工业电子陶瓷材料的分类、应用及发展趋势

    李婷

    摘 要：本文针对工业用电子陶瓷材料的性能特点，研究了工业用电子陶瓷材料的应用领域，分析了工业用电子陶瓷材料的分类，并介绍了电子陶瓷产业加速研发新材料态势。同时，指出了工业用电子陶瓷技术的发展趋势。

    关键词：电子陶瓷材料；分类；应用；发展趋势

    1 前言

    材料是人类生产和生活的物质基础，是人类进步与人类文明的标志。随着空间技术、光电技术、红外技术、传感技术、能源技术等新技术的出现、发展，要求材料必须具有耐高温、抗腐蚀、耐磨等优越的性能，才能在比较苛刻的环境中使用。传统材料难以满足目前的要求，因此，开发和有效利用高性能材料已经成为材料科学发展的必然趋势。

    2 工业用电子陶瓷材料的分类

    电子陶瓷按功能和用途可以分为五类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。绝缘装置瓷简称装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。电子陶瓷按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、高频高介陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相。

    （1） 陶瓷基片材料

    陶瓷基片材料在电子陶瓷中，占有最重要位置的是绝缘体。特别是高级集成电路用绝缘基片或封装材料，可以采用尺寸精度为微米或微米以下的高纯度致密氧化铝烧结体。高纯度致密氧化铝具有金属材料所不具备的绝缘性和高分子材料所不具备的导热性。

    （2） 压电陶瓷

    压电陶瓷由于是多晶材料，所以使用频率受到限制。压电元件可使电信号和机械信号相互转换。一定形状的压电陶瓷元件主要由PbTiO3-PbZrO3系烧结而制成，即使是烧结体，通过极化也可获得单晶所具有的压电性。压电元件的主要用途有火花塞和谐振器。谐振器起选择性通过特定频率电波滤器的作用，是电视（TV）、无线电等调谐电路不可缺少的元件。

    （3）铁电陶瓷

    铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种，但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化，这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时，其极化强度下降为零，晶体即失去铁电性，而成为一般的顺电晶体；与此同时，晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。

    铁电陶瓷功能多、用途广，利用其压电特性可以制成压电器件，这是铁电陶瓷的主要应用，因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性可以制成红外探测器件，在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅（PbTiO3）等。利用透明铁电陶瓷PLZT的强电光效应，可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器，以及激光等新型器件。

    （4） 半导体陶瓷

    在陶瓷中，半导体是很多的，除了元素半导体和化合物半导体外，很多种金属的氧化物也具有半导体性质，甚至还有有机高分子的半导体。而半导体陶瓷则是指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料，它与单晶半导体不同，存在大量晶界，晶粒的半导体化也是在烧成工艺过程中完成的。因此，有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，可以非常敏感的影响材料的性能，这为开辟陶瓷敏感材料的新领域提供了广阔的天地。电阻随温度而变化的性质，可用于非线性电阻。负温度系数非线性电阻随温度上升而电阻降低，具有一般的半导体特性。铁系金属的氧化物陶瓷，因为具有化学的和热的稳定性，所以可用于非线性电阻，在很宽的范围控制温度。与此相反，称为正温度系数热敏电阻（PTC热敏电阻）的元件，用的是半导体化的BaTiO3陶瓷。这种陶瓷因为在相变温度下电阻急剧增大，如果作为电阻加热元件而应用，则可在相变温度附近自动控温，是很方便的。

    （5） 敏感性材料在陶瓷行业中的应用

    1） 正温度系数热敏电阻材料（PTC）

    这种材料的电阻和温度关系，在低于居里温度时呈现低阻抗，高于这一温度时则呈现高阻抗，电阻变化是在居里温度附近以陡变的方式实现的，组织变化的幅度可高达100～105倍。利用这种特性可以作为自控型发热元件，还可用做对特定温度敏感的元件，以及延时开关、过流保护、测温等方面的元件，因此PTC陶瓷应用领域十分广阔。PTC热敏陶瓷材料目前主要是钛酸钡，它的居里温度为120 ℃，通过添加锶、铅、锡、锆等氧化物可以大幅度改变其居里温度。

    2） 负温度系数电阻器材料

    除了PTC热敏电阻器外，另一类半导体热敏陶瓷就是负温度系数（NTC）热敏陶瓷电阻器，它的电阻对数值随温度升高而几乎呈线形降低。这类材料由锰、铜、铁、钴等金属的复杂氧化物组成，由于组织易于控制，随温度变化大，精度高，价格低，所以NTC热敏电阻器在民用电器、汽车、通讯等设备上用得较多。

    3） 由金属氧化物组成的湿敏陶瓷

    由金属氧化物组成湿敏陶瓷，如：SnO2、ZrO2基等。曾有人开发出使用钙钛矿型的陶瓷系列湿度传感器。该系列中的某一组成表现出很强的湿敏效应。湿敏的原理是基于半导体氧化物吸附水分后改变了表面导电性或电容性。湿度传感器在电子、食品、纺织工业及各种空调设备、集成电路内非破坏性湿度检测等场合应用十分广泛。

    4） 压敏陶瓷

    压敏陶瓷是一类应用极为广泛的敏感材料。利用材料的电流-电压非线性特性，可用于制成电压敏感器件，它的阻值不是恒定值，而是随电压增高到一定值时下降，所以也成为变阻器。这一特性特别适用于电子电路、电力系统及家电产品中的过压保护，发展前景很好。目前，氧化锌-氧化铋系材料的应用最为普遍。半导体陶瓷对环境气氛往往具有选择性的敏感特性。如氧化锡、氧化锌、氧化钛材料体系是若干碳氢化合物敏感元件氧化锆系材料是测氧分压最常用的敏感材料。其共同特征是通过有选择地吸附气体，使半导体的表面能态发生改变，从而引起电阻率的变化，确定某种未知气体及其浓度范围。

    3 工业用电子陶瓷材料的应用领域

    电子陶瓷是广泛用于制作电子功能元件的，多数以氧化物为主要成份的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。利用陶瓷材料的高频或超高频和低频电气物理特性可制作各种不同形状的固定零件、陶瓷电容器、电真空陶瓷零件、碳膜电阻基体等等。

    信息化是21世纪重要的时代特征，信息功能陶瓷材料已经成为现代电子信息技术的重要基石，在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用，尤其在通信、广播、电视、雷达、仪器仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分。另外，随着激光、计算、集成、光学等新技术的发展，电子陶瓷的用途更日益扩大。信息功能陶瓷以其高性能和应用的广泛性，日益成为许多新型电子元器件的重要关键基础材料，在国民经济和国防建设中占有十分重要的战略地位，目前应用最广的是电子信息领域。随着电子信息产品进一步向小型化、集成化、宽带化的方向发展，信息功能陶瓷的细晶化、电磁特性的高频化、低温共烧陶瓷技术等将成为发展新一代片式电子元器件的关键技术，导致一系列新型电子元件和模块的出现。信息功能陶瓷作为一大类对电、磁、光、声、热、力等信息具有检测、转换、存储、耦合和传输等功能的介质材料，广泛应用于电子信息、集成电路、计算机、自动控制、航空航天、海洋超声、通信技术、汽车和能源等近代高新技术领域。时下，压电陶瓷产品门类齐全，不仅广泛用于军事和工业领域，还渗透到了人们日常生活的每个角落，其应用领域较广。

    （1） 超声换能器

    近几年发展较快的有陶瓷谐振器、陶瓷滤波器，还有调谐音叉滤波器、机械滤波器、陶瓷鉴频器、陷波器和延迟线。其中，陶瓷谐振器、陶瓷滤波器产量已经占我国压电陶瓷产品的65%以上，相当引人注目。特别是陶瓷谐振器具有高稳定、无需调节、尺寸小和成本低等特点。典型的应用有：电视机、摄录像机、计算机、CD-ROM驱动器、汽车电器、VCD、电话机、复印机、语音合成器、遥控器和玩具等。压电超声换能器是发射和接收超声波的声学器件，在水和空气介质中广泛应用。在水声通信中起雷达的作用，被称为声呐，是各类舰船必不可少的重要传感器。在工业中，超声换能器已被用于超声清洗、超声精密加工、超声加湿、超声乳化、超声种子处理、超声探伤和超声诊断等。当今，压电超声换能器的另一广泛应用领域是遥测、遥控系统和报警系统。压电发声器的典型产品是压电蜂鸣器和压电送、受话器、手表、计算器、电子闹钟、小型警铃以及电话、手机的振铃都离不开蜂鸣器。计测和控制用压电器件主要有压力、加速度、角速度传感器以及超声测深、超声测厚、超声测流速、超声诊断等。

    （2） 数字3C产品

    近些年来，集计算机、通信等电子于一体的数字3C产品近年来得到了快速发展，3C融合产品已成为今后重要的发展方向。据预测，3C融合将创造出一个高达4000亿美元的产业。3C产业的高速发展，极大地推动着电子基础产品和元器件的同步协调发展，也对电子元器件的基础材料——信息功能陶瓷提出了严峻的挑战，同时也提供了良好的发展机遇。

    （3） 电子信息产品

    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。

    4 电子陶瓷产业加速研发新材料

    由于功能陶瓷材料近年来强大的市场需求和战略地位，世界各国对功能陶瓷的研究与开发都给予了足够的重视。美国、日本和西欧一些国家都将功能陶瓷作为关键技术，投入大量经费进行研究和开发。从总体上看，美、日在功能陶瓷的研究方面居领先地位。功能陶瓷电子元件发展的重要趋势是小型化、微型化、片式化、模块化和集成化。这些趋势向陶瓷材料科学和技术提出了一系列挑战。因此，围绕上述应用目标开展的功能陶瓷材料的研究及产业化目前十分活跃。

    最近几年在科技人员和各企业的努力下，特别是在国家的重点扶持下，再加上外来资金的引入，中国功能陶瓷的基础研究得到加强，企业结构得到调整，企业规模不断扩大，从而使得中国的电子陶瓷市场不断发展壮大。目前，我国已经在功能陶瓷材料领域聚集了雄厚的队伍和积累，处于厚积薄发的阶段，产业发展势头很猛。在电子陶瓷及其片式电容、电感器、电阻器件、陶瓷基板、光导纤维及其陶瓷光线连接器、高温超导陶瓷纤维等应用技术和产业化方面进展都非常顺利。现在，我国已经能够生产大多数的电子陶瓷，像IC基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣器、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件已能大量生产，并且还占有一定的国际市场。但大部分产品的利润并不很高，产品的技术含量和附加值都相对较低，而且目前世界上最先进的超高利润的电子陶瓷产品我们没有能够占领市场，许多电子整机中的电子陶瓷元件仍需大量进口，如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器等，国内市场很大，但全靠进口。因此，提升产品的技术含量和附加值，加大产品的利润率是电子陶瓷发展的关键和目标。只有在这些方面做得好的企业，才有可能在将来的电子陶瓷市场中独领风骚。

    功能陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位，随着世界范围经济结构的调整和转移，我国的功能陶瓷材料和元件的市场正在迅速增长。发达国家电子整机生产逐渐向中国转移，为我国功能陶瓷材料和相关电子元件产业的发展提供了前所未有的发展机遇。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把握机遇，发展优势，提高我国信息功能陶瓷的产业技术水平和自主创新能力，对发展我国电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。

    5 工业用电子陶瓷技术的发展趋势

    5.1 电子陶瓷元器小型化与微型化

    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，表现出强劲的增长态势。从技术方面看，MLCC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。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。

    5.2 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250～300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。电子信息技术的集成化，微型化和智能化，推动电子元器件在组装和运用方式上产生了新的变化，即插装向表面组装、模拟化向数字化、固定式向移动式、分离式向集成化转变。因此，功能陶瓷元器件的多层化、多层元件片式化、片式元件集成化和多功能化成为发展的主流。片式电容、片式电感和片式电阻是应用最为广泛三大无源元件，已经发展为规模化的产业群。其他功能各异的片式电子元件如片式驱动器、片式变压群、片式天线、片式传感器及片式换能器等发展也十分迅速。

    5.3 高频化与频率系列化

    移动通信和远距离通信技术的快速发展，对微波陶瓷介质材料及其微波谐振器，微波滤波器、微波电容器等提出了广阔的市场需求。高频化是数字3C产品发展的必然趋势。以模拟信号为主要特征的第一代移动通信所用的频段在800～900 MHz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900 MHz和1.8 GHz左右，目前正在研究的第三代移动通信系统的频率则在2 GHz左右。压电陶瓷在超声和水声换能器、滤波器和点火器等领域已获得广泛应用，随着自动控制、机器人、空间技术、纳米测量和控制技术的发展需求，压电陶瓷微驱动器和超声微马达应运而生，与传统的电磁马达相比，它具有低转速、大力矩、高分辨、快响应、抗磁干扰等诸多优点。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。

    5.4 无铅化与环境协调性

    压电陶瓷均含有大量的铅，制造过程会导致环境污染，为了减少污染，国内外科研人员开展了无铅系压电陶瓷的研究，与含铅系压电陶瓷材料相比、无铅系压电陶瓷的性能明显不同于含铅压电陶瓷，如无铅系压电陶瓷的居里点约高出200～300 ℃，介电常数仅140～150，机械品质因数高达4000～7000。但无铅压电陶瓷的机电耦合系数等性能远不如含铅陶瓷，制造工艺难以控制，故无铅压电陶瓷仅在一些特定领域应用。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。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。

    6 结语

    面向21世纪我国信息产业的高速发展，为建立具有自主知识产权的新型工业技术产业体系，必须大力加强信息功能陶瓷及元器件的创新性研究和开发工作，整体提升我国材料产业的技术创新能力和国际竞争力。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。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。

    参考文献

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