新型电子陶瓷材料发展趋势

新型电子陶瓷材料发展趋势学院：国土资源工程学院专业：矿物加工工程学号：200710105147姓名：郭俊辉指导教师：戴惠新昆明理工大学2011年1月-1-新型电子陶瓷材料发展趋势摘要：概括了电子陶瓷材料的研究与应用现状，根据目前信息技术的发展状况详细介绍了主要电子陶瓷的发展趋势，指出了电子陶瓷材料研究动向和开发趋势。关键词：电子陶瓷材料发展趋势陶瓷工业新型陶瓷早已迈着大步进入了现代电子工业的许多领域,近十年来，电子陶瓷的研究和开发取得了长足发展，在不少领域有新的突破和应用，对电子陶瓷的发展趋势作一概括显然是很有意义的。进入新世纪以后，日本、美国等先进工业国纷纷瞄准“电子陶瓷”这一发展战略目标，制订了新的实施计划，例如：日本陶瓷协会在2002年3月份就制订了“面向21世纪的陶瓷研究开发”计划，其中“电子陶瓷”是重中之重。如何面对新世纪的挑战，面对激烈的世界竞争。立足于国内已加入“WTO”的现状和西部大开发战略的实施，就必须紧密跟踪国际“电子陶瓷最新研究动向和开发趋势”，不失时机地协同攻关抢占“电子陶瓷”科技的若干制高点，并使之产业化，才能在国际陶瓷科研和市场上占有应有的一席之地。电子陶瓷是指以电、磁、光、声、热、力、化学和生物等信息的检测、转换、耦合、传输及存储等功能为主要特征的陶瓷材料，主要包括铁电、压电、介电、半导体、超导和磁性陶瓷等。电子陶瓷作为其它材料不能取代的高技术陶瓷，以其独特的性能和日新月异的发展速度，广泛应用于各个领域。陶瓷在电子技术发展中的应用，经历了电话的萌芽时代、真空管时代、晶体管大规模集成电路时代，已成为其它材料无可比拟的具有良好电学、热学和机械性能的特殊材料。电子陶瓷工业是电子工业、航天、航空和核工业的基础之一，在高技术领域也异常活跃例如：某火箭，其中采用陶瓷材料制造的零部件占80％；一台彩电接收机，用陶瓷制造的材料约占75％。目前，我国已有众多电子陶瓷厂、研究所和设计院。电子陶瓷工业在我国已经形成了独立完整的工业体系。目前，已经投人批量生产的电子陶瓷有以下几类：a．高频绝缘零件瓷：主要用作高频绝缘支柱、绝缘板、绝缘管等各种绝缘子及紧固件。b．电阻基体和电感基体瓷：主要用作电阻器和电感器的基体。c．电真空瓷：主要用于真空电子器件中的绝缘、耐热、支承件、密封件、集成电路管壳和-2-基片等。d．电容器瓷：用于低频、高频、脉冲储能电路等。e．铁电陶瓷：它除用作大容量电容器外，还可制造各种敏感器件、光学器件、微位移发生器等。f_半导体瓷：用于制造敏感性元件和传感器。磐导电陶瓷：可作高温发热体、微波吸收材料、大功率电阻器等。h．压电陶瓷：它是一种将变化的力转换为电或将电转换为振动的功能陶瓷。i．磁性瓷：用于各种电声器件以及各种仪表和控制器件的磁芯等。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。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人中国市场，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。随着电子信息技术的高速发展，电子陶瓷材料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以信息技术为应用领域的功能陶瓷新材料、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（包括片式化）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。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。从材料角度而言，-3-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。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-4-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。我国电子陶瓷工业的发展趋势：1.原料生产专业化为便于质量控制和管理，实现大批量稳定生产、降低成本、原料生产的专业化非常必要。2.广泛深入的技术协作专业化生产必须与技术协作相结台才能发展，才能使原料、元器件、整机的生产适调。还应有相应的技术标准、规范和测量检测机构做保证，科技界与生产界联姻是电子陶瓷产业化的必然途径。3.科学文明的生产方式电子陶瓷的研究工作已经在高纯原料、超细粉体、高密度、结构化、超精密加工等方面为生产开辟了道路。因此，科学文明的生产方式是产品质量、生产高技术产品的保证。-5-4.新工艺、新设备的研究和应用我国已经引进了一批较先进的工艺和设备，并且得到推广应用，如流延成形、连续等静压、微机控制高温炉、片状化规格化元器件工艺等。先进技术和设备的应用，将促进我国电子陶瓷工业的快速发展和产品质量的提高。由此可见，电子陶瓷的品种繁多，性能各异，在光学、生物、微电子、能源、环保与节能、超导等多领域都能得到应用。信息技术的发展向功能陶瓷材料提出了一系列严峻的挑战，同时也为功能陶瓷的研究和发展提供了前所未有的机遇。面向21世纪我国3G产业的高速发展，为建立具有自主知识产权的新型信息高技术产业体系，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3G产业的技术创新能力和国际竞争力。随着科学技术的不断进步，会对电子陶瓷材料的品种、性能、形状、精密度等面，提出更加苛刻的要求，只有不断地开发与采用新的制备工艺与装备，创造新的材料体系，才能使电子陶瓷新材料在国民经济各个领域中发挥更大的作用。参考文献1邻昌琼，冉均国．新型无机材料．北京：科学出版社20032邹晨，占亮，安超，等．NTC陶瓷在热敏传感器中的应用．电子测量技术，2003(2)：48～49；2肖定全．赁敦敏，朱建国，等．新型无铅压电陶瓷的研制．电子元件与材料，2004，23(11)：l3～l5；3朱启发．电子陶瓷材料钛酸钡的水热合成方法研究．湘潭大学自然科学学报，2000，22(1)：50～53；4刘敏．王开毅，蔡洪宾．H2TiO3制取钛酸钡粉末的研究．铡铁钒钛．2000.2l(4)：23～27；5张土成，陈炳辰，韩跃新．热水溶液中钛酸锶晶粒的结晶过程．硅酸盐学报．200l、29(5)：447～450；6范福康．特种陶瓷现状、展望与思考．江苏陶瓷.2005，38(5)：l～4；7郝洪顺，付鹏，巩丽，等．电子封装陶瓷基片材料研究现状．全国性建材科技期刊一一陶瓷，2007(5)：24～26。