|
新型電子元器件、集成電路和軟件工程是電子信息技術發展的三大支柱，任何一項狀況都會對信息技術產生重大影響。元源元件是電子元器件的主體，門類繁多，應用廣泛。近些年發展起來的新型元件尤為重要，得到了我國政府的大力支持，成為當前新的經濟增長點。 新型無源元件產業狀況 2001年我國電子元件的產量為2200億只，銷售額為1084億元，進口128億美元，出口94億美元，逆差達34億美元。這表明我國生產的電子元件尚不能滿足國內電子產品的需求。尤其是高檔新型電子元件差距更大，這部份仍然依賴進口。據分折，預計到2005年我國市場將需求電子元件5000億只，其中大部份是新型電子元件。為了應對這種發展態勢，我國將大力支持發展新型電子元件，如：表面貼裝元件、敏感元件、光電子元件、微波介質元件、聲表面波元件、新型機電/聯接器/繼電器、綠色二次電池等。到2005年，我國新型電子元件的產量將達到4000億只。 新型電子元件技術狀況 片式R/L/C元件： 片式電阻器、電感器、電容器是片式電子元件的主體。目前己經發展成為規模龐大的產業。雖然己經基本上成形，門類齊全、標準化、系列化，但在技術上仍在不斷地發展：封裝尺寸滿足EIA/EIAJ標準的要求，并從3216/2012發展到1608/1005，進而向0603進展，其應用主流尺寸正在從1608向1005過渡，圖1表示出了疊層陶瓷片式電容器MLCC的封裝尺寸發展趨勢，性能參數范圍在不斷擴大。如:最近日本的Matsushita公司研制成功大電容量的多層陶瓷電容器，電容量最大為100 F，最高耐壓為25V，可用于LCD顯示器的電源線路。在熱穩定性方面，在-55℃至85℃的溫度范圍，這些電容的電容量變化不超過15%。新產品中的介電層厚度是1.8 m，內部電極的厚度是1.6 m。未來，把介電層厚度做成1 m，并且逐漸把內電極做得更薄：1.2 m，0.8 m直至0.5 m，將能夠提供電容量更大的產品，例如尺寸為1005的10 F電容器。又如TDK的2012/1608疊層型片式電感器的電感量分別達到220/100 H。在工藝上也在發展，如：為了節省昂貴的金屬鈀（約20萬元/公斤），國外各主要生產廠家都己開始采用價格較低的金屬Ni（36元/公斤）或Cu作為內電極制作BME-MLCC，己占到總量的90%以上。Ni電極漿料成本約為鈀電極漿料成本的60%，電容器成本可降低20%，成為當今MLCC生存競爭的熱點。我國在這方面剛剛起步，形勢極其嚴峻。日本TDK公司采用Ni電極開發出B特性100 F大容量多層陶瓷電容器。該種多層陶瓷電容器，通過進一步進行材料超細化和高分散化，提高了可靠性。運用介質材料的薄層化和高精度疊層技術，數百層的疊層體與內部電極組合在一起,使介質成為無缺欠的燒結體，并采用獨特的排膠和燒結技術來實現的。 另一發展趨勢是高頻化和組件化。為了適應以移動通信為代表的無線數字交換系統向微波頻段發展的需求，片式R/L/C的頻率已發展到3GHz以上；為了節省PCB占用面積和提高性能，己經推出了陣列/組合件產品,如電容排、電感排、LC濾波器、RC組件等；為了適應電源線的要求，承受電流已提高到6A以上。 鋁/鉭電解電容器和薄膜電容器是不可缺少的電子元件之一，它們的電容量很大，無可替代。但由于其結構特點，片式化較遲，近幾年才有較大的突破。目前己有系列的片式鋁/鉭電解電容器和薄膜電容器面市，而且在降低ESR和提高SRF方面有很大進展。同時，為了降低成本，鈮電解電容器也嶄露頭角。 敏感元件 在信息技術中，處處離不開各種特性傳感器，而傳感器的心臟就是各種敏感元件，如：溫敏、電壓敏、力壓敏、濕敏、氣敏、化學敏、生物敏等等。其中以溫敏和壓敏應用最廣泛，己形成規模產業。在溫敏元件中，主要有三種，即：CPTCR（陶瓷正溫度系數熱敏電阻器）、CNTCR（陶瓷負溫度系數熱敏電阻器）、PPTCR（高分子聚合物正溫度系數熱溫電阻器）。前些年CPTCR和CNTCR都是引線型結構，應用于電視機等許多電子產品中，但 具有體積較大，熱慣性較大，不能應用于SMT電路等缺點。近年來由于陶瓷疊層共燒技術的發展和應用，已將CPTCR和CNTCR片式化，制出了疊層型片式產品，其封裝尺寸系列與片式R/L/C一樣均滿足EIA/EIAJ標準要求。疊層型片式CPTCR相當于 若干個熱敏電阻的并聯，從而減少了電阻，提高了熱響應速度，適用于現代SMT電路的電子產品，如大電流IC、半導體功率管等的熱保護，效果非常良好。2000年全球產銷量達8億只。引線型塊狀CNTCR難以同時保持高B值和低電阻，而且體積大。 采用陶瓷疊層共燒技術制出的疊層型片式CNTCR則克服了這個缺點。如西門子的C1621型疊層型片式CNTCR的電阻降到幾十毆姆時，其B值仍能保持在3500以上。這種產品的特點是溫控精度高，適用于某些要求在固定溫度范圍內才能正常工作的電子元器件，如大量使用的溫補晶體振蕩器。國外各大公司都有系列產品問世，國內深圳順絡公司也開發成功，電阻為100毆姆時B值保持在3150左右。半導體ZnO陶瓷壓敏電阻器己有多年歷史，應用范圍廣泛，特 別是在中壓和高壓電器的保護和防雷電中，受到人們的青睞。但由于其壓敏電壓與兩個電極之間的距離成比例，因而塊狀結構的ZnO壓敏電阻器在體積和低電壓方面均不可能滿足現代電子產品的要求。近年來,人們利用陶瓷疊層共燒技術，用摻雜ZnO半導體陶瓷材料制造出了其結構與MLCC完全相同的疊層型式片ZnO壓敏電阻器。其特點是：壓敏電壓低，可低達2V左右，通流量大，響應速度快，達300pS；可靠性高，電容量的選擇范圍大 ，包括相當低的電容量以滿足高速數據線的要求。其封裝尺寸系列有1005（0402）/1608(0603)/2012（0805）。這種產品適合于各種集成電路、MOSFET、I/O接口、功放等過電壓保護，發展前景十分廣闊。有人預測今后幾年增長速度可達30%。我國相對發展緩慢，但一些公司如深圳順絡公司己生產出這種產品。PPTCR是在高分子聚合物中加入導電顆粒復合而成，主要做為自恢復熔斷器，應用非常方便。 EMI對策元件 我國加入WTO后，與世界經濟接軌，所有電子/電力產品都必須達到電磁兼容EMC的標準才能進入市場。為此，在產品設計中必須采用一些適當的抗電磁干擾的EMI對策元件。電磁兼容是一項系統工程，防止電磁干擾是其核心內容。電磁干擾的發生、傳播、和抑制是相當復雜的，因而EMI對策元件的品種繁多，性能各異。如，電感性EMI元件（電感器、磁珠、磁珠排、共模扼流圈、差模扼流圈等）、電容性EMI元件（電容器、串心電容器、三端電容器、X2Y電容器等）、組合式EMI元件（LC濾波器、LC陷波器、三端磁珠-電容器、三端電阻-電容器、壓敏-電容器等）。由于市場的強勁需求，世界各大電子元件公司都投入了大量人力物力開發這一領域，進展異常迅速，其主要發展方向是高頻化（由于電子產品向高頻發展）、微小型化、多功能組合化和集成化。例如：Murata公司在三端片式電容器（疊層型片式穿心電容器）的基礎上，又開發出了含有電阻的三端片式電容器NFR系列、含有電感的三端片式 電容器NFW系列、含有兩個磁珠的三端片式電容器NFL系列、以及Ni內電極大電流（6A）大容量（1 F）系列等，鐵氧體簿膜共模扼流圈的封裝尺寸為3.2 1.5 1.15mm，在100MHz時，其共模阻抗可達550 ，而同時其差模阻抗不超過10，特別適用于高速數字信號線，疊層型片式三繞組共模扼流圈的尺寸僅為2.5 2.0 1.2mm，它可以非常有效地在音頻信號線上抑制來自高速數字電路的高頻噪聲而不會造成聲音的畸變和串音，在最新款式的袖珍音影電子產品中，如MP3，十分受歡迎，薄膜扼流圈陣列尺寸為3.2 1.6 1.15mm，內部封裝了兩個共模扼流圈；TDK將一個共模扼流圈和一個差模扼流圈封裝在一起，尺寸僅為3.2 2.5 2.3mm；英國Syfer公司將兩個Y電容器和一個X電容器集成在一起，構成一個疊層型片式X2Y電容組件，同時抑制共模和差模噪聲，其封裝規格為2012（0805）和3216（1206），用于DC電源濾波器，美國AVX公司深入研究了疊層型片式穿心濾波電容器（Feed through Filter Capacitor），經過精確設計內電路，將70%的寄生支路電感轉移成輸入/輸出線上的串聯電感，起到一個T形低通濾波器的作用，從而顯著地提高了自諧振頻率，加寬了對噪聲抑制的頻寬和強度。 該公司還開發了一種新材料，用疊層技術解決了R-C組合問題，避開了陶瓷膜 銀電極 釕系電阻膜共燒的復雜工藝，開發出了一系列稱之為|Z|產品的組件，如R-C組件、R-C-R低通濾波器及其陣列等。 由于我國嚴格執行電磁兼容法規的工作開展較晚，因而EMI對策元件的研制與生產也很簿弱。在與國際經濟接軌浪潮的推動下，我國EMI對策元件產業迅速發展起來，已經出現了一些專業廠家。 頻率元件 這類元件主要包括濾波器、延遲線、振蕩器、諧振器等。從類型來分，主要有石英晶體類、聲表面波(SAW)類、微波陶瓷介質類和疊層型LC組合件類。石英晶體器件在移動通信的強勁推動下，向表面貼裝型和小型化方面取得 很多進展，如：溫補晶體振蕩器TCXO的主流尺寸己從9×7×2mm過渡到7×5×1.7mm，并己出現了5×3.2×1.5mm的新產品。壓控晶體振蕩器的尺寸縮小到5×3×1mm。SAW（聲表面波）濾波器在彩電和移動通信中最早獲得廣泛應用 。前些年由于叉指換能器加工精度的限制，這類器件的工作頻率最高僅為幾百兆赫。近年來，借助半導體微細加工技術，可以將叉指換能器的線距做到亞微米級，從而將SAW濾波器的頻率提高到2GHz以上。近來又開發了新型襯底 材料，如金剛石薄膜，能夠將SAW的頻率進一步提升。例如美國SAWTEK公司可以提供頻率高達3GHz的各種SAW產品，其SAW雙工器尺寸為5.0×5.0×1.5mm，體積比第一代同類產品縮小了74%，重量減少了75%，僅是陶瓷雙工器重量的3%，滿足了TDMA/CDMA的要求。有媒體報導說：富士通實驗室和富士通媒介公司開發出一種適用于5GHz工作的移動和無線接入通信設備的SAW濾波器，其體積為2.5×2.0×1.0mm，頻率可至5.0×5.8GHz，帶內插損小于3dB。 近來美國安捷倫（Agilent）研制成功了薄膜體聲波諧振器FBAR（Film bulk acoustic resonator），它是在壓電薄膜的兩面制備導電電極，施加電壓，在薄膜內激勵體聲波，其傳播速度比表面聲波快，波長較長，因而其結構可以制作的更加精細。這種FBAR元件具有頻率高、Q值高、體積小、承受功率大、換能效率高等諸多優點，而且與半導體工藝兼容，容易與其它元器件集成。利用FBAR可以制作濾波器、雙工器、振蕩器等多種高性能小體積表面貼裝型微波器件，帶來突破性進展，其電性能己能達到3G移動通信的要求。該公司最新推出的ACPF-7001型濾波器尺寸為3×3×1.1mm，在1850～1910MHz通帶內插入損耗小于3.5dB，在1930～1990MHz接收帶內衰減大于40dB；在一般CDMA手機中通常要使用兩個SAW濾波器和一個開關，而現在只使用一個ACPF-7001濾波器就可以滿足要求了。HPMD型雙工器尺寸為5.5×11.9×2.0mm，頻率為1900MHz，其體積比陶瓷雙工器減小了（50～80）%，特別適用于超小型手機和PDA等產品中。目前，如摩托羅拉、韓國三星、日立、NEC等公司都己采用了這類FBAR器件。利用LC組合件也可以制作頻率元件。它是由低溫燒結電子陶瓷/鐵氧體與導體漿料的共燒技術和精細疊層工藝，制成了多種以鐵氧體和陶瓷為層間介質的疊層獨石結構的表面貼裝器件。日本Murata、TDK、T-yuden、Toko等以及美國的AVX、AEM、Vishay等公司都開發了這種先進技術。此類微波器件具有體積小、可表面貼裝、性能優良、可靠性高、可承受波峰焊和再流焊等諸多優點。如低通/高通/帶通濾波器、雙工器、定向耦合器、天線、延遲線、平衡-不平衡轉換器（balun）等均己產業化并獲得廣泛應用。 電路保護元件 隨著社會的進步，人們對電子/電力產品的安全性、可靠性越來越關心。一旦出現問題還可借助法律來保護自己的權益。這就促使生產廠家在自己的電子/電力產品中安裝一些必要的電路保護元件。加之電子/電力產品日益 多樣化、復雜化，因而電路保護元件迅速發展起來，形成一個品種繁多的電子元件領域，主要有過電流保護、過電壓保護和過熱保護三大類別。 雖然玻璃管-金屬絲型熔電器（保險絲）應用最廣、產量最大，但它在很多場合中滿足不了現代產品的要求，如體積、精度、可靠性、安裝形式等。近年來開發了一些新型過電流保護元件，如：厚膜固態熔斷器，采用 厚膜印刷工藝在陶瓷基片上印制特定組份的熔斷導電帶，再以樹脂包封而成。當達到額定電流時，導電帶熔斷，起到電路保護作用。其特點是額定電流范圍寬，可達上百安培，可靠性高，耐強烈沖擊振動，熔斷時不發生爆炸，不產生微顆粒等污染，薄膜固態熔電器，它是采用薄膜工藝在陶瓷或樹脂基片上制作熔斷導電帶，再外加包封而成。其特點是片式化，包封尺寸符合EIA標準，目前最小規格為1005(1.0×0.5mm)，響應速度快，為毫秒級，精度高，適用于 保護昂貴的關鍵部位，美國Littlefuse、AVX、Bussman等公司均可提供產品，疊層型片式熔斷器，這是美國AEM公司的獨家專利。它是用陶瓷疊層工藝將陶瓷膜和熔斷導電帶疊置共燒而形成的獨石結構，相當于若干個熔斷絲并聯 在一起，因而是目前承受能量密度最高的過電流保護元件，同樣具有EIA標準的片式化系列。另一類剛剛興起的自恢復保險絲引起了人們的歡迎，它就是本文前面提到的PPTCR。它是在高分子聚合物中加入導電顆�；驅щ娊z復合而成，常態下導電物相接觸，形成導電通路。當過電流時，由于發熱而膨脹，使導電物接觸變差，導致電阻驟然上升，起到限流保護作用。過電流之后，溫度下降，又自動恢復原狀，不必更換。其最大優點在于自恢復，非常方便。缺點是體積較大，未能向EIA片式化標準靠攏。減小常態下的電阻也是這種元件的努力方向。 瞬變電壓和浪涌電壓造成的損害是人所共知的，靜電放電(ESD)對IC和半導體器件的破壞是致命的，為了應對這些問題，人們研制了多種過電壓保護元件，如氣體放電管、瞬變電壓抑制二極管TVS、閘流管、氧化鋅壓敏電阻器等。特別是近年來由于IC和半導體器件的電壓一降再降，予計到2005年將降到1.2V，過電壓保護越發重要。這兩年出現的疊層型ZnO壓敏電阻器值得人們關注----- 疊層型片式陶瓷壓敏電阻器(MLV)：半導體ZnO陶瓷壓敏電阻器己有多年歷史，應用范圍廣泛。特別是在中壓和高壓電器的保護和防雷電中受到青睞。但由于其壓敏電壓與兩個電極之間的距離成比例，因而塊狀結構的ZnO 壓敏電阻器在體積和低電壓方面均不可能滿足現代電子產品的要求。近年來人們利用陶瓷疊層共燒技術，用摻雜改性ZnO半導體陶瓷材料制造出了其結構與MLCC完全相同的疊層型式片ZnO壓敏電阻器。其特點是：壓敏電壓低，可低達2V左右，通流量大，響應速度快，達300pS，可靠性高，電容量的選擇范圍大，包括相當低的電容量以滿足高速數據線的要求。其封裝尺寸系列符合EIA標準。這種產品適合于各種集成電路、MOSFET、I/O接口、功放等過電壓保護， 發展前景十分廣闊。有人預測今后幾年增長速度可達30%。我國相對發展緩慢。深圳順絡公司己生產出這種產品，性能良好。 疊層型片式陶瓷穿心壓敏電阻器。(MLVF)。如上所述，疊層型壓敏電阻器可以保護電路，其響應時間Tr和自諧振頻SRF與寄生電感Lp有密切關系，Lp越大，Tr越長，SRF越低。如果將疊層型壓敏電阻器做成穿心式結構，如疊層型三端穿心電容器那樣，則其寄生電感Lp將有70%“轉移到”輸入/輸出信號線上，這樣就縮短了Tr，提高了SRF，而且組成了一個T形LC低通濾波器，有助于抑制高頻噪聲，可謂一舉兩得。美國AVX公司最近首先推出了這種TransFeed新產品，壓敏電壓為5.6～18V、允許通過的電流為0.5～1.0A。 內置ESD保護功能的IC：一些IC生產廠家，為了防止靜電放電對IC的損壞，在制造過程中將過電壓保護元件(如二極管)集成在一起，使IC自身具備防靜電功能。 在許多情況下，熱保護是十分重要的，不僅是為了防止事故于末然，有時也是保證電路或電子元器件能夠在寬溫范圍內正常工作措施之一。本文前面提及的CPTCR、CNTCR、PPTCR均是首選的熱保護元件，不再贅述。 新型電子元件的發展前景 產業發展前景 如前所述，新型電子元器件是信息技術的三大支柱之一，受到我國政府的重點支持。預計到2005年，全國年產量將達到5000億只，其中80%為新型元器件，力爭能夠基本上滿足國內電子產品的組裝需求，大幅降低進口量,使我國成為電子元器件生產大國。為此必須加大自主開發能力，提高生產技術水平，及早推廣綠色電子工程與國際接軌，解決上游原材料配套問題，降低成本，企業結構重組，創建品牌，擴大國內外銷售渠道。雖任重道遠，但前景令人樂觀。 技術發展前景 1.繼續擴大片式化、微小型化。雖然片式元件己經相當成熟，但有些電子元件仍未能片式化或者雖然可以進行表面貼裝，但體積較大，滿足不了電子產品輕、薄、小的要求。如磁性變壓器、功率電感器、繼電器、連接器、電位器、可調R/L/C、鋁/鉭電解電容器、薄膜電容器、陶瓷濾波器、PPTCR及一些敏感元件均屬此類產品。人們正在努力解決這些問題。 2.高頻化高速化。電子產品向高頻(微波波段)發展的趨勢很強勁，如無線移動通信發展到2GHz，藍牙技術是2.4GHz，短距離無線數據交換系統可達5.8GHz。此外，高速數字電路產品越來越多，光通信的傳輸速度 已從2.5Gbps發展到10Gbps。這些進展都對電子元器件提出了更高的要求，如降低寄生電感、寄生電容、提高自諧振頻率、降低高頻ESR、提高高頻Q值等。 3.集成化。片式R/L/C是片式電子元件的主體，在數量上占到90%。這些片式元件的封裝尺寸己經縮小到0.6×0.3×0.3mm。這樣微小的尺寸給制造和使用都帶來了很多不便。多數人士認為封裝尺寸己達極限，不必要 再進一步縮小單個片式元件的裝封尺寸了。那么發展方向何在?答案是向組件化、模塊化、多功能化、無源元件集成化、無源/有源元器件集成化發展。目前己經出現了各種R/L/C組合件，國外著名公司采用LTCC(低溫陶瓷共燒)技術、薄膜集成技術、PCB集成技術、MCM多芯片組裝技術做出了多種無源/有源集成模塊，并已付之應用，其發展前景不可限量。 4.綠色化。在電子元件的制造過程中，往往使用大量有毒物料，如清洗劑、溶劑、焊料及某些原材料等。在電子元件成品中有時也含有有毒物質，如汞、鉛、鎘等�，F在一些發達國家己經立法禁用這些有害物質，提倡綠色電子。我國電子元器件行業也面臨這一課題，有大量的技術難關等待我們去攻克。 |
