工業電子陶瓷材料的分類、應用及發展趨勢

李婷

摘 要：本文針對工業用電子陶瓷材料的性能特點，研究了工業用電子陶瓷材料的應用領域，分析了工業用電子陶瓷材料的分類，并介紹了電子陶瓷產業加速研發新材料態勢。同時，指出了工業用電子陶瓷技術的發展趨勢。

關鍵詞：電子陶瓷材料；分類；應用；發展趨勢

1 前言

材料是人類生產和生活的物質基礎，是人類進步與人類文明的標志。隨著空間技術、光電技術、紅外技術、傳感技術、能源技術等新技術的出現、發展，要求材料必須具有耐高溫、抗腐蝕、耐磨等優越的性能，才能在比較苛刻的環境中使用。傳統材料難以滿足目前的要求，因此，開發和有效利用高性能材料已經成為材料科學發展的必然趨勢。

2 工業用電子陶瓷材料的分類

電子陶瓷按功能和用途可以分為五類：絕緣裝置瓷、電容器瓷、鐵電陶瓷、半導體陶瓷和離子陶瓷。絕緣裝置瓷簡稱裝置瓷，具有優良的電絕緣性能，用作電子設備和器件中的結構件、基片和外殼等的電子陶瓷。電子陶瓷按特性可分為高頻和超高頻絕緣陶瓷、高頻高介陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、光電陶瓷、電阻陶瓷等。按應用范圍可分為固定用陶瓷、電真空陶瓷、電容器陶瓷和電阻陶瓷。按微觀結構可分多晶、單晶、多晶與玻璃相、單晶與玻璃相。

（1） 陶瓷基片材料

陶瓷基片材料在電子陶瓷中，占有最重要位置的是絕緣體。特別是高級集成電路用絕緣基片或封裝材料，可以采用尺寸精度為微米或微米以下的高純度致密氧化鋁燒結體。高純度致密氧化鋁具有金屬材料所不具備的絕緣性和高分子材料所不具備的導熱性。

（2） 壓電陶瓷

壓電陶瓷由于是多晶材料，所以使用頻率受到限制。壓電元件可使電信號和機械信號相互轉換。一定形狀的壓電陶瓷元件主要由PbTiO3-PbZrO3系燒結而制成，即使是燒結體，通過極化也可獲得單晶所具有的壓電性。壓電元件的主要用途有火花塞和諧振器。諧振器起選擇性通過特定頻率電波濾器的作用，是電視（TV）、無線電等調諧電路不可缺少的元件。

（3）鐵電陶瓷

鐵電陶瓷以鐵電性晶體為主晶相的電子陶瓷。已發現的鐵電晶體不下千種，但作為鐵電陶瓷主晶相的主要有鈣鈦礦或準鈣鈦礦型的鐵電晶體或固溶體。在一定的溫度范圍內晶體中存在著可隨外加電場而轉變方向的自發極化，這就是晶體的鐵電性。當溫度超過某一臨界值──居里溫度TC時，其極化強度下降為零，晶體即失去鐵電性，而成為一般的順電晶體；與此同時，晶體發生鐵電相到順電相的相變。鐵電體的極化強度還隨電場而劇烈變化。

鐵電陶瓷功能多、用途廣，利用其壓電特性可以制成壓電器件，這是鐵電陶瓷的主要應用，因而常把鐵電陶瓷稱為壓電陶瓷。利用鐵電陶瓷的熱釋電特性可以制成紅外探測器件，在測溫、控溫、遙測、遙感以至生物、醫學等領域均有重要應用價值。典型的熱釋電陶瓷有鈦酸鉛（PbTiO3）等。利用透明鐵電陶瓷PLZT的強電光效應，可以制成激光調制器、光電顯示器、光信息存儲器、光開關、光電傳感器、圖像存儲和顯示器，以及激光等新型器件。

（4） 半導體陶瓷

在陶瓷中，半導體是很多的，除了元素半導體和化合物半導體外，很多種金屬的氧化物也具有半導體性質，甚至還有有機高分子的半導體。而半導體陶瓷則是指采用陶瓷工藝成型的多晶陶瓷材料，它與單晶半導體不同，存在大量晶界，晶粒的半導體化也是在燒成工藝過程中完成的。因此，有豐富的材料微結構狀態和多樣的工藝條件，可以非常敏感的影響材料的性能，這為開辟陶瓷敏感材料的新領域提供了廣闊的天地。電阻隨溫度而變化的性質，可用于非線性電阻。負溫度系數非線性電阻隨溫度上升而電阻降低，具有一般的半導體特性。鐵系金屬的氧化物陶瓷，因為具有化學的和熱的穩定性，所以可用于非線性電阻，在很寬的范圍控制溫度。與此相反，稱為正溫度系數熱敏電阻（PTC熱敏電阻）的元件，用的是半導體化的BaTiO3陶瓷。這種陶瓷因為在相變溫度下電阻急劇增大，如果作為電阻加熱元件而應用，則可在相變溫度附近自動控溫，是很方便的。

（5） 敏感性材料在陶瓷行業中的應用

1） 正溫度系數熱敏電阻材料（PTC）

這種材料的電阻和溫度關系，在低于居里溫度時呈現低阻抗，高于這一溫度時則呈現高阻抗，電阻變化是在居里溫度附近以陡變的方式實現的，組織變化的幅度可高達100～105倍。利用這種特性可以作為自控型發熱元件，還可用做對特定溫度敏感的元件，以及延時開關、過流保護、測溫等方面的元件，因此PTC陶瓷應用領域十分廣闊。PTC熱敏陶瓷材料目前主要是鈦酸鋇，它的居里溫度為120 ℃，通過添加鍶、鉛、錫、鋯等氧化物可以大幅度改變其居里溫度。

2） 負溫度系數電阻器材料

除了PTC熱敏電阻器外，另一類半導體熱敏陶瓷就是負溫度系數（NTC）熱敏陶瓷電阻器，它的電阻對數值隨溫度升高而幾乎呈線形降低。這類材料由錳、銅、鐵、鈷等金屬的復雜氧化物組成，由于組織易于控制，隨溫度變化大，精度高，價格低，所以NTC熱敏電阻器在民用電器、汽車、通訊等設備上用得較多。

3） 由金屬氧化物組成的濕敏陶瓷

由金屬氧化物組成濕敏陶瓷，如：SnO2、ZrO2基等。曾有人開發出使用鈣鈦礦型的陶瓷系列濕度傳感器。該系列中的某一組成表現出很強的濕敏效應。濕敏的原理是基于半導體氧化物吸附水分后改變了表面導電性或電容性。濕度傳感器在電子、食品、紡織工業及各種空調設備、集成電路內非破壞性濕度檢測等場合應用十分廣泛。

4） 壓敏陶瓷

壓敏陶瓷是一類應用極為廣泛的敏感材料。利用材料的電流-電壓非線性特性，可用于制成電壓敏感器件，它的阻值不是恒定值，而是隨電壓增高到一定值時下降，所以也成為變阻器。這一特性特別適用于電子電路、電力系統及家電產品中的過壓保護，發展前景很好。目前，氧化鋅-氧化鉍系材料的應用最為普遍。半導體陶瓷對環境氣氛往往具有選擇性的敏感特性。如氧化錫、氧化鋅、氧化鈦材料體系是若干碳氫化合物敏感元件氧化鋯系材料是測氧分壓最常用的敏感材料。其共同特征是通過有選擇地吸附氣體，使半導體的表面能態發生改變，從而引起電阻率的變化，確定某種未知氣體及其濃度范圍。

3 工業用電子陶瓷材料的應用領域

電子陶瓷是廣泛用于制作電子功能元件的，多數以氧化物為主要成份的燒結體材料。電子陶瓷的制造工藝與傳統的陶瓷工藝大致相同。利用陶瓷材料的高頻或超高頻和低頻電氣物理特性可制作各種不同形狀的固定零件、陶瓷電容器、電真空陶瓷零件、碳膜電阻基體等等。

信息化是21世紀重要的時代特征，信息功能陶瓷材料已經成為現代電子信息技術的重要基石，在能源、家用電器、汽車等方面可以廣泛應用，尤其在通信、廣播、電視、雷達、儀器儀表等電子設備中是不可缺少的組成部分。另外，隨著激光、計算、集成、光學等新技術的發展，電子陶瓷的用途更日益擴大。信息功能陶瓷以其高性能和應用的廣泛性，日益成為許多新型電子元器件的重要關鍵基礎材料，在國民經濟和國防建設中占有十分重要的戰略地位，目前應用最廣的是電子信息領域。隨著電子信息產品進一步向小型化、集成化、寬帶化的方向發展，信息功能陶瓷的細晶化、電磁特性的高頻化、低溫共燒陶瓷技術等將成為發展新一代片式電子元器件的關鍵技術，導致一系列新型電子元件和模塊的出現。信息功能陶瓷作為一大類對電、磁、光、聲、熱、力等信息具有檢測、轉換、存儲、耦合和傳輸等功能的介質材料，廣泛應用于電子信息、集成電路、計算機、自動控制、航空航天、海洋超聲、通信技術、汽車和能源等近代高新技術領域。時下，壓電陶瓷產品門類齊全，不僅廣泛用于軍事和工業領域，還滲透到了人們日常生活的每個角落，其應用領域較廣。

（1） 超聲換能器

近幾年發展較快的有陶瓷諧振器、陶瓷濾波器，還有調諧音叉濾波器、機械濾波器、陶瓷鑒頻器、陷波器和延遲線。其中，陶瓷諧振器、陶瓷濾波器產量已經占我國壓電陶瓷產品的65%以上，相當引人注目。特別是陶瓷諧振器具有高穩定、無需調節、尺寸小和成本低等特點。典型的應用有：電視機、攝錄像機、計算機、CD-ROM驅動器、汽車電器、VCD、電話機、復印機、語音合成器、遙控器和玩具等。壓電超聲換能器是發射和接收超聲波的聲學器件，在水和空氣介質中廣泛應用。在水聲通信中起雷達的作用，被稱為聲吶，是各類艦船必不可少的重要傳感器。在工業中，超聲換能器已被用于超聲清洗、超聲精密加工、超聲加濕、超聲乳化、超聲種子處理、超聲探傷和超聲診斷等。當今，壓電超聲換能器的另一廣泛應用領域是遙測、遙控系統和報警系統。壓電發聲器的典型產品是壓電蜂鳴器和壓電送、受話器、手表、計算器、電子鬧鐘、小型警鈴以及電話、手機的振鈴都離不開蜂鳴器。計測和控制用壓電器件主要有壓力、加速度、角速度傳感器以及超聲測深、超聲測厚、超聲測流速、超聲診斷等。

（2） 數字3C產品

近些年來，集計算機、通信等電子于一體的數字3C產品近年來得到了快速發展，3C融合產品已成為今后重要的發展方向。據預測，3C融合將創造出一個高達4000億美元的產業。3C產業的高速發展，極大地推動著電子基礎產品和元器件的同步協調發展，也對電子元器件的基礎材料——信息功能陶瓷提出了嚴峻的挑戰，同時也提供了良好的發展機遇。

（3） 電子信息產品

我國的電子信息產業，特別是一些附加價值高、技術含量高的新型電子信息產品和一些基礎電子產品的生產水平與發達國家相比仍存在很大差距，不少高端產品在相當大的程度上被外資企業所控制。國外大公司，如：村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來長驅直入中國市場，目前已占據了國內片式元器件特別是高檔片式元器件市場相當大的份額。我國信息產業正面臨著產品升級換代的機遇和挑戰。

4 電子陶瓷產業加速研發新材料

由于功能陶瓷材料近年來強大的市場需求和戰略地位，世界各國對功能陶瓷的研究與開發都給予了足夠的重視。美國、日本和西歐一些國家都將功能陶瓷作為關鍵技術，投入大量經費進行研究和開發。從總體上看，美、日在功能陶瓷的研究方面居領先地位。功能陶瓷電子元件發展的重要趨勢是小型化、微型化、片式化、模塊化和集成化。這些趨勢向陶瓷材料科學和技術提出了一系列挑戰。因此，圍繞上述應用目標開展的功能陶瓷材料的研究及產業化目前十分活躍。

最近幾年在科技人員和各企業的努力下，特別是在國家的重點扶持下，再加上外來資金的引入，中國功能陶瓷的基礎研究得到加強，企業結構得到調整，企業規模不斷擴大，從而使得中國的電子陶瓷市場不斷發展壯大。目前，我國已經在功能陶瓷材料領域聚集了雄厚的隊伍和積累，處于厚積薄發的階段，產業發展勢頭很猛。在電子陶瓷及其片式電容、電感器、電阻器件、陶瓷基板、光導纖維及其陶瓷光線連接器、高溫超導陶瓷纖維等應用技術和產業化方面進展都非常順利。現在，我國已經能夠生產大多數的電子陶瓷，像IC基板、瓷介電容、電阻、電感、磁性材料、蜂鳴器、濾波器等壓電陶瓷無線電頻率元件已能大量生產，并且還占有一定的國際市場。但大部分產品的利潤并不很高，產品的技術含量和附加值都相對較低，而且目前世界上最先進的超高利潤的電子陶瓷產品我們沒有能夠占領市場，許多電子整機中的電子陶瓷元件仍需大量進口，如手機中使用的片式壓電陶瓷濾波器等，國內市場很大，但全靠進口。因此，提升產品的技術含量和附加值，加大產品的利潤率是電子陶瓷發展的關鍵和目標。只有在這些方面做得好的企業，才有可能在將來的電子陶瓷市場中獨領風騷。

功能陶瓷在小型化和便攜式電子產品中占有十分重要的地位，隨著世界范圍經濟結構的調整和轉移，我國的功能陶瓷材料和元件的市場正在迅速增長。發達國家電子整機生產逐漸向中國轉移，為我國功能陶瓷材料和相關電子元件產業的發展提供了前所未有的發展機遇。世界各國元器件生產企業都在電子陶瓷及其元器件的新產品、新技術、新工藝、新材料、新設備方面投入巨資進行研究開發。高投入的研發使得電子陶瓷及元器件成為一個創新活躍、競爭激烈的領域，每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件問世把握機遇，發展優勢，提高我國信息功能陶瓷的產業技術水平和自主創新能力，對發展我國電子信息產業等許多高科技產業具有重要的戰略意義。

5 工業用電子陶瓷技術的發展趨勢

5.1 電子陶瓷元器小型化與微型化

隨著移動通信和衛星通信的迅速發展，對器件小型化、微型化的要求越來越迫切，而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎的各類無源元器件，是實現整機小型化、微型化的主要瓶頸。因此，小型化、微型化是目前元器件研究開發的一個重要目標，市場需求也非常旺盛，表現出強勁的增長態勢。從技術方面看，MLCC正向著微型化、介質薄層化、大容量、高可靠和電極賤金屬化（低成本）的方向發展。其他功能陶瓷元器件也正向著片式化和微型化方向發展，如多層壓電陶瓷變壓器、片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻等，這些片式化功能陶瓷元器件占據了當前電子陶瓷無源元器件的主要市場。

5.2 集成化與模塊化

當前，手機和筆記本電腦進一步向便捷化、多功能化、全數字化和高集成化及低成本方向發展，極大地推動了電子元器件的片式化、小型化和低成本及器件組合化、功能集成化的發展進程。以手機為例，目前每個手機中約有250～300個無源電子元件。因此，無源電子元件的小型化對手機產品的輕便化起決定性作用，這一需求極大地推動了無源電子陶瓷片式元件的小型化、集成化進程。為減小整機的尺寸，采用多元復合、集成化無源元件，提高安裝密度，將是一種最有效的途徑。因此，多層復合功能陶瓷及元器件正由分離式元件向復合化多元組件發展，并最終向無源器件的集成化趨勢發展。集成化功能陶瓷元器件是以低溫共燒陶瓷（LTCC）為平臺，采用多層陶瓷技術將電容、電感和電阻材料嵌入集成在低溫共燒陶瓷基板中，形成無源集成陶瓷器件。目前，基于LTCC技術的功能陶瓷集成器件已開始應用于移動通信終端設備中，如片式多層LC濾波器、片式微帶濾波器、多層天線等已開始在手機中獲得應用，而一些功能集成模塊如收發前端模塊、功率模塊和藍牙模塊等也已開發成功，并將在3G手機中得到推廣應用。電子信息技術的集成化，微型化和智能化，推動電子元器件在組裝和運用方式上產生了新的變化，即插裝向表面組裝、模擬化向數字化、固定式向移動式、分離式向集成化轉變。因此，功能陶瓷元器件的多層化、多層元件片式化、片式元件集成化和多功能化成為發展的主流。片式電容、片式電感和片式電阻是應用最為廣泛三大無源元件，已經發展為規模化的產業群。其他功能各異的片式電子元件如片式驅動器、片式變壓群、片式天線、片式傳感器及片式換能器等發展也十分迅速。

5.3 高頻化與頻率系列化

移動通信和遠距離通信技術的快速發展，對微波陶瓷介質材料及其微波諧振器，微波濾波器、微波電容器等提出了廣闊的市場需求。高頻化是數字3C產品發展的必然趨勢。以模擬信號為主要特征的第一代移動通信所用的頻段在800～900 MHz之間，以數字信號為主要特征的第二代移動通信所用的頻段則在900 MHz和1.8 GHz左右，目前正在研究的第三代移動通信系統的頻率則在2 GHz左右。壓電陶瓷在超聲和水聲換能器、濾波器和點火器等領域已獲得廣泛應用，隨著自動控制、機器人、空間技術、納米測量和控制技術的發展需求，壓電陶瓷微驅動器和超聲微馬達應運而生，與傳統的電磁馬達相比，它具有低轉速、大力矩、高分辨、快響應、抗磁干擾等諸多優點。對各類電子元器件中的陶瓷材料來說，如何適應高的工作頻率是一個嚴峻挑戰。因此，尋找具有良好高頻特性以及系列化工作頻率的功能陶瓷材料，是目前新型電子元器件領域的研究熱點，微波介質陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究課題。

5.4 無鉛化與環境協調性

壓電陶瓷均含有大量的鉛，制造過程會導致環境污染，為了減少污染，國內外科研人員開展了無鉛系壓電陶瓷的研究，與含鉛系壓電陶瓷材料相比、無鉛系壓電陶瓷的性能明顯不同于含鉛壓電陶瓷，如無鉛系壓電陶瓷的居里點約高出200～300 ℃，介電常數僅140～150，機械品質因數高達4000～7000。但無鉛壓電陶瓷的機電耦合系數等性能遠不如含鉛陶瓷，制造工藝難以控制，故無鉛壓電陶瓷僅在一些特定領域應用。隨著環境保護和人類社會可持續發展的需求，研發新型環境友好的鐵電壓電陶瓷已成為發達國家致力研發的熱點材料之一。2001年歐州議會通過了關于“電器和電子設備中限制有害物質”的法令，并定于2008年實施，其中被限制使用的物質就包括含鉛的壓電器件。作為重要的功能材料，壓電陶瓷在電子材料領域占據相當大的比重。近幾年來，壓電陶瓷在全球每年的銷售量按15%左右的速度增長。目前所用的壓電陶瓷材料大多是基于鋯鈦酸鉛的含鉛材料體系，發展非鉛系的環境協調性的壓電鐵電陶瓷是一項緊迫且具有重大實用意義的課題。

6 結語

面向21世紀我國信息產業的高速發展，為建立具有自主知識產權的新型工業技術產業體系，必須大力加強信息功能陶瓷及元器件的創新性研究和開發工作，整體提升我國材料產業的技術創新能力和國際競爭力。從材料角度而言，實現小型化、微型化的基礎在于提高陶瓷材料的性能和發展陶瓷納米晶技術和相關工藝。因此，發展高性能功能陶瓷材料及其先進制備技術是功能陶瓷的重要研究課題。實現陶瓷集成的關鍵在于發展性能優異的低溫共燒陶瓷材料，以及先進的異質材料共燒技術，這已成為當前信息功能陶瓷領域重要的研究方向。

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