新闻资讯
浅谈电子陶瓷发展现状与趋势
2017.11.06

王小芳

摘 要:本文较系统地介绍了电子陶瓷材料的发展与现状,详细介绍了当前电子陶瓷的研究热点和发展前景。

关健词:电子陶瓷;材料;发展前景

1 引言

电子陶瓷是广泛应用于电子信息领域中的具有独特的电学、光学、磁学等性质的一类新型陶瓷材料,它是光电子工业、微电子及电子工业制备中的基础元件,是国际上竞争激烈的高技术新材料。

电子陶瓷可分为绝缘陶瓷、导电陶瓷、光学陶瓷和磁性陶瓷四大类。随着现代通讯、光电子、微电子、生物工程、智能制造和核技术等高科技的快速发展,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越发引起了世界工业先进国家的重视。

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新的机会。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使用受到重视,日益显示出广阔的市场前景和强大的经济效益。

2 电子陶瓷发展动向

从20世纪初期开始,电子陶瓷材料的发展过程经历了由介电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、快离子导体陶瓷、高温超导陶瓷到高性能复合型电子陶瓷的一个转变。近年来,随着厚膜、薄膜技术以及高纯超微粉体技术的研究突破以及探索信息技术、微电子技术、光电子技术等高新技术的发展,人们在电子陶瓷材料与器件的一体化研究与应用、传统材料的改性等方面都开展了广泛深入的研究,电子陶瓷已成为当前材料研究者关注的热点。

随着电子信息技术的高速发展,电子陶瓷材料由传统的消费类电子产品向数字化的信息产品比如计算机、数字化音视频设备和通信设备等应用领域转化。为了满足数字技术对陶瓷元器件提出的一些特殊要求,世界各国的研究机构及大学都在功能陶瓷新材料、新产品、新工艺方面投入大量资金进行研究开发。其中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。

2.1 技术集成化

在原有工艺的基础上,电子陶瓷材料制备技术的开发也结合了现代新型工艺的复合工艺。其中,多种技术的集成化是电子陶瓷材料制备技术的新发展趋势,比如纳米陶瓷制備技术及纳米级陶瓷原料、快速成形及烧结技术、湿化学合成技术等都为开发高性能电子陶瓷材料打下了基础。随着多功能化、高集成化、全数字化和低成本方向发展,很大程度上推动了电子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件组合化的发展进程。

2.2 功能复合化

在激烈的信息市场的竞争中,单一性能的电子陶瓷器件逐渐失去了竞争力,利用陶瓷、半导体及金属结合起来的复合电子陶瓷是开发各种电子元器件的基础,它是发展智能材料和机敏材料的有效途径,同时也为器件与材料的一体化提供重要的技术支持。

2.3 结构微型化

目前,电子陶瓷材料与微观领域的联系不断深入,其研究范围也正在延伸。基于电子陶瓷的微型化和高性能正在不断出现,比如在微型化技术和陶瓷的薄膜化的联合运用以生产用于信息控制的高效微装置,电子陶瓷机构和装置尺寸减小的趋势是得益于微型化技术发展而出现的。目前元器件研究开发的一个重要目标是微型化、小型化,其市场需求也非常大;片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无元器件的主要市场;比如片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻、多层压电陶瓷变压器等。要实现小型化、微型化的话,从材料角度而言,在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米技术和相关工艺,所以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。

2.4环保无害化

近年来,随着人类社会的可持续发展以及环境保护的需求,发达国家致力研发的热点材料之一就是新型环境友好的电子陶瓷。作为重要的功能材料,被广泛应用于微机电系统和信息领域的新型压电陶瓷,比如多层压电变压器、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器件也不断被研制出来。

3 电子陶瓷应用前景

3.1电绝缘陶瓷的应用前景

电绝缘陶瓷因具备导热性良好、电导率低、介电常数小、介电损耗低、机械强度高、化学稳定性好等特性,被广泛应用于金属熔液的浴槽、熔融盐类容器、封装材料、集成电路基板、电解槽衬里、金属基复合材料增强体、主动装甲材料、散热片以及高温炉的发热件中。

在电子、电力工业中,绝缘陶瓷比如电力设备的绝缘子、绝缘衬套、电阻基体、线圈框架、电子管功率管的管座及集成电路基片等主要是用于电器件的安装、保护、支撑、绝缘、连接和隔离。

由于陶瓷的绝缘性主要由晶界相决定,为了提高绝缘性,应尽量避免碱金属氧化物的存在,而且玻璃相应尽量是硼玻璃、铝硅玻璃或硅玻璃。一般来说,陶瓷内部气孔对绝缘性影响不大,但陶瓷表面的气孔会因被污染或吸附水而使表面绝缘性变差,所以绝缘陶瓷应选择无吸水性,气孔少的致密材料。

3.2介电陶瓷的应用前景

介电陶瓷因具有高强度、介电损耗低、耐热性、稳定性等特点,目前被广泛应用于集成电路基板的制造材料。比如氧化铍、氧化铝、氮化铝及碳化硅等可普遍作为集成电路基板的陶瓷材料,其中氧化铍因制造工艺复杂、毒性大及成本高等原因限制了它的使用;而碳化硅的导热性虽然优于氧化铝,且通过热压方法制成的高性能基板,在200℃左右时其性能仍能满足实用要求,但由于热压烧结工艺复杂及添加剂有毒,也限制了它的发展;氮化铝的其他电性能虽然和氧化铝陶瓷大致相当,但其热传导率却是氧化铝瓷的10倍左右,所以极有可能成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。

3.3压电陶瓷的应用前景

自1942年,钛酸钡作为第一个陶瓷型压电材料诞生以来,压电陶瓷的应用产品已遍及大众生活的诸多方面。比如压电打火机、煤气灶打火、炮弹引爆装置等就是利用压电陶瓷将外力转换为电能的特性制造。压电陶瓷作为敏感材料时,制作出来的压电地震仪,可以对人类不能感知的细微振动进行监测,从而有效预测地震,减少损失。利用压电效应制作的压电驱动器是微电子、精密机械和生物工程等领域的重要器件。当压电陶瓷用作超声波发射器时,可用于海洋探测、水中导航、超声清洗、医学成像以及固体探伤、超声疾病治疗等方面。利用压电陶瓷蜂鸣器、超声显微镜、压电换能器、压电点火器等可用来作遥测和遥控系统。此外,压电陶瓷还在精密仪器、自动控制航天航空、办公自动化、微型机械系统、精密定位等领域应用广泛。

3.4半导体陶瓷的应用前景

半导体陶瓷品种繁多,比如热敏、湿敏、气敏、压敏及光敏电阻器等。其中热敏电阻元件被广泛应用于工业电子设备及家用电器产品中。比如用于汽车冷启动的PTC加热片,可提高冷启动速度和降低汽车尾气排放,在彩电消瓷器、机调器、节能灯、空暖风等家用电器中,PTC热敏陶瓷也有着广泛应用;气敏陶瓷则主要用于肉类的鲜度鉴定和酒类识别;而湿敏陶瓷传感器主要应用于食品加工、空调、轻纺等方面;压敏陶瓷主要在超导移能、高压稳压,无间隙避雷器等方面应用。除此之外,半导体陶瓷在航空航天、电子通信、仪器仪表、雷达等领域也有很重要的应用。

3.5快离子导体陶瓷的应用前景

由于快离子导体它的电荷载体是离子,具有在传输电荷的同时伴随离子迁移的特性,使它具有很多不同于电子导体的用途。例如在固体电子器件及各种电池的隔膜材料中的应用,其中已实用化的有常温一次电池、燃料电池、蓄电池、库仑计、气敏传感器、可变电阻器、电积分器,双层电容器等。

3.6高温超导陶瓷的应用前景

在交通运输、电力系统、环保医药、电子工程、高能核实验和热核聚变等方面,高温超导陶瓷都有着广泛的应用。比如电力系统方面,利用超导陶瓷的零电阻特性,可承担超导线圈、输配电、超导发电机等功能。在环保医药方面,可以利用超导体仪进行无害化处理、废水净化。在高能核实验和热核聚变方面,可利用超导体制造探测粒子运动径迹的仪器,也可利用超导体的强磁场使粒子加速获得高能粒子。在电子工程方面,可以制成超导、超导场效应晶管、超导量子干涉器、超导磁通量子器件等器件。此外,将高温超导应用于超高频可用作毫米波通信,将会使电视画面更清晰。

3.7高性能电子陶瓷材料的应用前景

作为尖端技术中不可缺少的新材料的一个组成部分的高性能电子陶瓷,它在航空航天、国防工业、能源、电子、机械、汽车、冶金、石油化工和纺织行业等各方面都有很大的应用前景。例如在石油化工行业需要大量的球阀、缸套等耐腐蚀耐磨的陶瓷部件,在纺织行业中需要大量的陶瓷剪刀、陶瓷轮等耐磨陶瓷件,在国防工业需要具有特殊性能的陶瓷材料,如耐照高温轻质隔热材料,防弹装甲陶瓷;在航空航天中,需要用的反射镜陶瓷材料,激光器用的聚光腔陶瓷材料等都屬于高性能陶瓷材料。可见,在高技术领域高性能陶瓷材料具有广泛且不可替代的作用,其发展速度也很惊人,每年以接近10倍的速度发展。

4 结语

品种繁多的电子陶瓷因性能各异,在光学、微电子、能源、生物、环保与节能、超导等很多领域得到应用。随着科技的发展,会对电子陶瓷材料的性能、形状、品种、精密度等方面,提出更高的要求,所以只有不断地开发与采用新的制备工艺,创造新的材料体系,才能更大的发挥电子陶瓷新材料在国民经济各个行业中的作用。

参考文献

[1] 于凌字,冯玉梅.新型电子陶瓷材料氮化铝工艺进展与应用前景[J].新材料产业.2003,2:31-33.

[2] 李婷. 高性能陶瓷材料的研究与应用[J]. 陶瓷, 2010(8):42-45.

[3] 范福康,吴红忠.电子陶瓷材料发展现状、展望与思考[J].电子元件与材料,2005(2):58-60.

[4] 毛剑波. 压电陶瓷换能器在超声波测距仪中的应用[J]. 合肥工业大学学报自然科学版, 2005, 28(6):696-698.

[5] 孙坤,雍歧龙,裴和中,等.高导热电绝缘陶瓷的研究方向及应用前景[J].昆明理工大学学报,2002,27(6):25-28.

[6] 范福康.特种陶瓷现状、展望与思考[J].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[J]. 陶瓷, 2007(5):24-27.

[8] 胡海泉,鄢春根,刘春福等.电子陶瓷最新研究动向和开发趋势[J]. 中国陶瓷,2003,39(5):34-38.

[9] 石成利,刘国.电子陶瓷材料的研究应用现状及其发展趋势[J].陶瓷,2008(3).

[10] 程仁志, 杨培霞, 程冬梅. 压电陶瓷的应用进展与发展趋势[J]. 河南教育学院学报(自然科学版), 2009, 18(3):17-19.

[11] 韩慧芳. 快离子导体陶瓷的制备与应用[J]. 陶瓷学报, 2004, 25(1):64-68.