設(shè)計(jì)師嘗試了利用長(zhǎng)寬逆轉(zhuǎn)以及3端子的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果顯示同樣能夠起到不錯(cuò)的應(yīng)用效果。體積縮小之后的MLCC雖然同樣能夠具備較大的電容量，但是在高頻的工作環(huán)境中通常對(duì)于容量劃分的精度要求較高，往往需要專門制定判斷容量誤差的規(guī)范等級(jí)。國(guó)外一些研究數(shù)據(jù)表明，采用不同的內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)對(duì)于產(chǎn)品的容量精度具有很大的影響。例如屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)于產(chǎn)品的容量精度影響往往大于非屏蔽的結(jié)構(gòu)。而這種差異出現(xiàn)的主要原因在于前者的MLCC外側(cè)內(nèi)外電極之間增加了附加的電極容量，一旦投入生產(chǎn)之后難以控制和確定實(shí)際的容量大小[6]。

MLCC在生產(chǎn)的過程中不僅工藝流程較多，同時(shí)內(nèi)部組合結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各個(gè)部分的銜接位置需要嚴(yán)格控制質(zhì)量。在投入生產(chǎn)之后技術(shù)人員需要科學(xué)選擇各個(gè)產(chǎn)品的制作工藝，防止因?yàn)楣ば虿划?dāng)增加更多的經(jīng)濟(jì)成本投入。一般情況下專家學(xué)者認(rèn)為影響電極出現(xiàn)損耗的情況主要有兩種，首先內(nèi)部電極，因?yàn)槠渚哂幸欢ǖ倪B續(xù)性，所以常常可能會(huì)因?yàn)椴粩嗟卣{(diào)整導(dǎo)致內(nèi)部電極漿料厚度被影響，為了保證該部分連續(xù)性的穩(wěn)定，往往需要定期不斷向內(nèi)部增加厚度，保證MLCC的電阻穩(wěn)定。另外一種情況就是內(nèi)部外部電極出現(xiàn)了不確定的連接情況，為此需要做好這個(gè)部分的工作，首先需要在施工之前選擇有效的燒端和倒角技術(shù)，倒角工藝就是將制作好的芯片暴露在外部的過程中，在芯片被徹底封閉之前，需要及時(shí)配合有效的燒端工藝，保證內(nèi)外部的連接情況良好，減少接觸電阻[7]。

5 MLCC小型化應(yīng)對(duì)方法

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，一些智能終端產(chǎn)品和MLCC的結(jié)合方式不斷豐富。在2020年之后我國(guó)的智能手機(jī)普及率已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)完全普及，同時(shí)一些中高端的智能手機(jī)也將會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)30%以上的普及。另外一些重要智能設(shè)備例如耳機(jī)，電腦以及手機(jī)等將會(huì)朝著更加微型化的方向發(fā)展。因?yàn)樾⌒偷腗LCC將會(huì)與之配合發(fā)展，節(jié)約更多的空間。然而這種發(fā)展趨勢(shì)在短時(shí)間內(nèi)還是無法得到有效普及，其主要的原因在于受到當(dāng)前材料性能以及技術(shù)制作水平的限制，很多智能設(shè)備雖然實(shí)現(xiàn)了小型化，但仍然需要克服很多的問題以及困難。

MLCC朝著小型化方向發(fā)展首先需要克服介質(zhì)輕薄化的問題，對(duì)于介質(zhì)的厚度要求需要縮小到1微米之下，粉末的顆粒直徑則需要縮小到介質(zhì)厚度的1/4以下，對(duì)于陶瓷的純度，均勻性等特征同樣具有很多的厚度要求。前文已經(jīng)提到電常數(shù)分為三種類型，對(duì)于高階電常數(shù)而言，當(dāng)顆粒直徑低于一定數(shù)值的之后，隨著體積的不斷減少，電常數(shù)會(huì)因此不斷降低。目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)很難達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)，高性能的陶瓷粉末因此成為制約我國(guó)MLCC技術(shù)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸[8]。

與此同時(shí)我國(guó)在高精度的制作工藝方面同樣需要面臨很多的問題有待解決。例如在高精度的絲印，介質(zhì)薄膜的拓展以及切割工藝等方面需要進(jìn)行更加深入的研究和探索。由于這些工藝對(duì)于技術(shù)的要求較高導(dǎo)致一些小型工藝產(chǎn)品的完成度較低，即使完成建設(shè)其成本也相對(duì)較高。雖然一些工廠在這些方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是仍然與日本以及西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距。

6 電源濾波改進(jìn)方法

雖然中壓高容量的MLCC能夠具備較高的容量以及額定電壓，具有良好的工作環(huán)境以及穩(wěn)定的工作特性，并且逐漸開始投入到智能汽車、生產(chǎn)家居以及通信基站的建設(shè)工作中，但是因?yàn)镸LCC工作時(shí)候外部的環(huán)境變化較大，因此產(chǎn)品的溫度特性難以得到有效的保證。在保證外部大小尺寸不變的情況下需要通過不斷減少外部介質(zhì)的層數(shù)來增加內(nèi)部的空間容積，但是在減少厚度的同時(shí)還需要保證外殼部分具有良好的抗電壓能力以及穩(wěn)定程度。這對(duì)于當(dāng)前的生產(chǎn)材料、制造工藝以及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)全部都提出了新的要求要求。例如在一般中高壓的電容產(chǎn)品中使用新型介質(zhì)材料不僅需要具備良好的溫度特征同時(shí)更加需要具備有效的耐電性能。隨著技術(shù)的革新及升級(jí)當(dāng)前已經(jīng)能夠通過外部特殊設(shè)備的幫助合理增加產(chǎn)品周圍的流變量以及保護(hù)厚度，從而提高整體結(jié)構(gòu)的耐電性能。

7 結(jié)語

MLCC是未來電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要結(jié)構(gòu)。在5G時(shí)代，該結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行積極改革創(chuàng)新以滿足新型技術(shù)的發(fā)展需求。在機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存的時(shí)代，相關(guān)研究人員需要積極借助現(xiàn)有的技術(shù)資源、人才優(yōu)勢(shì)，大力克服自身生產(chǎn)過程中的缺點(diǎn)，積極推動(dòng)國(guó)產(chǎn)MLCC材料技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)二者共贏。