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我國無源電子元件及其關鍵材料研究發展的若干戰略思考
作者: 來源: 閱讀:2801 時間:2010年04月22日 字體:[  復制 打印 網址

  無源電子元件是一大類重要的電子信息產品。無源元件與有源器件(集成電路等半導體產品)共同構成電路的核心部分,是各類電子信息產品的基礎。在新型電子產品中,集成電路和無源元件占全部電子元器件及零部件的生產總成本的46.1%和9.1%,而在總安裝成本中卻分別占12.7%和55.1%,甚至某些片式元件的管理和安裝成本已經超過其價格。不難看出,無源電子元件已經成為制約整機進一步向小型化、集成化發展的瓶頸。

  1、無源電子元件在我國經濟社會發展中的地位
  根據信息產業部的統計資料,我國的電子信息產業規模已經成為國民經濟第一大產業。信息業產業的發展已成為決定我國的國民經濟、社會發展、人民生活、國家安全水平的主要因素。
  電子元件及其組件制造業是電子元器件行業的主要組成部分,也是電子信息產業的支撐產業。電子設備一般都是由基本的電子元件構成的,從日常生活中的電腦、電視、PDA、手機、DVD等電子產品到載人航天、先進武器的尖端技術,電子元件無處不在。電容器、電阻器、電感器、變壓器、濾波器、天線等無源元件都是電子產品中必不可少的基礎元器件,在日常生活和國家戰略中均發揮著重要的作用。電子元件及其組件屬于電子信息產業的中間產品,介于電子整機行業和原材料行業之間,其發展的快慢、所達到的技術水平和生產規模,不僅直接影響著整個電子信息產業的發展,而且對發展信息技術,改造傳統產業,提高現代化裝備水平,促進科技進步都具有重要意義。
  隨著電子信息整機產品制造的規模化,其對上游產品的配套能力要求日益強烈,電子元器件制造業作為基礎產品的重要地位日益明顯。目前,我國電子信息產業處于高速增長時期,一方面,新一代電子整機產品市場規模迅速擴張,急需各種電子元器件產品,尤其是新型電子元器件為之配套;另一方面,隨著電子整機產品向數字化、信息化方向發展,電子元器件在電子整機產品中所占的比重日益增加,電子整機產對電子元器件的依存度也越來越大。

  2、高端電子元件及其關鍵材料和技術研發的戰略意義
  從產量上看,我國的多種無源元件產品,如電容器、電阻器、磁性元件等在世界上均名列前茅。但從銷售額來看,這些產品都不占世界首位,這說明高檔產品還有一定差距。如何將我國從電子元件大國變為電子元件強國,一直是我國政府、產業界和科技工作者長期探索、努力解決的一個問題。
  目前我國電子元器件市場的供需矛盾仍然比較明顯,突出表現為產品供給與整機需求之間的脫節。一方面,我國很多領域的電子元器件產品產量位居世界前列,并大量出口;而另一方面,我國也是全球最主要的電子元器件產品進口國之一。形成這種局面的原因主要在于,國產電子元器件產品主要集中在技術含量較小的中低端領域,因此大量新型電子元器件依靠進口,同時,價格、渠道、服務因素也在很大程度上影響了我國電子元器件產品穩定進入整機配套體系。以用量最大的一類電子元件――多層陶瓷電容器(MLCC)為例,如表1所示,從2000到2004年間,盡管我國的元件產量從960億只增加到1550億只,但進出口貿易逆差卻從440億只增加到880億只。
  從電感類產品得情況看,目前我國的片式電感生產總和只占全球的不足5%,與我國每年占全球約30%左右的片式電感用量嚴重不成比例,且主要應用于一些中低檔次的電子產品中,幾乎所有的領先性電子產品(如移動通信)中所采用的這類基礎元件基本上完全被日本、韓國和臺灣的企業所壟斷。
  (三)無源元件發展的歷史機遇
  近年來電子元件產品進入了一個迅速升級換代的時期。其突出表現是插裝向表面組裝、模擬化向數字化、固定式向移動式、分離式向集成化轉變。從技術上看,無源電子元件的多層化、多層元件片式化、片式元件集成化和多功能化成為發展的主要方向。基于多層陶瓷技術(MLC)和低溫共燒陶瓷技術(LTCC)的新一代電子元件已成為電子元件的主流,而集成化則是電子元件的主要發展方向。新一代電子元件與無源技術的發展正在成為高技術發展的制高點和產業生長點。
  此外,在國際化的趨勢下,國際電子制造產業中心向中國轉移,將對中國的電子元件產業產生了巨大的拉動。電子元件采購的本土化將成為大勢所趨。未來5-10年,我國的電子元件市場將出現高速增長。
  電子元件產的主要利潤點在于新一代高端產品。片式電子元件的全面升級換代,無源集成技術的迅速崛起,為我國有關企業提供了一系列實現跨越式發展的技術切入點。通過國家大項目的牽引,組織產學研聯合的研發隊伍,從材料、制程和設計方面全方位的研究開發,將有望使我國電子元件產業站在高的起點上參與國際競爭。
  在電子元件升級換代速度加快、無源集成產業剛剛興起、以及國際性的產業轉移之時,抓住機遇,投入力量,研究開發開發具有自主知識產權的新一代電子元件及無源集成材料系統、模塊設計、及制程工藝,對我國信息技術的長期發展將是十分必要的。
  (四)世界各國無源元件研發情況
  近年來,隨著電子信息產品升級換代速度的加快,電子元件的進一步升級換代和集成化的問題日益為世界各國政府、產業界和學術界所關注。特別是由于低溫共燒陶瓷(LTCC)等技術的突破使無源集成技術進入了實用化和產業化階段,新一代無源元件和相關的集成技術成為倍受關注的技術制高點。早在上世紀90年代中期,美國政府就曾撥款7000萬美元,實施了一個旨在研究發展無源集成和多芯片組裝的三年計劃。2000年,美國商務部、國家標準與計劃研究院和一些大型企業聯合發起了一個規模更大的“先進嵌入式無源元件聯合研究計劃”,這一為期四年的計劃是通過建立一個國家制造科學中心,推動新一代集成化無源元件的研究開發,其研究內容涉及發展新材料、新制程、以及新的設計工具(軟件),據稱目前已取得重要成果。美國軍方也相當重視電子元件和無源集成技術的研究發展,美國國防部2004財政年度的計劃中,“先進元件開發與樣品”作為列為7個重大計劃之一,預算經費將高達132億美元,其中一部分被用于新一代無源元件及其集成技術方面。歐盟通過其Brite-Euram框架,支持了“微波與電力模塊的快速制造”研究計劃(簡稱RAMP計劃)。日本政府將無源集成技術列入到了政府優先支持的“關鍵技術中心計劃”;德國政府啟動了旨在推進用于衛星通信用集成模塊的KERAMIS項目、旨在研究多功能無源集成模塊的4M項目等。
  一些大型高技術企業,如美國杜邦公司、IBM公司、摩托羅拉公司,日本TDK公司、NEC公司、村田公司、3M公司、富士通公司,荷蘭菲利普公司等均投入巨資參與新一代無源電子元件及其集成技術的角逐。2001年,臺灣工業巨頭臺塑集團以LTCC模塊作為切入點,啟動了“科技臺塑”計劃,他們通過購買美國高科技企業的技術,開發藍牙模塊和移動通信產品,進入了電子信息領域。由國際電子與封裝協會(IEAPS)發起的旨在推動世界范圍內無源集成技術發展的名為CeramicInterconnectInitiative的計劃(簡稱CII)得到了世界各國很多研究結構和企業的積極響應。
  (五)研究發展的思路與政策建議
  總體思路:以發展新型高端元件為牽引,以關鍵材料為突破口,以提升生產工藝技術為著眼點,將“材料研究-工藝開發-元件生產”相結合。在“十五”有關項目的研究基礎上,進一步組織力量,通過產學研相結合,發展新型材料,突破關鍵技術,形成自主知識產權,全面提升我國電子元件產業的產品結構和技術水平。
  重點發展方向:針對無源電子元件高端產品和無源集成的關鍵技術問題,重點研究開發以下內容:(1)能促進量大面廣的無源元件產品升級換代的核心材料;(2)具有共性的關鍵元件工藝技術;(3)高附加值的高端集成模塊產品。
  總體目標:形成我國在無源元件高端產品和無源集成技術方面的自主知識產權;發展出一系列技術指標居國際先進水平新型材料、元件和模塊,及其制程工藝;研制并生產出集成度20以上的無源集成模塊;形成5-10個具有國際先進水平的片式電子元件成果轉化基地及產業鏈,其總生產規模達到年產數百億只無源元件;建立的無源集成標準體系和測試平臺。爭取在“十一五”末,使我國在若干種新一代電子元件產業規模及水平居世界前列,推動我國從電子元件大國走向電子元件強國。為我國3G移動通信、數字電視、載人航天工程等重大計劃的實施提供元件基礎。
  研究內容包括:
  (1)若干重要電子元件的關鍵材料與相關元件研究:以推動重要元件產品的升級換代和發展新型高端元件產品為目標,探索具有高性能的電子陶瓷和相關材料,為全面實現我國基礎電子元件的升級換代提供材料基礎。包括:高性能介電陶瓷材料及相關元件、高性能軟磁鐵氧體材料及相關元件、高性能微波陶瓷介質材料、高性能壓電陶瓷材料、高性能敏感陶瓷材料。
  (2)無源元件工藝中的共性技術研究:面向無源元件的小型化工藝的要求,開展對MLC技術的關鍵工藝環節研究和開發,研究內容包括陶瓷前驅體粉料的超細加工制備工藝(粉體粒度<100nm)、高穩定低粘度流延漿料技術、精密流延技術、精密印刷技術、納米-亞微米晶陶瓷燒結技術、高精度封端技術、精密無鉛三層電鍍技術等
  (3)無源集成關鍵材料與技術:以實現LTCC材料國產化為目標,發展新一代低溫共燒陶瓷材料系統;發展基于LTCC技術的各種模塊,突破其關鍵技術;圍繞無源集成產業發展的迫切需要解決的一些配套技術,包括高集成度無源集成模塊的模擬、仿真與設計方法、無源集成模塊與新型微波元件的測試技術、以及無源集成技術標準的研究與制定。

  無源電子元件是一大類重要的電子信息產品。無源元件與有源器件(集成電路等半導體產品)共同構成電路的核心部分,是各類電子信息產品的基礎。在新型電子產品中,集成電路和無源元件占全部電子元器件及零部件的生產總成本的46.1%和9.1%,而在總安裝成本中卻分別占12.7%和55.1%,甚至某些片式元件的管理和安裝成本已經超過其價格。不難看出,無源電子元件已經成為制約整機進一步向小型化、集成化發展的瓶頸。

  1、無源電子元件在我國經濟社會發展中的地位
  根據信息產業部的統計資料,我國的電子信息產業規模已經成為國民經濟第一大產業。信息業產業的發展已成為決定我國的國民經濟、社會發展、人民生活、國家安全水平的主要因素。
  電子元件及其組件制造業是電子元器件行業的主要組成部分,也是電子信息產業的支撐產業。電子設備一般都是由基本的電子元件構成的,從日常生活中的電腦、電視、PDA、手機、DVD等電子產品到載人航天、先進武器的尖端技術,電子元件無處不在。電容器、電阻器、電感器、變壓器、濾波器、天線等無源元件都是電子產品中必不可少的基礎元器件,在日常生活和國家戰略中均發揮著重要的作用。電子元件及其組件屬于電子信息產業的中間產品,介于電子整機行業和原材料行業之間,其發展的快慢、所達到的技術水平和生產規模,不僅直接影響著整個電子信息產業的發展,而且對發展信息技術,改造傳統產業,提高現代化裝備水平,促進科技進步都具有重要意義。
  隨著電子信息整機產品制造的規模化,其對上游產品的配套能力要求日益強烈,電子元器件制造業作為基礎產品的重要地位日益明顯。目前,我國電子信息產業處于高速增長時期,一方面,新一代電子整機產品市場規模迅速擴張,急需各種電子元器件產品,尤其是新型電子元器件為之配套;另一方面,隨著電子整機產品向數字化、信息化方向發展,電子元器件在電子整機產品中所占的比重日益增加,電子整機產對電子元器件的依存度也越來越大。

  2、高端電子元件及其關鍵材料和技術研發的戰略意義
  從產量上看,我國的多種無源元件產品,如電容器、電阻器、磁性元件等在世界上均名列前茅。但從銷售額來看,這些產品都不占世界首位,這說明高檔產品還有一定差距。如何將我國從電子元件大國變為電子元件強國,一直是我國政府、產業界和科技工作者長期探索、努力解決的一個問題。
  目前我國電子元器件市場的供需矛盾仍然比較明顯,突出表現為產品供給與整機需求之間的脫節。一方面,我國很多領域的電子元器件產品產量位居世界前列,并大量出口;而另一方面,我國也是全球最主要的電子元器件產品進口國之一。形成這種局面的原因主要在于,國產電子元器件產品主要集中在技術含量較小的中低端領域,因此大量新型電子元器件依靠進口,同時,價格、渠道、服務因素也在很大程度上影響了我國電子元器件產品穩定進入整機配套體系。以用量最大的一類電子元件――多層陶瓷電容器(MLCC)為例,如表1所示,從2000到2004年間,盡管我國的元件產量從960億只增加到1550億只,但進出口貿易逆差卻從440億只增加到880億只。
  從電感類產品得情況看,目前我國的片式電感生產總和只占全球的不足5%,與我國每年占全球約30%左右的片式電感用量嚴重不成比例,且主要應用于一些中低檔次的電子產品中,幾乎所有的領先性電子產品(如移動通信)中所采用的這類基礎元件基本上完全被日本、韓國和臺灣的企業所壟斷。
  (三)無源元件發展的歷史機遇
  近年來電子元件產品進入了一個迅速升級換代的時期。其突出表現是插裝向表面組裝、模擬化向數字化、固定式向移動式、分離式向集成化轉變。從技術上看,無源電子元件的多層化、多層元件片式化、片式元件集成化和多功能化成為發展的主要方向。基于多層陶瓷技術(MLC)和低溫共燒陶瓷技術(LTCC)的新一代電子元件已成為電子元件的主流,而集成化則是電子元件的主要發展方向。新一代電子元件與無源技術的發展正在成為高技術發展的制高點和產業生長點。
  此外,在國際化的趨勢下,國際電子制造產業中心向中國轉移,將對中國的電子元件產業產生了巨大的拉動。電子元件采購的本土化將成為大勢所趨。未來5-10年,我國的電子元件市場將出現高速增長。
  電子元件產的主要利潤點在于新一代高端產品。片式電子元件的全面升級換代,無源集成技術的迅速崛起,為我國有關企業提供了一系列實現跨越式發展的技術切入點。通過國家大項目的牽引,組織產學研聯合的研發隊伍,從材料、制程和設計方面全方位的研究開發,將有望使我國電子元件產業站在高的起點上參與國際競爭。
  在電子元件升級換代速度加快、無源集成產業剛剛興起、以及國際性的產業轉移之時,抓住機遇,投入力量,研究開發開發具有自主知識產權的新一代電子元件及無源集成材料系統、模塊設計、及制程工藝,對我國信息技術的長期發展將是十分必要的。
  (四)世界各國無源元件研發情況
  近年來,隨著電子信息產品升級換代速度的加快,電子元件的進一步升級換代和集成化的問題日益為世界各國政府、產業界和學術界所關注。特別是由于低溫共燒陶瓷(LTCC)等技術的突破使無源集成技術進入了實用化和產業化階段,新一代無源元件和相關的集成技術成為倍受關注的技術制高點。早在上世紀90年代中期,美國政府就曾撥款7000萬美元,實施了一個旨在研究發展無源集成和多芯片組裝的三年計劃。2000年,美國商務部、國家標準與計劃研究院和一些大型企業聯合發起了一個規模更大的“先進嵌入式無源元件聯合研究計劃”,這一為期四年的計劃是通過建立一個國家制造科學中心,推動新一代集成化無源元件的研究開發,其研究內容涉及發展新材料、新制程、以及新的設計工具(軟件),據稱目前已取得重要成果。美國軍方也相當重視電子元件和無源集成技術的研究發展,美國國防部2004財政年度的計劃中,“先進元件開發與樣品”作為列為7個重大計劃之一,預算經費將高達132億美元,其中一部分被用于新一代無源元件及其集成技術方面。歐盟通過其Brite-Euram框架,支持了“微波與電力模塊的快速制造”研究計劃(簡稱RAMP計劃)。日本政府將無源集成技術列入到了政府優先支持的“關鍵技術中心計劃”;德國政府啟動了旨在推進用于衛星通信用集成模塊的KERAMIS項目、旨在研究多功能無源集成模塊的4M項目等。
  一些大型高技術企業,如美國杜邦公司、IBM公司、摩托羅拉公司,日本TDK公司、NEC公司、村田公司、3M公司、富士通公司,荷蘭菲利普公司等均投入巨資參與新一代無源電子元件及其集成技術的角逐。2001年,臺灣工業巨頭臺塑集團以LTCC模塊作為切入點,啟動了“科技臺塑”計劃,他們通過購買美國高科技企業的技術,開發藍牙模塊和移動通信產品,進入了電子信息領域。由國際電子與封裝協會(IEAPS)發起的旨在推動世界范圍內無源集成技術發展的名為CeramicInterconnectInitiative的計劃(簡稱CII)得到了世界各國很多研究結構和企業的積極響應。
  (五)研究發展的思路與政策建議
  總體思路:以發展新型高端元件為牽引,以關鍵材料為突破口,以提升生產工藝技術為著眼點,將“材料研究-工藝開發-元件生產”相結合。在“十五”有關項目的研究基礎上,進一步組織力量,通過產學研相結合,發展新型材料,突破關鍵技術,形成自主知識產權,全面提升我國電子元件產業的產品結構和技術水平。
  重點發展方向:針對無源電子元件高端產品和無源集成的關鍵技術問題,重點研究開發以下內容:(1)能促進量大面廣的無源元件產品升級換代的核心材料;(2)具有共性的關鍵元件工藝技術;(3)高附加值的高端集成模塊產品。
  總體目標:形成我國在無源元件高端產品和無源集成技術方面的自主知識產權;發展出一系列技術指標居國際先進水平新型材料、元件和模塊,及其制程工藝;研制并生產出集成度20以上的無源集成模塊;形成5-10個具有國際先進水平的片式電子元件成果轉化基地及產業鏈,其總生產規模達到年產數百億只無源元件;建立的無源集成標準體系和測試平臺。爭取在“十一五”末,使我國在若干種新一代電子元件產業規模及水平居世界前列,推動我國從電子元件大國走向電子元件強國。為我國3G移動通信、數字電視、載人航天工程等重大計劃的實施提供元件基礎。
  研究內容包括:
  (1)若干重要電子元件的關鍵材料與相關元件研究:以推動重要元件產品的升級換代和發展新型高端元件產品為目標,探索具有高性能的電子陶瓷和相關材料,為全面實現我國基礎電子元件的升級換代提供材料基礎。包括:高性能介電陶瓷材料及相關元件、高性能軟磁鐵氧體材料及相關元件、高性能微波陶瓷介質材料、高性能壓電陶瓷材料、高性能敏感陶瓷材料。
  (2)無源元件工藝中的共性技術研究:面向無源元件的小型化工藝的要求,開展對MLC技術的關鍵工藝環節研究和開發,研究內容包括陶瓷前驅體粉料的超細加工制備工藝(粉體粒度<100nm)、高穩定低粘度流延漿料技術、精密流延技術、精密印刷技術、納米-亞微米晶陶瓷燒結技術、高精度封端技術、精密無鉛三層電鍍技術等
  (3)無源集成關鍵材料與技術:以實現LTCC材料國產化為目標,發展新一代低溫共燒陶瓷材料系統;發展基于LTCC技術的各種模塊,突破其關鍵技術;圍繞無源集成產業發展的迫切需要解決的一些配套技術,包括高集成度無源集成模塊的模擬、仿真與設計方法、無源集成模塊與新型微波元件的測試技術、以及無源集成技術標準的研究與制定。

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