微容带您全面解读高端MLCC技术

发布时间:2021-08-16 浏览量:2108
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MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitors)是片式多层陶瓷电容器英文缩写。是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体。


MLCC是重要的被动元件,诞生于20世纪60年代。因为有着可靠性高、体积小、损耗小、易于贴装等多种优势,快速成为电子产业的首选电容种类。伴随着家用电器、计算机、网络设备、手机、汽车等各类电子产业的发展,MLCC的市场用量大大增加,成为了“工业电子大米”。
在广泛的市场应用中,MLCC技术也持续快速发展,高端MLCC成为市场和供应方共同的追求。而在中国,高端阻容元器件,也成了制约国家工业发展的“卡脖子工程”。
今天微容科技就为大家详细解读高端MLCC。


高端MLCC的主要发展方向
MLCC是几乎所有电子产品中使用数量最多的元器件,其特性会在多个方面影响整个电子产品的性能,因此对MLCC的要求也非常极致,由此带动的MLCC发展方向主要是四个方面。
第一是微型化。微型化是MLCC技术发展最显著的方向,早期的MLCC主要用于军工产品,对体积没有特殊要求,随着MLCC工业化,尤其是贱金属化之后,广泛应用于消费类电子,紧密配合着消费类电子的轻薄化、智能化的要求,持续微型化发展,以减轻产品重量、节省贴装空间和配合密集元器件贴装。
目前小尺寸MLCC中最典型的是01005尺寸(英制,下同),在智能手机、芯片封装内、穿戴产品和高集成模块等产品中大量使用,其长宽仅 0.04mm* 0.02mm,肉眼已经看不清。此外,还有更小一代的008004尺寸,长宽仅为0.02mm*0.01mm,主要粉体材料的粒径已进入亚微米级甚至纳米级水平。

二是高容量化。由于MLCC具备稳定的电性能、无极性、高可靠性的优点,在替代电解电容趋势的推动下,促使其高容量化发展以实现更大范围的替代,并且对于同一个MLCC尺寸,容量也不断提升。目前MLCC的0805以上的尺寸已量产100μF,小尺寸中0201尺寸也覆盖到了4.7μF和2.2μF。
三是高可靠方向。随着MLCC的应用场景扩展,对MLCC的可靠性要求越来越高,其中最具代表性的就是车规系列。汽车的智能化以及新能源汽车的兴起和发展,大大增加了车规MLCC的需求,使得车规产品成为MLCC行业的重要方向。

四是高频化。无线通信技术应用越来越丰富,特别是4G、5G技术的发展,将更多的产品连接和智能控制,与之匹配的射频元器件需求大增,且射频性能要求越来越高。射频MLCC通过元件内部结构的设计改良、微波陶瓷介质材料的优化以及低损耗特性的铜电极材料,实现低 ESR,强抗干扰,高SRF等特性。

高端MLCC的关键因素
MLCC制造的技术是一门综合性应用技术,它包含了新型材料技术、设备技术、设计工艺制作技术和关联技术(可靠性测试、失效分析等),涉及材料、机械、电子、化工、自动化、统计学等各学科先进的理论知识,是多门学科理论与实践交叉的系统集成,属于典型的高新技术范畴。

对于高端MLCC而言,不论是小尺寸还是高容量,都指向材料的精密度和介电性能。若要在一定的体积上提升电容量,一是材料上增加介电常数、二是降低介质厚度,增加MLCC内部的叠层数量。因此,原材料和配料、流延、印刷、叠层、烧结等制造流程的设备和工艺都是关键要素。
在材料方面,陶瓷粉体是MLCC最重要的原材料,主要成分是钛酸钡、氧化钛等,高端MLCC对于瓷粉的粒径、力度分布、纯度、形貌等有着极严格的要求。在瓷粉浆料制作中黏合剂质量、配比、配置顺序、分散剂的选择等都直接影响高端产品性能。高端MLCC研发的最关键任务之一即是对原材料的研发。

在制作过程中,流延——陶瓷膜片的制备非常关键,直接影响产品的可靠性,最高端MLCC的膜片厚度已经在1um以下,而且需要保持高度的致密性、稳定性和一致性。流延过程中需控制好绕卷张力,大小适宜,搬运过程中不能有损伤,并在规定的有效期内使用。此外,承载膜片的PET膜也非常关键,要求平整度好、粗糙度小。

在内电极印刷及叠层工序中,机台设备控制精度也非常重要,内电极印刷的质量、堆叠的对位精度和紧密度会影响产品的性能。

MLCC的一道核心工序是烧结,以1000℃以上的温度将陶瓷生坯烧结成瓷。MLCC的烧结是陶瓷和含有金属的内电极共烧的,而二者开始收缩的温度和收缩率是不同的。极限的高端MLCC产品,单层陶瓷介质上只有3-5个陶瓷颗粒,最多要叠几百到一千层,内部结构的变化非常容易导致产品内部出现裂纹,因此烧结炉的升温速率、控温精度和合理的烧结工艺的制定非常关键。

高端MLCC制造工艺的升级
高端MLCC制作是极其的复杂与高技术含量的,其工序十分繁琐,大致可分为十六个步骤,具体信息可点击此处下划线,前期发布的《MLCC制作流程详解》查阅。高端MLCC制作中的许多工序的工艺、设备工装水平和管控项目都随着科技的发展在不断进步。
在印刷工序中,由于高端MLCC对印刷厚度的要求越来越薄、印刷电极的表面粗糙度要求越来越小,这要求镍浆中镍粉的粒径越来越细、同时对印刷丝网的目数也提出了更高的要求。另外,出于提高生产效率的考虑,高容量的产品一般使用辊印的方式印刷。


在叠层工序中,机台精度、平台平整性和环境清洁程度,都进行了升级管理。
在排胶工序中,气氛的种类也有所调整。

烧结炉的升温速率至关重要,高容量MLCC产品一般需要使用较高的升温速率的烧结炉进行烧结,因为薄层的电极收缩温度更低,所以升温速率太慢会导致电极收缩和团聚比较严重,团聚的电极对介质层造成挤压,影响产品绝缘性能。
在倒角工序中,车规产品和高容量产品一般使用生倒工艺—即烧结前倒角,可以有效减少产品内部应力以及瓷体损伤。

在封端工序中,大尺寸与高可靠车规的产品,一般采用软端子,减少内部应力、提高可靠性。
最后在测试工序中,因为现在高端MLCC介质厚度越来越薄,层数越来越多,所以测试的设备技术和工艺手段也在更新和换代。

在可靠性实验中,车规产品的可靠性实验就非常严格了,实验必须满足其温度高,电压高,时间长,数量大,以及在恶劣环境下其电性能的变化,包括容量、绝缘、耐压、损耗等。

国内高端MLCC发展形势
MLCC是一个重资产产业,也需要扎实技术的积累。早期,电子元器件生产和供应全球范围高度市场化,日美韩企业成为全球的领导者,占据技术和规模优势,MLCC的高端系列,也以日韩系厂家为主。近几年,国产电子行业蓬勃发展,特别是国际竞争激烈的形势下,国产供应链得到良好的发展机会,国产供应的全面性要求,特别推动了高端MLCC的发展,促进其技术和质量水平的提升。

下游市场的迫切需求,也推动了一系列的电子元器件产业发展利好。近几年,国家针对高端元器件的发展也出台了诸多优惠政策和刺激项目,并多方面促进相关产业交流合作。资本市场对电子元器件的关注和青睐也达到了空前的高度。

产业的发展需要上下游配合,在MLCC的上游配套中,设备和材料是关键要素。目前MLCC生产的十几道关键工序,整体还是以境外厂商为主,特别是大型设备,部分新型设备,国内供应进步明显。陶瓷等主要材料国内已经有主力参与者,有不小的规模和技术发展,只是在部分尖端系列上,仍由国外的厂商主导。当然,目前MLCC产业的需求还没有上升到上游产业的国产化要求。
如前文介绍,MLCC的制备包含了材料技术、设备技术、工艺设计、精密制造管理和测试分析等多项技术,同时还是一个市场竞争白热化的元器件,目前国内厂商在高端系列的技术水平和规模化成本还有明显差距,比如高容量MLCC的材料技术和工艺技术,就是近期国内企业重点突破的项目。

从目前的形势看,国内高端MLCC有着非常好的发展机会和市场前景。当然,想要实现突破,仍需要从业者的坚持专研和各方的配合,比如关键材料的配合,高端人才培养,产学研合作下的新技术突破等等。

微容高端MLCC:充分认识,潜心研究,坚决突破
微容科技自成立以来,就坚定地定位于高端MLCC。微容MLCC团队,是在行业有着20年经验的研发、生产、销售和管理人员,对行业有着深入的认识,清晰地知道高端MLCC的价值和未来,所以从工厂建设、设备配置、人才配置、材料选择、工艺管理、体系管理等各方面都以最高的要求实施。


经过几年的发展,微容各个高端系列的产品都取得重大进展,小型化MLCC已进入全球一流行列,高容量系列成为主力国内突破者,AEC-Q200车规产品也成为国产化供应的唯一供应方。微容高端MLCC的进展,也引起业界的广泛关注。
目前,微容的MLCC月产能已经超过300亿只,随着微容高端MLCC大厦的建成和使用,2023年微容将实现500亿只的月产能,并保持持续扩产。其产品覆盖008004、01005、0201这类超微型高精密、射频MLCC产品,以及从0402、0603、0805到1206、1210中大尺寸高容量和车规系列,已经成为高端MLCC的有力供应商,为中国高端制造电子产业的规模化、产业化、本土化打下坚实的基础,为全球电子行业的发展提供有力的资源保证。