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电子陶瓷的发展前景
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2010-6-6 13:02:25
电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位，世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域，每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。 近些年来，在国家诸多重点科研计划的支持和推动下，我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有了很大发展，但总体来看，我国的电子信息产业，特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距，不少高端产品在相当大的程度上被外资企业所控制。国外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场，目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。近年来，随着电子信息技术的高速发展，以信息技术为应用领域的功能陶瓷成为新材料研究中十分活跃的领域。而其应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品，包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等。数字技术对陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求，世界各国的大学、研究机构和企业都在新材料、新工艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。
新型电子陶瓷元器件及相关材料的发展趋势和方向主要体现在以下几个方面： 1.小型化与微型化
随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对器件小型化、微型化的要求越来越迫切，而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件，是实现整机小型化、微型化的主要瓶颈。因此，小型化、微型化是目前元器件研究开发的一个重要目标，市场需求也非常旺盛。以片式电容器为例，2004年多层陶瓷电容器的全球市场已达8000亿只，并且以每年的速度递增，表现出强劲的增长态势。从技术方面看，正向着微型化、介质薄层化、大容量、高可靠和电极贱金属化低成本的方向发展。片式元件的尺寸已由1206和0805为主，发展为0603和0402，并进而向0201和01005发展；介质单层厚度由原来的10微米以上减小到5微米、3微米，甚至到1微米；介质层数也由几十
层发展到几百层。同样，其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展，如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。这些片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无源元器件的主要市场。从材料角度而言，实现小型化、微型化的基础在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺，因此，发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。 2.高频化与频率系列化
高频化是数字3C产品发展的必然趋势。以移动通信为例，以模拟信号为主要特征的第一代移动通信所用的频段在800MHz-900MHz之间，以数字信号为主要特征的第二代移动通信所用的频段则在900MHz和1.8GHz左右，目前正在研究的第三代移动通信系统的频率则在2GHz左右。 对各类电子元器件中的陶瓷材料来说，如何适应高的工作频率是一个严峻挑战。因此，寻找具有良好高频特性以及系列化工作频率的功能陶瓷材料，是目前新型电子元器件领域的研究热点，微波介质陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究课题。微波介质陶瓷指适合于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料，广泛应用于微波谐振器、滤波器、移相器、微波电容器以及微波基板等，是移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术以及无线局域网(WLAN)等现代微波通信技术的关键材料。自上世纪80年代初微波介质谐振器的实用化实现突破以来，已研究开发出了多种实用化微波介质陶瓷材料，从而大大促进了现代通信技术的发展与普及。寻求高介电常数、高品质因数、低频率温度系数仍然是当前微波介质陶瓷材料研究的重点。为适应通信终端设备小型化和便携化的发展需求，发展新型片式化微波器件，如片式滤波器、片式谐振器、片式天线等，已引起业界的广泛关注。
3.集成化与模块化
当前，手机和笔记本电脑进一步向便捷化、多功能化、全数字化和高集成化及低成本方向发展，极大地推动了电子元器件的片式化、小型化和低成本及器件组合化、功能集成化的发展进程。 以手机为例，目前每个手机中约有250个-300个无源电子元件，因此无源电子元件的小型化对手机产品的轻便化起决定性作用，这一需求极大地推动了无源电子陶瓷片式元件的小型化、集成化进程。为减小整机的尺寸，采用多元复合、集成化无源元件，提高安装密度，将是一种最有效的途径。
因此，多层复合功能陶瓷及元器件正由分离式元件向复合化多元组件发展，并最终向无源器件的集成化趋势发展。
集成化功能陶瓷元器件是以低温共烧陶瓷(LTCC)为平台，采用多层陶瓷技术将电容、电感和电阻材料嵌入集成在低温共烧陶瓷基板中，形成无源集成陶瓷器件。
目前，基于LTCC技术的功能陶瓷集成器件已开始应用于移动通信终端设备中，如片式多层LC滤波器、片式微带滤波器、多层天线等已开始在手机中获得应用，而一些功能集成模块如收发前端模块、功率模块和蓝牙模块等也已开发成功，并将在3G手机中得到推广应用。
LTCC的多功能模块的巨大市场前景，使其成为众多企业竞争的焦点，很多国际著名的无源电子元器件的生产企业纷纷进入这一领域，如日本的村田、TDK、太阳诱电，美国的Johanson Technology公司等。目前多家公司都宣称已开发成功包括LTCC微带滤波器、多层天线、复用器、不平衡变压器以及射频前端开关模块、功放模块和蓝牙模块等在内的集成化无源元件和模块。这些器件应用领域广泛，包括各种制式的手机、蓝牙模块、GPS、数码相机、WLAN、汽车电子等，其中，手机的用量占据主要部分，约占80%以上。
国内在该领域还处于起步阶段，尚未形成产业规模。从技术角度而言，实现陶瓷集成的关键在于发展性能优异的低温共烧陶瓷材料以及先进的异质材料共烧技术，这已成为当前信息功能陶瓷领域重要的研究方向。
4.无铅化与环境协调性
近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为发达国家致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通过了关于\电器和电子设备中限制有害物质\的法令，并定于2008年实施，其中被限制使用的物质就包括含铅的压电器件。
作为重要的功能材料，压电陶瓷在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球每年的销售量按15%左右的速度增长。
随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，压电陶瓷器件也在向片式化、多层化和微型化方向发展。近年来，包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波(SAM)器件、薄膜体声波滤波器等一些新型压电陶瓷器件不断被研制出来，并
广泛应用于微机电系统和信息领域。目前所用的压电陶瓷材料大多是基于锆钛酸铅的含铅材料体系，发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题。
一、在国民经济及国防建设中的作用和地位
新材料是发展高新技术的物质基础，也是改造传统产业的必备条件，因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域（生物、信息、能源、材料、空间技术和海洋工程）之一。特种陶瓷（又称高性能陶瓷，先进陶瓷，精细陶瓷，高技术陶瓷等）是新材料的一个组成部分，由于它具有其他材料所没有的各种优良性能，例如：耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、声、光、热学件能等，它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料，在国防现代化建设中， 武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。除此之外，在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时， 以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发也必然对改善人类生存环境，实施可持续发展战略起到积极的推动作用。由此可见，特种陶瓷在国民经济建设及国防建设中的作用和地位是十分重要的。 二、高性能陶瓷的现状、差距与问题 （一）高性能陶瓷基本状况 1.基本状况
特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷，有的还分为陶瓷涂层及陶瓷复合材料等。 结构陶瓷主要是利用其耐高温、高强度、耐磨的性能，应用于热机部件、耐磨部件，例如刀具、轴承、密封环、阀门等，热交换器、防弹材料及生物陶瓷等。主要的材料有Si3N4，SiC，ZrO2，Al2O3，SiALON等。
功能陶瓷主要是利用其电、磁、声、光、热学等功能特性， 应用于绝缘子，集成电路的基片，电容器，压电和铁电及敏感元件等。 主要的材料有BaTiO3，ZnO，Ph（ZrxTi1-x）O3，AIN，ZrO2等。
还应当提到的是陶瓷粉料是发展特种陶瓷的基础材料，是特种陶瓷的重要组成部分，对特种陶瓷的发展起到十分重要的作用。
特种陶瓷作为一种新材料，近十几年来得到了迅速的发展。尽管70年代末到80年代中期，发达国家为应付可能产生的能源危机，在世界上掀起了一股研制陶瓷发动机而出现的“陶瓷热”，使很多的企业卷入了这一行列，但是由于陶瓷材料的制造成本，可靠性，重复性等问题，未能实现预定的目标，到如年代初开始降温。但这些研究成果使陶瓷材料的性能提高到一个崭新的水平，制备工艺技术取得了很大的进步，大大地加速了结构陶瓷实用化进程，只是市场没有像预期的增长那么快罢了。 功能陶瓷由于电子、信息、通信事业的发展，仍稳步地增长， 大约每年以10％的增长率发展。我国也经历了同样的过程。
我国的特种陶瓷是五六十年代为支撑我国“两弹一星”的研制而发展起来的。经过几十年的发展，功能陶瓷已形成了一个行业，主要生产陶瓷基片、陶瓷电容器、陶瓷滤波器、压电陶瓷、敏感陶瓷、磁性陶瓷、绝缘瓷等等。结构陶瓷通过“六五”、“七五”、“八五”的科技攻关，进行结构陶瓷的研究与开发，使结构陶瓷取得了很大地进步， 品种不断增加，但离形成一个行业还有相当的距离。
我国特种陶瓷的基本情况列于表1。 表1 我国特种陶瓷行业基本情况 2.技术进步