我國(guó)無(wú)源電子元件及其關(guān)鍵材料研究發(fā)展的若干戰(zhàn)略思考

 
周 濟(jì)
清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京，100084

摘要：本文從國(guó)家需求和國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展和研究開(kāi)發(fā)的背景出發(fā)，分析了我國(guó)無(wú)源電子元件關(guān)鍵材料發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，提出了近幾年相關(guān)領(lǐng)域研究發(fā)展的戰(zhàn)略建議。
關(guān)鍵詞：無(wú)源電子元件 關(guān)鍵材料 研究發(fā)展 戰(zhàn)略

無(wú)源電子元件是一大類重要的電子信息產(chǎn)品。無(wú)源元件與有源器件（集成電路等半導(dǎo)體產(chǎn)品）共同構(gòu)成電路的核心部分，是各類電子信息產(chǎn)品的基礎(chǔ)。在新型電子產(chǎn)品中，集成電路和無(wú)源元件占全部電子元器件及零部件的生產(chǎn)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(jīng)超過(guò)其價(jià)格。不難看出，無(wú)源電子元件已經(jīng)成為制約整機(jī)進(jìn)一步向小型化、集成化發(fā)展的瓶頸。

1、無(wú)源電子元件在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的地位
根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)部的統(tǒng)計(jì)資料，2004年，我國(guó)的電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)突破2.6萬(wàn)億，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)第一大產(chǎn)業(yè)。信息業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為決定我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、人民生活、國(guó)家安全水平的主要因素。   
電子元件及其組件制造業(yè)是電子元器件行業(yè)的主要組成部分，也是電子信息產(chǎn)業(yè)的支撐產(chǎn)業(yè)。電子設(shè)備一般都是由基本的電子元件構(gòu)成的，從日常生活中的電腦、電視、PDA、手機(jī)、DVD等電子產(chǎn)品到載人航天、先進(jìn)武器的尖端技術(shù)，電子元件無(wú)處不在。電容器、電阻器、電感器、變壓器、濾波器、天線等無(wú)源元件都是電子產(chǎn)品中必不可少的基礎(chǔ)元器件，在日常生活和國(guó)家戰(zhàn)略中均發(fā)揮著重要的作用。電子元件及其組件屬于電子信息產(chǎn)業(yè)的中間產(chǎn)品，介于電子整機(jī)行業(yè)和原材料行業(yè)之間，其發(fā)展的快慢、所達(dá)到的技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模，不僅直接影響著整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)發(fā)展信息技術(shù)，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高現(xiàn)代化裝備水平，促進(jìn)科技進(jìn)步都具有重要意義。
隨著電子信息整機(jī)產(chǎn)品制造的規(guī)?；鋵?duì)上游產(chǎn)品的配套能力要求日益強(qiáng)烈，電子元器件制造業(yè)作為基礎(chǔ)產(chǎn)品的重要地位日益明顯。目前，我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)處于高速增長(zhǎng)時(shí)期，一方面，新一代電子整機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)張，急需各種電子元器件產(chǎn)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(jī)產(chǎn)品向數(shù)字化、信息化方向發(fā)展，電子元器件在電子整機(jī)產(chǎn)品中所占的比重日益增加，電子整機(jī)產(chǎn)品對(duì)電子元器件的依存度也越來(lái)越大。
 2、高端電子元件及其關(guān)鍵材料和技術(shù)研發(fā)的戰(zhàn)略意義
　  從產(chǎn)量上看，我國(guó)的多種無(wú)源元件產(chǎn)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(lái)看，這些產(chǎn)品都不占世界首位，這說(shuō)明高檔產(chǎn)品還有一定差距。如何將我國(guó)從電子元件大國(guó)變?yōu)殡娮釉?qiáng)國(guó)，一直是我國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和科技工作者長(zhǎng)期探索、努力解決的一個(gè)問(wèn)題。
目前我國(guó)電子元器件市場(chǎng)的供需矛盾仍然比較明顯，突出表現(xiàn)為產(chǎn)品供給與整機(jī)需求之間的脫節(jié)。一方面，我國(guó)很多領(lǐng)域的電子元器件產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界前列，并大量出口；而另一方面，我國(guó)也是全球最主要的電子元器件產(chǎn)品進(jìn)口國(guó)之一。形成這種局面的原因主要在于，國(guó)產(chǎn)電子元器件產(chǎn)品主要集中在技術(shù)含量較小的中低端領(lǐng)域，因此大量新型電子元器件依靠進(jìn)口，同時(shí)，價(jià)格、渠道、服務(wù)因素也在很大程度上影響了我國(guó)電子元器件產(chǎn)品穩(wěn)定進(jìn)入整機(jī)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(guó)的元件產(chǎn)量從960億只增加到1550億只，但進(jìn)出口貿(mào)易逆差卻從440億只增加到880億只。
表1  我國(guó)MLCC進(jìn)出口情況
年份/億只    2000    2001    2002    2003    2004
中國(guó)市場(chǎng)進(jìn)口量    780    580    1600    1700    1800
中國(guó)出口量    340    390    740    810    920
中國(guó)總產(chǎn)量    960    800    1130    1350    1550
中國(guó)市場(chǎng)需用量    1126    740    1700    1900    2050

可以看出，我國(guó)電子元件市場(chǎng)對(duì)MLCC進(jìn)口產(chǎn)品的依賴性逐漸增強(qiáng)。從電感類產(chǎn)品得情況看，目前我國(guó)的片式電感生產(chǎn)總和只占全球的不足5%，與我國(guó)每年占全球約30％左右的片式電感用量嚴(yán)重不成比例，且主要應(yīng)用于一些中低檔次的電子產(chǎn)品中，幾乎所有的領(lǐng)先性電子產(chǎn)品（如移動(dòng)通信）中所采用的這類基礎(chǔ)元件基本上完全被日本、韓國(guó)和臺(tái)灣的企業(yè)所壟斷。

（三）無(wú)源元件發(fā)展的歷史機(jī)遇
近年來(lái)電子元件產(chǎn)品進(jìn)入了一個(gè)迅速升級(jí)換代的時(shí)期。其突出表現(xiàn)是插裝向表面組裝、模擬化向數(shù)字化、固定式向移動(dòng)式、分離式向集成化轉(zhuǎn)變。從技術(shù)上看，無(wú)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(fā)展的主要方向?；诙鄬犹沾杉夹g(shù)（MLC）和低溫共燒陶瓷技術(shù)（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(fā)展方向。新一代電子元件與無(wú)源技術(shù)的發(fā)展正在成為高技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)生長(zhǎng)點(diǎn)。
此外，在國(guó)際化的趨勢(shì)下，國(guó)際電子制造產(chǎn)業(yè)中心向中國(guó)轉(zhuǎn)移，將對(duì)中國(guó)的電子元件產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大的拉動(dòng)。電子元件采購(gòu)的本土化將成為大勢(shì)所趨。未來(lái)5－10年，我國(guó)的電子元件市場(chǎng)將出現(xiàn)高速增長(zhǎng)。
電子元件產(chǎn)業(yè)的主要利潤(rùn)點(diǎn)在于新一代高端產(chǎn)品。片式電子元件的全面升級(jí)換代，無(wú)源集成技術(shù)的迅速崛起，為我國(guó)有關(guān)企業(yè)提供了一系列實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的技術(shù)切入點(diǎn)。通過(guò)國(guó)家大項(xiàng)目的牽引，組織產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的研發(fā)隊(duì)伍，從材料、制程和設(shè)計(jì)方面全方位的研究開(kāi)發(fā)，將有望使我國(guó)電子元件產(chǎn)業(yè)站在高的起點(diǎn)上參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。
在電子元件升級(jí)換代速度加快、無(wú)源集成產(chǎn)業(yè)剛剛興起、以及國(guó)際性的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移之時(shí)，抓住機(jī)遇，投入力量，研究開(kāi)發(fā)開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代電子元件及無(wú)源集成材料系統(tǒng)、模塊設(shè)計(jì)、及制程工藝，對(duì)我國(guó)信息技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展將是十分必要的。

（四）世界各國(guó)無(wú)源元件研發(fā)情況
    近年來(lái)，隨著電子信息產(chǎn)品升級(jí)換代速度的加快，電子元件的進(jìn)一步升級(jí)換代和集成化的問(wèn)題日益為世界各國(guó)政府、產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界所關(guān)注。特別是由于低溫共燒陶瓷（LTCC）等技術(shù)的突破使無(wú)源集成技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化階段，新一代無(wú)源元件和相關(guān)的集成技術(shù)成為倍受關(guān)注的技術(shù)制高點(diǎn)。早在上世紀(jì)90年代中期，美國(guó)政府就曾撥款7000萬(wàn)美元，實(shí)施了一個(gè)旨在研究發(fā)展無(wú)源集成和多芯片組裝的三年計(jì)劃。2000年，美國(guó)商務(wù)部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)劃研究院和一些大型企業(yè)聯(lián)合發(fā)起了一個(gè)規(guī)模更大的“先進(jìn)嵌入式無(wú)源元件聯(lián)合研究計(jì)劃”（Advanced Embedded Passive Technology (AEPT) Research Consortium），這一為期四年的計(jì)劃是通過(guò)建立一個(gè)國(guó)家制造科學(xué)中心，推動(dòng)新一代集成化無(wú)源元件的研究開(kāi)發(fā)，其研究?jī)?nèi)容涉及發(fā)展新材料、新制程、以及新的設(shè)計(jì)工具（軟件），據(jù)稱目前已取得重要成果。美國(guó)軍方也相當(dāng)重視電子元件和無(wú)源集成技術(shù)的研究發(fā)展，美國(guó)國(guó)防部2004財(cái)政年度的計(jì)劃中，“先進(jìn)元件開(kāi)發(fā)與樣品”作為列為7個(gè)重大計(jì)劃之一，預(yù)算經(jīng)費(fèi)將高達(dá)132億美元，其中一部分被用于新一代無(wú)源元件及其集成技術(shù)方面。歐盟通過(guò)其Brite-Euram框架，支持了“微波與電力模塊的快速制造”研究計(jì)劃（簡(jiǎn)稱RAMP計(jì)劃）。日本政府將無(wú)源集成技術(shù)列入到了政府優(yōu)先支持的“關(guān)鍵技術(shù)中心計(jì)劃”（Key Technology Center Program，JKTC）；德國(guó)政府啟動(dòng)了旨在推進(jìn)用于衛(wèi)星通信用集成模塊的KERAMIS項(xiàng)目、旨在研究多功能無(wú)源集成模塊的4M項(xiàng)目等。
一些大型高技術(shù)企業(yè)，如美國(guó)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(wú)源電子元件及其集成技術(shù)的角逐。2001年，臺(tái)灣工業(yè)巨頭臺(tái)塑集團(tuán)以LTCC模塊作為切入點(diǎn)，啟動(dòng)了“科技臺(tái)塑”計(jì)劃，他們通過(guò)購(gòu)買美國(guó)高科技企業(yè)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)藍(lán)牙模塊和移動(dòng)通信產(chǎn)品，進(jìn)入了電子信息領(lǐng)域。由國(guó)際電子與封裝協(xié)會(huì)（IEAPS）發(fā)起的旨在推動(dòng)世界范圍內(nèi)無(wú)源集成技術(shù)發(fā)展的名為Ceramic Interconnect Initiative的計(jì)劃（簡(jiǎn)稱CII）得到了世界各國(guó)很多研究結(jié)構(gòu)和企業(yè)的積極響應(yīng)。

（五）研究發(fā)展的思路與政策建議
 總體思路：以發(fā)展新型高端元件為牽引，以關(guān)鍵材料為突破口，以提升生產(chǎn)工藝技術(shù)為著眼點(diǎn)，將“材料研究－工藝開(kāi)發(fā)－元件生產(chǎn)”相結(jié)合。在 “十五”有關(guān)項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步組織力量，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，發(fā)展新型材料，突破關(guān)鍵技術(shù)，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，全面提升我國(guó)電子元件產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平。
重點(diǎn)發(fā)展方向：針對(duì)無(wú)源電子元件高端產(chǎn)品和無(wú)源集成的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)以下內(nèi)容：（1）能促進(jìn)量大面廣的無(wú)源元件產(chǎn)品升級(jí)換代的核心材料；（2）具有共性的關(guān)鍵元件工藝技術(shù)；（3）高附加值的高端集成模塊產(chǎn)品。
總體目標(biāo)：形成我國(guó)在無(wú)源元件高端產(chǎn)品和無(wú)源集成技術(shù)方面的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；發(fā)展出一系列技術(shù)指標(biāo)居國(guó)際先進(jìn)水平新型材料、元件和模塊，及其制程工藝；研制并生產(chǎn)出集成度20以上的無(wú)源集成模塊；形成5－10個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的片式電子元件成果轉(zhuǎn)化基地及產(chǎn)業(yè)鏈，其總生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到年產(chǎn)數(shù)百億只無(wú)源元件；建立的無(wú)源集成標(biāo)準(zhǔn)體系和測(cè)試平臺(tái)。爭(zhēng)取在“十一五”末，使我國(guó)在若干種新一代電子元件產(chǎn)業(yè)規(guī)模及水平居世界前列，推動(dòng)我國(guó)從電子元件大國(guó)走向電子元件強(qiáng)國(guó)。為我國(guó)3G移動(dòng)通信、數(shù)字電視、載人航天工程等重大計(jì)劃的實(shí)施提供元件基礎(chǔ)。
研究?jī)?nèi)容包括： 
（1）若干重要電子元件的關(guān)鍵材料與相關(guān)元件研究：以推動(dòng)重要元件產(chǎn)品的升級(jí)換代和發(fā)展新型高端元件產(chǎn)品為目標(biāo)，探索具有高性能的電子陶瓷和相關(guān)材料，為全面實(shí)現(xiàn)我國(guó)基礎(chǔ)電子元件的升級(jí)換代提供材料基礎(chǔ)。包括：高性能介電陶瓷材料及相關(guān)元件、高性能軟磁鐵氧體材料及相關(guān)元件、高性能微波陶瓷介質(zhì)材料、高性能壓電陶瓷材料、高性能敏感陶瓷材料。
   （2）無(wú)源元件工藝中的共性技術(shù)研究：面向無(wú)源元件的小型化工藝的要求，開(kāi)展對(duì)MLC技術(shù)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)研究和開(kāi)發(fā)，研究?jī)?nèi)容包括陶瓷前驅(qū)體粉料的超細(xì)加工制備工藝（粉體粒度 < 100nm）、高穩(wěn)定低粘度流延漿料技術(shù)、精密流延技術(shù)、精密印刷技術(shù)、納米－亞微米晶陶瓷燒結(jié)技術(shù)、高精度封端技術(shù)、精密無(wú)鉛三層電鍍技術(shù)等
   （3）無(wú)源集成關(guān)鍵材料與技術(shù)：以實(shí)現(xiàn)LTCC材料國(guó)產(chǎn)化為目標(biāo)，發(fā)展新一代低溫共燒陶瓷材料系統(tǒng)；發(fā)展基于LTCC技術(shù)的各種模塊，突破其關(guān)鍵技術(shù)；圍繞無(wú)源集成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需要解決的一些配套技術(shù)，包括高集成度無(wú)源集成模塊的模擬、仿真與設(shè)計(jì)方法、無(wú)源集成模塊與新型微波元件的測(cè)試技術(shù)、以及無(wú)源集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。

    作者簡(jiǎn)介：周濟(jì)，男，生于1962年2月，理學(xué)博士，清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授，博士生導(dǎo)師，新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事信息功能材料的研究。通信地址：北京 清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，100083。電話/傳真：010－62772975。電子信箱：zhouji@tsinghua.edu.cn