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提名国家科技进步奖项目公示

发布日期:2017-12-29

提名国家科技进步奖项目公示

项目名称

高世代声表面波材料与滤波器产业化技术

提名单位

教育部

提名单位意见

项目简介:

本成果属材料科学、电子信息、物理声学交叉领域。

声表面波滤波器是移动通讯系统信号收发的核心器件。高世代(3G4G5G)滤波器长期依赖进口,被国家发展改革委和工信部等联合认定为影响国家安全器件的第二位。高功率、小体积、大带宽是高世代声表面波滤波器产业化面临的核心难点。

本成果团队在国家863计划支持下,产学研联动,军民融合,从材料微结构与性能调控出发,就声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术、大带宽低插损器件控制技术、微型化设计与器件精细加工技术、滤波器产业化集成技术开展了系统研究,主要技术创新点包括:

1、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。

2、带宽增加技术:诠释了压电材料沿不同晶体取向的声表面波传播规律,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壁垒。

3、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%

4、器件产业化技术:发展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,实现了我国高世代移动通讯滤波器产品从无到有的突破。

相关成果发表SCI论文30余篇,出版《声表面波材料与器件》专著,申请发明专利27件(授权17件)。在中电集团、无锡好达、深圳麦捷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,本成果经济和社会效益显著,创新突出,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。获2017年度教育部科技进步一等奖。

成果推动了声表面波材料与技术的发展,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。发展的声表面波滤波器件与模块大量应用于我国相控阵雷达、预警飞机和驱逐舰等,为防务领域提供了器件保障。

 

客观评价:

1、申请专利【附件专利1-10】、发表论文与专著【附件论文1-30

项目组2009年至2014年,共发表紧密相关论文30余篇,其中影响因子(IF)超过3的论文10篇,含Biosensors BioelectronisIF=7.78),Applied Physics LettersPhysical Review B等期刊,关于声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术核心结果的论文发表于影响因子为5.301Acta Materialla (61, 4619-4624,2013)上。

2012年应科学出版社出版邀请,出版《声表面波材料与器件》专著一部,该书为十二五国家重点图书出版规划项目之现代声学科学与技术丛书,出版一年后很快售完,于2013年第二次印刷。

项目所取得的技术申请国家发明专利27件,其中授权17件;另外授权实用新型专利3件。

2、获得科技成果奖励情况

1)本项目完整成果2017年被清华大学推荐并获得“高等学校科学研究优秀成果奖-科学技术进步奖”一等奖(教育部科技进步奖)

获奖名称:高世代声表面波材料与滤波器产业化技术

获奖单位与人员与本成果一致。

获奖公告:http://www.cutech.edu.cn/cn/zxgz/2017/12/1510274358959405.htm

公告日期:2017121日。

2)本项目成果“空/海警-500预警机用声表面波滤波器”被中国电子科技集团公司授予“十二五”军工重大贡献奖项目团队奖。【附件中电集团嘉奖证书】

3、第三方评价【查新与科技成果鉴定,附件鉴定证书】

项目组委托教育部查新工作站查新,2017417日中国真空学会组织专家对高世代声表面波材料与滤波器产业化技术进行了科技成果鉴定,鉴定意见认为:

......

围绕高世代(3G\4G\5G)移动通讯对声表面波器件产业发展的迫切需求,以“高功率、小体积、大带宽、量产”为主攻方向,从材料结构与性能调控的角度,突破了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术、大带宽低插损器件控制技术、微型化设计与器件精细加工技术,并实现了产业化,主要技术创新点如下:

1)诠释了压电衬底与换能器电极材料间耦合效应,发展出多种具有强(111)织构的高性能Al/TiNi)多层结构换能器材料,器件抗电迁移能力提高10倍,滤波器功率提升10倍,成为国际高功率滤波器的主流方案。

2)研究了压电晶体材料沿不同取向的声表面波传播规律,通过调控电极膜厚和压电晶体取向,获得纯水平剪切波,设计并制备出大带宽、低插损、小带内波动的SAW滤波器,相对带宽从5%增加至20%,突破了声表面波宽带滤波器的技术壁垒。

3)突破了声表面波滤波器耦合模/全波分析的设计关键技术,通过加权和迭代技术优化指条参数,电磁耦合调控消除器件多模干扰,突破了深亚微米光刻、分区曝光与拼接等微纳尺度精细加工技术,器件体积从十年前的3.8´3.8´1.5毫米3减小至0.8´0.6´0.45毫米3,器件体积缩小至原来器件体积的1%

4)发展出针对高世代声表面波滤波器的光刻、镀膜、金球凸点制作、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生产线,年产能30亿只、达国际需求量7%左右,实现了我国高世代移动通讯滤波器产品从无到有的突破。

......并在中国电子科技集团公司第二十六研究所、无锡市好达电子有限公司、深圳市麦捷微电子科技股份有限公司等企业中实现了产业化,产品应用到移动通讯、国防安全等领域,出口到韩国三星等企业,经济和社会效益显著。

鉴定委员会认为该成果创新突出,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。

4、公开文献报道与评价

科学技术部主编《这十年(材料领域科技发展报告)》科学技术文献出版社(2012年出版)将本项目进展写入“十五”“十一五”两个五年计划我国材料领域最主要的31个科技进展之一(第一章综述,第9-22页),其中第16-18页为:

“三、在纳米材料与器件、人工晶体与全固态激光器、光纤、超导材料等技术领域取得重大进展,在世界科技前沿占有一席之地。......

......(七)高频声表面波关键材料。突破了高性能压电晶体基片生产中的温场与生长速度稳定控制技术、350nm密集叉指线条反应离子束刻蚀技术等关键技术,获得抗电迁移和功率耐受性叉指换能器材料。11.9GHz器件实现了批量化生产,已形成1.9亿只声表面波滤波器产能(注:这是2010年数据,2011年后技术突破并迅速扩大产能至30亿只,器件频率也从1.9GHz提升至3GHz)。器件主要应用于3G通信、射频标签、GPS(全球定位系统)、北斗导航等系统。该项成果将为具有自主知识产权的TD-SCDMA系统以及下一代超宽带通信系统的提供高品质的声表面波器件(注:现已成功大量应用于3G/4G系统),打破了高频、高性能器件几乎全部依赖进口的局面。......”

 

推广应用情况:

项目发展出的具有自主知识产权的高世代声表面波材料与滤波器产业化技术已在中国电子科技集团第二十六研究所、无锡市好达电子有限公司、深圳市麦捷微电子科技股份有限公司成功应用。建立了自主知识产权的声表面波滤波器芯片与后封装生产线两条,年产能达到30亿只高世代滤波器件生产线(占国内产能的85%)(见下表),成功生产出4G TD-LTE通讯系统全规格的微形化、高功率器件。使我国高世代移动通讯滤波器产品从无到有,产能达国际需求量7%左右。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。发展的声表面波滤波器件与模块,大量应用于我国相控阵雷达、预警飞机、驱逐舰和导弹等,为国防建设提供了器件保障。

1)在中国电子科技集团第二十六研究所建立了年产20亿只高世代声表面波滤波器芯片制造生产线一条和1亿只军品器件封装生产线一天(应用时间2009.1--2017.12,联系人毛世平/13883674379)。

典型产品有:应用于Band402.35GHzBand412.605GHz)等的手机用射频双工器;应用于基站的射频滤波器,包括3G网络LBT2140系列,4G-LTE网络2500M系列产品, Wifi波段&LBT2462和蓝牙波段LBT2333XX等。所生产声表面波滤波器大量应用于防务领域,典型产品--高幅相一致性声表滤波器,相位一致性优于±5°,已广泛应用于陆基相控阵雷达、空警/海警系列预警机、05X系列大型驱逐舰、XX系列导弹等国家重要工程,在民用市场,重点突破了低损耗、高矩形度滤波器的关键技术,成功用于华为、中兴的4G基站中。

2)在无锡市好达电子有限公司建立了年产能10亿只滤波器生产线一条(应用时间2013.1--2017.12,联系人黄辉/3806171398

可规模化生产中心频率从700MHz2.700GHz的高性能滤波器。主要产品已成功应用于手机、通信基站,雷达、航天航空、汽车电子、及其它射频通讯领域,主要用户有三星、中兴、小米、波导、金立、TCL等。采用本项目独有的技术超大带宽滤波器技术在业界首次为全频段band44band20+band28等应用供了解决方案,成功应用于军品手机、平板显示领域。经中国赛宝(江苏)实验室检验全部满足技术指标(报告编号20172050165),双工器、滤波器性能指标达到国际先进水平。

3)在深圳市麦捷微电子科技股份有限公司建立了年产5亿只滤波器的后封装生产线一条(应用时间2014.1--2017.12,联系人赖定权/15019403594)。

已批量生产FDD双工器,FDD接收滤波器,TDD收发滤波器,GPS滤波器,WIFI滤波器等移动终端声表面波滤波器,产品广泛应用于中兴、华为、联想、小米、波导、华勤、镭杰冠捷、TCL、长虹、酷派、魅族、康佳等企业。

主要知识产权证明目录:

序号

专利名称

权利人

发明人

授权号

1

在柔性衬底上沉积高c轴取向氮化铝薄膜的方法

清华大学、中国电子科技集团公司第二十六研究所、无锡市好达电子有限公司

李起、曾飞、

潘峰、高双、

欧黎、王为标

201410705974.X

2

开关切换型双通道声表面波滤波器

无锡市好达电子有限公司

王为标、倪山林

200810196511.X

3

一种提高ZnO薄膜材料的压电常数方法

清华大学

潘峰、罗景庭、曾飞

201010170458.3

4

一种具有高可见光透过率和高压电常数的共掺杂ZnO薄膜

清华大学

曾飞、刘宏燕、杨晶、潘峰、罗景庭

201210004182.0

5

多汇流条声表面波滤波器

无锡市好达电子有限公司

王为标、王少

安、赵雯、倪

山林

201010223448.1

6

双通道声表面波滤波器

无锡市好达电子有限公司

倪山林、王为标

200810124217.8

7

全密封结构微机械滤波器

中国电子科技集团公司第二十六研究所

杜波、马晋毅、江洪敏、曹家强、杨靖、蒋欣

201210322603.4

8

一种具有高功

率承受力的声

表面波滤波器

中国电子科技集团公司第二十六研究所

杜波、陈彦光、傅金桥、马晋毅、蒋欣、蒋世义

201310047775.X

9

预设空腔型

SOI基片薄膜

体声波滤波器

及其制作方法

中国电子科技集团公司第二十六研究所

杨增涛、马晋毅、欧黎、冷俊林、杨正兵、赵建华、陈运祥、周勇、陈小兵、傅金桥、张龙、张涛、曹亮

201110034129.0

10

天线及射频识

别模组

深圳市麦捷微

电子科技股份

有限公司

赖定权、梁启新、付迎华、

陈鑫、朱圆圆、马龙、陈基源、齐治、张海恩、张美蓉

201410089116.7

主要完成人情况:摘自“主要完成人情况表”中的部分内容,公示姓名、排名、行政职务、技术职称、工作单位、完成单位、对本项目技术创造性贡献

1. 潘峰,排名1,教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,是该项目主要负责人,提出总体研究方案和思路,对创新点1-4均做出了重大贡献。突破了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,发展处多种多层结构高性能换能器材料;协助发展了大带宽低插损器件控制技术和微型化设计与精细加工技术【出版《声表面波材料与器件》专著一部,代表性专利13-4,论文2-36-811-29】;主导建立了滤波器实验研发中试线,共同推进了滤波器产业技术的发展【鉴定证书】。

2. 欧黎,排名2,所长,教授,工作单位:中电集团第二十六研究所,完成单位:中电集团第二十六研究所,是该项目核心完成人之一,对创新点1-4均作出贡献;共同发展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,开发出声电磁设计平台与技术,获得滤波器/双工器等微型化设计与器件精细加工技术,突破了长阵列深亚微米指条制作及批产工艺技术【代表性专利19】;建立了年产20亿只高世代声表面波芯片(前道)生产线,产品在防务领域应用于陆基相阵控雷达、空警/海警系列预警机、05X系列大型驱逐舰等【鉴定证书,电子集团嘉奖证书】。

3. 王为标,排名3,高级工程师,工作单位:无锡好达电子有限公司,完成单位:无锡好达电子有限公司,是该项目核心完成人之一,对创新点1-4均做出贡献;共同发展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,首次设计并制备出大带宽、低插损的声表面波滤波器,突破了声表面波只能制备窄带滤波器的壁垒,将器件带宽从5%增加至20%。发展处滤波器微纳尺度精准加工技术,滤波器尺寸达到0.8×0.6×0.45毫米【代表性专利1-25-6,论文4-59-11】;在无锡好达建立了自主知识产权的年产能达10亿只高世代滤波器件的生产线【鉴定证书】。

4. 张美蓉,排名4,总经理,高级工程师,工作单位:深圳麦捷电子科技股份有限公司,完成单位:深圳麦捷电子科技股份有限公司,自2014起与清华大学和中国电子科技集团公司第二十六研究所合作,开展高世代滤波器的后封装产业化技术研究,对创新性4做出贡献,领导建立了自主知识产权的年产能达到5亿只高世代滤波器件后封装生产线,发展陶瓷基板封装工艺,成功批量生产滤波器、双工器。授权发明专利2项【代表性专利10,鉴定证书】。

5. 罗景庭,排名5,副院长,副教授,工作单位:深圳大学,完成单位,深圳大学,对创新点1做出较大贡献。研究了Al(Ti/Ni)叉指换能器薄膜材料的形核与生长机理,阐明了换能器材料受高频交变应力条件下电迁移规律,对发展具有强(111)织构的高性能多层结构换能器材料有较大贡献。协助建立了滤波器实验研发中试线【代表性专利3-4,论文36-71214-1719-202328-30,鉴定证书】。

6. 曾飞,排名6,副研究员,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,对创新点1-4均做出贡献。开展了多层结构换能器材料研究,突破了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术;协助发展了器件精细加工技术,建立了滤波器实验研发中试线,共同推进了滤波器产业技术的发展【代表性专利13-4,论文2-36-812-29,鉴定证书】。

7. 马晋毅,排名7,研究员,工作单位:中电集团第二十六研究所,完成单位:中电集团第二十六研究所,是该项目核心完成人之一,对创新点14均做出贡献。共同开展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,开发出声电磁设计平台与技术,参与发展了长阵列深亚微米指条制作及批产工艺技术,建立了年产20亿只高世代声表面波芯片(前道)生产线,产品在防务领域应用于陆基相阵控雷达、空警/海警系列预警机、XXX系列大型驱逐舰等【代表性专利789,鉴定知识,嘉奖证书】。

8. 陆增天,排名8,工程师,工作单位:无锡好达电子有限公司,完成单位:无锡好达电子有限公司,对创新点134做出贡献。共同发展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,开发了负胶光刻工艺的微纳尺度精准加工技术,芯片成品率由80%提高到97%,参与后道工艺研究,优化倒装机,使得倒装的可靠性大幅增加,参与建立了自主知识产权的年产能达到10亿只高世代滤波器生产线【鉴定证书】。

9. 赖定权,排名9,总经理助理,工程师,工作单位:深圳麦捷电子科技股份有限公司,完成单位:深圳麦捷电子科技股份有限公司,对创新点4做出贡献。共同研发了倒装焊、在线检测等产业化技术,协助建立了深圳麦捷的自主知识产权的年产能达到5亿只高世代滤波器件后封装生产线,成功批量生产滤波器、双工器【代表性专利10,鉴定证书】。

10. 排名10,副教授,工作单位:清华大学,完成单位:清华大学,对创新点14均做出贡献。共同开展了多层结构换能器材料研究,突破了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术;协助发展并建立了滤波器实验研发中试线,共同推进了滤波器产业技术的发展。授权发明专利2件【论文224-26,鉴定证书】。

主要完成单位及创新推广贡献:

1. 清华大学,排名1,自2008年牵头开展本项目研究。牵头完成863计划重点项目,声电与磁电功能薄膜材料与器件,2009AA0340012009年起与中电26所合作完成863计划项目,高频声表面波关键材料与应用研究,2009AA03Z444863计划项目,新型声表面波滤波器与多层片式压敏陶瓷技术,2013AA030801。共同开展了材料与器件产业化技术的研究。自2008年起与无锡好达建立合作关系,2013年起共同开展高功率、大带宽滤波器的产业化技术研究,发展

器件微型化技术。自2013年起与深圳市麦捷微电子科技股份有限公司建立合作关系,共同开展高世代滤波器的后封装产业化技术研究。2014年起与深圳大学合作研究换能器材料。主要创新贡献情况:对创新点1-4均作出重大贡献。突破了声表面滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,协助发展了大带宽低插损器件控制技术和微型化设计与器件精细加工技术,建立了滤波器实验研发中试线,共同推进了滤波器产业技术的发展。授权发明专利5件,专著1部,论文30余篇。

2. 中国电子科技集团公司第二十六研究所,排名2,自2008年起与清华大学合作本项目研究。牵头与清华大学一起完成863计划项目,高频声表面波关键材料与应用研究,2009AA03Z444863计划项目,新型声表面波滤波器与多层片式压敏陶瓷技术,2013AA030801。共同开展了滤波器材料与器件产业化技术的研究。自2013年起与深圳麦捷微电子科技股份有限公司建立合作关系,共同开展高世代滤波器的后封装产业化技术研究,为深圳麦捷微电子科技股份有限公司提供滤波器晶圆芯片。主要创新贡献情况:对创新点1-4均做出贡献。共同开展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技

术,开发出声电磁设计平台与技术,获得滤波器/双工器等微型化设计与器件精细加工技术,突破了长阵列深亚微米指条制作及批产工艺技术,建立了年产20亿只高世代声表面波芯片(前道)生产线,产品在防务领域应用于路基相控阵雷达、空警/海警系列预警机、XXX类型大型驱逐舰、XX系列导弹等。授权发明专利4件。

3. 无锡市好达电子有限公司,排名3,自2008年与清华大学合作本项目研究。2013年与清华大学共同开展高功率、大带宽滤波器、微型化器件的产业化技术研究。主要创新贡献情况:对创新点1-4均做出贡献。共同发展了声表面波滤波器换能器材料功率耐受性提升技术,首次设计并制备出大带宽、低插损的声表面波滤波器,突破了声表面波只能制备窄带滤波器的壁垒,将器件带宽从5%增加至20%。发展处滤波器微纳尺度精准加工技术,滤波器尺寸达到0.8×0.6×0.45毫米,建立了自主知识产权的年产能达10亿只高世代滤波器件的生产线,成功生产全规格的微型化、高功率器件,产品近60个品种。授权发明专利4件和实用新型专利3件,论文5篇。

4. 深圳麦捷电子科技股份有限公司,排名4,自2014年起与清华大学和中国电子科技集团公司第二十六研究所建立合作关系,共同开展高世代滤波器的后封装产业化技术研究。主要创新贡献情况:对创新点3-4做出贡献。共同开展了滤波器设计技术,发展了倒装焊、在线检测等产业化技术,建立了1条自主知识产权的年产能达到5亿只高世代滤波器件后封装生产线,成功批量生产滤波器、双工器,滤波器等产品已广泛应用于通讯、消费类电子等领域。授权发明专利2件。

5. 深圳大学,排名52008年至2011年,深圳大学罗景庭副教授参加了清华大学牵头的863计划重点项目,声电与磁电功能薄膜材料与器件,2009AA034001;以及中电26所牵头的863计划项目,高频声表面波关键材料与应用研究,2009AA03Z444863计划项目,新型声表面波滤波器与多层片式压敏陶瓷技术,2013AA0308012014年起与清华大学合作重点研究换能器材料。主要创新贡献情况:对创新点1做出重大贡献。研究了Al(Ti/Ni)叉指换能器薄膜材料的形核与生长机理,阐明了换能器材料受高频交变应力条件下电迁移规律,对发展具有强(111)织构的高性能多层结构换能器材料有较大贡献。协助建立了滤波器实验研发中试线。发表论文3篇。

 

完成人合作关系说明:

本项目联合申报单位包括清华大学、中国电子科技集团公司第二十六研究所、无锡市好达电子有限公司、深圳市麦捷微电子科技股份有限公司、深圳大学,下面对完成人合作关系进行简要说明。

1)完成人潘峰(1)、欧黎(2)、罗景庭(5)、曾飞(6)、马晋毅(7)、宋成(10)等共同承担并完成863 项目“声电与磁电功能薄膜材料与器件”(2009AA034001),“高频声表面波关键材料与应用研究”(2009AA03Z444)和“新型声表面波滤波器与多层片式压敏陶瓷技术”(2013AA030801)。共同申请发明专利两件,授权一件。

2)清华大学自2008年起与无锡好达建立产学研合作关系,2013 年潘峰、曾飞等与王为标(3)、陆增天(8)等签署高世代声表面波材料与滤波器产业化合作协议,共同开展高功率、大带宽滤波器的产业化技术研究,发展器件微型化技术,建立生产线。根据协议知识产权双方可以共同使用。清华大学专利已在无锡好达实施。共同发表论文3篇,申请发明专利一件。

3)为进一步推动高世代声表面波滤波器产业化进程,自2014年起清华大学潘峰、曾飞等与深圳麦捷张美蓉(4)、赖定权(9)等建立合作关系,利用中电26所欧黎、马晋毅发展出的高性能滤波器芯片,共同开展高世代滤波器的后封装产业化技术研究,建立生产线,根据协议知识产权双方可以共同使用。

4)完成人罗景庭(5)原在清华大学攻读博士学位,导师为第一完成人潘峰(1),共同申请专利多项,发表论文多篇,毕业后到深圳大学工作,并继续合作研究换能器材料,两个单位共同发表论文5 篇。

 

 


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