《高世代声表面波材料与滤波器产业化技术》

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声表面波滤波器是移动通讯信号收发的核心器件。从2G到4G通讯,在有限的频谱资源内,十多年里通讯信道从2个增加至41个,每部智能手机的滤波器用量从6只增加至60-80只。受频谱资源和手机体积的双重限制,滤波器性能提升和尺寸减小成为通讯领域发展的技术壁垒,高世代(3G、4G和5G)声表面波滤波器长期依赖进口,美国商务部以违反出口管制法规为由,对中兴通讯等中国企业采取限制出口措施。声表面波滤波器被国家发展改革委和工信部等联合认定为“影响国家安全的器件”。

在国家863计划连续支持下,项目组产学研联动,从材料结构与性能调控的角度出发,以阐明换能器压电材料与电极材料间的机电耦合规律为抓手,“高功率、大带宽、小体积”为主攻方向,突破了换能器材料与滤波器的高性能化和微型化制备技术,实现了产业化,主要技术创新点包括:

功率提升技术:阐明了换能器电极材料与压电材料间的机电耦合规律,揭示了换能器材料受高频交变应力作用的电迁移机理,研制出多种具有强(111)织构的高性能“Al/Ti(Ni)/压电单晶”多层结构换能器材料,器件抗电迁移能力提高10倍,滤波器功率从25dBm提升至35dBm (提升10倍),成为国际高功率滤波器结构的主流方案。

带宽增加技术:诠释了压电材料沿不同晶体取向的声波传播规律,发现调控电极膜厚和压电晶体取向可使漏波变为纯的水平剪切声表面波,设计并制备出大带宽低插损的声表面波滤波器,相对带宽从5%增加至20%(增加4倍),突破了声表面波只能制备窄带滤波器的瓶颈,量产出国际上唯一的大带宽滤波器。

器件微型化技术:突破了声表面波滤波器耦合模/全波分析设计关键技术,通过加权和迭代技术优化指条参数,电磁耦合调控消除了器件多模干扰;突破了薄膜材料深亚微米光刻、分区曝光与拼接等微纳尺度精准加工技术,器件体积从十年前的3.8×3.8×1.5减小至0.8×0.6×0.45立方毫米,缩小至原来的1%,与国际先进水平同步发展。

器件产业化技术:研发出针对高世代滤波器的光刻、镀膜、金球凸点制作、划片、倒装焊、封装、在线检测等产业化技术,建立了自主知识产权的声表面波材料与滤波器生产线,年产能30亿只,占国内产能的85%,达国际需求量的7%左右,实现了中国高世代移动通讯滤波器产品从无到有的突破。

授权发明专利17件,发表SCI论文30余篇,出版专著1部。在中电集团、无锡好达等企业实现了产业化,近三年新增产值13.46亿元,新增利税4.46亿元,创汇3950万美元。专家鉴定认为成果“整体处于国际先进水平,在声表面波滤波器换能器结构与功率耐受性能、大带宽器件设计技术等方面达到国际领先水平”。

成果产品打破了国外的垄断,已成功应用于华为、中兴等几乎所有的国产品牌手机,并出口到韩国三星等。研发的声表面波滤波器件与模块还大量应用于中国相控阵雷达、预警飞机和驱逐舰等,为防务领域提供了器件保障。

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