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打破國外技術壟斷!磁基板給信號開“VIP通道”
2019-02-15 07:07:20 來源: 科技日報
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  打破國外技術壟斷 降低手機生産成本

  磁基板給信號開個“VIP通道”

  坐公交、地鐵,無需公交卡,刷一下手機便可乘坐;逛商場、吃飯,手機就是銀行卡,結賬時無需點開二維碼,在POS機上一刷便付款成功;不用再找數據線和插孔,手機放在桌上,便可以自動充電……這樣智能化的生活場景得益于近場通信(NFC)中一種叫高磁導率磁性基板的材料。

  “這種磁性材料,能夠擺脫電子幹擾,使信號很好地傳輸和連接。”成都電子科技大學微電子與固體電子學院鄧龍江教授告訴科技日報記者,長期以來,這種材料一直被國外在關鍵技術和市場上壟斷。鄧龍江及其團隊經過長達10年的研究,在該領域殺出重圍,技術不僅達到國際領先水平,並成功實現産業化,改變了國內NFC天線基板材料長期依靠進口的局面。

  如今,該技術已在魅族、華為、索尼等國內外40余家知名企業,涵蓋智能手機、可穿戴設備等6大類上百種電子産品中批量應用,目前,國內超過三分之一的手機品牌都在使用該磁性材料,而材料一天的生産量可以滿足約60萬部手機的數量。未來,這種材料還有更廣泛的市場和應用前景,在支付係統、公交係統、門禁係統、無線充電等領域將會起到重要的支撐作用。

  技術缺口讓制作手機花“冤枉錢”

  “手機外殼內含有很多金屬元器件,所以就會有一個‘電磁渦流對消’的問題,電磁波進去之後,遇到金屬就會被吸收和反射,變得‘亂七八糟’,信號受到幹擾或消失,便無法與外界進行通暢地傳輸。”鄧龍江説。這種高磁導率磁性材料,起到的便是引導信號傳輸和連通的作用。

  電子基板是電子信息産業的基礎,主要起到元器件支撐、散熱、絕緣及與外電路互連等作用,是電子産品“集成化、輕便化、多功能、低成本”的重要技術保障。高磁導率磁性基板作為近年來國際上發展的一類新型電子基板材料,擁有磁導率高、厚度薄、阻抗匹配效果好、易于共形等特點,廣泛應用于近場通信、無線充電、抗電磁幹擾等軍民領域,為電子設備進一步“薄型化、小型化和集成化”以及可穿戴柔性電子技術的興起與迅速發展提供了技術支撐。

  2008年左右,手機支付逐漸成為人們支付習慣的新寵,這種高磁導率磁性材料就是支撐其的關鍵技術,並逐漸發展為智能手機的標配。但掌握相關技術的,都是美國、韓國、日本的大型電子公司,與國外相比,我國在該材料領域存在缺乏係統集成能力、整體工藝水平落後、磁導率等關鍵技術指標低等問題。“最開始,中國由于沒有掌握相關關鍵技術,都是高價花冤枉錢從國外購買這種磁性材料。”鄧龍江告訴記者,當時1平方米的磁性材料就高達2000多元,極大地增加了制作一部手機的成本。

  “這種磁性材料如果做厚,其實並不難。”鄧龍江説,“但手機就這麼個小東西,這個材料只是手機裏眾多元器件中小小的一個,而且現在手機越來越薄的趨勢,採取的制備工藝讓材料變薄成為必須,也是難點。”看到國內在這一行業遇到的技術瓶頸,2008年,鄧龍江帶領團隊走進這個領域。

  修改配方讓電磁波只走專屬通道

  在訪談室裏,鄧龍江拿出實驗樣機給記者展示,在手機背面攝像頭附近,有一些天線,將天線撥開,就是一塊拇指大小的磁性基板材料,周圍環繞著大量的金屬。“基板的厚度只有頭發絲那麼薄,大概30微米—50微米,未來其重量還會越來越輕。”鄧龍江説,這樣一塊磁性基板,可以保障手機在復雜環境下傳輸天線信號,相當于和外界互聯的傳感器。

  “其實做磁性基板的這種材料之前是存在的,但參數不適合這個領域,所以得修改材料的配方。”鄧龍江説,團隊通過選取幾類不同的材料,在一套理論框架下對配方進行重新設計,反復對比實驗,最後發現這種材料在近場通信發揮作用的顯著性更好。

  團隊通過發明的高磁導率磁性基板材料體係及配方,做出的這樣一個又輕又薄的黑色陶瓷片,讓電磁波在手機與外界之間能夠“暢通無阻”的傳輸。“電磁波在傳輸時,只會走磁性基板那個通道,不會被各種金屬元器件幹擾得‘亂七八糟’,就是因為這種材料對電磁波的損耗最小、阻抗最小,電磁波願意在這個地方進行互聯互通,不會在上面遭到反射。”鄧龍江説。

  “根據不同的手機型號,可把磁性基板磨切成不同大小,然後在上面安裝電路和天線。”鄧龍江表示,有了這種材料,天線的尺寸可以做得很小,也能取得很好的效果。團隊通過建立磁性基板磁參數與天線性能之間的關聯,提出了高密度集成磁性基板集成應用的設計方法。

  “天線相當于人的眼睛,當感知到外界存在能量後,就去耦合這個能量,進行接收或發送,使之和電路疊合在一起。”鄧龍江説,如今,天線在這種磁性材料的支撐下,使得在滿是金屬的復雜環境下信號也能正常的互聯互通,而且傳輸速率還有明顯提升,讓手機、手腕帶等智能穿戴設備以及智能電視、智能冰箱的NFC功能進一步發揮作用。

  創新工藝讓材料“一舉多得”

  走進電子科技大學國家電磁輻射控制材料工程技術研究中心的燒結房內,記者看到,上萬片名片大小的黑色磁性基板材料被整齊地疊放在工作臺上,等待著高溫下的成型。“燒結過程是非常講究的,燒多少層,每一層放多少材料,都對溫度的把控、荷載燒結負重有嚴格的要求,因為最後基板成型的結構都是靠溫度去掌控。”鄧龍江説,團隊經過反復的實驗和計算,掌握了磁性基板高溫蠕變與荷載燒結、燒結溫度場與磁參數關聯的變化規律。

  “這只是其中的一個環節,走到這個程度,前面至少經過了5個工藝。”鄧龍江説,盡管只是塊小小的陶瓷片,其制備工藝卻並不簡單,先後要經過造板、造漿料、流延、剪裁、裝片、燒結等多個步驟。

  在鄧龍江提供的實驗視頻中,記者看到,一片磁性基板被放在水裏,很快便在水中溶解了。“這是國際上首次實現了磁性基板安全環保水性流延及二次回歸燒結的制備工藝。”鄧龍江告訴記者,以前國內外在這個領域,用的都是像酒精這樣的有機溶劑,因為材料在有機溶劑裏能達到很好的氣溶性,但有機溶劑既不環保、也不安全,其不僅帶有一定的毒性,而且在一定溫度下有燃爆點,對材料之後的生産和應用造成較大的安全隱患。

  “在選擇這個工藝的時候,起步的階段,我們就考慮到安全環保的問題。”鄧龍江表示,要從有機體係改成無機體係,難度就在于把精度做高,流延性做好,並且適合于批量生産。團隊在關鍵工藝參數的控制上做了大量工作,發明了PVA與PEG融合的漿料配方體係、水係流延專用流延盒及排氣設備。

  鄧龍江説:“這種全相溶水性體係流延法工藝,其使用的水基漿料成本低,設備維護方便,邊料也容易回收,實現了這種磁性基板材料安全、環保、高效、低成本生産。”目前,團隊從材料的配方到工藝實現了自主創新,形成自主知識産權,不僅在材料性能的參數上比國外提供的指標有明顯進展,而且成本上實現的數量級下降,將1平方米材料2000多元的昂貴價格,降低到只需200多元,讓國外公司很快沒有了市場,逐漸退出這個領域。鄧龍江説:“現在這個領域基本都是中國人在做,以前我們是跟跑,今天我們已經處于領先地位。”

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【糾錯】 責任編輯: 郝多
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