更新时间：2023-12-24 10:35
无源电子元件是一大类重要的电子信息产品，无源元件与有源器件（集成电路等半导体产品）共同构成电路的核心部分，是各类电子信息产品的基础。在新型电子产品中，集成电路和无源元件占全部电子元器件及零部件的生产总成本的46.1%和9.1%，而在总安装成本中却分别占12.7%和55.1%，甚至某些片式元件的管理和安装成本已经超过其价格。不难看出，无源电子元件已经成为制约整机进一步向小型化、集成化发展的瓶颈。
随着各种新概念、新理论、新材料、新技术被用于无源元件领域，无源元件已经成为一个创新十分活跃的技术领域。
近半个世纪以来，信息技术的高速发展改变着人类文明的进程，这在很大程度上得益于半导体器件集成技术的不断创新。这一现象被描述为著名的摩尔定律，即半导体集成电路的集成度每18个月翻一番。相比之下，半导体器件以外的为数众多的电子元件，我们统称为无源元件的发展则相对缓慢，构成了电子技术发展的一个瓶颈。
新一代无源集成材料相继问世
近年来出现的低温共烧陶瓷技术（LTCC）使无源元件的集成成为可能。LTCC技术是集互联、无源元件和封装于一体的多层陶瓷制造技术。其基本原理是将多层陶瓷元件技术与多层电路图形技术相结合，利用低温烧结陶瓷与金属内导体在900℃以下共烧，在多层陶瓷内部形成无源元件和互连，制成模块化集成器件或三维陶瓷基多层电路。该技术为无源电子元件的集成和高密度、系统级电子封装提供了理想的平台。LTCC技术涉及一系列复杂的科学技术问题，而其核心问题之一则是低温共烧陶瓷材料。
低温共烧陶瓷材料是LTCC技术的基础。其中最重要的材料是低介电常数（ε在10以下）低烧陶瓷，而亟待突破的难点是实现性能的系列化。尽管文献报道的低介LTCC材料种类很多，但迄今可商品化的基本上属于两大类材料：一类是微晶玻璃系统，有实用价值的是以Ca0-B203-Si02为主配方的材料系统（简称 CBS系），为美国FERRO公司的专利。其特点是结晶相直接从玻璃中析出，因此材料具有较好的显微结构均匀性。其主要问题是，B3+的增多会增大材料介质损耗并降低其力学性能，而Si4+增加则会使烧结温度增高，因此难于对体系组分进行调整以实现系列化。第二类是以陶瓷氧化物颗粒和低熔玻璃相复合的陶瓷-玻璃复合材料。美国杜邦公司和德国Heraeus公司的LTCC瓷料属于这一类。这类体系性能可调的前提是能够进一步降低玻璃相熔点，而杜邦公司和Heraeus公司所选择的低烧玻璃主要是硼硅系玻璃和钠玻璃，其中促进烧结温度降低的Na和B的组分的增加都将导致介电损耗的增加。可见，制约低介LTCC材料系列化的核心问题是材料的烧结温度与介电性质之间的矛盾。现有商用低介电常数LTCC材料的组成均选择在其性能所能容忍的最低烧结温度点上，任何对材料掺杂改性的努力均将导致材料烧结温度的提高，使材料无法满足共烧要求。而只有基方材料同时具有低介电常数、介电损耗以及低的烧结温度，才能承受更多的改性组分的引入以实现对材料性能（如介电常数、热性能、机械特性等）的调节。因此，寻找兼具有低的介电常数及介电损耗和低的烧结温度的基方材料是实现高性能系列化低介LTCC材料的关键。
近年来，我们通过系统地研究，发展出了以硅铝氟氧化物为基础的新一代LTCC基方材料。通过氟的引入不仅有效降低了介质的介电常数和介电损耗，还更大幅度地降低了陶瓷的烧结温度。通过氟的调制，使基方材料在加入各种高熔点调节剂时依然可以实现低温烧结，因而具有广阔的优化和剪裁空间。
超常电磁介质不断改进
电磁介质是无源电子元件的基础和核心部分，无源元件的重大发展很大程度上得益于介质材料的改进和提高。然而，经过近一个世纪的探索，常规介质材料的可改进空间已经越来越小。“超常介质”（metamaterials，又称“超材料”）指的是一大类具有人工设计结构和超常物理性质的材料系统。近年来，光子（电磁波）带隙理论、左手介质理论等的提出为设计这类新型材料系统提供了理论依据。超常介质可望为无源元件和无源集成的发展提供一个突破口，具有超常物理性质的介质有可能成为新一代电子元件的基础。一些基于超常介质的新型无源元件，如超小型化的滤波器、微型天线、无绕线电感等相继被提出。通过人工设计的结构可望使用较少的（1-2种）材料实现通常需要多种材料才能实现的多种元件功能，这将有利于克服无源集成所面临的材料兼容障碍。同时，以无源元件为结构单元的网络也是实现各种超常物理特性设计的基础。
忆阻器被证实存在
按照我们的知识，基本的无源电子元件只有3大类，即电阻器、电容器和电感器。而事实上，无源电路中有4大基本变量，即电流、电压、电荷和磁通量。早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠（LeonChua）教授就提出一种预测：应该有第四个元件的存在。他在其论文《忆阻器：下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器（简称忆阻器），忆阻器的英文 Memristor 来自「Memory（记忆）」和「Resistor（电阻）」两个字的合并，从这两个字可以大致推敲出它的功用来。最早提出忆阻器概念的人，是华裔的科学家蔡少棠，当时任教于美国的柏克莱大学。时间是 1971 年，在研究电荷、电流、电压和磁通量之间的关系时，蔡教授推断在电阻、电容和电感器之外，应该还有一种组件，代表着电荷与磁通量之间的关系。这种组件的效果，就是它的电阻会随着通过的电流量而改变，而且就算电流停止了，它的电阻仍然会停留在之前的值，直到接受到反向的电流它才会被推回去。用常见的水管来比喻，电流是通过的水量，而电阻是水管的粗细时，当水从一个方向流过去，水管会随着水流量而越来越粗，这时如果把水流关掉的话，水管的粗细会维持不变；反之当水从相反方向流动时，水管就会越来越细。因为这样的组件会记住之前的电流量，因此被称为忆阻器。
在发现的当时...没有。蔡教授之所以提出忆阻器，只是因为在数学模型上它应该是存在的。为了证明可行性，他用一堆电阻、电容、电感和放大器做出了一个模拟忆阻器效果的电路，但当时并没有找到什么材料本身就有明显的忆阻器的效果，而且更重要的，也没有人在找 -- 那是个连集成电路都还刚起步不久的阶段，离家用电脑开始普及都还有至少 15 年的时间呢！于是这时候 HP 就登场了。事实上 HP 也没有在找忆阻器，当时是一个由 HP 的 Phillip J Kuekes 领军的团队，正在进行的一种称为 Crossbar Latch 的技术的研究。Crossbar Latch 的原理是由一排横向和一排纵向的电线组成的网格，在每一个交叉点上，要放一个「开关」连结一条横向和纵向的电线。如果能让这两条电线控制这个开关的状态的话，那网格上的每一个交叉点都能储存一个位的数据。这种系统下数据密度和存取速度都是前所未闻的，问题是，什么样的材料能当这个开关？这种材料必需要能有「开」、「关」两个状态，这两个状态必需要能操纵，更重要的，还有能在不改变状态的前提下，发挥其开关的效果，允许或阻止电流的通过。如何取得这样的材料考倒了 HP 的工程师，因此他们空有 Crossbar Latch 这么棒的想法，却无法实现。谁知道，他们在找的东西，正是忆阻器？
根据信息产业部的统计资料，我国的电子信息产业规模已经成为国民经济第一大产业。信息业产业的发展已成为决定我国的国民经济、社会发展、人民生活、国家安全水平的主要因素。
电子元件及其组件制造业是电子元器件行业的主要组成部分，也是电子信息产业的支撑产业。电子设备一般都是由基本的电子元件构成的，从日常生活中的电脑、电视、PDA、手机、DVD等电子产品到载人航天、先进武器的尖端技术，电子元件无处不在。电容器、电阻器、电感器、变压器、滤波器、天线等无源元件都是电子产品中必不可少的基础元器件，在日常生活和国家战略中均发挥着重要的作用。电子元件及其组件属于电子信息产业的中间产品，介于电子整机行业和原材料行业之间，其发展的快慢、所达到的技术水平和生产规模，不仅直接影响着整个电子信息产业的发展，而且对发展信息技术，改造传统产业，提高现代化装备水平，促进科技进步都具有重要意义。
随着电子信息整机产品制造的规模化，其对上游产品的配套能力要求日益强烈，电子元器件制造业作为基础产品的重要地位日益明显。我国电子信息产业处于高速增长时期，一方面，新一代电子整机产品市场规模迅速扩张，急需各种电子元器件产品，尤其是新型电子元器件为之配套；另一方面，随着电子整机产品向数字化、信息化方向发展，电子元器件在电子整机产品中所占的比重日益增加，电子整机产品对电子元器件的依存度也越来越大。
从产量上看，我国的多种无源元件产品，如电容器、电阻器、磁性元件等在世界上均名列前茅。但从销售额来看，这些产品都不占世界首位，这说明高档产品还有一定差距。如何将我国从电子元件大国变为电子元件强国，一直是我国政府、产业界和科技工作者长期探索、努力解决的一个问题。
我国电子元器件市场的供需矛盾仍然比较明显，突出表现为产品供给与整机需求之间的脱节。一方面，我国很多领域的电子元器件产品产量位居世界前列，并大量出口；而另一方面，我国也是全球最主要的电子元器件产品进口国之一。形成这种局面的原因主要在于，国产电子元器件产品主要集中在技术含量较小的中低端领域，因此大量新型电子元器件依靠进口，同时，价格、渠道、服务因素也在很大程度上影响了我国电子元器件产品稳定进入整机配套体系。以用量最大的一类电子元件――多层陶瓷电容器（MLCC）为例，如表1所示，从2000到2004年间，尽管我国的元件产量从960亿只增加到1550亿只，但进出口贸易逆差却从440亿只增加到880亿只。
从电感类产品得情况看，我国的片式电感生产总和只占全球的不足5%，与我国每年占全球约30%左右的片式电感用量严重不成比例，且主要应用于一些中低档次的电子产品中，几乎所有的领先性电子产品（如移动通信）中所采用的这类基础元件基本上完全被日本、韩国和台湾的企业所垄断。