本單位完成《2020年壓電晶體材料市場現狀深度調研與發展前景分析報告》編制工作

  一、技術研發現狀

  晶體的壓電效應:

  某些晶體,當沿著一定方向受到外力作用時,內部會產生極化現象,使帶電質點發生相對位移,從而在晶體表面上產生大小相等符號相反的電荷;當外力去掉后,又恢復到不帶電狀態。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象叫壓電效應。反之,如對晶體施加電場,晶體將在一定方向上產生機械變形;當外加電場撤去后,該變形也隨之消失。這種現象稱為逆壓電效應,也稱作電致伸縮效應。

  我國壓電晶體材料原始創新能力不足,材料研究以跟蹤研仿為主,缺乏不同學科之間的深層次交流和原創性的理論研究,具有自主知識產權的技術較少,無法從源頭上支撐材料的發展。成熟產品集中于低檔領域,產品附加值低、利潤有限,高端產品依賴進口,不利于材料生產企業擴大再生產和科技投入,這在很大程度上制約了壓電晶體材料產業的跨越式發展。

  二、新技術應用

  1、提高單產率,基片大尺寸化。為了提高生產效率,降低成本,人造石英晶體自1960年開始工業化生產以來,高壓釜的尺寸逐漸增大。目前,世界上最大的高壓釜尺寸為內徑650mm,深14m。高壓釜的增大,不僅有利于經濟效益提高,也由于它的大的熱容量,可防止由于高壓釜外部(大氣)的溫度變化引起的溫度波動。

  基片的大尺寸化不但有利于提高生產效率,還有利于自動化生產。用直徑3英寸基片制作器件的產率是2英寸基片的2.2倍,而4英寸為3英寸的1.7倍。國外3英寸的石英晶體、鈮酸鋰和鉭酸鋰基片早已商品化。1984年日本東芝公司配制出了?100mm的擔酸銼基片,解決了基片加工問題,晶體內組分變化在±0.2%,SAW速度變化在±0.04%以內。1988年,美國晶體技術公司生產出了5英寸的光學級妮酸鋰單晶,用于SAW器件和光波導器件。1987年,四硼酸銼晶體的直徑達50-76.2mm,位錯密度小于3000/cm2,晶體之間基片諧振頻率偏差310PPM。日本東洋大學工學部與大倉電氣合作,用水平布里奇曼法育成了可用于SAW器件的四硼酸鋰單晶,其成本為提拉法的1/5~1/10,使其價格達到了SAW器件用量最大的妮酸鋰單晶的水平。1993年,日本日礦共石成功地開發了直徑4英寸、長100mm的大單晶。

  2、生長高純高質量的壓電晶體材料。高純高質量的人造石英晶體的標準是:品質因數達到380萬;包裹體密度10~30μm的3個/cm3,30~70μm的2個/cm3,70~100μm的1個/cm3,大于100μm的1個/cm3;腐蝕隧道密度小于10個/cm2;鋁含量低于1PPM。

  人造石英晶體的主要缺陷是包裹體和腐蝕隧道,它們的成因是鐵、鈉、銼、鋁等雜質的存在,尤以鋁雜質危害最大。生長高純高質量的石英晶體,需要使用高純的原料和無位錯的籽晶,并以較慢的速度生長。在高溫直流電場下對石英晶棒和晶片進行電清洗,能有效地減少腐蝕隧道密度。美國Motorola公司用+x區切取的籽晶生長晶體,其腐蝕隧道密度小于50/cm2,用電清洗方法處理晶體,腐蝕隧道密度小于40/cm2;兩種方法結合使用,腐蝕隧道密度可小于1/cm2。

  鈮酸鋰等晶體中的主要缺陷是包裹物、位錯和亞晶界,這些缺陷對SAW器件,特別是對高頻SAW器件有十分有害的影響。要減少這些缺陷,除使用高純原料和優質籽晶外,還要嚴格控制原料配比和晶體生長工藝參數。

  3、提高人造石英晶體的耐輻射性能。隨著空間技術和核能工程的發展,要求人造石英晶體具有耐輻射性能。實驗表明,石英晶體經輻射后,由于鋁雜質的存在,在鋁雜質周圍的晶格發生了變化,導致彈性常數和頻率也隨之發生變化。為了提高石英晶體的耐輻射性能,除了使用含鋁少的原料生長高純晶體外,采用電清洗技術,能排除鈉、鋰等雜質,使腐蝕隧道密度降低,晶體的結構更趨完善,石英晶體的耐輻射性能大大提高。

  4、采用復合層結構。為了制作高頻SAW器件,一般都是采用高聲速和大機電禍合系數的基片材料,以避免采用亞微米精細微電極制作上的困難。在妮酸鋰基片上沉積SiO2薄膜,發現了128°y切妮酸鋰的新應用的可能性。當薄膜厚度為0.2λ(雙波長)時,SAW實際上沒有色散,一階溫度系數為零,禍合系數大于10%,適用于相對帶寬小于5~10%,插入衰耗較小以及溫度穩定性好的濾波器。

  在藍寶石基片上沉積ZnO2或AIN壓電薄膜構成的層狀結構,都是用作SAW器件較理想的材料。藍寶石上沉積ZnO2結構,SAW速度達5500m/s,延遲溫度系數為-30PPM/C,禍合系數為3.5%。藍寶石上沉積AIN的結構,顯示出高的SAW速度(達5700m/s)和低的色散,延遲溫度系數很小(12.0PPM/C)。由于AIN具有負的延遲溫度系數,適當厚度的AIN膜可以抵消藍寶石的一階溫度系數,延遲溫度系數隨波數和AIN膜厚度的增加而降低,在一定的數值下,可獲得零延遲溫度系數。

  5)繼續探索新型的高穩定高耦合的所謂溫度補償材料,對已開發出來的一系列新材料,要增加晶體的尺寸,解決基片加工問題,盡快商品化,并開拓在微波聲學器件中的應用。

  三、技術發展趨勢

  (1)產品向高頻、高穩定度、微小型化、片式化方向發展,包裝向編帶化過渡。

  (2)生產上要向規模化和專業化方向發展。

  (3)工藝要精細化,環境“綠色”化發展。

  (4)水晶材料向高品質、高純度、低腐隧道密度、抗輻射方向發展。

  根據杭州先略投資咨詢有限公司發布的《2020年壓電晶體材料市場現狀深度調研與發展前景分析報告》數據顯示:2014年中國壓電晶體材料資產規模為10.11億元,2018年為14.92億元,同比2017年增長8.64%。

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  根據杭州先略投資咨詢有限公司發布的《2020年壓電晶體材料市場現狀深度調研與發展前景分析報告》數據顯示:2014年中國壓電晶體材料市場規模為6.95億元,2018年為10.17億元,同比2017年增長7.98%。

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  近年來5G通信技術快速發展,國內相關企業技術進步迅速,逐步占據市場主導地位,有利于市場的快速打開和成熟。5G技術不但可以進一步提高上網速度,還為最終的萬物互聯提供了一個統一的架構。

  在光通信領域,基于鈮酸鋰材料(LN)的超高速、大帶寬、可擴展性等特性,可制作光開關、隔離器、電光調制器等微型集成光器件。光器件作為光通信發展的重要基礎和核心,在光設備中占比20%以上,可預見壓電晶體材料在未來數據中心的應用乃至萬物互聯的實現中將發揮重要作用。



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