新型元器件用材料现状及展望

重庆三峡学院新型器件与先进工艺（课程论文）学号：201107014336专业：电子信息工程姓名：胡腾2014年6月一、新型元器件用材料发展状况（一）电子陶瓷材料电子陶瓷是特种陶瓷材料中的一种重要类型。特种陶瓷材料是相对于传统陶瓷而言的，是20世纪70年代后期才逐渐兴起的高新技术。随着汽车工业、航空航天事业、电子信息技术、环保节能技术、生物工程、建筑科技的飞速发展，特种陶瓷也得到了长足的发展，并在这些领域得到了广泛的应用。其中的电子陶瓷是电子工业、微电子及光电子工业中制备基础元件的关键，其市场需求量大，产业化前景广阔，是一类广泛应用于电子信息领域中的重要的高技术新材料。2004年世界电子陶瓷陶瓷的用量约2万吨。2004年中国陶瓷基片和陶瓷产量是：陶瓷基片约17～20万平方米；圆片陶瓷电容器和多层陶瓷电容器用陶瓷分别为500吨和200吨；热敏电阻和压敏电阻用陶瓷分别为450吨和320吨；压电频率元件用瓷料约650吨。上述陶瓷基片和各种瓷料只能满足国内需求量的60%左右。预计2005年，中国陶瓷基片的需求量约30万平方米，各种功能陶瓷的需求量总计5300吨。美国电子陶瓷材料的市场销售额，2000年为54.7亿美元，到2005年预计增长到72.36亿美元，年平均增长率为5.8％。从市场份额分析，电子陶瓷占据了超过60％的先进陶瓷市场份额。2000年，电子陶瓷的市场份额为64.7％，到2005年，预计市场份额基本保持不变。电子陶瓷包括绝缘陶瓷和导电陶瓷，导电陶瓷包括超导、导体以及半导体陶瓷，其中既有离子导电陶瓷，也有电子导电陶瓷。此外，还有不完全独立于上述任何一种的磁性陶瓷和光学陶瓷。随着现代通讯、计算机、微电子、光电子、机器人制造、生物工程以及核技术等高科技的飞速发展，对电子陶瓷元器件的要求也愈来愈高，高性能复合型电子陶瓷材料的研究开发引起了世界各工业先进国家的高度重视。。国外电子陶瓷材料发展具有综合领先水平的是日本、美国等发达国家。日本在电子陶瓷材料领域中一直以全列化、产量最大、应用领域最广、综合性能最优，处在世界领先地位。中国电子陶瓷材料及器件的生产企业在技术水平、产品品种和生产规模上与国外相比有较大差距。电子陶瓷材料的发展始于20世纪初期，经历了电介质陶瓷——压电铁电陶瓷——半导体陶瓷——快离子导体陶瓷——高温超导陶瓷——高性能复合型电子陶瓷的发展过程，近十年来，随着微电子技术、光电子技术、信息技术等高新技术的发展以及高纯超微粉体技术、厚膜与薄膜技术的进一步完善，电子陶瓷材料体系围绕新材料的探索、传统电子陶瓷材料的改性、材料与器件的一体化研究与应用等方面开展了广泛的研究,成为材料科学工作者十分活跃的研究领域，也为信息时代的蓬勃发展奠定了良好的基础。现代科学技术的加速发展对电子陶瓷材料提出了严峻的挑战，也为这一领域的研究和发展创造了机会，在市场信息的引导下，传统电子陶瓷材料的改性研究和新型电子陶瓷材料的研发正在不断崛起，日益显示出广阔的市场前景和强大的经济效益，下面主要讨论这两方面的问题。1、传统电子陶瓷发展动向传统电子陶瓷材料在电子工业、微电子工业等领域中已经获得了广泛的应用，为高科技发展和国民经济繁荣做出了卓越的贡献。目前这类材料的研究领域主要是利用先进的材料制备技术来进一步改善性能。1.1、敏感电子陶瓷21世纪称之为信息时代,信息的获取和传递主要依赖于传感器(敏感元件)，敏感电子陶瓷在各类敏感元件中占有十分重要的地位，主要有热敏陶瓷、压敏陶瓷和压电陶瓷等。（1）热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性等性质随温度发生明显变化的材料，主要用于制造温度传感器，线路温度补偿及稳频元件。根据热敏陶瓷的电阻—温度特性可以分为三大类：正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）。现在普遍认为，陶瓷热敏电阻型和单晶半导体型热敏传感器是最有市场、最有潜能和最具发展前景的产品。在热敏电阻传感器中，NTC热敏传感器是较有前途的一种。该产品由日本企业最先进行实用化研究和规模化生产，日、韩等企业不仅一度垄断了国内市场，而且主导了产品技术性能及测试标准，设置了较高的技术门槛。国际上，美国VISHAY、德国EPCOS、日本村田、TDK、HDK（北陆）、ISHIZUKA(石冢)、SHIBAURA(芝浦)、MITSUBISHI（三菱）等公司的新型热敏功能陶瓷材料及器件的年总产值约占世界总量的60～80%，其产品虽然质量好，但价格太高。国外热敏电阻器正在向高性能、高可靠、高精度、片式化和规模化方向发展。如消磁电路用PTC适应高亮度、大屏幕彩电、彩显需要，正向高电压、低电阻（2.2Ω）方向发展；马达启动用PTC正向长寿命(开关500000万次)方向发展，主要生产厂有日本村田、德国EPCOS、美国VISHAY等。片式热敏电阻器日本村田和日本三菱等已规模生产，片式NTC和片式PTC最小尺寸已达0402、0201。（2）压敏陶瓷所谓压敏陶瓷材料，是指在金属氧化物如ZnO中添加适量其它金属氧化物，如Bi2O3、Co2O3、MnO2、Sb2O3等材料所配制成的功能陶瓷材料。压敏陶瓷的特性是对外加电压变化非常敏感。目前，压敏陶瓷主要有ZnO、SiC、TiO2、SrTiO3四大类。随着市场的需求，由单一压敏性能的ZnO压敏陶瓷、SiC压敏陶发展到具有电容性和压敏性的双功能电子元器件(主要是TiO2和SrTiO3系列电容—压敏电阻器)。ZnO压敏瓷料的缺点是介电常数低，固有电容小，因此对于低于压敏电压的浪涌，瓷料基本上没有吸取作用；而且介质损耗高达5～10％。以SrTiO3为主成分的压敏瓷料既有压敏电阻器的特性，又有电容器的特性，已广泛应用于保护微型计算机、集成电路和大规模集成电路等半导体器件中。压敏陶瓷的多功能化是新形式下迎合市场的需要而发展起来的，基于压敏性和热敏性的半导体复合元件能起到抑制过电压和过电流的双重保护作用。近些年来还出现了SnO2和WO3压敏陶瓷，但由于存在致密度低、非线性系数较小等缺点而没有更深入地研究。压敏陶瓷材料的关键技术有三方面。第一，对原材料进行二次加工，即对原材料进行二次提纯，改变颗粒尺寸、分散度和化学计量比等。二次提纯的目的不是把所有杂质全部剔除，而是使杂质含量能够控制在可利用的范围内，并且使原料的颗粒度限制在受控的范围内。第二，进行科学的配方控制。在原材料处于受控状态之后，科学的配方体系就成为影响产品性能的最大关键。第三，用先进的工艺制作压敏瓷料。目前国际上对陶瓷粉体材料的制备研究得很多，提出“粉体材料制备科学技术”，开始从原子、离子和分子级水平出发，采用液相或气相等新的合成方法，制备具有优良成型和优良烧结特性的瓷料制备的现代化大生产的方法。压敏陶瓷的制备工艺开始由传统的电子陶瓷工艺发展到溶胶—凝胶复合工艺，产品形式也由通用型向叠层片式元件转化。压敏陶瓷的发展方向逐渐向两端发展：在高压领域中研制高能ZnO压敏电阻器，在中低压领域中开发SrTiO3/TiO2系列压敏电阻元件。（3）压电陶瓷压电陶瓷是具有压电效应的一种先进功能陶瓷。所谓“压电效应”是指：某些电介质材料由于结晶体的特殊结构，当受到机械力作用而发生形变时，引起物件的相对两表面产生异种电荷，且电荷密度与应力成正比，此现象称之为“正压电效应”；反之，在这种材料上施加电场时，引起物件发生机械变形，若施加交变电场，材料则随电场频率作伸缩振动，且形变量（或振幅）与施加的电场强度成正比，此称为“电致伸缩效应（或称逆压电效应）”，二者统称为“压电效应”。可见，压电陶瓷具有实现“机械能”与“电能”相互转换的功能。1.2、快离子导体陶瓷快离子导体陶瓷是指在一定条件（温度，压力）下具有电子电导或离子电导特性的固态离子导体陶瓷，又称为电解质陶瓷。其离子电导率可达10-1～10-2S/cm（比经典离子导体，如碱金属卤化物，高十几个数量级），活化能低至0.1～0.2eV。由于离子导体在传输电荷的同时还伴随有物质的迁移,这使他们具有不同于电子导体的特殊用途。20世纪以来，人们对快离子导体的研究，一方面是对已发现的快离子导体进行深入的性能和应用研究,并进一步探索新的快离子导体；另一方面对快离子导体的导电机制，包括从晶体结构、离子传导机理及传导动力学等角度进行广泛的探索。快离子导体陶瓷的应用领域主要体现在以下两个方面：一是用作各种电池的隔膜材料；二是用作固体电子器件。目前比较活跃的研究领域主要包括：高温燃料电池、新能源材料、氧传感器(氧分析器)、锂电池以及电化学器件等。1.3、精细复合陶瓷精细复合电子陶瓷是指在微米至纳米级度上进行复合，以获得优良功能效应的新型材料，是20世纪80年代以来材料科学领域中探索性较强的重要发展前沿之一。精细复合电子陶瓷的出现，与低维材料的发展息息相关，主要是利用热力学尺寸效应和量子效应使材料的性能发生显著变化，以及在结构中出现的界面效应和耦合效应所具有的新现象而获得某些特殊的性能和应用。1.4、高温超导陶瓷在超导材料的研究与开发中，高Tc始终是材料科学工作者追求的首要目标，20世纪掀起的“高温超导热”是伴随着高临界温度超导氧化物陶瓷的出现而逐步升华。高温超导陶瓷目前已经发现了钇系、铋系、铊系和汞系四大类，约100余种高温超导陶瓷。进入20世纪90年代以后,高温超导的研究重心开始向实用化转移，主要体现在高温超导粉体、块材、薄膜的合成方法和加工工艺方面以及开发高温超导陶瓷在弱电和强电领域中的应用。高温超导陶瓷的薄膜化将对微波通信领域产生影响。由于其超低损耗特性，可考虑用其制作滤波器、谐振器等电子元件。目前正在对一些更先进的应用作试验，如移动通信基站的多路调制器、多普勒雷达以及相阵列雷达系统。高温超导陶瓷的应用还包括复合材料，诸如集成的HTS/铁电结构（用于可调微波滤波器）、基于高温陶瓷超导体薄膜的超导量子干涉装置(SQUIDS)及相关设备，用于无损探伤(NDE)的SQUIDS磁场探测器已经接近市场化。高温超导陶瓷已成为先进陶瓷中最耀眼的明星，它是一种混合氧化物，包括稀土和铜的氧化物。虽然它的市场份额在2000年还不到1%，但在5年间，它的年平均增长速度将高达20％，在微波滤波器和共鸣器中将得到广泛的使用。2、高性能复合电子陶瓷发展动态目前，高性能复合型电子陶瓷材料的发展主要出现两种倾向：块体产品从具体成分到材料体系方面的进步，以及把电子陶瓷的功能整合为微电子和微电子机械系统（MEMS）技术的转变.近年来，电子陶瓷的研究与开发围绕这两个主题而逐步展开。2.1、高频及微波用陶瓷微波通信的发展是伴随着厚膜或薄膜技术的进步而扩展的，目前已引起了集成装置和含有电子陶瓷钝化元素的多组元组件的加速发展。低温共烧陶瓷（LTCC）是一个尺寸缩小的例子，由于近来信息技术的进步，LTCC在RF或微波通信中获得了更多的应用。感应器、电容器、电阻器及其它钝化组元一并被嵌入在片层之间，这些先进的电子元件含有不同成分的共烧层，其成分既有低介电常数也有高介电常数，其发展正是适应了市场的需要，并进一步得到完善。新一代微波介质陶瓷材料的研究开发主要围绕两大方向展开：一是追求超低损耗的极限；二是探索更高介电常数(100，乃至150)的新材料体系。2.2、新型电子陶瓷灵敏元件基于电子陶瓷的灵敏元件和传感器长期以来都是众所周知并得到广泛应用的电子元器件，其卓越的性能与低价格使其应用迅速扩大。近些年来，在电子陶瓷中引入了以硅为基的能产生新功能的微电子机械系统（MEMS），它有重要的利益就是经济方面：因这种技术可批量生产，故降低了价格，便于市场的推广。MEMS的应用提高了许多电子元器件的质量，如更高的灵敏度，更好的再造性和更快的响应速度，还有更低的功耗等优势。目前，压电微装置已经被广泛使用，如微传感器(主要包括超声波微马达、微型泵、微型滤波器等)、压力灵敏元件、加速传感器等。压电微装置比较活跃的研究领域主要体现在超声高频电子元器件、医学元件和高频水听器等方面。MEMS在陶瓷化学灵敏元件上，已经引起了实质性的进步，基于如SnO2等半导体陶瓷的灵敏元件展示了巨大的市场潜力。这