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电子陶瓷的发展趋势及应用

文章出处:http://www.jundro.cn/industry/374.html人气:79时间:2020-09-12

电子陶瓷按功能和用途可以分为:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和快离子陶瓷[2]。
1.1 绝缘装置瓷
绝缘装置瓷,具有优良的电绝缘性能,用于电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等[3]。
1.2 电容器陶瓷
电容器陶瓷是指用作电容器介质的电子陶瓷,这类陶瓷用量最大、规格品种也最多,主要有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。高频电容器瓷属于Ⅰ类电容器瓷,主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体[4]。
1.3 铁电/压电陶瓷
铁电陶瓷是以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷,已发现的铁电晶体不下千种,但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化,这就是晶体的铁电性。铁电陶瓷功能多、用途广,利用其压电特性可以制成压电器件,这是铁电陶瓷的主要应用,因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷[2]。
压电陶瓷在功能陶瓷范围中占有极其重要地位,常用的压电元件:传感器、驱动器、报警器、音响设备、医疗诊断设备等。压电陶瓷作为敏感材料时可制作压电地震仪,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、精密定位等领域具有广泛的应用[1]。
1.4 半导体陶瓷
半导体陶瓷是指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料,它与单晶半导体不同,存在大量晶界,晶粒的半导体化也是在烧成工艺过程中完成的。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[2]。半导体陶瓷除了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等由一种化合物构成的单相陶瓷以外,还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。
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,其中正温度系数热敏电阻材料(PTC)陶瓷应用领域十分广阔。PTC热敏陶瓷材料目前主要是钛酸钡,利用其特性可以作为自控型发热元件,还可用做对特定温度敏感的元件,以及延时开关、过流保护、测温等方面的元件;湿敏陶瓷由金属氧化物组成,如SnO2、ZrO2基等,湿度传感器在电子、食品、纺织工业及各种空调设备、集成电路内非破坏性湿度检测等场合应用十分广泛;压敏陶瓷是一类应用极为广泛的敏感材料,主要应用在主要在超导移能、高压稳压,无间隙避雷器等方面[1]。
1.5 快离子陶瓷
快离子陶瓷即快离子导电的电子陶瓷,具有快速传递正离子的特性,其典型代表是β-Al2O3,它具有很多不同于电子导体的用途[3]。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。


02
电子陶瓷材料及其元器件
2.1 高压陶瓷
超、特高压交直流用棒形支柱绝缘子和瓷套(空心绝缘子)是超、特高压交直流电网输变电用的关键元件[5]。国外棒瓷生产企业主要有日本特殊陶业株式会社(NGK)和美国拉普公司,瓷套生产企业主要是NGK和美国PPC公司。国内棒瓷生产企业有唐山电瓷、抚顺高科、西安电瓷研究所、中瓷高新等,瓷套生产企业有华鑫电瓷、抚顺高科和西安电瓷等。
2.2 光纤陶瓷插芯
光纤陶瓷插芯是光纤连接器的核心部件,广泛应用于通信、局域网、光纤到户、高质量视频传输、光纤传感、测试仪器仪表等[5]。全球主要光纤陶瓷插芯生产企业有中三环集团、深圳太辰光通信、京瓷、日本Adamant,韩国大源以及中国台湾富士康等。
2.3 燃料电池隔膜板
燃料电池隔膜板是固体氧化物燃料电池的核心部件,其主要作用是在阴极与阳极之间传递氧离子和对燃料及氧化剂进行有效隔离[5]。其代表企业是美国Bloom和中国的三环集团。
2.4 MLCC电容器
片式多层陶瓷电容器(MLCC)是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),从而形成一个类似独石的结构体,故也叫独石电容器。MLCC是电容器市场中最为主流的产品,是全球市场占有率最高的电容器产品。目前全球主要的MLCC生产国包括日本、韩国、美国和中国。日本的主要生产企业有村田、京瓷、太阳诱电以及电气化学TDK等。国内MLCC陶瓷电容器生产企业主要是风华高科、三环集团、深圳宇阳科技等。
2.5 微波介质陶瓷
微波介质陶瓷,是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料。微波介质陶瓷作为一种新型电子材料,具有高介电常数、低介电损耗、温度系数小等优良性能,在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质导波回路等,广泛应用于微波技术的许多领域,如移动电话、汽车电话、无绳电话、电视卫星接收器、卫星广播、雷达、无线电遥控[6]。微波陶瓷材料和器件的主要生产企业有日本村田公司、德国EPCOS公司、美Trans-Tech公司等[5]。
03
电子陶瓷的产业概况
近年来,我国电子陶瓷市场规模稳定增长,2015年我国电子陶瓷行业市场规模约397亿元,2019年市场规模约为641亿元。全球电子陶瓷市场主要参与者包括村田、京瓷、德山化工、住友化学、Sakai化学、Ferro、NCI、富士钛、共立、东邦、TDK、Coorstek、罗杰斯、CeramTec等。从市场格局来看,电子陶瓷一些核心技术掌握在欧美、日韩厂商中,其中,日本在电子陶瓷材料领域中一直以门类最多、产量最大、应用领域最广、综合性能最优著称,占据了世界电子陶瓷市场50%的份额。美国电子陶瓷约占全球市场份额的30%,虽然美国先进陶瓷技术居全球前位,但是其产业发展进程慢于日本。欧洲电子陶瓷约占全球份额的10%。
在先进陶瓷工艺中,粉体制备是最核心的技术之一。高纯、超细、高性能陶瓷粉体制造技术是制约我国先进电子陶瓷产业发展的主要瓶颈。全球约65%的电子陶瓷粉被日本企业垄断,日本Sakai是全球最大的电子陶瓷粉体材料生产商,全球市场份额约28%,其次是美国Ferro及日本化学NCI,分别占比约28%、14%。
国瓷材料、日本FujiTi、日本共立、日本东邦分别占10%,9%,8%和6%左右。
04
电子陶瓷的应用前景
4.1 3C电子领域
近年来,集计算机、通信、消费类电子于一体的数字3C产品得到了快速的发展。3C产业的高速发展,极大的推动着电子基础产品和元器件的同步协调发展,也对电子元器件的基础材料——信息功能陶瓷提供了良好的发展机遇。
在3C电子领域,电子陶瓷主要应用于手机及智能手表的穿戴。现今,我国已经进入5G全面建设阶段,5G手机将迅速普及,预计2019-2023年全球5G手机渗透率由0.9%增长至51.4%;同时,智能穿戴市场兴起,预计2020-2022年中国可穿戴设备出货量由8847万台增长至11380万台,市场规模由473亿元增长至607亿元。
4.2 5G基站领域
陶瓷插芯的主要应用领域为光纤连接器(72%)、其他光无源器件(25%)、光有源器件(3%)。与其他光纤插芯材质如氧化铝、玻璃、模塑等相比,光纤陶瓷插芯与石英光纤热匹配性更好,理化性能更稳定,因此成为主流材质。光纤陶瓷插芯主要应用领域包括基站建设、光纤到户、IDC搭建等。
微波介质陶瓷滤波器具有高Q值,低插损,高介电,小尺寸、轻量化和低成本的优势,有望成为5G基站主流解决方案。随着5G商用的推进,5G基站建设也将迎来建设高峰,据预测,5G基站数目将是4G基站的1.5倍,这一领域的需求将迅速带动光纤陶瓷插芯、陶瓷介质滤波器的市场增长。


5G陶瓷介质滤波器


电子陶瓷的发展趋势
5.1 器件微型化
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[7]。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。
5.2 技术集成化
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,比如纳米陶瓷制备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]。
5.3 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[1]。
5.4 产品高频化
移动通信和远距离通信技术的快速发展,对微波陶瓷介质材料及其微波谐振器,微波滤波器、微波电容器等提出了广阔的市场需求,高频化是数字3C产品发展的必然趋势[7]。
5.5 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[1]。例如,压电陶瓷均含有大量的铅,制造过程会导致环境污染,为了减少污染,国内外科研人员开展了无铅系压电陶瓷的研究。

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