性能強大、應用廣泛的5G終端，其內部回路的數量大幅增加

第五代移動通信（5G）的商用服務全面開啟。它具有超高速、大容量、超低時延、多信號同時連接等特征，5G智能手機的性能得到大幅提升，可在短時間內下載4K畫質的視頻數據、利用虛擬現實（VR）進行交流、實現計算機和機器的遠程聯動等，新應用的不斷擴展值得期待。另外，對工廠、醫療現場及社會基礎設施等領域的數據應用提供支持，為實現豐富多彩、高效節約的社會，筑牢通信基礎。

5G手機中配置了結構更為多樣而復雜的電子回路。僅在蜂窩通信功能方面，就要求支持3.7GHz頻段、4.5GHz頻段等Sub6頻段、相當于毫米波頻段的28GHz頻段，以及現有的4G功能。另外，還需配置與外設進行數據通信的Bluetooth、Wi-Fi、近距離無線通信(NFC)、定位用GPS的應用回路。為了應用多樣而高精度的無線通信功能，還全新配置了利用高性能攝像頭和顯示屏、VR或AR等新應用所需的傳感器和信號處理回路等(圖1)。因此，終端內部的電子回路數量大幅增加。

圖1 5G手機所配置的功能示例

開發出市場青睞的終端，需要將構成內部回路的電子元件進行小型化設計

如果因電子回路增加而加大終端尺寸，將影響商品價值。近年來，為迎合大屏和大容量需求，手機尺寸逐漸增大。但是，隨著尺寸達到便于操作的上限，市場上開始出現小型化的呼聲。為了制造附加值高、易用性佳的終端，需要使用超高密度貼裝技術，從而在維持現有尺寸的基礎上配置更多電子回路。

關于構成電子回路的半導體元件，雖然對終端進行了高性能化和多功能化設計，但由于元件在芯片上的集成度提高，以及受到功能軟件化等因素的影響，可以使用現有方法進行超高密度制造。使電子回路按照技術規格穩定運行需要使用被稱為多層陶瓷電容器(以下稱MLCC)的電子元件，因此必須減小該元件的尺寸。

每部智能手機約使用800-1000個MLCC。終端配置的功能越多，其數量也幾乎等比例增加。制造高性能、多功能、易操作的5G手機，關鍵是實現MLCC的小型化。

開發適用于5G手機的0201M/0.1μF和0402M/1μF MLCC

村田制作所(以下簡稱村田)開發出超小* 0201M(0.25×0.125mm)、靜電容量超大* 的0.1μF MLCC“GRM011R60J104M”。與容量相同的本公司舊款產品0402M(0.4×0.2mm)比較，貼裝面積為1/2、體積僅為1/5(圖2)。

* 本公司調查數據。截至2020年9月29日。

圖2 0402M尺寸與0201M尺寸MLCC的外觀

村田在MLCC小型化方面達到領先水平，為電子設備小型化作出了自己的貢獻。1970年代推出的3216M(3.2×1.6mm)尺寸MLCC實現了小型輕薄便攜收音機的商品化、1980年代至1990年代推出2012M(2.0×1.2mm)/1608M(1.6×0.8mm)尺寸，實現AV設備和電腦的小型化和輕便化、2000年代推出1005M(1.0×0.5mm)/0603M(0.6×0.3mm)尺寸，為手機（功能手機）的多功能化提供了支持。通過對MLCC小型化的不懈研究，在智能手機普遍采用的0402M尺寸MLCC中，實現了50%以上的市場份額。

為5G手機量身定制的0201M尺寸、0.1μF的MLCC已在福井村田制作所完成量產準備工作。今后，村田將繼續在MLCC小型化方面發揮引領作用，為電子設備的小型化、多功能及高性能化提供支持。

將終端內大量使用的MLCC尺寸縮小為1/5

每部5G手機中配置有大量MLCC。可以說，MLCC是對終端小型化影響較大的一種元件。要在維持易操作尺寸的同時增加終端功能，MLCC小型化是不可或缺的一環。近半個世紀以來，村田一直引領著MLCC小型化的發展。以此業績為依托，開發了用于5G手機的新一代小型MLCC。通過采訪5G手機用MLCC的產品策劃師和開發小型大容量MLCC的工程師，了解了所開發MLCC的具體情況和對終端開發的影響。

左起銷售經理 水流園、產品開發經理 若島

每部手機需要使用1000個以上的MLCC，因此它對小型化的影響很大

――5G手機的哪些用途需要使用到MLCC？需要用多少？

現在的智能手機，功能急遽增加。除了無線通信類電子回路以外，還配有執行各種處理的處理器、攝像頭、顯示屏等許多電子回路。為了使電子回路穩定運行，使用了大量供電和去噪電容器。

智能手機需要在小機身內植入多種電子功能，因此需要盡量減小電容器的體積。智能手機上配置的電容器基本是體積小巧的MLCC，而現在的最新高端智能手機，每部會配置1000個以上的MLCC。

――MLCC的使用量確實很大，是智能手機中使用超多的元件。那么，具有什么特點的MLCC適用于5G手機？

要求MLCC具有小巧、大容量的特點。5G終端配備的功能比4G多，因此預計機身內的電子回路將大幅增加。同時，終端內的MLCC數量和總容量也將增加(圖3)。

圖3 民生用途MLCC的市場預測與智能手機MLCC的靜電容量推移情況

例如，5G終端支持的頻帶多于4G終端。在1個終端內支持多種頻帶的情況下實現高品質通信，需要精準過濾相應頻帶，去除非使用頻帶所產生的噪聲。雖然靜電容量較小，但使用了很多容量偏差較小的MLCC。

智能手機維持現有尺寸已屬不易，但市場上對小屏手機的需求卻有所增加。為此，需要MLCC進一步縮小尺寸。

終端配置的功能增多，使電池容量變大。對大容量電池進行穩定快速的充電，需要配置大容量、高品質的MLCC。部分電子回路通過使用大容量規格以減少MLCC的數量，因此對大容量有著較高要求。

與容量相同的同類產品對比，貼裝面積縮小為1/2、體積縮小為1/5

――對于5G手機的回路增多和終端維持或縮小現有尺寸的需求，村田開發了具有什么特點的MLCC？

通過采用新一代制造技術，開發出超小的0201M尺寸MLCC，靜電容量達到超大的0.1μF。0201M尺寸的MLCC屬于已有型號，但容量很小，僅為0.01μF，只能用在智能手機的特定位置。新型MLCC的額定電壓為6.3V，靜電容量容許差為±20％，是更適合智能手機的規格。

以往，智能手機配置的許多相同容量MLCC所采用的是0402M尺寸。開發出0201M尺寸后，貼裝面積縮小為1/2、體積縮小為1/5，使尺寸大幅減小。另外，采用該MLCC的新型制造技術，又開發了0402M尺寸、1.0μF的MLCC。該產品在同一尺寸的MLCC中，擁有超大的靜電容量。

――這些MLCC對5G手機的開發會產生怎樣的影響？

正如前面所說，最先進的智能手機使用了1000個以上的MLCC。其中200個以上是此次開發的0.1μF和1.0μF型號。每個MLCC都實現大幅小型化，因此對終端小型化起到了很大作用。

使用這些MLCC后基板面積將減小，可以在節省的空間內配置更多功能或增加電池容量，從而開發附加值更高的終端。如果用于可穿戴設備或IoT終端，則可以提高附加值。即，減輕小型可穿戴設備在穿戴后的不適感，從而拓展使用場景。另外，對于小型IoT設備，可以放寬安裝條件，更易收集重要數據。因此，新開發的MLCC可以拓展這些領域的應用。

――額定電壓6.3V意味著什么？

智能手機電池的供電電壓為3V-4V。額定電壓為6.3V的MLCC構成可由上述電池直接驅動的電子回路，使用更方便。智能手機包含以1V驅動的處理器等元件，通常使用額定電壓為4V的MLCC。但部分客戶為了降低部件管理的繁瑣程度，有時會在處理器周圍的電路上使用額定電壓為6.3V的MLCC。因此，為最小尺寸的產品配置6.3V的額定電壓有著重要意義。

為最終量產做好萬全準備

――5G用MLCC將在何時何地開始量產？

量產工作已就緒，預計2020年在福井村田制作所開始量產。在村田集團中，福井村田制作所是在技術開發和量產方面，引領MLCC小型化和大容量化的旗艦工廠(圖4)。它率先使用有關小型化和大容量化的先進技術，當技術成熟后，將其推廣到其他生產基地。

圖4 村田主要的MLCC生產基地

為使小型MLCC得到廣泛普及，客戶的企業需要準備用于貼裝小型電子元件的先進貼裝機(貼片機)。0201M為最小尺寸，于2014年4月開始量產。當時已與廠商開發出相應的貼片機，客戶已做好使用該尺寸MLCC的準備。隨著5G手機全面量產，對0201M尺寸的需求將激增，對此我們有充分的把握。

MLCC的小型化、大容量化并非易事

――通過制造技術升級實現MLCC的小型化、大容量化需要多長的周期？

根據以往的經驗，與靜電容量相同的MLCC比較，需要7～10年的周期。

――半導體的精細加工技術和制造技術經歷了14nm時代、10nm時代、7nm時代，每2年或3年完成一次迭代。相比之下，MLCC的小型化進程顯得比較緩慢。小型化和大容量化過程中，存在哪些難點？

MLCC的小型化無法由電子元件廠商牽頭推進。因為部件尺寸變小后，使用這些部件的下游企業需要引進新的貼裝技術。例如，在電子設備印制電路板上貼裝元件的貼片機（貼裝機）需要根據小型電子元件進行改良，并提高貼裝精度。因此，MLCC的小型化需要與貼裝技術的發展保持同步。

MLCC在小型化和大容量化過程中，存在與半導體精細化不同的技術難題。MLCC采用陶瓷薄膜（薄電介質）與金屬電極交替堆疊的結構(圖5)。將陶瓷電介質和粘合劑制成漿液后涂在載膜上，干燥后的制品被稱為印刷電路基板，在其上反復印刷電極后燒固而成。最新的MLCC，積層數可達數百層。制造MLCC時的突出難點是，燒結前后陶瓷薄膜會大幅縮小。如果單純減小介電膜和電極的厚度，會因燒結時的縮小導致整體開裂。若要在印刷電極圖案的狀態下，確保燒結后的元件保持正常結構，需要采用合適的技術和專利。

圖5 MLCC的基本結構

在制造本次開發的產品時使用的技術中，陶瓷薄膜的厚度僅為頭發絲厚度(約80μm)的1/100。為了提升高品質MLCC的成品率，需要使薄陶瓷薄膜的厚度保持均勻。如果膜厚不均勻，則夾住介電膜的電極可能接觸而發生短路，從而失去電容器的功能。即使不發生短路，如果膜厚均勻度很差，也將導致耐電壓或可靠性下降等問題。

通過原料開發和制造工藝開發的整合與磨合，打造先進的MLCC

――生產符合要求的MLCC，需要使用高精度制造技術。具體來說，通過怎樣的制造技術，開發出最先進的0201M尺寸0.1μF MLCC，以及0402M尺寸的1μF MLCC？

需要進一步提升原材料的品質。首先，通過減小電介質(鈦酸鋇)粒子的直徑、增加均勻度，制造出均質而精細的印刷電路基板。同時，開發了將微細電介質離子均勻分散到薄膜內的成型技術。另外，減小印刷電極圖案時的金屬(鎳)粒徑。通過提高填充率以實現薄層化后，使電極和電介質的界面上不出現凹凸現象*。

* 有關薄化技術的相關介紹，請瀏覽在本公司的會員網站my Murata的“Ceramic Capacitor Site”中發布的“電容器業務介紹資料”。

――要實現MLCC的小型化和大容量化，除了制造工藝以外，還需著手開發原料。

沒錯。磨合材料技術和薄膜成型技術以改善并優化制造技術，是確保高品質和可靠性、實現小型化和大容量化的重點所在。因此，如果企業無法同時開發材料和制造工藝，將無法實現MLCC的小型化和大容量化。

從原料開始由自己開發和制作的體制，在公司成立之初就已確立。此外，除了原料的開發和生產以外，還建立了生產技術、產品策劃和銷售等各部門合作，為開發相關產品而研制所需原料、并最大限度激發潛力的體制。對于難以解決的原料問題，有時對制造工藝稍加改變就有了解決之策。從原料開始通過跨部門合作開發新的技術和產品是村田的強項，也是MLCC市場份額較高的原因。

――日常的跨部門合作開發體制是否完善？

福井村田制作所匯集了先進MLCC的相關開發功能和量產功能。這里有薄層化和積層的高端技術和豐富的經驗和。開發部門、生產技術部門和制造部門在同一場所，因此在產品開發指令下，各領域專家可以隨時集合，積極溝通。這種CFT(Cross Function Team)開發體制有助于提升技術開發的效率。

另外，技術開發部門位于量產工廠附近，也起到了將領先世界的技術早日投入量產的效果。紙上談兵式的技術開發無法解決制造現場出現的問題。在現場實際觀察，由技術部門和制造部門共同尋找解決方案，這一點非常重要。

諸如MLCC小型化和大容量化的高難度技術課題，不可能僅僅依靠開發部門。正因為生產技術部門、制造部門和銷售部門通力合作，才使世界首款產品即將實現量產(圖6)。對于共同克服困難，積極尋找解決方案的各位同仁表示衷心感謝。

圖6 新MLCC開發合作體制

新一輪小型化和大容量化工作已就緒

――除了智能手機，對電子設備的小型化和多功能化需求也將增多。未來，村田是否繼續向MLCC的小型化和大容量化發起挑戰？

其實早在小型化需求還不明朗的時候，我們就已開展了MLCC小型化和大容量化的技術開發。其研究成果對電子設備的發展起到了推動作用。現階段并未開發尺寸小于0201M的MLCC。但電介質和電極的進一步薄層化仍將持續，從而使得MLCC的更加小型化研發成為必然。

――從技術上看，MLCC的小型化和大容量化還有進一步發展的空間嗎？

電介質粒子原料的再精細化已經有了頭緒，而且掌握了薄膜成型技術。

另外，可以加強電極內鎳粒子的細微化，使電極進一步薄膜化。今后，通過將兩者進行組合及磨合，確立下一代制造技術，推進小型且大容量的MLCC商品化。

――很早就聽說了有關6G技術開發的報道。看準6G應用設備開發的MLCC，今后將如何發展？

有消息稱6G將在2030年實現商用。與5G比較，時延更小、通信速度更快，智能手機和可穿戴設備的功能和使用場景可能發生較大變化。例如，可能以“遠程操作”為重點推進應用拓展。其中，MLCC廠商需要解決的課題依舊是小型化和大容量化。未來3～5年，需要的技術應該會逐漸明朗。為了能迅速應對這種變化，我們希望提前開展技術開發。

繼續支持可穿戴設備和IoT終端等的小型化

目前上市的大部分智能手機都使用了村田的MLCC。如果沒有高性能MLCC，將無法滿足消費者對智能手機的需求，且無法解決技術難題。采用引入新一代制造技術的5G手機用MLCC后，這種傾向可能會更加明顯。

5G手機用MLCC將繼續支持可穿戴設備和IoT終端等其他電子設備的發展。電子設備的急速發展，通常伴隨著與之匹配的電子元件創新。催生電腦的微處理器、促成平板電視商用的液晶面板等，類似的例子不勝枚舉。借助新一代MLCC將誕生怎樣的創新型電子設備，我們將拭目以待。

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