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磁基板给信号开个“VIP通道”

2019-02-15 09:01来源:科技日报

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  坐公交、地铁,无需公交卡,刷一下手机便可乘坐;逛商场、吃饭,手机就是银行卡,结账时无需点开二维码,在POS机上一刷便付款成功;不用再找数据线和插孔,手机放在桌上,便可以自动充电……这样智能化的生活场景得益于近场通信(NFC)中一种叫高磁导率磁性基板的材料。

  “这种磁性材料,能够摆脱电子干扰,使信号很好地传输和连接。”成都电子科技大学微电子与固体电子学院邓龙江教授告诉科技日报记者,长期以来,这种材料一直被国外在关键技术和市场上垄断。邓龙江及其团队经过长达10年的研究,在该领域杀出重围,技术不仅达到国际领先水平,并成功实现产业化,改变了国内NFC天线基板材料长期依靠进口的局面。

  如今,该技术已在魅族、华为、索尼等国内外40余家知名企业,涵盖智能手机、可穿戴设备等6大类上百种电子产品中批量应用,目前,国内超过三分之一的手机品牌都在使用该磁性材料,而材料一天的生产量可以满足约60万部手机的数量。未来,这种材料还有更广泛的市场和应用前景,在支付系统、公交系统、门禁系统、无线充电等领域将会起到重要的支撑作用。

  技术缺口让制作手机花“冤枉钱”

  “手机外壳内含有很多金属元器件,所以就会有一个‘电磁涡流对消’的问题,电磁波进去之后,遇到金属就会被吸收和反射,变得‘乱七八糟’,信号受到干扰或消失,便无法与外界进行通畅地传输。”邓龙江说。这种高磁导率磁性材料,起到的便是引导信号传输和连通的作用。

  电子基板是电子信息产业的基础,主要起到元器件支撑、散热、绝缘及与外电路互连等作用,是电子产品“集成化、轻便化、多功能、低成本”的重要技术保障。高磁导率磁性基板作为近年来国际上发展的一类新型电子基板材料,拥有磁导率高、厚度薄、阻抗匹配效果好、易于共形等特点,广泛应用于近场通信、无线充电、抗电磁干扰等军民领域,为电子设备进一步“薄型化、小型化和集成化”以及可穿戴柔性电子技术的兴起与迅速发展提供了技术支撑。

  2008年左右,手机支付逐渐成为人们支付习惯的新宠,这种高磁导率磁性材料就是支撑其的关键技术,并逐渐发展为智能手机的标配。但掌握相关技术的,都是美国、韩国、日本的大型电子公司,与国外相比,我国在该材料领域存在缺乏系统集成能力、整体工艺水平落后、磁导率等关键技术指标低等问题。“最开始,中国由于没有掌握相关关键技术,都是高价花冤枉钱从国外购买这种磁性材料。”邓龙江告诉记者,当时1平方米的磁性材料就高达2000多元,极大地增加了制作一部手机的成本。

  “这种磁性材料如果做厚,其实并不难。”邓龙江说,“但手机就这么个小东西,这个材料只是手机里众多元器件中小小的一个,而且现在手机越来越薄的趋势,采取的制备工艺让材料变薄成为必须,也是难点。”看到国内在这一行业遇到的技术瓶颈,2008年,邓龙江带领团队走进这个领域。

  修改配方让电磁波只走专属通道

  在访谈室里,邓龙江拿出实验样机给记者展示,在手机背面摄像头附近,有一些天线,将天线拨开,就是一块拇指大小的磁性基板材料,周围环绕着大量的金属。“基板的厚度只有头发丝那么薄,大概30微米—50微米,未来其重量还会越来越轻。”邓龙江说,这样一块磁性基板,可以保障手机在复杂环境下传输天线信号,相当于和外界互联的传感器。

  “其实做磁性基板的这种材料之前是存在的,但参数不适合这个领域,所以得修改材料的配方。”邓龙江说,团队通过选取几类不同的材料,在一套理论框架下对配方进行重新设计,反复对比实验,最后发现这种材料在近场通信发挥作用的显著性更好。

  团队通过发明的高磁导率磁性基板材料体系及配方,做出的这样一个又轻又薄的黑色陶瓷片,让电磁波在手机与外界之间能够“畅通无阻”的传输。“电磁波在传输时,只会走磁性基板那个通道,不会被各种金属元器件干扰得‘乱七八糟’,就是因为这种材料对电磁波的损耗最小、阻抗最小,电磁波愿意在这个地方进行互联互通,不会在上面遭到反射。”邓龙江说。

  “根据不同的手机型号,可把磁性基板磨切成不同大小,然后在上面安装电路和天线。”邓龙江表示,有了这种材料,天线的尺寸可以做得很小,也能取得很好的效果。团队通过建立磁性基板磁参数与天线性能之间的关联,提出了高密度集成磁性基板集成应用的设计方法。

  “天线相当于人的眼睛,当感知到外界存在能量后,就去耦合这个能量,进行接收或发送,使之和电路叠合在一起。”邓龙江说,如今,天线在这种磁性材料的支撑下,使得在满是金属的复杂环境下信号也能正常的互联互通,而且传输速率还有明显提升,让手机、手腕带等智能穿戴设备以及智能电视、智能冰箱的NFC功能进一步发挥作用。

  创新工艺让材料“一举多得”

  走进电子科技大学国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心的烧结房内,记者看到,上万片名片大小的黑色磁性基板材料被整齐地叠放在工作台上,等待着高温下的成型。“烧结过程是非常讲究的,烧多少层,每一层放多少材料,都对温度的把控、荷载烧结负重有严格的要求,因为最后基板成型的结构都是靠温度去掌控。”邓龙江说,团队经过反复的实验和计算,掌握了磁性基板高温蠕变与荷载烧结、烧结温度场与磁参数关联的变化规律。

  “这只是其中的一个环节,走到这个程度,前面至少经过了5个工艺。”邓龙江说,尽管只是块小小的陶瓷片,其制备工艺却并不简单,先后要经过造板、造浆料、流延、剪裁、装片、烧结等多个步骤。

  在邓龙江提供的实验视频中,记者看到,一片磁性基板被放在水里,很快便在水中溶解了。“这是国际上首次实现了磁性基板安全环保水性流延及二次回归烧结的制备工艺。”邓龙江告诉记者,以前国内外在这个领域,用的都是像酒精这样的有机溶剂,因为材料在有机溶剂里能达到很好的气溶性,但有机溶剂既不环保、也不安全,其不仅带有一定的毒性,而且在一定温度下有燃爆点,对材料之后的生产和应用造成较大的安全隐患。

  “在选择这个工艺的时候,起步的阶段,我们就考虑到安全环保的问题。”邓龙江表示,要从有机体系改成无机体系,难度就在于把精度做高,流延性做好,并且适合于批量生产。团队在关键工艺参数的控制上做了大量工作,发明了PVA与PEG融合的浆料配方体系、水系流延专用流延盒及排气设备。

  邓龙江说:“这种全相溶水性体系流延法工艺,其使用的水基浆料成本低,设备维护方便,边料也容易回收,实现了这种磁性基板材料安全、环保、高效、低成本生产。”目前,团队从材料的配方到工艺实现了自主创新,形成自主知识产权,不仅在材料性能的参数上比国外提供的指标有明显进展,而且成本上实现的数量级下降,将1平方米材料2000多元的昂贵价格,降低到只需200多元,让国外公司很快没有了市场,逐渐退出这个领域。邓龙江说:“现在这个领域基本都是中国人在做,以前我们是跟跑,今天我们已经处于领先地位。”(记者 盛利)

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