电子元器件的发展历程及未来趋势

从实施课程改革以来，我反复学习有关的教育教学理论，深刻领会新课标精神，认真反思自身教学实际，研究学生，探究教法电子元器件的发展历程及未来趋势每种事物都有其自身的发展历史和发展规律，电子元器件也不例外，它历经了经典电子元器件、小型化电子元器件、一般微电子元器件、智能微电子元器件时代，未来正在迈向量子电子元器件时代。电子元器件的发展离不开电子信息技术和整机的发展，二者是相互促进，相互牵制的关系。微电子元器件包括集成电路、混合集成电路、片式和扁平式元件和机电组件、片式半导体分立器件等。微电子指采用微细工艺的集成电路，随集成电路集成度和复杂度的大幅度提高、线宽越来越细和采用铜导线，其基频和处理速度也大幅度提高，在电子线路中其周边的其他元器件必然要有相应速率的处理速度，才能完成所承担的功能。因此，需要通过整个设备及系统来分析元器件的发展。表1电子元器件的发展阶段及特点发展阶段经典电子元器件小型化电子元器件微电子元器件核心有源器件电子管半导体分立器件（含低频低速集成电器）高频高速处理集成电路整机装联工艺以薄铁为支撑，通过管座和支架利用引线和导线将元器件连接，采用手工钎焊装联。以插装方式将元器件安装在有通孔的印制电路板上，印制电器板既作为支撑又用其铜图形作导体连接各种元器件。采用手工和自动插装机及波峰焊为主。以SMT表面和芯片尺寸贴装CSP等方式将元器件安装在相应的印制电路板（表面贴装和高密度互连印制电路板上）。采用全自动贴装或智能化混合安装及再流焊、双波峰焊设备等装联设备。电子元器件技术、生产特点高电压、大体积、门类和品种少、长引线或管座、结构简单，生产规模小，年生产规模多以万计。以工夹具和简单机械设备方式生产。小型化、低电压、高可靠、高稳定、门类和品种大幅度增多、出现功能性和组合元器件，年生产规模多以亿计。单机和连动生产线，产品和零部件专业化生产。微小型化、适于表面安装。高频特性好、宽带、一致性、高可靠、高稳定、高精度、低功耗、多功能、组件化、智能化、模块化。具有尽可能小的寄生参数、有定阻抗、EM/RF要求。门类、品种之间及其消长关系有新的规律。年生产规模多以十、百亿计。自动生产设备和生产线。对生产环境有不同净化要求。零部件、工序的专业化。从实施课程改革以来，我反复学习有关的教育教学理论，深刻领会新课标精神，认真反思自身教学实际，研究学生，探究教法上述电子元器件的发展阶段的划分是2001年提出来的，但近年来电子技术和电子产业的发展很快，新技术，新产品不断涌现，尤其是智能化产品和系统越来越普及，智能化已经到来，同时，量子技术有了突破，信息技术有可能进入“量子化时代”。智能化已经到来观察一下我们周围，可以发现，智能化家用电子及电器，如智能电视机、电灶具、电热水器等；智能化终端如手机、手表式终端等，智能化汽车电子及智能化公交系统等，其发展的总趋势是以智能化为核心的信息化，系统化和网络化。这些变化也可以从智能化设备和系统框图构成来分析对电子元器件的新要求：1）指挥控制系统--嵌入式处理器芯片，高速，大容量的集成电路，计算芯片已经渗入到各种系统和产品中。整机采用双核、四核，八核以至更多的芯片并行，以加速运算速率的智能化处理。2）信息采集系统--以传感器为代表将各种信息转化为电信号，并进行处理。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置--传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”.但是目前传感器的发展已成为一个瓶颈，对其品质、稳定性、一致性与可靠性等程度要求越来越高。还出现如数字话筒、智能传感器模块等一些数字化器件。3）传输系统--信号荷载信息，经过不同的频率交换、调制或编码，变成适当的形式，以便适合于各种不同媒介质的传输。传输系统需要高速大容量网络，包括无线、有线传输，常由两者结合传输。a）传输系统为有更高的传输速率和带宽，对元器件品质要求如；高频、带宽、阻抗匹配、电磁干扰、稳定性与耗损等等特性有更加严格的要求，这将导致这些符合条件的元器件发展更快。b）光网络，光电结合更加普及，如光纤到户（FTTH），光纤到桌（FTTD），许多终端都有光接口。光电结合和转化的元器件如光器件，光电转化元器件等不断出现和高速发展。网络传输速率越来越快，如3G通信，国际电联“IMT-2000”（国际移动电话2000）标准规定，移动终端以车速移动时，其传转数据速率为144kbps,室外静止或步行时速率为384kbps,而室内为2Mbps.4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps.4）执行系统--如控制元件（继电器，包括固体继电器）、微特电机及功能性电子元器件发展更快。功能性电子元器件是具有某些独特功能的元器件，如频率、时频及显示器件从实施课程改革以来，我反复学习有关的教育教学理论，深刻领会新课标精神，认真反思自身教学实际，研究学生，探究教法等，以区别构成一般电子线路的阻容感元件、开关等元器件。5）软件系统--智能化软件，如智能化网络的软件。印制电路技术的支撑与元器件发展的相互支撑由于HDI（高密度互连技术）集中体现当代PCB（印制电路板）最先进技术，它给PCB带来精细导线化、微小孔径化。HDI多层板应用终端电子产品如移动电话（手机）是HDI前沿发展技术典范。在手机中PCB主板微细导线宽度/间距50μm~75μm/50μm~75μm已成为主流。此外导电层、板厚薄型化、导电图形微细化带来电子设备高密度化、高性能化。加上由于装配密度高，不同频率的元器件的相互干扰更为明显。HDI紧随移动电话发展，带动信息处理和控制基本频率功能的LSI和CSP芯片（封装）、封装用模板基板的发展。当前，在PCB的内层形成半导体器件（有源组件）、电子组件（无源组件）埋嵌PCB已开始量产化，组件埋嵌技术是PCB功能集成电路的巨大变革，同时对相应的裸芯片和元器件的结构和载带又有了相应的要求。无论是刚性PCB或是挠性PCB材料，随着全球电子产品无铅化，钎焊温度提高，要求它们的耐热性更高，因此新型高Tg、热膨胀系数小、介质常数小，介质损耗角正切优良材料不断涌现。同样，对其上的元器件也带来了以上同样的要求，即耐热性更高，热膨胀系数小等。光电PCB利用光路层和电路层传输信号，这种新技术关键是制造光路层（光波导层）。它是一种有机聚合物，利用平版影印、激光烧蚀、反应离子蚀刻等方法来形成。总之，印制电路板从工艺和特性上对元器件有高频特性好、一致性、高可靠、高稳定、高精度、耐高温，微小型、超小型化，也对它们外型结构及新型载带等提出更高要求。从以上智能化设备及系统分析中，可以看到对元器件的总的要求是：1）智能化元器件要有适应更高频率，更高速率的特性。2）高速发展带动以智能化元器件为代表的新功能性元器件向更高层次、更好的特性、成系列的发展。智能化元器件的发展前景信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，“十二五”期间我国要实现信息产业的跨越式发展，大力推进国民经济和社会信息化，以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展。未来的五年，正是世界和我国电子技术和电子产品更新换代的关键时期，国家提出要支持我国新型元器件的发展，以提高信息化装备和系统集成能力，满足市场对它的要求。这其中，就包括满足新一代电子整机发展需求的新型片式化、小型化、集成化、高可靠电子元件产品；满足我国新型交通装备制造业配套需求的高质量、关键性电子元件；为节能环保设备配套的电子元件以及环保型电子元件；为新一代通信技术配套的电子元件；为新能源以及智能电网产业配套的电子元件；新型电子元件材料以及设备。其中包括基于MEMS技术的传感器、环境监测设备用气体传感器、流量传感器、湿度传感器等。从实施课程改革以来，我反复学习有关的教育教学理论，深刻领会新课标精神，认真反思自身教学实际，研究学生，探究教法数字电视、第三代移动通信和第四代移动通信、新一代互联网等对未来发展影响重大的信息网络系统和技术日益成熟，“云”技术的发展，使网络内空间超大容量，超大距离网络的发展；这就导致智能化为核心的功能集成更广的产品发展越来越快，促成智能微电子元器件要具有适应大规模超高频超高速，并有智能化处理的功能。此外，物联网应用已进入实际应用阶段，传感器处于物联网产业链的上游，将是整个物联网产业中需求量最大和最基础的环节。目前全球现在大概有40个国家从事传感器的研制生产工作，研发、生产单位有5000余家，产品达20000多种。中国传感器的市场近几年一直持续增长，增长速度超过15%。量子电子元器件阶段即将到来，也是对未来智能化元器件发展的一个推动力。（如表2所示）表2电子元器件的发展新阶段及特点发展阶段微电子元器件量子电子元器件一般微电子元器件智能微电子元器件核心有源器件高频高速处理集成电路大规模超高频超高速处理集成电路并有智能化处理功能，光电子器件。极低能耗的高速电子器件整机装工艺以表面SMT和芯片尺寸贴装CSP等方式将元器件安装在相应的印制电路板/（表面贴装和高密度互连印制电路板上）。采用全自动贴装或智能化混合安装及再流焊、双波峰焊设备等装联设备。以HDI包括使用不同基材的各种厚膜电路HIC及组件精细化和纳米技术应用。各种电子电路集成，采用全自动智能化混合安装。光电接口的普及，无铅样和无害化的环保。智能化装联工艺技术生产特点微小型化、适于表面安装。高频特性好、宽带、一致性、高可靠、高稳定、高精度、低功耗、多功能、组件化、智能化、模块化。具有尽可能小的寄生参数、有定阻抗、EM/RF要求。门类、品种之间及其消长关系有新的规律。年生产规模多以十、百亿计。自动生产设备和生产线。对生产环境有净化要求。零部件、工序的专业化。微小型化，超微小型化，纳米技术应用及精细化制造技术，对高频特性、带宽、一致性、高可靠、高稳定、高精度、EMI/RF阻抗特性、低功耗、耐温和散热等。有更高要求。门类、品种之间及其消长规律变化出现新格局，新变化。高速发展的有：以传感器为代表的多功能元器件；频率器件（包括数/模转化器件）；光器件及光电结合的元器件；多功能组件和模块；适应数字化的器件和组件；埋嵌式裸芯片及各种印刷元件等。将出现基于新机理，新材料，新结构，新工艺，以及有新功能的极低能耗，有适于高速率的量子电子元器件，具有许多新门类、新系列产品的多功能模块化组件。从实施课程改革以来，我反复学习有关的教育教学理论，深刻领会新课标精神，认真反思自身教学实际，研究学生，探究教法2012年，量子技术有了突破，获得诺贝尔物理奖题目叫做《量子调控新纪元》，这个物理奖和量子调控非常有关系。研究量子计算机的中国科学技术大学郭光灿院士就说：“现在做量子计算机，实际上就是芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这个能实现，量子计算机有希望从这儿走。”由清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破，他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应，这是我国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象，也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。该成果于北京时间3月15日凌晨在美国《科学》杂志在线发表。量子技术的重要突破，可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，可用于制备极低能耗的高速电子器件，量子计算机就有可能实现。从而，基于新机理、新材料、新结构、新工艺以及新功能的极低能耗，适应于高速率的量子电子元器件和多功能的组件也会出现。综合以上对电子整机及系统、产品结构和工艺以及市场的分析，微电子电子元器件应分为一般和智能化前后两个阶段，北京阿尔泰科技发展有限公司不但有PXI测控系统、CPCI测控系统、板卡类、配套产品等数据采集卡，而且也有分布式采集及嵌入式主板等产品，同时我们公司也在不断的研发和生产新的产品，迎接量子电子元器件阶段的