芯片功率超1000W,村田创新电容产品如何解决AI新挑战?

Release time:2024-07-23
author:AMEYA360
source:网络
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  近年AI大模型的出现,引爆了AI算力需求,市场对相关算力硬件,包括服务器、交换机、AI加速卡、存储、液冷等需求高涨。根据MIC及Trendforce测算,2023年全球AI服务器出货量逾125万台,同比增长超过47%。

  其中AI加速卡作为算力的核心来源,需求量暴增,今年以来我们经常可以看到各家科技公司抢购英伟达GPU的消息,这也是推动英伟达在短时间内市值飙升至全球前三的重要原因。

芯片功率超1000W,村田创新电容产品如何解决AI新挑战?

       不过随着GPU等AI芯片的功耗越来越高,AI加速卡、服务器也在面临很多挑战。在2024慕尼黑上海电子展上,村田分享了目前AI领域对于被动元件的一些新的市场需求,以及他们在AI领域的创新产品以及解决方案。

  AI加速卡功耗暴增,芯片、主板面临新挑战

  在AI计算领域,由于并行计算的需求庞大,因此传统的CPU并不适合用于进行AI加速,而GPU等AI芯片中集成的核心数量通常多达数千个,因此可以进行大规模的并行计算,从而快速对海量数据进行处理,适合在AI领域应用。

       但如今大模型等AI应用对算力的需求,推动了AI芯片算力不断提高,与此同时带来的是越来越高的功耗。据村田市场及业务发展统括部战略营销营业部高级经理卢国荣介绍,目前单AI芯片功率在300W左右,最新的设计已经超过1000W,大功率的AI芯片对于电路设计带来新的挑战,比如能源损耗、信号完整性、电源稳定性、外围器件的可靠性等。

       除此之外,在AI应用的需求下,AI芯片异构封装集成的技术也成为了一个趋势。那么这种趋势,也给基板、MLCC电容等产品带来技术升级需求,比如超薄型、耐高温、可靠性高的产品等。

       村田电子贸易(上海)有限公司 电容器产品技术科MLCC高级工程师高艾琳表示,目前芯片发展呈现制程越来越小的趋势,芯片的核心电压也越来越小,比如十多年前的芯片核心电压在3.3V左右,但如今先进芯片的核心电压都在1V或1V以下。核心电压下降对于芯片的供电电源稳定性要求会变高,以往电源波动能够接受10%以内的范围,但如今只能接受5%甚至更小的波动,于是对于芯片外围的电容总容量要求就提高了。

       对于AI加速卡来说,由于功耗越来越高,加速卡的PCB板上有更高容量的电容。在尺寸受到限制的加速卡PCB板上,就意味着需要提高单颗电容的容量密度,以及提供更小型化大容量的电容产品。

  村田面向AI加速卡和AI服务器的电容产品

  在AI加速卡中,村田能够提供的产品非常丰富,除了电容之外,还有存储、时钟元件、温度监测传感器、晶振、热敏电阻、DC-DC等器件。

芯片功率超1000W,村田创新电容产品如何解决AI新挑战?

       电容产品方面,村田在加速卡主板上,提供小尺寸大容量的陶瓷电容方案和聚合物铝电容方案。据介绍,目前已经量产的MLCC产品最大可以达到330μF容量。

        针对OAM模组,村田也推出了100V的电容,并将1210尺寸做到10μF的容量,0603可以达到1μF,0805也能够达到2.2μF,相比20年前有了巨大的提升。另外,服务器主板上的小尺寸大容量电容也是村田的强项,包括0201尺寸最大可以做到10μF容量,另外主流的产品包括0402 22μF、0805 100μF等都是服务器上常用的产品规格。

       在芯片封装中也需要用到MLCC,我们平时常见的CPU上,比如AMD和英特尔的CPU底部我们都能看到一些非常小尺寸的MLCC。

芯片功率超1000W,村田创新电容产品如何解决AI新挑战?

        在芯片封装中集成更多电容,可以实现阻抗最优设计,同时减少板级损耗,因此电容的小型化和大容量在芯片封装中十分重要。村田在DSC表贴电容和LSC背贴电容上都能提供不同规格的产品,其中表贴电容方面,村田注重小型化和大容量,以及大容量和低ESL两种产品。面向大容量和低ESL的需求,村田推出了三端子电容,三端子电容是所有陶瓷电容中单体ESL最低的电容,可以在05035尺寸实现22μF的大容量。

        在背贴电容方面,村田提供低厚度+低ESL的产品,包括三端子电容和长宽倒置电容都能满足需求。长宽倒置电容高度控制在220微米,相比普通电容高度薄了一半以上,村田可以在这个厚度实现2.2uF的高容量。三端子电容方面,为了应对背贴需求,村田也开发了220微米高度的0402尺寸1uF电容。

       总而言之,村田在AI服务器上,包括服务器主板、AI加速卡主板、AI芯片封装上,都能提供完整的MLCC产品。另外村田还提供主流的聚合物铝电容,并往低厚度、低ESR的方向开发,目前已经做到4.5mΩ 470μF。

  创新“埋容”方案

  以往的电容都需要贴片到主板或者芯片基板上,而村田推出了一种创新方案,将电容集成到PCB内部,村田称之为Integrated Package Solution(内置埋容解决方案)。目前村田内置埋容方案提供三种规格。

       据介绍,这种埋容方案采用了叠层工艺,内置埋容实际上也是与贴片电容一样是不同层和不同材料组合的产品。而其中一个特点是通孔,可以直接连接埋容的顶部和底部电极,埋容电容内部有许多通孔结构,这样的结构可以实现垂直供电,缩短封装内供电距离,从而降低损耗。这在AI服务器主板、AI加速卡等领域都会有很大的应用空间。

       内置埋容的另一个特点是有很高的容值密度,因为特殊的内置方式,厚度可以相对较大在300~500微米,所以从面积计算电容密度的话,内置埋容的容值密度是2.3~3.0μF,相比MLCC更高。当然从体积角度来计算,MLCC仍是容值密度最高的。

       另外,内置埋容在DC Bisa以及温度特性上具备优势。从数据中可以看到,通常在电压升高的情况下,目前市场上的常规电容会有容值下降的趋势,而村田埋容的三种不同的尺寸容值电压压降的情况下是非常平稳的。同时由于是聚合物电容,所以在高温情况下埋容产品相比MLCC更加稳定,在高温情况下容值能够保持一定水平。

       最后,据村田先端产品推广科资深产品工程师王璐透露,这款产品预计在2025年下半年量产并上市。

  小结

  在2024慕尼黑上海电子展上,村田还展出了通信计算、移动出行、环境+工业和健康等四大领域的产品,包括适用于光模块应用的硅电容、DCDC&ACDC模块电源解决方案、惯性/超声波传感器、车载毫米波雷达模组、UWB模组、车载电容、锂离子电池等多款产品。可以看到村田在目前的市场发展潮流中,通过自身技术以及可靠的制造实力,正在将优势拓展到更多比如AI、汽车等热门领域,期待未来能够看到村田带来更多创新产品。


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村田量产首款热电分离NTC热敏电阻,有效提升汽车热反馈性能
  株式会社村田制作所已将功率半导体用NTC热敏电阻“FTI系列”商品化。本产品是村田首款(基于村田公司的调查结果,截至2025年4月)采用树脂模塑结构、且支持引线键合的NTC热敏电阻。  由于支持引线键合贴装技术,可用细金属线连接半导体芯片和电极。通过将该产品设置在功率半导体附近,可以准确测量其温度。  本产品工作温度确保范围为-55°C至175°C,适合用于产生大量热量的汽车动力总成用途——比如汽车逆变器、DC-DC转换器、车载充电器等将动力源产生的动力传输至车轮以使车辆行驶的系统。  近年来,随着汽车的电子化和高功能化程度不断提高,高输出、效率高的功率半导体的重要性进一步增加。另一方面,功率半导体会产生大量热量,高温造成的损坏风险已成为需要解决的问题。对此,人们采用了设置检测功率半导体的温度上升的热敏电阻并进行冷却或限制工作的方法。  但是,由于半导体的贴装焊盘上施加了高电压,以前的热敏电阻无法承受这种电压,因此只能将它们设置在远离半导体的位置。由此使准确检测半导体的温度变得很困难,并且需要采取措施将其限制在低于实际耐热温度的温度下工作,以预防因高温而导致半导体损坏。结果导致半导体的性能无法得到充分发挥。  本公司此次开发了村田首款具有树脂模塑结构并支持引线键合的本产品。树脂模塑结构确保绝缘并允许直接放置在功率半导体的焊盘上。此外,由于它支持引线键合,因此能连接到热敏电阻焊盘。由此实现了在功率半导体附近进行准确的温度检测,并能充分利用其性能。  工作温度确保范围为-55°C至175°C,实现了在较大的温度范围内稳定工作。本产品可以在确保安全性的同时充分发挥性能,因此即使减少功率半导体的数量,也可以维持与以前同等的性能,对减少贴装面积和成本也有帮助。支持引线键合的示意图  规格  主要特长  村田首款树脂模塑结构且支持引线键合  通过将树脂模塑结构与支持引线键合组合使热敏电阻可以与功率半导体放置在同一焊盘上,从而实现对功率半导体进行准确的温度检测。  确保能在175°C的温度下工作  采用与外部电极之间的高可靠性接合技术,确保稳定工作的温度范围大,实现在高温环境下稳定工作。工作温度范围为-55℃到175℃,达到了行业超高水平。  为了满足多样化的市场需求,本公司今后将继续致力于扩大热敏电阻的电阻值阵容,并开发除支持以前的焊接贴装外还支持银烧结贴装的热敏电阻。通过这些努力为电动汽车等半导体应用的高功能化做贡献。
2025-07-07 14:39 reading:201
村田转让微型一次电池业务
  株式会社村田制作所根据2025年6月16日董事会决议,向麦克赛尔株式会社(Maxell, Ltd.)转让村田制作所及其全资子公司株式会社东北村田制作所(Tohoku Murata Manufacturing Co., Ltd.)经营的微型一次电池业务。本次转让将于2025年度内完成。  本次业务调整后,村田制作所及东北村田制作所(Tohoku Murata)将向圆柱形锂离子二次电池倾注更多的经营资源,从而以电动工具及ESS(Energy Storage System,储能系统)市场为主轴提升竞争优势,争取进一步拓展业务。  本次业务调整涉及的微型一次电池产品包括纽扣型二氧化锰锂电池、氧化银电池和碱性纽扣电池。村田制作所于2017年接收索尼株式会社(Sony Corporation)转让的电池业务(含微型一次电池),并进行业务的展开。村田制作所认为,微型一次电池业务由杰出经营者麦克赛尔(Maxell)继承是理想的选择,因此决定进行业务转让。  本次业务转让方案是村田制作所及东北村田制作所作(Tohoku Murata)为分拆公司,通过业务分拆(合并分拆)让村田制作所新成立的全资子公司继承该业务。其后,麦克赛尔(Maxell)将取得村田制作所新子公司的100%股份,以此进行该业务的转让。  麦克赛尔株式会社(Maxell, Ltd.)的主要业务内容为电池、功能性部件材料、光学元件、设备、电气机械器具的制造及销售。成立于1960年9月,资本金122亿日元,合并后的公司员工为3797人(截至2025年3月31日)。
2025-07-07 14:36 reading:196
村田:高功率谐振电路中,MLCC的选择标准和注意事项
  本文介绍适用于汽车OBC、无线电力传输和服务器中的谐振电路的高压低损耗多层陶瓷电容器(MLCC),详细阐述近年来在高功率LC和LLC谐振电路中使用这些电容器的特性和选择标准。  1.高功率电源系统市场趋势  近年来,在高功率电源系统中,谐振电路的应用越来越多。  LLC谐振电路大范围用于100W及以上的高效率电源中,例如EV和PHV(电动汽车和插电式混合动力汽车)的车载OBC、服务器电源和用于大型设备的电源中,采用率预计超过90%。  此外,在无线功率传输(WPT)中,LC谐振电路用于传输和接收大量电力。配备WPT的产品不仅用于智能手机和平板电脑等小型设备,还用于汽车和制造过程中的运输机器人等大型产品中。  高功率电源系统中谐振电路越来越普遍,需要用到容量更大、损耗更低的谐振电容器。  虽然多种类型的谐振电路(如LC和LLC谐振电路)变得越来越普遍,但处理大量功率的谐振电容器(谐振电路中使用的电容器)需要具有10nF或更大的稳定电容和低损耗性能。  过去,薄膜电容器是唯一可用的选择,如今多层陶瓷电容器因其多样化的优点而成为主流。尤其对于需要高功率密度的谐振电路来说,多层陶瓷器是其首选。  这篇技术文章中,我们解释使用多层陶瓷电容作为谐振电容器的好处,并介绍其特性、使用时的注意事项、选择时的考虑因素和村田产品阵容。  2.大功率谐振电路中的谐振电容器  这里,我们分三种情况来讨论。  2.1 高电压谐振电路  在处理高电流的产品(如车载WPT)中使用的谐振电路中,施加到电容器的电压V(p-p)可能非常高,范围从数百伏(p-p)到1万伏(p-p),在某些情况下可达1万伏(p-p)。由于多层陶瓷电容器的额定电压为630Vdc或1000Vdc,因此需要串联电容器以确保在高电压下工作时,使该V(p-p)保持在额定电压范围内。  由于电容器串联时组合电容会减小,因此须通过并联来确保所需的电容。  因此,谐振电容器越来越多地用于多串联和多并联连接,并且需要具有更小安装面积的产品。  2.2高谐振频率的谐振电路  在汽车市场,根据国际标准,汽车WPT的谐振频率固定为85kHz,但用于EV和PHV OBC,谐振频率因制造商而异,范围从60kHz到400kHz。在这些应用中,高频高压被施加到电容器上,容易增加其自热。  因此,谐振电容器需要具有更低的损耗,并抑制长期使用过程中自发热的增加。  2. 3MLCC .vs. 薄膜电容器  与薄膜电容器相比,多层陶瓷电容器具有更高的最高工作温度和更低的发热,因此具有优异的长期可靠性。  此外,对于具有相同电容的产品,它们的特点是体积更小,ESL更低。  由于这些特点,多层陶瓷电容器在大功率谐振电路中被大范围用作谐振电容器。  多层陶瓷电容器的特性  安装面积(体积)小  低发热(低ESR)  低ESL  出色的长期可靠性  最高工作温度高  3. 中高压、低损耗MLCC方案  如上所述,高功率谐振电路(如汽车用WPT和电动汽车和PHV用OBC)需要具有低损耗和不易产生自热的谐振电容器。为了满足对谐振电容器的需求,Murata提供了一系列额定电压为630Vdc和1000Vdc且使用低损耗材料的中高压多层陶瓷电容器。  产品分为两种类型:标准型片式和带金属端子型片式陶瓷电容(见上表)。  金属端子类型可以通过连接金属端子将大型芯片(5750M 尺寸)堆叠成两层,这不仅减少了安装面积,还有助于降低汽车市场中令人担忧的“焊料开裂”风险。由于电容器串联时组合电容会减小,因此须通过并联来确保所需的电容。  内置谐振电路的车载OBC、服务器电源和大型设施电源等大型产品由于使用时间长,因此需要电容器的长期可靠性。对于这些多层陶瓷电容器,在连续使用的情况下,目标寿命为10年。  4. 选择谐振电容器要注意什么?  包括上述介绍的产品在内,在选择谐振电路中使用的电容器(谐振电容器)时,需要注意一些事项。在大功率应用中,谐振电容器的选择不正确可能导致设备冒烟或起火。这也适用于多层陶瓷电容器,它们具备低发热量和长期可靠性;因此,必须在充分考虑其特性后进行选择。  我们将解释两个我们认为特别重要的项目:“电容器的自加热”和“电压偏离曲线”。  4.1自热限制  在高功率应用中使用的谐振电容器在施加电压后立即产生初始热量后,自发热增加。即使在多层陶瓷电容器中,自发热的增加也是不可避免的,但在目标使用寿命(例如10年)内,应避免电压和频率条件超过125°C的最高工作温度(下图)。  电容器表面温度的变化  Murata的多层陶瓷电容器将允许电压Vdc定义为电容器表面温度在其目标寿命期间达到最高工作温度125°C的电压。在选择电容器时,施加的电压V(p-p)必须保持在该允许电压内。  对于每个项目,我们设置了根据频率显示允许电压的“电压偏离曲线”(见下图),并在网站上的产品规格和规格表中提供了详细说明。  基于自加热评估的允许电压曲线设置  4.1 允许电压的限制  这里是我们对允许电压和频率之间关系的看法。上图所示的“电压折损曲线”概括了为每个项目设置的允许电压图,根据频率范围可分为三个区域。  区域1:  频率范围―低于几十kHz:受额定电压限制。  由于几个10kHz或更低的低频,电容器的自加热是最小的,额定电压成为允许电压。然而,为中、高压低损耗设计的多层陶瓷电容器在该低频范围内作为谐振电容器使用的情况很少见。  区域2:  频率范围―几十kHz到几百kHz:由于连续温度升高受到限制。  施加电压后的立即自热在ΔT20度以内,但由于施加几十kHz~几百kHz的高电压,该区域的自热增加。无论是低损耗还是高介电常数片式电容器,我们都要求工作条件确保电容器的自加热保持在20度ΔT内。  在该区域,允许电压定义为电容器表面温度达到最高工作温度125°C之前的目标寿命(在这里介绍的产品中,目标寿命为10年)的电压。使用中高压、低损耗多层陶瓷电容器作为谐振电容器的情况大多属于这一区域。  区域3:  频率范围―几百kHz或更高:由于施加电压后立即产生初始热量而受到限制。  当频率进一步增加时,施加电压后电容器的自发热会立即超过ΔT20度。如前所述,我们要求,无论低损耗或高介电常数贴片电容器,工作条件都应确保电容器的自加热保持在ΔT20度以内。即使在中、高压低损耗多层陶瓷电容器中,允许电压定义也是自加热达到20度ΔT的电压。因此,应选择温度低于此阈值的产品。  5.谐振电路MLCC选型工具  如上所述,选择谐振电容器需要考虑多种特性,这增加了元件选择的难度。这可能是使快速增长领域的技术进步复杂化的一个因素,例如汽车OBC、服务器电源和大型设备电源。特别需要强调以下两点:  由于施加的电压有升高的趋势,经常会使用多个串联和并联连接,因此需要计算等效电容。  有必要将单个电容器的施加电压V(p-p)保持在“额定电压”以下。  村田制作所开发了一款名为“SimSurfing”的工具,该工具支持根据客户的使用环境选择最佳谐振电容器。只需输入谐振电容器的工作电压、温度和所需静电容量,该工具就能显示最佳产品以及推荐的串联和并联连接数。该工具有助于减轻客户在零件选择和设计过程中的负担。
2025-07-02 15:57 reading:254
村田首款10µF/50V/0805英寸车规级MLCC正式量产
  株式会社村田制作所(以下简称“村田”)宣布,已开发并开始量产面向车载市场的首款(1)0805英寸(2.0×1.25mm)尺寸、额定电压50Vdc、电容值10µF的多层片式陶瓷电容器(MLCC),产品型号为GCM21BE71H106KE02。  注:(1)数据由村田统计,截至2025年6月25日。  随着自动驾驶技术不断进步,车载系统数量日益增加,对高性能与小型化元件的需求也显著提升。为保障自动驾驶(AD)和高级驾驶辅助系统(ADAS)等关键模块的稳定运行,IC周边对大容量电容器的需求持续上升,进而加剧了电路板空间的紧张。  为应对这一挑战,村田运用其自主开发的陶瓷材料与薄膜技术,开发出本款车规级新产品。相比村田传统10µF/50Vdc/1206尺寸MLCC,该产品在保持相同性能的同时,将尺寸缩小至0805,占板面积减少约53%,有效实现小型化。与此同时,相比同为0805尺寸、50Vdc额定电压、电容值为4.7µF的传统产品,该产品的电容值提升约2.1倍,实现了大容量化。  此外,该产品适用于12V车载标准电源线路,有助于节省电路板空间并减少电容器数量。  村田将持续推进MLCC的小型化与大容量化,丰富车用产品阵容,满足未来汽车电子在高性能化与多功能化方面的需求。同时,村田也将通过元件尺寸微型化、材料用量减少及提升单位产出效率、降低工厂用电等手段,推动节能减排、降低碳足迹,积极履行环保责任。  主要特点  1. 村田首款实现0805英寸尺寸下10µF/50Vdc的车规级多层片式陶瓷电容器(MLCC)产品  2. 与同容值、同额定电压的传统产品相比,占板面积减少了约53%  3. 与同尺寸、同额定电压的传统产品相比,电容值提升约2.1倍  4. 可安装于12V车载标准电源线,助力电路板空间优化和电容器数量精简  主要规格
2025-06-30 15:33 reading:235
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