片式元件是 90 年代后适应表面贴装技术发展起来的新型元件,代表着世界电子元件的发展趋势。随着集成电路技术,数字化技术和便携式电子设备的发展,其品种、数量正在不断扩大,价格也不断下降。片式化已成为衡量电子元件技术发展水平的重要标志之一。
世界片式元件现状和发展趋势
片式电容器、片式电阻器和片式电感器是用量最大的三大片式元件,约占全球片式元件总产量的 90% , 2002 年全球片式元件产量 10000 亿只, 2005 年预计达 15000 亿只, 2010 年达 25000 亿只。
世界片式元件发展有三大特征:
产业规模不断扩大 生产集中度高
2001年,全球MLCC前7名占总产量89.6%,其中产量最大的murata达160亿只/月。
2002年全球生产片式钽电容器的11个厂商占全球总产量85%;片式铝电解电容器的5名厂商占全球总产量56%。
2003年全球功能高分子电解电容器产量34.59亿只,产值840亿日元,其中钽电容器占39%,铝电容器占37%,OS-CON电容器占24%。
片式电阻器主要生产厂商国巨生产能力达180亿只/月,占世界市场1/3以上。
片式多层压敏电阻器的主要厂商Epcos和AVX的产量占全球的69.7%。
叠层式片式电感器日本产量占全球65%。绕线式片式电感器美国Coilcraft公司产量占全球70%。
全球化企业兼并重组 生产地加快向中国转移
近年来,Vishay公司兼并了BC公司;台湾国巨并购Philips的MLCC;德国西门子元件制造部先与日本松下电子部品合资组成S+M公司,后通过上市策划,组成Epcos公司。
几乎全球著名片式元件制造厂如murata、Kyocera、三星电机、太阳诱电、TDK、Kemet、Epcos、Vishay-BC、石塚、三菱等都在中国建立了合资或独资工厂。
中国改革开放的政策,信息产业的高速发展,巨大的国内市场,廉价的劳动力和材料、零件成本,将使我国成为全球片式元件的生产基地。
技术不断创新
为顺应数字电子产品和便携式电脑、通信、视像设备的发展潮流,通过不断研制新材料、新工艺和新产品,片式元件的技术在不断创新,突出表现在以下四方面
微型化(尺寸不断缩小)
高性能化,不同产品互相替代竞争加剧
电容器的高性能化重点在大容量、高频化和高温化三个方面。在大容量方面,MLCC主要采用薄膜多层化技术。2002年膜厚2~3μm,层数达200~300层是生产的主流;厚2μm以下,层数400层已经量产;厚1~1.5μm,600~800层产品已做出样品;厚0.6μm,层数达1000层的产品正在开发。
片式有机介质电容器方法相似,采用叠层和卷绕两种工艺,已研制成功1608型16V、0.1μF和3216型25V、1μF产品,最薄介质0.33μm,3500层已实用化,最大层数5000层成为可能。
片式钽电容器主要是提高钽粉比容, 1608型已采用150KCV,正在开发200KCV钽材。最小尺寸3.2×1.6×1.6(mm),工作电压6.3V,电容量可达22μF;尺寸7.3×4.3×2.8(mm),工作电压6.3V,电容量可达220μF。
片式铝电解电容器尺寸为φ18×16.5(mm),工作电压10V,容量可达400μF,如100V,容量可达330μF。最小尺寸φ3×5.4,工作电压6.3V,电容量可达22μF。而聚合物片式铝电解电容器尺寸为7.3×4.3×1.1(mm),工作电压6.3V,电容量可达33μF;而尺寸为7.3×4.3×4.2(mm),工作电压6.3V,电容量可达180μF。
在高频化方面,主要是降低ESR和ESL。在MLCC领域,美国ATC、AVX和英国Morgan公司在RF/微波高功率和微波高Q,微波低ESL方面技术领先。日本murata采用铜内电极,也获得了极低ESR产品。在低ESL方面,微波领域,美国JOHANSON Technology公司0.6×0.3×0.3尺寸、 100pf,ESL=0.2nH;而TDK的1632型104容量,ESR=14mΩ,ESL=0.28nH,分别为3216型产品的70%和44%。而3212型三端电容器容量2200pf,ESR=0.03nH,ESR=32mΩ,分别为常规产品的1/25和1/8。在低频大容量应用领域、功能高分子材料在铝电解电容器、钽电解电容器和铌电解电容器中的应用特别吸引人们的关注,导电高分子材料导电率是TCNQ络盐的10倍,是MnO2的100倍,是电解液的1000倍,因此ESR可为传统钽电解电容器的1/2~1/10,可为传统铝电解电容器的1/10~1/50。
在耐高温方面,为适应地质勘探、汽车电子和航空电子等发展需要,TDK、Vishay、Novacap、SYFER、Epcos等开发出了X8R(-55~+150℃)特性和NPO(-55~+300℃)MLCC。有机薄膜电容器也有PPS电容器(-55~+175℃),PTFE(-55~+200℃),PI电容器(-55~+300℃)面世。铝电解电容器也正在开发150℃2000H高温长寿命的产品。以TbO为关键材料的500℃~1100℃高温热敏电阻器已在汽车电子中获得应用。
不同产品互相替代竞争的典型例子是MLCC在100μF以下取代片式电解电容器,因为前者有较低的ESR和ESL。
功能高分子材料片式固体铝电解电容器在20V以下低压、大容量也可取代钽电容器。而片式有机薄膜电容器和片式云母电容器在要求电容量高精度、高稳定或高压场合可以取代X7R特性的MLCC。
片式电阻器的高性能化主要是高精度、低温度系数、高阻、低阻、高功率和高压。如厚膜片式电阻器的精度,已达±0.5%,温度系数可达±50ppm/℃,薄膜片式电阻器已达±0.1%和±25ppm/℃。
片式电感器的高性能化主要是高频高Q、大电感量、大电流。如TDK开发成功SMD功率电感器电感量达mH级,电流达数安培。Murata采用LTCC技术和薄膜技术,以陶瓷为基体,制成片式电感0.6×0.3×0.3(mm),电感量达15nH,1.8GHz,Q>30。
新材料、新工艺不断开发成功
元件生产厂按整机发展方向不断开发出性能更好、成本更低的新产品,部分新元件开发已导前于整机的发展,对整机更新换代起了推动作用,元件生产厂的技术开发水平也已成为决定自己命运的关键因素。
除了上述功能高分子材料在电解电容器中应用外,最典型的例子是三个:一是MLCC的贱金属化,用廉价的Ni或Cu电极代替贵金属Pd,2002年日本贱金属化MLCC已占MLCC的90%,台湾在这方面进展也较快。二是铌电解电容器的开发,全球铌的矿产量是钽的100倍以上,Nb2O3的介电常数为41,而Ta2O5的介电常数为25,前者是后者的1.6倍,铌的比重8.6g/cm3为钽(16.6g/cm3)的1/2,对小型化、轻量化有利,其频率特性和温度特性与钽电容器相同,2001年8月日本NEC-Tokin已开发成功有机高分子铌电解电容器,有可能替代部分钽电解电容器和铝电解电容器。三是新型薄膜材料的研制成功,如PPS薄膜的应用,推动SMD有机薄膜电容器的发展,PPS膜工作温度可达125℃,5S耐热可达260℃。
又如片式多层压敏电阻器的金属化开始用铂,1998年全球耗用622Kg,824万美元。AVX和Harris用铂,而Epcos用Pd30Ag70这使Epcos迅速成为全球第一大生产商。
复合化、集成化步伐加快
片式电阻网络技术早已成熟,如日本2002年网络电阻产量为81.6亿只, 产值为103.9亿日元,平均单价1.27日元;2003年网络电阻产量为105.2亿只, 产值为108.6亿日元,平均单价1.03日元。片式MLCC电容网络1608型4连、1005型2连产品,2002年已进入开发,作为电路保护元件的片式多层压敏电阻器(MLV)0603型2连和4连产品已经产业化,今后是0805型8连和0504型4连,并与MLCC集成。
在高频应用领域,片式LC复合滤波器采用LTCC工艺发展迅猛,已在手机、局域网、兰牙等领域获得应用。片式RC网络利于脉冲整形和保持,在高速数字电路中广泛应用。片式集成无源元件(IPD)在美国近几年已获得快速发展,如美国AVX公司2001年集成无源元件收入已占总收入的17%,Murata正加速开发基于LTCC技术的多层集成无源元件,提出要使新产品在销售额中所占比例提高到30%以上。手机设计采用IPD,可减少PCB贴装分立元件的费用,isuppli预计2003年5%手机中的无源元件被IPD取代,到2005年这一比例会增加到12%。
我国片式元件现状与差距
我国片式元器件在“九五”、“十五”得到了快速发展,一方面得益于我国国民经济的快速发展,特别是信息产业的发展,其中彩色电视机为代表的视像设备和以手机为代表的通信设备是带动片式元器件的发展的龙头产品,另一方面得益于我国的改革开放政策,三资企业在国内片式元器件行业中已占主导地位。
“十五”规划片式元器件的发展目标基本可望实现,其中外资和台资企业占60%-80%,缺乏我国自己的品牌。
存在的主要问题是内资企业片式元件技术档次低,进出口贸易逆差不断扩大,说明内资企业在经济规模和技术开发实力等方面与国外著名元件厂商差距极大,需引起政府部门的重视。
片式元件市场预测与分析
国际市场
据日本预测,2010年世界电子信息产业市场将达3.4万亿美元,电子元件将达2800亿美元,2003年至2010年均增长5.5%。
据美国isuppli公司研究,手机电子元器件市场2001年为334亿美元,片式元件占25.9%,2006年手机电子元器件市场将达到441亿美元,无源元件占23.7%,比例虽有所下降,但绝对值将增长20.8%。
全球化新一代宽带高速互联网络和移动通信的发展,将会成为全球龙头产业,形成网络设计与规划、系统制造、手机制造、芯片设计与制造、通信软件开发、表面贴装元器件、微波宽带功率放大器与天线,电池与液晶显示屏,多层PCB板等巨大产业链,创造数以万亿美元计的巨大国际市场。
MLCC应用市场:通信占40%,计算机占35%,消费类电子占12%,汽车电子占7%,其他占6%。通信、计算机和消费类电子产品的成长将是推动MLCC成长的动力。如P3主机板用MLCC 347只,(不用0402型),大于1μF的用7只,P4主机板用MLCC 405只,其中4.7μF以上大容量50只,新增0402型50只。而通信、计算机和消费类电子产品中,未来几年成长强劲的产品是手机、笔记本电脑、数码相机和新型大屏幕平板显示器。
片式钽电容器应用市场:手机占36%,AV音响占32%,笔记本电脑占15.1%,其他占16.9%。
片式铝电解电容器应用市场:消费类电子占44%,工业应用占23%,计算机占13%,通信占7%,汽车电子占5%,其他占8%。
片式电感器市场:AV占40%,移动通信占30%,OA设备占15%。全球手机市场对片式电感器需求量2002年约为105亿只,2003年约为129亿只。目前全球年需求量含片式磁珠约300亿只。
片式热敏电阻器市场:镉镍、镍氢、锂离子充电电池(过热保护),液晶显示器和彩屏手机温度补偿,手机晶振TCXO温度补偿,DC/DC过热保护、计算机和照相机电机转速控制等,2003年全球摄像手机销量8400万部,预计2004年达到1.7亿部,2008年达6.56亿部。2003年全球数码相机销量为4900万部。
片式多层压敏电阻器应用市场:手机占60%,计算机I/O端口和数据线占25%,汽车占15%。片式多层压敏电阻器用于手机、笔记本电脑、电脑主机板、PDA、DVD、数码相机和机顶盒等,作为电路保护元件,防止过电压和静电放电(ESD)造成低压IC损坏。预计2004年片式多层压敏电阻器达2.97亿美元,2004年销量年增长25%,销售额增长15%,价格下跌7%;市场应用数量上,手机年增长25%,计算机I/O端口和数据线年增长15%;汽车年增长11%。预计今后几年全球片式压敏电阻器市场销量年增长率为15%,销售额年增长率11%。
国内市场
我国片式元件的发展必须密切跟踪数字化、网络化技术的发展趋势,不断开发新产品,提高技术档次,加快集成无源元件的开发,使我国片式元件由生产大国向生产强国转化。