無源電子元件

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（積體電路等半導體產品）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，積體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。

基本介紹

• 中文名：無源電子元件
• 產品類型：電子信息產品
• 部分：電路的核心部分
• 基礎：各類電子信息產品的基礎

歷史

產生

隨著各種新概念、新理論、新材料、新技術被用於無源元件領域，無源元件已經成為一個創新十分活躍的技術領域。

近半個世紀以來，信息技術的高速發展改變著人類文明的進程，這在很大程度上得益於半導體器件集成技術的不斷創新。這一現象被描述為著名的摩爾定律，即半導體積體電路的集成度每18個月翻一番。相比之下，半導體器件以外的為數眾多的電子元件，我們統稱為無源元件的發展則相對緩慢，構成了電子技術發展的一個瓶頸。

新一代無源集成材料相繼問世

近年來出現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、無源元件和封裝於一體的多層陶瓷製造技術。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導體在900℃以下共燒，在多層陶瓷內部形成無源元件和互連，製成模組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、系統級電子封裝提供了理想的平台。LTCC技術涉及一系列複雜的科學技術問題，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(ε在10以下)低燒陶瓷，而目前亟待突破的難點是實現性能的系列化。儘管文獻報導的低介LTCC材料種類很多，但迄今可商品化的基本上屬於兩大類材料：一類是微晶玻璃系統，有實用價值的是以Ca0-B203-Si02為主配方的材料系統(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均勻性。其主要問題是，B3+的增多會增大材料介質損耗並降低其力學性能，而Si4+增加則會使燒結溫度增高，因此難於對體系組分進行調整以實現系列化。第二類是以陶瓷氧化物顆粒和低熔玻璃相複合的陶瓷-玻璃複合材料。美國杜邦公司和德國Heraeus公司的LTCC瓷料屬於這一類。這類體系性能可調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矽系玻璃和鈉玻璃，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。可見，制約低介LTCC材料系列化的核心問題是材料的燒結溫度與介電性質之間的矛盾。現有商用低介電常數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，使材料無法滿足共燒要求。而只有基方材料同時具有低介電常數、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對材料性能(如介電常數、熱性能、機械特性等)的調節。因此，尋找兼具有低的介電常數及介電損耗和低的燒結溫度的基方材料是實現高性能系列化低介LTCC材料的關鍵。
近年來，我們通過系統地研究，發展出了以矽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的介電常數和介電損耗，還更大幅度地降低了陶瓷的燒結溫度。通過氟的調製，使基方材料在加入各種高熔點調節劑時依然可以實現低溫燒結，因而具有廣闊的最佳化和剪裁空間。

改進

超常電磁介質不斷改進

電磁介質是無源電子元件的基礎和核心部分，無源元件的重大發展很大程度上得益於介質材料的改進和提高。然而，經過近一個世紀的探索，常規介質材料的可改進空間已經越來越小。“超常介質”(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的材料系統。近年來，光子(電磁波)帶隙理論、左手介質理論等的提出為設計這類新型材料系統提供了理論依據。超常介質可望為無源元件和無源集成的發展提供一個突破口，具有超常物理性質的介質有可能成為新一代電子元件的基礎。一些基於超常介質的新型無源元件，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)材料實現通常需要多種材料才能實現的多種元件功能，這將有利於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路也是目前實現各種超常物理特性設計的基礎。

發展

憶阻器被證實存在

按照我們目前的知識，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大基本變數，即電流、電壓、電荷和磁通量。早在1971年加州大學伯克利分校的蔡少棠(LeonChua)教授就提出一種預測：應該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?script src=> 。憶阻器的英文 Memristor 來自「Memory（記憶）」和「Resistor（電阻）」兩個字的合併，從這兩個字可以大致推敲出它的功用來。最早提出憶阻器概念的人，是華裔的科學家蔡少棠，當時任教於美國的柏克萊大學。時間是 1971 年，在研究電荷、電流、電壓和磁通量之間的關係時，蔡教授推斷在電阻、電容和電感器之外，應該還有一種組件，代表著電荷與磁通量之間的關係。這種組件的效果，就是它的電阻會隨著通過的電流量而改變，而且就算電流停止了，它的電阻仍然會停留在之前的值，直到接受到反向的電流它才會被推回去。用常見的水管來比喻，電流是通過的水量，而電阻是水管的粗細時，當水從一個方向流過去，水管會隨著水流量而越來越粗，這時如果把水流關掉的話，水管的粗細會維持不變；反之當水從相反方向流動時，水管就會越來越細。因為這樣的組件會記住之前的電流量，因此被稱為憶阻器。

在發現的當時...沒有。蔡教授之所以提出憶阻器，只是因為在數學模型上它應該是存在的。為了證明可行性，他用一堆電阻、電容、電感和放大器做出了一個模擬憶阻器效果的電路，但當時並沒有找到什麼材料本身就有明顯的憶阻器的效果，而且更重要的，也沒有人在找 -- 那是個連積體電路都還剛起步不久的階段，離家用電腦開始普及都還有至少 15 年的時間呢！於是這時候 HP 就登場了。事實上 HP 也沒有在找憶阻器，當時是一個由 HP 的 Phillip J Kuekes 領軍的團隊，正在進行的一種稱為 Crossbar Latch 的技術的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排橫向和一排縱向的電線組成的格線，在每一個交叉點上，要放一個「開關」連結一條橫向和縱向的電線。如果能讓這兩條電線控制這個開關的狀態的話，那格線上的每一個交叉點都能儲存一個位的數據。這種系統下數據密度和存取速度都是前所未聞的，問題是，什麼樣的材料能當這個開關？這種材料必需要能有「開」、「關」兩個狀態，這兩個狀態必需要能操縱，更重要的，還有能在不改變狀態的前提下，發揮其開關的效果，允許或阻止電流的通過。如何取得這樣的材料考倒了 HP 的工程師，因此他們空有 Crossbar Latch 這么棒的想法，卻無法實現。誰知道，他們在找的東西，正是憶阻器？

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。
電子元件及其組件製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於電子信息產業的中間產品，介於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製造的規模化，其對上游產品的配套能力要求日益強烈，電子元器件製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於高速增長時期，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位化、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，電子整機產品對電子元器件的依存度也越來越大。

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，並大量出口；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於，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，儘管我國的元件產量從960億隻增加到1550億隻，但進出口貿易逆差卻從440億隻增加到880億隻。
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，且主要套用於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）中所採用的這類基礎元件基本上完全被日本、韓國和台灣的企業所壟斷。