2022年行業(yè)分析報告新材料新技術推動無源電子元件發(fā)展

新材料新技術推動無源電子元件發(fā)展隨著各種新概念、新理論、新材料、新技術被用于無源元件領域，無源元件已經(jīng)成為一個創(chuàng)新非常活躍的技術領域。

近半個世紀以來，信息技術的高速進展轉(zhuǎn)變著人類文明的進程，這在很大程度上得益于半導體器件集成技術的不斷創(chuàng)新。這一現(xiàn)象被描述為聞名的摩爾定律，即半導體集成電路的集成度每18個月翻一番。相比之下，半導體器件以外的為數(shù)眾多的電子元件，我們統(tǒng)稱為無源元件的進展則相對緩慢，構成了電子技術進展的一個瓶頸。

隨著各種新概念、新理論、新材料、新技術被用于無源元件領域，無源元件已經(jīng)成為一個創(chuàng)新非?；钴S的技術領域。

新一代無源集成材料相繼問世

近年來消失的低溫共燒陶瓷技術(LTCC)使無源元件的集成成為可能。LTCC技術是集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷制造技術。其基本原理是將多層陶瓷元件技術與多層電路圖形技術相結合，利用低溫燒結陶瓷與金屬內(nèi)導體在900℃以下共燒，在多層陶瓷內(nèi)部形成無源元件和互連，制成模塊化集成器件或三維陶瓷基多層電路。該技術為無源電子元件的集成和高密度、系統(tǒng)級電子封裝供應了抱負的平臺。LTCC技術涉及一系列簡單的科學技術問題，而其核心問題之一則是低溫共燒陶瓷材料。

低溫共燒陶瓷材料是LTCC技術的基礎。其中最重要的材料是低介電常數(shù)(ε在10以下)低燒陶瓷，而目前亟待突破的難點是實現(xiàn)性能的系列化。盡管文獻報道的低介LTCC材料種類許多，但迄今可商品化的基本上屬于兩大類材料：一類是微晶玻璃系統(tǒng)，有有用價值的是以Ca0-B203-Si02為主配方的材料系統(tǒng)(簡稱CBS系)，為美國Ferro公司的專利。其特點是結晶相直接從玻璃中析出，因此材料具有較好的顯微結構勻稱性。其主要問題是，B3+的增多會增大材料介質(zhì)損耗并降低其力學性能，而Si4+增加則會使燒結溫度增高，因此難于對體系組分進行調(diào)整以實現(xiàn)系列化。其次類是以陶瓷氧化物顆粒和低熔玻璃相復合的陶瓷-玻璃復合材料。美國杜邦公司和德國Heraeus公司的LTCC瓷料屬于這一類。這類體系性能可調(diào)的前提是能夠進一步降低玻璃相熔點，而杜邦公司和Heraeus公司所選擇的低燒玻璃主要是硼硅系玻璃和鈉玻璃，其中促進燒結溫度降低的Na和B的組分的增加都將導致介電損耗的增加?？梢姡萍s低介LTCC材料系列化的核心問題是材料的燒結溫度與介電性質(zhì)之間的沖突?，F(xiàn)有商用低介電常數(shù)LTCC材料的組成均選擇在其性能所能容忍的最低燒結溫度點上，任何對材料摻雜改性的努力均將導致材料燒結溫度的提高，使材料無法滿意共燒要求。而只有基方材料同時具有低介電常數(shù)、介電損耗以及低的燒結溫度，才能承受更多的改性組分的引入以實現(xiàn)對材料性能(如介電常數(shù)、熱性能、機械特性等)的調(diào)整。因此，查找兼具有低的介電常數(shù)及介電損耗和低的燒結溫度的基方材料是實現(xiàn)高性能系列化低介LTCC材料的關鍵。

近年來，我們通過系統(tǒng)地討論，進展出了以硅鋁氟氧化物為基礎的新一代LTCC基方材料。通過氟的引入不僅有效降低了介質(zhì)的介電常數(shù)和介電損耗，還更大幅度地降低了陶瓷的燒結溫度。通過氟的調(diào)制，使基方材料在加入各種高熔點調(diào)整劑時依舊可以實現(xiàn)低溫燒結，因而具有寬闊的優(yōu)化和剪裁空間。

超常電磁介質(zhì)不斷改進

電磁介質(zhì)是無源電子元件的基礎和核心部分，無源元件的重大進展很大程度上得益于介質(zhì)材料的改進和提高。然而，經(jīng)過近一個世紀的探究，常規(guī)介質(zhì)材料的可改進空間已經(jīng)越來越小。“超常介質(zhì)”(metamaterials，又稱“超材料”)指的是一大類具有人工設計結構和超常物理性質(zhì)的材料系統(tǒng)。近年來，光子(電磁波)帶隙理論、左手介質(zhì)理論等的提出為設計這類新型材料系統(tǒng)供應了理論依據(jù)。超常介質(zhì)可望為無源元件和無源集成的進展供應一個突破口，具有超常物理性質(zhì)的介質(zhì)有可能成為新一代電子元件的基礎。一些基于超常介質(zhì)的新型無源元件，如超小型化的濾波器、微型天線、無繞線電感等相繼被提出。通過人工設計的結構可望使用較少的(1-2種)材料實現(xiàn)通常需要多種材料才能實現(xiàn)的多種元件功能，這將有利于克服無源集成所面臨的材料兼容障礙。同時，以無源元件為結構單元的網(wǎng)絡也是目前實現(xiàn)各種超常物理特性設計的基礎。

憶阻器被證明存在

根據(jù)我們目前的學問，基本的無源電子元件只有3大類，即電阻器、電容器和電感器。而事實上，無源電路中有4大基本變量，即電流、電壓、電荷和磁通量。早在1971年加州高校伯克利分校的蔡少棠(LeonChua)教授就提出一種猜測：應當有第四個元件的存在。他在其論文《憶阻器：下落不明的電路元件》提出了一類新型無源元件—記憶電阻器(簡稱憶阻器)的原始理論架構，推想電路有自然?的記憶力量。憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。通過掌握電流的變化可轉(zhuǎn)變其阻值，假如把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，則這種電阻就可以實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。

2022年，美國惠普試驗室下屬的信息和量子系統(tǒng)試驗室的討論人員在英國《自然》雜志上發(fā)表論文宣稱，他們已經(jīng)證明了電路世界中的第四種基本元件———憶阻器(Memristor)的存在，并勝利設計出一個能工作的憶阻器實物模型。在該系統(tǒng)中，固態(tài)電子和離子運輸在一個外加偏置電壓下是耦合在一起的。這一發(fā)覺可關心解釋過去50年來在電子裝置中所觀看到的明顯特別的回滯電流—電壓行為的許多例子。憶阻器器件的最好玩的特征是它可以記憶流經(jīng)它的電荷數(shù)量。其電阻取決于多少電荷經(jīng)過了這個器件，即讓電荷以一個方向流過，電阻會增加；假如讓電荷以反向流淌，電阻就會減小。簡潔地說，這種器件在任一時刻的電阻是時間的函數(shù)———多少電荷向前或向后經(jīng)過了它。

目前已經(jīng)可以通過一些技術途徑實現(xiàn)憶阻器，但制約這類新硬件進展的主要問題是電路中的設計。目前還沒有憶阻器的設計模型使其用于電路當中。有人猜測，這種產(chǎn)品5年