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    新型电子陶瓷材料发展趋势
    发布日期:2014-06-27 来源: 作者:阅读:904次

    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。电子陶瓷在信息的检测、转化、处理和存储显示中应用广泛,是信息技术中基础元器件的关键材料,对发展电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。
    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(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。以片式电容器为例,2004年多层陶瓷电容器(MLCC)的全球市场已达8000亿只,并且以每年20%的速度递增,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*和电极*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。

    由此可见,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3C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3C产业的技术创新能力和 国际竞争力。