毫米尺度内筑起千层“高楼” 超微型电子元件展现“中国功夫”

业界 | 2021-11-10 09:16:48
时间:2021-11-10 09:16:48   /   来源: 科技日报      /   点击数:()

这些新成品已在移动通讯、汽车电子、工控、智能家电等领域推广应用,销售同比增长150%—210%。其中在中兴、华为手机及基站所需阻容元件种类中占比已达到30%以上,并出口欧美及东南亚国家。

一部小小的智能手机,里面含有约1100颗片式电容器、300—400颗电阻器。但你是否知道,片式电容器的尺寸是有多么的小。“不仅是小,关键是这么微型的电子元件中包含着多达数百上千层的复杂结构。”广东风华高新科技股份有限公司(以下简称风华高科)总工程师、研究院院长付振晓说。

但正是这样一个微型的电子元件,其中所蕴含的技术壁垒,使得片式阻容元件的国产化道路困难重重。

10年前,付振晓带领团队向此技术发起攻关,他们的“超微型片式阻容元件精密制造技术及应用”项目,攻克了超微型片式阻容元件关键技术,实现了微型片式阻容元件及关键材料的产业化和自主供应,实现了5G基站用阻容元件的自主供应。该项目日前获得2020年度广东省科技进步奖一等奖。

国产化道路步履维艰

什么是片式阻容元件?

“它实际上是电子信息领域的一个基础产品,电路里面只要有电的地方都会用到这个元件,主要起到电路滤波、控制电路信号的输出等作用。”付振晓说。

随着智能化时代的到来,手机、可穿戴设备对片式阻容元件空间要求越来越高。“像我们研发出的一款最小薄介质高容片式多层陶瓷电容器(MLCC)元件,仅有0.4毫米×0.2毫米。并且在如此微型的电子元件中,还包含着多达数百上千层的复杂结构,每一层的厚度都以微米级计算。”提起片式阻容元件的技术,付振晓强调,“层与层之间的对接,不能出现丝毫差错,无论对工艺精度,还是材料力度的要求都非常高。”

看起来只是一个微型的电子元件,可它的国产化道路却是步履维艰。我国片式阻容元件消耗量约占全球总量的70%,然而自主生产却不足8%,尤其是高端片式阻容元件,国内基本依赖进口,年度贸易逆差超300亿元。

片式阻容元件的研发究竟难在哪呢?

“主要难在三大方面。”付振晓介绍,一是超小尺寸、高精度电极对位超差等导致的产品精度和可靠性差,特别是数百层电极对位精度超差等导致难以大规模生产;二是超薄介质层中纳米晶介质材料因结构缺陷和难以分散造成的产品电场作用下绝缘下降失效;三是陶瓷材料和金属电极材料共烧不匹配造成的电极不连续、产品电性能和可靠性差。

“没有自主开发能力的话,企业很难在激烈的技术及市场竞争中存活下来。”付振晓毕业后就进入风华高科博士后科研工作站,工作近20年来,多次面临国际同行业技术大变革所带来的严峻挑战,这让他深深认识到自主研发的重要性。

10年前,瞄准“超小尺寸、超薄介质、高精度、高可靠”的技术需求,付振晓带领团队联合清华大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中兴通讯股份有限公司(以下简称中兴)、清华大学深圳国际研究生院组建了项目团队,朝薄介质高容片式多层陶瓷电容器发起攻关。

突破国外封锁的关键工艺技术

针对可能出现的种种技术难题,研发团队制订了详细的攻关计划,将大问题拆解为小问题,分工合作、逐一击破。

最为艰难的时候,为了解决同一技术问题,研发团队分成3个小组,从不同角度入手,寻找最佳的技术方案。

以超微型片式阻容元件快速共烧技术创新为例,研发团队根据不同材料的温度和反应差异等,最终研究出“提高升温速度、缩短升温时间可有效降低烧结动力及界面反应能”的原理。在此基础之上,发明了MLCC快速共烧技术,最终成功解决了超微型MLCC超薄介质和镍内电极烧结不匹配、超微型片式电阻器电阻体和电极之间界面扩散严重的问题,让界面反应层的控制更加精准,这项成果解锁了被国外封锁的关键工艺技术,使产品容量提升超过30%,合格率提升至94%以上。

同时,在国内首创的贱金属端电极新型低温烧结技术,将端电极表面气孔率降至0.2%,产品失效率降低至百万分之一以下,达到国际标杆企业水平。

经过不懈的努力,研究团队开发出具有自主知识产权的薄介质高容片式多层陶瓷电容器、高精度01005片式电阻器以及高性能纳米晶介质材料,这些新成品已在移动通讯、汽车电子、工控、智能家电等领域推广应用,销售同比增长150%—210%。其中在中兴、华为手机及基站所需阻容元件种类中占比已达到30%以上,并出口欧美及东南亚国家。

“该项目攻克了超微型片式阻容元件关键技术,填补了国内空白,实现了微型片式阻容元件及关键材料的产业化和自主供应,有效缓解了我国高端阻容元件受制于人的问题,实现了5G基站用阻容元件的自主供应。”付振晓说。

在此基础上,研发团队还开发出一款新产品——在坚硬的陶瓷上加上柔性端子,极大提升了产品的可靠性,支撑了我国关键基础元器件的国产化替代,为我国电子信息产业的安全发展和国家战略安全提供了有力保障。

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